華山花崗巖熱力損傷特性及機理研究

何愛林， 王志亮， 畢程程

(合肥工業(yè)大學 土木與水利工程學院， 安徽 合肥 230009)

巖石是由天然的、具有穩(wěn)定外形的固態(tài)礦物或巖屑在地質(zhì)作用下按一定規(guī)律聚集而成的自然體，其類型、組成、圍壓、溫度、應(yīng)變率與含水量等都會影響巖石的物理力學性質(zhì)。溫度是影響巖石力學性能的主要因素之一，確保巖體工程在高溫作用下的穩(wěn)定與安全十分重要，例如煤與油頁巖的現(xiàn)場氣化、遭受火災(zāi)后的隧道工程修復、石油天然氣的地下開采和儲存等都需要考慮溫度的影響[1]。為了更好地對巖體工程進行設(shè)計，需要明確巖石的物理力學性質(zhì)隨溫度升高而產(chǎn)生的變化。

前人研究指出當溫度高于閾值后，內(nèi)部礦物會脫水或發(fā)生相變，微裂紋端部會產(chǎn)生水堆積和水解作用及其他物理化學反應(yīng)，微裂紋快速擴展，使巖石內(nèi)孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)生改變[2-3]。近年來，國內(nèi)外學者在研究巖石熱力學特性方面成果頗豐：朱合華等[4]對高溫前、后熔結(jié)凝灰?guī)r、花崗巖及流紋狀凝灰角礫巖這3種巖石進行了單軸壓縮試驗，分析了高溫后3種巖石的強度和變形特性；劉洋等[5]在搜集國內(nèi)外相關(guān)文獻資料的基礎(chǔ)上，從超聲波速、聲衰減系數(shù)、頻率、頻譜、尾波等幾個方面對巖石聲學參數(shù)與應(yīng)力相關(guān)性的研究現(xiàn)狀進行了詳細闡述；左建平等[6]通過大量試驗實時在線觀察，研究了不同溫度作用下細觀尺度砂巖的熱開裂現(xiàn)象；倪驍慧等[7]通過單軸壓縮試驗和細觀損傷特征量試驗，對經(jīng)歷 20，100，300，450和600 ℃共5種溫度循環(huán)作用后的四川錦屏大理巖試樣的宏觀力學性質(zhì)及相應(yīng)的細觀損傷特征進行了研究；支樂鵬等[8]采用非金屬超聲檢測分析儀和液壓伺服試驗系統(tǒng)裝置，測試了高溫后花崗巖的超聲波特性，分析了花崗巖的熱力學性能；Zhang等[9]研究了不同溫度下巖石內(nèi)部水的逸出條件和物理力學性質(zhì)的變化；Tiskatine等[10]通過試驗得出石英和方解石是控制巖石物理力學性質(zhì)的主要礦物，花崗巖裂紋的產(chǎn)生是大晶體石英熱膨脹導致的；Zhu等[11]研究了帶裂隙的砂巖高溫后物理力學特性，指出隨溫度升高砂巖體積膨脹、密度減小，其破壞模式不但受溫度影響很大，而且還與內(nèi)部裂隙的傾角有關(guān)。

首先把制備好的花崗巖試樣分別加熱到100，300，500，700和900 ℃，自然冷卻至室溫后進行超聲波檢測，通過分析超聲波波速與波形的變化規(guī)律來研究巖石的熱力損傷特性。接著，利用Logistic函數(shù)模型來擬合熱力損傷與溫度間關(guān)系，揭示其在表征花崗巖熱損傷規(guī)律方面的適用性和可行性。最后，借助掃描電鏡，從細觀角度上探究巖石溫度損傷機理，并將花崗巖隨溫度變化產(chǎn)生的裂紋大體分為晶間裂紋、穿晶裂紋和宏觀分岔裂隙。

1 溫度損傷試驗過程

1.1 原材料與試樣加工

試驗采用的花崗巖石材取自陜西華山，呈灰白色塊狀構(gòu)造，為粗粒黑云母花崗巖。該花崗巖的密度為2 600 kg/m3，吸水率為0.57%，平均彈性模量和單軸抗壓強度分別約為50 GPa和138 MPa。其礦物成分主要有微斜長石(40%)、斜長石(25%)、石英(20%)和黑云母(8%)等。試樣尺寸為Φ50×100 mm，試件兩端面的不平整度不大于0.05 mm，試件高度上誤差不大于0.3 mm。

1.2 加熱爐與測試設(shè)備

試驗采用SX2-4-10箱式電阻爐對花崗巖試樣進行加熱，該設(shè)備采用硅炭棒元件加熱和高性能纖維保溫，可以實現(xiàn)自動升溫和控溫，最高設(shè)計溫度為1 000 ℃。試驗中溫度設(shè)置為20，100，300，500，700和900 ℃共 6個溫度等級，每組3個試樣。以10 ℃/min 的速度加熱至預設(shè)溫度后，恒溫2 h，然后在爐膛中自然冷卻至室溫，最后得到不同加熱溫度后的花崗巖試樣。

所有花崗巖試樣在加熱前均進行質(zhì)量和尺寸量測，然后采用中巖科技有限公司生產(chǎn)的 RSM-SYS5超聲檢測分析儀對經(jīng)歷不同溫度后的巖樣進行超聲縱波檢測。平面超聲換能器主頻為50 kHz，脈寬為20 μs，采樣精度設(shè)為0.1 μs?？v波測試時采用凡士林作為耦合劑，消除探頭與巖樣間的空氣，并壓緊換能器，使換能器與巖體間的耦合層減至最薄，收到的訊號能量增大。

1.3 不同溫升后巖樣形態(tài)

花崗巖試樣經(jīng)歷不同溫度后的外觀形態(tài)見圖1，常溫下為灰白色，云母黑點密集分布；隨溫度升高，試樣色調(diào)變暖。如25～300 ℃試樣從灰白色變到淡黃色；當溫度升高到500 ℃時，試樣內(nèi)部化學成分發(fā)生變化，點狀黑云母分布變得稀少；500～900 ℃試樣總體呈暖色調(diào)，體積略有增長、脆性增強，升溫至700 ℃后試樣表面開裂且有碎屑掉落，能感覺到花崗巖內(nèi)部結(jié)構(gòu)已嚴重破壞。

圖1 不同溫度作用后巖樣照片F(xiàn)ig.1 Photos of samples under different temperatures

2 花崗巖熱損傷宏觀響應(yīng)分析

2.1 超聲波速與溫度關(guān)系

巖體聲波測試是以聲波在巖體中的傳播特性與巖體物理力學參數(shù)的相關(guān)性為基礎(chǔ)。研究表明，巖體彈性波速與巖體的密度和完整性有關(guān)。升溫作用后，巖石自身結(jié)構(gòu)特性會發(fā)生很大改變，熱損傷造成了巖石彈性性能的劣化，可以用超聲時域和頻域特征的變化來分析巖石損傷程度[12]。圖 2(a)為不同溫度作用后花崗巖試樣超聲縱波波速與溫度之間的關(guān)系，從圖中看出花崗巖縱波波速隨加熱溫度的升高整體呈下降態(tài)勢，平均縱波波速由常溫下的 4 482 m/s下降到900 ℃的535 m/s。溫度低于500 ℃時，波速隨溫度升高下降平緩，而溫度接近 500 ℃后，隨著溫度升高，巖樣縱波波速快速下降，700 ℃后逐漸趨于穩(wěn)定。

為更好地探究不同類別巖石的縱波波速與溫度之間的關(guān)系，圖2(b)把試驗得到的花崗巖(巖漿巖)的波速變化，同大理巖(變質(zhì)巖)與石灰?guī)r和砂巖(沉積巖)進行了綜合對比，可以看出三大類巖石試樣的波速基本都隨溫度升高呈下降趨勢：第1階段內(nèi)，各巖石波速均有不同程度的下降；第2階段為100～300 ℃范圍內(nèi)巖石結(jié)構(gòu)水喪失，波速均繼續(xù)下降；第3階段即300～700 ℃范圍內(nèi)，因巖石礦物成分發(fā)生變化，波速差異特征明顯。已有研究指出573 ℃附近石英發(fā)生相變[13]，故600 ℃前后花崗巖波速出現(xiàn)快速下降段；砂巖內(nèi)部含有大量膠結(jié)物質(zhì)，加熱過程中這些膠結(jié)物質(zhì)強度降低，其波速以相對平緩的趨勢逐漸減??；石灰?guī)r在加熱到380 ℃左右時會發(fā)生晶變[15]，所以此溫度后波速快速降低。

圖2 巖石縱波波速與加熱溫度間關(guān)系Fig.2 Relationships between longitudinal wave velocities and treated temperatures

研究表明，升溫過程中巖石內(nèi)部各種礦物成分熱膨脹率的差異是產(chǎn)生大的熱應(yīng)力、應(yīng)變和高應(yīng)變能的主要原因，并促使巖石內(nèi)部或表面裂紋起裂、擴展和分岔等，這可從高溫后巖樣表面肉眼觀察到許多微裂紋得到證實。超聲波傳播遇到裂隙則不能通過，而是繞裂隙斷點傳播，導致縱波波速不斷減小。另外，隨著溫度的升高試樣內(nèi)部水分散失，使原有的裂紋進一步增長，也會造成縱波波速減小。席道瑛等[17]研究指出石英在573 ℃左右將由α相轉(zhuǎn)變?yōu)棣孪啵沟脦r樣內(nèi)部出現(xiàn)嚴重的熱損傷，導致巖石宏觀力學性質(zhì)劣化，這種相變可解釋花崗巖在500～ 700 ℃范圍內(nèi)超聲波波速迅速降低的現(xiàn)象。

2.2 花崗巖熱損傷模型

超聲波作為理想的信息載體，在介質(zhì)中傳播時與介質(zhì)相互作用，接收與巖石物理力學性質(zhì)相關(guān)的各種信息。所以，巖樣高溫作用后自身內(nèi)部的性質(zhì)變化可用超聲波加以表征，波速的顯著下降正由于材料特性發(fā)生了顯著變化[18]。為描述溫度對巖石損傷特性的影響，采用縱波波速來定義花崗巖的熱力損傷因子D：

(1)

式中：c0和c1分別表示巖樣經(jīng)過溫度作用前后的縱波波速。

為更好描述巖石溫度損傷變化情況，采用Logistic函數(shù)曲線來進行擬合，該曲線具有單調(diào)遞增性和有界性等特點，且呈S型。Logistic 曲線模型的一般表達式[19]為：

圖3 花崗巖損傷與溫度關(guān)系Fig.3 Relationships between rock damages and different temperatures

(2)

式中：y為變量x的對應(yīng)量；a，b和k均為待定系數(shù)。

將式(2)應(yīng)用到溫度載荷下巖石熱損傷演化模型時，x可用巖樣升高的溫度T表示，y表示熱損傷D。 為驗證Logistic 曲線模型在表征花崗巖熱損傷方面的合理性，圖3為華山花崗巖隨溫度損傷曲線。

圖4 超聲波換能器發(fā)射的“拍”信號Fig.4 “Beat” signal emitted by ultrasonic transducer

圖3還給出了本文試驗結(jié)果與文獻[8]和[20]測試的花崗巖試驗數(shù)據(jù)進行了比較。可以看出，3種花崗巖的擬合相關(guān)系數(shù)R均大于0.97，說明Logistic曲線模型在揭示花崗巖熱損傷規(guī)律方面具有良好的適用性和可行性。整體規(guī)律是一開始損傷緩慢發(fā)展，接著隨溫度升高而快速增大，最后損傷演化逐漸穩(wěn)定下來，并且損傷值接近1.0(完全破碎)。

2.3 超聲波信號中溫度效應(yīng)

發(fā)射換能器向被測試件中發(fā)射的超聲波脈沖的特點是：從發(fā)射超聲波那一刻開始，波幅按指數(shù)規(guī)律先增長到最大值再衰減到0，波形呈“紡錘”形。這樣一段脈沖通常稱之為一“拍”(見圖4)。對于均勻密實的試件，聲波傳播路徑簡單，波形也較為規(guī)律；如果試件均質(zhì)性較差(存在較多裂隙、孔洞等)，聲波將會在這些部位發(fā)生反射、折射與繞射等現(xiàn)象，波形就會較凌亂。圖5分別為 20，100，300，500，700和900 ℃后花崗巖試樣的超聲波信號測試結(jié)果，對比不同溫度等級下的波形圖可以發(fā)現(xiàn)，隨著溫度升高，經(jīng)巖樣后接收波波幅減小，“拍”的長度隨之縮短，這反映出隨著溫度升高，試樣內(nèi)部出現(xiàn)了阻礙聲波傳遞的裂紋孔隙，這些缺陷主要來自于溫度載荷誘發(fā)的損傷。

圖5 不同高溫作用后巖樣超聲波測試信號Fig.5 Ultrasonic testing signal of sample under different temperatures

圖5顯示500 ℃及以下，花崗巖波形圖變化差異較小，超過500 ℃的波形圖變化十分明顯，即波幅銳減且“拍”的長度縮小，可推測 500～700 ℃間存在溫度閥值，一旦超過此值，花崗巖內(nèi)部礦物發(fā)生了劇烈的相位變化，巖石出現(xiàn)嚴重的損傷破壞，這與文獻[17]結(jié)論基本一致。

3 花崗巖熱損傷細觀機理分析

目前，掃描電子顯微鏡(SEM)技術(shù)現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于巖土工程領(lǐng)域，它具有制樣簡便、分辨率高、立體感強和損傷小等特點。試驗采用JSM-6490LV型鎢燈絲掃描電子顯微鏡(見圖6)，其點分辨率達到3 nm，能很好地觀察材料表面的微細組織、斷口形貌。將高溫作用后花崗巖切割成大小合適的尺寸，并將其粘接在電鏡的樣品座上，如圖7所示，然后放入真空室中進行觀察。為了得到清晰準確的細觀圖像，試樣要作前期處理，如用丙酮或酒精清洗，并進行表面拋光和噴金等。

圖6 鎢燈絲掃描電子顯微鏡Fig.6 Tungsten filament scanning electron microscope

圖7 觀察前樣品照片F(xiàn)ig.7 Photos of samples before observation

圖8(a)(b)為不同溫度作用后花崗巖試樣在放大1 000倍下的細觀結(jié)構(gòu)，可見常溫下視野區(qū)域內(nèi)晶粒形狀保持不變，但存在天然原生裂紋(圖8(a))；溫度為300 ℃時巖樣有新裂紋出現(xiàn)，裂紋呈條紋狀，破裂形式主要為晶粒滑動斷裂或晶間裂紋，而晶內(nèi)微裂紋等缺陷的萌生和擴展并不明顯(圖8(b))；溫度500 ℃時(見圖8(c))，微裂紋數(shù)量明顯增多，視野區(qū)域內(nèi)裂紋呈根狀、河流狀，伴隨有晶內(nèi)裂紋和穿晶裂紋；當升溫到700 ℃時，礦物成分開始大量分解，結(jié)構(gòu)從晶態(tài)向非晶態(tài)的過程轉(zhuǎn)變，巖礦顆粒受熱膨脹的差異使得顆粒間的結(jié)構(gòu)熱應(yīng)力明顯增強，在巖石中將形成更多新的微裂紋，并使原生裂紋進一步擴展和連通，導致花崗巖的力學性質(zhì)迅速發(fā)生劣化[21](圖8(d))；細察900 ℃時的細觀結(jié)構(gòu)，可見端口細觀形貌為明顯的粗糙晶體表面、韌窩及熱破裂特征，晶內(nèi)裂紋繼續(xù)增長，晶間裂紋變寬，形成良好的裂紋網(wǎng)絡(luò)(圖8(e))，同時，在圖8(f)中可以看出，經(jīng)900 ℃高溫后，花崗巖的主破裂面節(jié)點處已出現(xiàn)宏觀次生裂紋，可將這種裂紋稱為分岔裂隙。綜上所述，加熱后花崗巖出現(xiàn)的裂紋種類主要有3大類：20～500 ℃溫度范圍內(nèi)主要產(chǎn)生晶間裂紋；溫升至700 ℃時，產(chǎn)生穿晶裂紋；當加熱溫度達到900℃時，宏觀裂紋中衍生出分岔裂隙。

圖8 不同溫度作用后花崗巖試樣細觀形貌Fig.8 Meso-morphology of granite samples under different temperatures

4 結(jié) 語

巖石是一種成分復雜的天然材料，研究其溫度損傷效應(yīng)具有重要的工程意義，基于宏觀測試與細觀觀察，得出以下幾點結(jié)論：

(1)溫度低于500 ℃時，花崗巖中縱波波速隨溫度升高而平緩下降；溫度超過500 ℃，花崗巖組分石英發(fā)生相變，縱波波速隨溫度升高而迅速下降；700 ℃高溫后，巖樣損傷嚴重，波速衰減漸趨平緩。

(2)巖石溫度損傷呈緩慢發(fā)生→快速發(fā)展→平穩(wěn)結(jié)束趨勢，研究發(fā)現(xiàn)隨著溫度的遞增，花崗巖的溫度損傷規(guī)律符合Logistic增長曲線模型。

(3)隨溫度的升高，花崗巖試樣的超聲波“拍”長度變短；500 ℃高溫后波形圖變化顯著，波幅減小，超聲波波形圖的形狀反映出溫度作用下巖樣內(nèi)部裂隙的變化過程。

(4)SEM圖像顯示，20～500 ℃溫度范圍內(nèi)花崗巖中主要產(chǎn)生晶內(nèi)裂紋；隨著溫度升高，裂紋數(shù)量增加，甚至連接貫通；升溫至700 ℃巖樣中產(chǎn)生晶內(nèi)裂紋或穿晶裂紋，裂紋的寬度和密度也隨之大幅增加；加熱溫度達到900 ℃時，巖樣宏觀裂紋中出現(xiàn)分岔裂隙。

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