熱處理花崗巖循環(huán)沖擊下斷口形貌研究

王 璐，王志亮，石高揚，石 恒，田諾成

(合肥工業(yè)大學土木與水利工程學院，安徽合肥 230009)

隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展，深部地下資源開采和城市地下空間開發(fā)日益增多，諸多巖石結(jié)構(gòu)面臨高溫、爆炸與沖擊等極端荷載的挑戰(zhàn)，斷口形貌學為相關(guān)研究提供了新視角。斷口的形貌特征與材料的種類和斷裂時所處的環(huán)境條件(如加載方式、應(yīng)力大小、溫度等)有很大關(guān)系[1-2]。巖石的斷口形貌記錄了巖石斷裂時的不可逆變形，以及裂紋萌生、擴展直至斷裂的信息，因此可以通過對斷口的觀察和分析來研究巖石斷裂的細觀機理，從而揭示巖石斷裂的性質(zhì)及破壞規(guī)律。趙鵬等[3]對高溫下的石灰?guī)r微結(jié)構(gòu)進行實時觀測，發(fā)現(xiàn)試樣較多的微裂紋出現(xiàn)在冷卻過程；朱德珍等[4]發(fā)現(xiàn)溫度循環(huán)的周期次數(shù)對大理巖力學性質(zhì)劣化有很大影響；Zuo等[5]發(fā)現(xiàn)北山花崗巖的強度和斷裂韌度的熱效應(yīng)有多種機制，如熱開裂，水分蒸發(fā)、熱熔及熱相變等，而主要的控制機制隨處理溫度的變化而顯著變化。此外，還有學者對不同荷載作用下的巖樣斷口進行研究：李根生等[6]利用掃描電鏡對水射流切割巖石斷口形貌進行觀測，分析了巖石在超高壓水射流作用下的破壞形式；趙康等[7]對巖爆巖石斷口利用掃描電鏡進行研究分析，指出巖石斷口屬拉張斷口，劈裂紋的產(chǎn)生主要是脆性斷裂所致。針對多場(滲流、應(yīng)力和溫度)耦合作用后的試樣斷口形貌，左建平等[8]通過試驗，發(fā)現(xiàn)砂巖試樣的抗拉強度隨溫度升高出現(xiàn)先增后降的趨勢；張志鎮(zhèn)等[9]對實時溫度與高溫后2種情況下的花崗巖巖樣開展了單軸壓縮和斷口電鏡掃描試驗，分析得到不同加溫方式和溫度段與各形態(tài)的對應(yīng)關(guān)系。近年來，尚有相關(guān)人員對巖石斷口表面的分形特征進行研究[10-13]，結(jié)果表明巖石裂隙具有統(tǒng)計自相似性以及分形特性，且分形值可用來定量描述巖石裂隙的不規(guī)則形態(tài)。

以上工作大多是只考慮溫度或者荷載單獨作用后的巖樣斷口特征，而對熱處理巖樣經(jīng)歷循環(huán)沖擊荷載作用后斷口形貌的研究較少。本文利用鎢燈絲掃描電鏡對不同溫度處理后且經(jīng)歷循環(huán)沖擊荷載的花崗巖試樣斷口進行細觀觀察，探討溫度及加載率對巖樣斷口細觀機理的影響，分析溫度與循環(huán)沖擊荷載作用下花崗巖的斷裂性質(zhì)及破壞規(guī)律。

1 試樣制備與試驗過程

花崗巖試樣取自陜西華山地區(qū)，為中細粒黑云母花崗巖。通過X射線衍射分析可得，所采用的花崗巖質(zhì)量分數(shù)組成為微斜長石41%，石英22%，斜長石27%，黑云母7%及其他礦物成分3%。循環(huán)沖擊荷載試驗是在改進后的分離式霍普金森壓桿(SHPB)上完成的，為了滿足動態(tài)試驗要求，試樣加工成Φ70 mm×35 mm的短圓柱體。預先設(shè)計3個彈速等級，即第1彈速(V0=12.0 m/s)、第2彈速(V0=15.0 m/s)和第3彈速(V0=18.0 m/s)，圖1為SHPB裝置示意圖。在分離式SHPB試驗中，花崗巖試樣放在兩根壓桿之間，子彈在高氣壓作用下沖擊入射桿，使入射桿中產(chǎn)生應(yīng)力波，應(yīng)力波的大小與彈速呈正比，圖2為20 ℃條件下3種彈速對試樣進行首次沖擊的原始波形。

圖1 SHPB裝置Fig.1 SHPB equipment

圖2 原始波形Fig.2 Original waveform

試驗采取先加熱試樣后加載的試驗流程，設(shè)置20，200，400和600 ℃共4個溫度等級。加熱方法如下：先將試樣放入加熱設(shè)備內(nèi)，升溫速率為10 ℃/min，加熱到相應(yīng)的溫度后保持恒溫2 h，以保證試件內(nèi)外溫度達到均勻，然后關(guān)閉加熱設(shè)備使試件自然冷卻至室溫。加熱前后分別測得巖石試樣的波速，發(fā)現(xiàn)加熱后試樣的波速明顯降低(如表1)，這是由于加熱使巖石內(nèi)部孔隙水蒸發(fā)以及裂紋增多。試驗結(jié)束后在巖樣斷口處取材制作成切片，并利用JSM-6490LV型鎢燈絲掃描電子顯微鏡對斷口切片進行觀察研究。本次試驗中，切片為10 mm×10 mm×4 mm的扁平長方體，表面打磨平整。試樣制備完成后將表面灰塵洗去，然后自然風干24 h；試驗中利用導電雙面膠將試樣粘結(jié)在試樣臺上，并在試樣上面再貼上一窄條導電雙面膠；最后，將粘有切片的試樣臺放入噴金儀內(nèi)，利用噴金儀對試驗斷口面進行噴金，以提高試樣切片的導電及導熱性能。

表1 巖石試樣的試驗參數(shù)Tab.1 Testing parameters of rock specimens

2 試驗結(jié)果分析

2.1 巖樣斷口形貌的加載率效應(yīng)

已有研究表明，經(jīng)過熱處理的巖石，其力學性能依然具有加載率效應(yīng)。在高彈速或高加載率下，巖石通常由于來不及變形而表現(xiàn)出明顯的脆性特性。為了研究加載率對巖樣斷口細觀形貌的影響，需采用控制變量法，故選擇對常溫(20 ℃)下不同彈速循環(huán)沖擊破壞后的巖樣斷口進行觀察與比較。斷口形貌的加載率效應(yīng)主要表現(xiàn)在兩個方面：一方面，隨著加載率增加，斷口形貌表現(xiàn)出明顯從韌性到脆性斷裂的轉(zhuǎn)變；另一方面，隨著加載率增加，斷口中由分布廣、尺寸小的裂紋逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)閱我华M長的主裂紋。

由表1可知不同溫度和不同沖擊速率作用下巖樣破壞前所經(jīng)歷的總循環(huán)沖擊次數(shù)差異較大，本試驗以巖樣出現(xiàn)明顯破碎而不能繼續(xù)承載作為停止沖擊試驗標準。表1顯示試樣經(jīng)歷的總沖擊次數(shù)隨加熱溫度和彈速的變化呈現(xiàn)出一定的規(guī)律性。當加熱溫度相同時，試樣經(jīng)歷的總沖擊次數(shù)隨彈速的增大而減少；當彈速相同時，試樣經(jīng)歷的總沖擊次數(shù)隨加熱溫度的升高呈現(xiàn)出先增后減的趨勢，特別地，當加熱溫度為200 ℃時，巖石內(nèi)部晶體顆粒熱膨脹，部分原生裂紋閉合，使得試樣的承載能力顯著增強。隨著溫度繼續(xù)升高，試樣內(nèi)部熱損傷加劇，承載能力下降。

圖3 低、中彈速循環(huán)沖擊破壞后形成的疲勞斷口Fig.3 Fatigue fractography under low and middle impact velocities

圖4 T =20 ℃, V0=18.0 m/s, N =2的解理斷口Fig.4 Cleavage fractography when T=20 ℃, V0=18.0 m/s, N =2

2.1.1彈速對疲勞裂紋的影響 疲勞裂紋是材料在交變應(yīng)力作用下形成的裂紋，在金屬斷口中，經(jīng)?？梢杂^察到海灘標記、條帶、棘輪標記等典型特征。由于常溫下花崗巖試樣未受到溫度作用，巖石的強度和完整性都較好，所以在低彈速和中彈速作用下，其所能承受的沖擊次數(shù)較多，更易觀察到疲勞裂紋。根據(jù)條帶的形狀可以判斷出裂紋擴展的方向和裂紋源的大致位置，圖3中的箭頭方向為疲勞裂紋的擴展方向，箭頭尾部處為裂紋源的位置。盡管巖石材料和循環(huán)沖擊的加載方式具有復雜性，但同一種材料的加載次數(shù)與條帶數(shù)之間依然存在特定的關(guān)系。圖3(a)中的疲勞條帶輪廓模糊，而圖3(b)中的條帶表面光滑，刻畫清晰，這表明隨著彈速提高，巖樣破壞形態(tài)更傾向于脆性。此外，圖3(a)中疲勞裂紋“改道”現(xiàn)象明顯，這是一種與循環(huán)加載速率有關(guān)的現(xiàn)象[14]，低彈速下的裂紋改道現(xiàn)象較中彈速下的更加明顯。

2.1.2高彈速下的解理斷口 脆性材料在斷裂過程中發(fā)生塑性變形和吸收能量的本領(lǐng)，可用“韌度”來表示，而“脆性”和“韌性”是用來區(qū)分低韌度和高韌度的專門術(shù)語。解理斷裂是發(fā)生在晶體中一種脆性斷裂形式[15]，在溫度較低、應(yīng)變率較高的情況下易發(fā)生。圖4顯示在常溫高彈速沖擊下，可從試樣斷口上觀察到河流花樣、層狀撕裂斷口等典型的解理斷裂，這在中低彈速下較難發(fā)現(xiàn)。圖4(a)中分布著河流花樣，且河流方向是自上而下的。當解理裂紋通過扭轉(zhuǎn)晶界時，因晶界由螺位錯組成，兩側(cè)晶體以邊界為公共面轉(zhuǎn)動一小角度，使兩側(cè)解理面存在位向差，裂紋不能連續(xù)通過晶界而必須重新成核，從而判斷出河流方向。圖4(b)為層狀撕裂破壞，花崗巖內(nèi)部由于地質(zhì)構(gòu)造運動本身就具有一定的層狀結(jié)構(gòu)面，而層與層之間的連接通常比較薄弱，在沖擊荷載作用下，裂紋的擴展易在層狀結(jié)構(gòu)之間產(chǎn)生撕裂作用。就斷口的形成原理來看，層狀撕裂斷口與以撕裂方式形成的解理臺階類似，但層狀撕裂斷口的規(guī)模大且層與層之間的落差更小，形成類似片狀的斷口形狀。

2.1.3彈速對非主斷裂面上二次裂紋的影響 非主斷裂面上的二次裂紋是由于在斷裂前集中應(yīng)力較高，而在與主斷裂面垂直的平面上形成的裂紋。根據(jù)斷裂力學可知，加載速率越大，裂紋尖端的集中應(yīng)力越大，裂紋擴展的速度越大。如圖5(a)所示，室溫低彈速下，裂紋線條蜿蜒曲折，分段特征明顯且裂紋較寬，這是由于低彈速下，巖樣經(jīng)歷的循環(huán)沖擊次數(shù)多，發(fā)生了多次裂紋擴展和匯聚，導致裂紋寬度逐漸增加；中彈速下(圖5(b))由于沖擊次數(shù)降低，裂紋平順很多，裂紋匯聚現(xiàn)象明顯減少；圖5(c)為高彈速下，巖樣僅經(jīng)歷了2次循環(huán)沖擊，裂紋尖端所受的集中應(yīng)力較大，促使裂紋尖端不斷快速向前推進，導致裂紋較長。

圖5 不同彈速下的非主斷裂面的二次裂紋Fig.5 Secondary cracks on non-principal fracture surface under different impact velocities

2.2 巖樣斷口形貌的加熱溫度效應(yīng)

為了研究溫度對花崗巖斷口形貌的影響，采用固定彈速(中彈速)，分析經(jīng)不同溫度(20, 200, 400和600 ℃)熱處理試樣在循環(huán)沖擊破壞后的斷口形貌特征。

2.2.1溫度對斷裂性質(zhì)的影響 常溫下試樣斷口在400倍放大倍數(shù)下，觀察面整體上比較光滑，有一組清晰的形似“樹根狀”裂紋群貫穿觀察面(圖6(a))，這些裂紋群是原生裂紋在循環(huán)沖擊荷載作用下，進行二次發(fā)育形成的。仔細觀察發(fā)現(xiàn)裂紋內(nèi)側(cè)表面平齊，幾乎沒有塑性變形，邊緣沒有明顯的剪切唇，說明此裂紋是脆性沿晶斷裂。

將圖6(a)右側(cè)區(qū)域放大到800倍繼續(xù)觀察，可發(fā)現(xiàn)存在旋轉(zhuǎn)一定角度的晶界，晶界兩側(cè)河流激增，河流數(shù)量明顯不同，根據(jù)河流激增的原理判斷出河流方向是自下而上(圖6(b))。經(jīng)過200 ℃加熱后，疲勞裂紋的條帶間存在明顯的塑性變形(圖6(c))，說明此裂紋是塑性疲勞裂紋。巖樣在經(jīng)歷了400 ℃加熱和循環(huán)沖擊荷載作用后，斷口表面整體上不平整，存在明顯的塑性變形，在500倍放大倍數(shù)下，觀察到大量尺寸較大的韌性斷口，由于多個韌窩相互貫通形成(圖6(d))，圖像上的韌性斷裂就是由顯微空穴的形成、長大和聚集所造成的，這說明在400 ℃下，巖石發(fā)生明顯的局部韌性斷裂。

圖6 不同溫度下斷裂性質(zhì)比較Fig.6 Comparison of fracture property at different temperatures

在500～600 ℃的溫度范圍內(nèi)巖石物理力學性質(zhì)會有顯著變化[16]，當對巖樣的加熱溫度高達600 ℃時，其斷口形貌與之前加熱溫度較低時有很大不同，如圖7(a)，即使在較低的放大倍數(shù)下進行觀察，也很難發(fā)現(xiàn)平滑的小平面及脆性裂紋，觀察面上的斷口凹凸不平，存在大面積的塑性變形。加熱到600 ℃后，可觀察到大量延性斷口，韌窩-微孔聚集型斷裂和滑移分離斷口。在循環(huán)沖擊荷載作用下，在其斷口不僅發(fā)現(xiàn)了由韌窩相互貫通形成的延性斷口(圖7(b))，還能觀察到滑移分離斷口(圖7(c))，斷口表面存在明顯的韌性變形。

圖7 T=600 ℃, V0=15.0 m/s, N=4斷口的細觀形貌特征Fig.7 Micro-topography characteristics of fracture when T =600 ℃, V0=15.0 m/s, N =4

圖8 T =200 ℃, V0=15.0 m/s疲勞斷口Fig.8 Fatigue fractography as T =600 ℃, V0=15.0 m/s

圖9 不同溫度下的應(yīng)力波裂紋Fig.9 Stress wave cracks at different temperatures

2.2.2溫度對疲勞斷口的影響 有研究[17]表明，溫度低于100 ℃時，斷口以平面狀滑移為主；當溫度高于150 ℃時，波紋狀滑移占支配地位，故200 ℃處理后的疲勞裂紋(如圖8)與常溫下的疲勞裂紋明顯不同(圖3(b))，自相似性和條帶的平行性都較差。這表明200 ℃相較于常溫下，巖石疲勞斷口的脆性明顯增強，破壞模式也有很大區(qū)別。

2.2.3溫度對應(yīng)力波斷口的影響 常溫下，試樣斷口表面出現(xiàn)魚鱗狀花紋(如圖9(a))，這種裂紋被稱為瓦納線，是一種典型的應(yīng)力波裂紋，瓦納線尖端指向裂紋擴展方向，圖9(a)中的瓦納線從右下方向左上方傳播。此瓦納線表面光滑，魚鱗狀明顯，表明花崗巖幾乎沒有塑性變形，是一種脆性裂紋。此外，瓦納線周圍還存在著明顯的河流花樣、層狀撕裂斷口等解理斷口，進一步表明常溫下花崗巖表現(xiàn)出脆性斷裂的性質(zhì)。

圖10 400 ℃熱開裂裂紋Fig.10 400 ℃ heat-induced crack

圖9(b)給出的是200 ℃熱處理后1 500倍放大倍數(shù)下，花崗巖斷口處的“人” 字形花樣，這種花紋也是一種應(yīng)力波裂紋，其形成機理類似于瓦納線，是由裂紋前沿線與以缺陷為中心的球形沖擊波交互作用形成的，裂紋尖端同樣指向擴展方向，由此可以判斷出該裂紋由右向左擴展。不同的是，該花紋不清晰，具有一定塑性變形特征。

2.2.4溫度場引起的熱開裂裂紋 400 ℃熱處理后的試樣斷口表面觀察到的熱裂紋如圖10所示。該圖右邊存在著一些周邊有明顯撕裂棱的孔洞，這些孔洞是試樣在加熱后由于熱熔融作用產(chǎn)生的缺陷在循環(huán)沖擊荷載作用下相互貫通形成的。左上角分布著大量短小的網(wǎng)狀裂紋，裂紋兩側(cè)無明顯的位錯和滑移帶，說明該裂紋群的形成與沖擊荷載的作用無關(guān)，而是熱開裂所致。眾所周知，巖石是多晶體材料，不同晶體的熱膨脹系數(shù)不同，在高溫作用下晶體間會產(chǎn)生熱應(yīng)力，促使原生裂紋或者晶體間連接薄弱處開裂擴展，導致巖石的承載能力下降，這一點也能從400 ℃加熱后試樣所能承受的循環(huán)沖擊總次數(shù)減少得到印證。

3 結(jié) 語

本文對巖樣采取先加熱后循環(huán)沖擊加載的試驗流程，再用掃描電鏡對加載后的花崗巖斷口處切片進行觀察，詳細分析了沖擊速度和熱處理溫度對巖樣斷口細觀機理的影響，得出以下主要結(jié)論：

(1)雖然花崗巖是一種由礦物晶體、膠結(jié)構(gòu)及天然缺陷等組成的非均勻介質(zhì)，但在循環(huán)沖擊荷載作用下，可在其破壞面附近的切片上觀察到疲勞斷口。在較高彈速下，易觀察到脆性疲勞斷口，斷口表面光滑；在較低彈速作用下，常形成韌性疲勞斷口，斷口表面有一定塑性變形。

(2)室溫條件下，當彈速較低時，巖樣經(jīng)歷的總循環(huán)沖擊次數(shù)較多，裂紋分段擴展和匯聚現(xiàn)象較明顯，使得最終形成的裂紋較寬且蜿蜒曲折；當彈速較高時，巖樣經(jīng)歷的總循環(huán)沖擊次數(shù)則較少，裂紋尖端所受的集中應(yīng)力較大，促使裂紋尖端不斷快速向前推進，導致裂紋較長。

(3)熱處理會使花崗巖由脆性破壞向脆性-局部韌性耦合破壞轉(zhuǎn)變，且在高溫下，巖樣局部斷口的韌性斷裂更加明顯。隨著溫度應(yīng)力不斷增大，巖石在原生裂紋或者晶體間連接薄弱處產(chǎn)生熱開裂，導致其承載力降低。