熱處理溫度對(duì)受載花崗巖能量演化影響試驗(yàn)研究

隋智力，楊建明，李慶文*，孟媛，張巍，王征飛

(1.北京城市學(xué)院 城市建設(shè)學(xué)部， 北京 100083； 2.北京科技大學(xué) 土木與資源工程學(xué)院， 北京 100083；3.國(guó)家林業(yè)和草原局 林產(chǎn)工業(yè)規(guī)劃設(shè)計(jì)院， 北京 100714)

0 引言

我國(guó)核電技術(shù)的迅速發(fā)展將產(chǎn)生大量的放射性廢物，對(duì)人類生存環(huán)境安全構(gòu)成極大威脅。針對(duì)高放廢物的處置，國(guó)際上將深地處置作為高放廢物的處置方法，各國(guó)選址考慮因素和選定的圍巖環(huán)境均有不同[1]。我國(guó)確定甘肅北山作為處置庫(kù)庫(kù)址，以完整花崗巖巖體為處置環(huán)境開(kāi)展深地處置研究[2]。所謂深地處置即把高放廢物埋在距地表300～1 000 m的地質(zhì)層中，圍巖物理力學(xué)及多場(chǎng)耦合下長(zhǎng)期穩(wěn)定性是處置庫(kù)安全穩(wěn)定的最主要因素[3]。在核廢料處置庫(kù)運(yùn)行過(guò)程中，處置庫(kù)圍巖面臨著高地應(yīng)力與高放射性溫度的雙重考驗(yàn)，花崗巖是多種礦物的集合體，其各種礦物的熱膨脹系數(shù)和物理力學(xué)特性等差異較大，因此研究高溫環(huán)境對(duì)花崗巖變形破壞特性，以及對(duì)高放廢物處置庫(kù)建設(shè)與運(yùn)行等具有重要意義。然而，傳統(tǒng)的力學(xué)方法與模型無(wú)法很好地將應(yīng)力作用與溫度效應(yīng)統(tǒng)一表征與分析，能量理論體系因其能夠全面反映復(fù)雜環(huán)境下巖石的受力、變形、損傷乃至破壞等特征正在逐漸被各國(guó)學(xué)者所重視[4]。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)高溫下巖石物理力學(xué)特性進(jìn)行了大量研究并取得豐碩成果[5-16]。例如，JOHNSON等[5]對(duì)四種不同類型巖石進(jìn)行高溫處理，研究發(fā)現(xiàn)熱應(yīng)力使礦物顆粒間產(chǎn)生裂隙，波速隨溫度增加而減少； ZHANG等[6]研究大理巖在高溫下滲透率變化規(guī)律，試驗(yàn)表明溫度在327～427 ℃時(shí)滲透率顯著增大；胡躍飛等[7]采用三軸加載試驗(yàn)機(jī)研究熱應(yīng)力和循環(huán)應(yīng)力作用下花崗巖力學(xué)特性，研究發(fā)現(xiàn)花崗巖的單軸抗壓強(qiáng)度發(fā)生顯著變化；吳陽(yáng)春等[8]通過(guò)單軸壓縮和巴西劈裂試驗(yàn)研究高溫與花崗巖力學(xué)性質(zhì)間關(guān)系，結(jié)果表明400～600 ℃間存在花崗巖脆延轉(zhuǎn)化的臨界溫度。CHEN等[9]對(duì)高溫下花崗巖進(jìn)行單軸加載試驗(yàn)。研究表明，隨溫度增加花崗巖峰值強(qiáng)度和彈性模量呈下降趨勢(shì)，其中下降以400 ℃為拐點(diǎn)，當(dāng)溫度大于400 ℃時(shí)下降迅速。上述研究工作主要關(guān)注溫度對(duì)巖石空隙率、峰值強(qiáng)度、變形破壞形態(tài)等物理力學(xué)特性的影響，而關(guān)于巖石變形過(guò)程中溫度對(duì)花崗巖能量演化規(guī)律影響的研究較少。由于能量始終伴隨著巖石變形破壞整個(gè)過(guò)程，從能量的角度出發(fā)研究溫度對(duì)花崗巖特征能量演化，有利于揭示高放核廢料處置庫(kù)、地?zé)衢_(kāi)發(fā)等工程在建設(shè)或運(yùn)營(yíng)過(guò)程中巖爆等動(dòng)力災(zāi)害發(fā)生機(jī)制，為項(xiàng)目設(shè)計(jì)和維護(hù)提供理論研究。因此，本文對(duì)花崗巖設(shè)計(jì)5種加熱目標(biāo)溫度進(jìn)行單軸加載試驗(yàn)，研究花崗巖能量積聚、能量耗散和能量釋放的溫度效應(yīng)。

1 試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)設(shè)備與制樣

試驗(yàn)加載系統(tǒng)采用北京科技大學(xué)TAW-2000微機(jī)伺服三軸試驗(yàn)機(jī)，如圖1(a)所示。該試驗(yàn)機(jī)最大軸向加載量程為2 000 kN，最大圍壓可達(dá)60 MPa。試驗(yàn)時(shí)，在試樣上安裝橫向和環(huán)向引伸計(jì)，測(cè)量范圍為±2.5mm。試樣加熱采用北京科技大學(xué)管式高溫爐，如圖1(b)所示。該加熱系統(tǒng)最高加熱溫度為1 000 ℃，升溫速率為1 ℃/min，控制精度為±2 ℃。

(a) TAW-2000微機(jī)伺服加載試驗(yàn)機(jī)

(b) 管式高溫爐

為了減小試驗(yàn)結(jié)果離散性，試驗(yàn)所用試樣均取制同一均質(zhì)花崗巖巖塊。制取的試樣尺寸為Φ30 mm×60 mm，試樣加工參照國(guó)際巖石力學(xué)學(xué)會(huì)建議方法，即試樣上下端面平整度為±0.05 mm，軸向垂直度偏差為±0.25°。試驗(yàn)中，共制備27個(gè)巖石試樣，其中12個(gè)試樣用于開(kāi)展水飽和后試驗(yàn)，15個(gè)試樣用于開(kāi)展干燥狀態(tài)下試驗(yàn)。巖石試樣水飽和過(guò)程中，為了確保巖石試樣達(dá)到完全飽和狀態(tài)，要求巖石試樣浸泡在清水中至少48 h，并在此基礎(chǔ)上，額外浸泡5 h后，巖石試樣質(zhì)量變化不超過(guò)0.2 g，則證明巖石試樣完全飽和。試驗(yàn)設(shè)計(jì)5個(gè)目標(biāo)溫度，分別為23、300、400、500 、600 ℃。以5 ℃/min的加熱速率將試樣加熱至目標(biāo)溫度，之后在目標(biāo)溫度恒溫加熱1h，以確保試樣加熱的均勻性，最后以5 ℃/min的降溫速率將目標(biāo)溫度降至常溫。

1.2 巖石能量計(jì)算方法

圖2 單軸加載下巖石應(yīng)變能計(jì)算示意圖

能量始終貫穿在巖體變形破壞全過(guò)程。巖石在變形過(guò)程中涉及能量種類較多，主要有外界輸入能、彈性能、耗散能、聲發(fā)射、熱能及輻射能等。假設(shè)受載巖石系統(tǒng)能量守恒，則[17]：

U0=Ue+Ud，

(1)

式中，U0為外界輸入總能量；Ue為積聚在巖體內(nèi)的彈性應(yīng)變能；Ud為耗散能量，主要用于裂紋表面能和裂紋尖端塑性能。

由于彈性應(yīng)變能可逆，可以利用試樣應(yīng)力—應(yīng)變曲線獲取不同狀態(tài)下各種特征能量演化，如圖2所示。

在單軸加載作用下，外界輸入總能量U0表達(dá)式為：

(2)

式中,σ1為軸向應(yīng)力；ε1為軸向應(yīng)變；σ1i為加載至i時(shí)刻的軸向應(yīng)力；ε1i為加載至i時(shí)刻的軸向應(yīng)變。對(duì)于i時(shí)刻彈性應(yīng)變能Uei計(jì)算，采用峰值前彈性模量代替i時(shí)刻卸載模量[16]，表達(dá)式為:

(3)

2 不同溫度下巖石特征能量演化分析

2.1 物理參量測(cè)量

圖3 不同溫度下試樣波速

由于巖石內(nèi)部賦存大量隨機(jī)分布的微裂紋、孔洞等天然缺陷，使巖石在熱應(yīng)力作用下在缺陷附近產(chǎn)生裂紋。波速傳播快慢對(duì)節(jié)理裂紋發(fā)育程度較為敏感，使其在巖石內(nèi)產(chǎn)生不同程度的透反射效應(yīng)，表現(xiàn)出明顯的波速差異性。經(jīng)測(cè)量，不同熱應(yīng)力下試樣的波速隨溫度的變化如圖3所示。從圖3中可以看出，500 ℃為波速變化拐點(diǎn)，在目標(biāo)溫度不大于500 ℃時(shí)，波速隨著溫度的增加以近似恒定的速率下降，而在600 ℃時(shí)波速下降明顯，表明存在臨界損傷溫度，在外界溫度超過(guò)臨界損傷溫度時(shí)，試樣內(nèi)部裂紋迅速發(fā)展。從圖3中還可以看出，在各個(gè)目標(biāo)溫度下飽水試樣波速明顯大于干燥試樣波速，說(shuō)明水分子充填了熱損傷巖樣微裂空隙，導(dǎo)致其波速增加。飽和水的存在會(huì)抑制巖體內(nèi)部裂紋發(fā)育，而且在600 ℃時(shí)試樣波速并沒(méi)有出現(xiàn)明顯的下降，即巖體內(nèi)水分子含量會(huì)改變巖體臨界損傷溫度。

2.2 應(yīng)力—應(yīng)變曲線及破壞形態(tài)

圖4 不同溫度下應(yīng)力應(yīng)變曲線

通過(guò)測(cè)量波速的差異初步反映了不同溫度熱處理后的巖石損傷情況，并對(duì)比分析了飽和水的存在對(duì)于巖石熱損傷的影響規(guī)律。為了更加準(zhǔn)確的判斷巖石不同溫度熱處理后的損傷情況，在熱處理試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，開(kāi)展了干燥熱處理巖石試驗(yàn)的單軸加載試驗(yàn)，通過(guò)分析巖石峰值抗壓強(qiáng)度，能量演化規(guī)律等進(jìn)一步探究巖石熱處理相應(yīng)特性。圖4為干燥花崗巖試件經(jīng)不同溫度加熱后，進(jìn)行單軸加載的應(yīng)力應(yīng)變響應(yīng)。從圖4中可以看出，不同溫度下巖石變形演化相似，均經(jīng)歷壓密階段、線彈性階段、塑性變形階段和峰后破壞階段。然而，溫度越高，試樣的峰前壓密階段和塑性變形階段在應(yīng)力—應(yīng)變曲線上表現(xiàn)越顯著，在峰后應(yīng)力降低表現(xiàn)越不明顯。這表明溫度越高試件受到熱應(yīng)力越大，巖體內(nèi)部裂隙越發(fā)育，使巖石表現(xiàn)出的塑性特征越強(qiáng)。從試件峰值強(qiáng)度值變化發(fā)現(xiàn)，常溫下試樣峰值強(qiáng)度為166.29 MPa，在經(jīng)過(guò)300～600 ℃的熱處理之后，巖樣的峰值強(qiáng)度衰減為原來(lái)的0.97、0.95、0.90、0.62倍，通過(guò)峰值強(qiáng)度的衰減規(guī)律可知，在500～600 ℃之間存在明顯的損傷臨界溫度。

試件在單軸壓縮下的破壞形態(tài)如圖5所示。從圖5可以看出，隨溫度增加，試件破壞形態(tài)從單一宏觀剪切破壞面、多個(gè)破壞面到最后散碎化逐漸演化，說(shuō)明熱應(yīng)力誘發(fā)巖石內(nèi)部裂隙發(fā)育程度直接影響巖石在壓縮條件下的最終破壞形態(tài)。

(a) 23 ℃

(b) 300 ℃

(c) 400 ℃

(d) 500 ℃

(e) 600 ℃

2.3 特征能量演化的溫度效應(yīng)

圖6為干燥花崗巖試樣經(jīng)不同溫度處理后，受單軸壓縮變形過(guò)程中特征能量隨應(yīng)變的演化曲線。

(a) 23 ℃

(b) 300 ℃

(c) 400 ℃

(d) 500 ℃

(d) 600 ℃

從圖6中可以看出，試樣能量特征曲線均可分為峰前階段和峰后階段。巖石試樣在峰前彈性階段、峰前塑性階段和峰后階段表現(xiàn)出不同的能量特征。這主要是因?yàn)樵诜迩半A段，應(yīng)變能表現(xiàn)為應(yīng)變能積聚，輸入機(jī)械能和彈性應(yīng)變能隨應(yīng)變?cè)黾佣鲩L(zhǎng)的速度逐漸加快。在峰前塑性階段，隨試件內(nèi)部裂隙發(fā)育程度的增加，耗散能所占的比例逐漸增大，說(shuō)明巖石試件內(nèi)部裂隙越發(fā)育，破壞時(shí)用于裂隙發(fā)育和貫通所消耗的能量也會(huì)越大。在強(qiáng)度峰值至峰后破壞階段，彈性應(yīng)變能量迅速減小而耗散能快速增加，變化梯度隨溫度增加逐漸變緩，尤其在600 ℃峰后表現(xiàn)出一定延性，說(shuō)明熱應(yīng)力誘發(fā)巖石損傷極大地降低了花崗巖的脆性。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)飽水和干燥的花崗巖試樣進(jìn)行熱處理研究，并針對(duì)干燥熱處理后的巖石試樣開(kāi)展單軸壓縮試驗(yàn)，系統(tǒng)的分析了熱處理后的巖石損傷狀態(tài)、物理參數(shù)、力學(xué)強(qiáng)度特征和特征能量演化的溫度效應(yīng)，得出如下主要結(jié)論：

① 從超聲波波速測(cè)試試驗(yàn)結(jié)果可知，隨著熱處理溫度的增加，花崗巖試樣的熱損傷程度也在逐漸增加，在常溫至500 ℃的熱處理后，干燥花崗巖的波速以恒定的速率下降，而在600 ℃時(shí)峰值強(qiáng)度顯著下降，說(shuō)明干燥花崗巖在500～600 ℃間存在臨界損傷溫度，在外界溫度超過(guò)臨界損傷溫度時(shí)，試樣內(nèi)部裂紋迅速發(fā)展。

② 通過(guò)對(duì)比分析干燥花崗巖和飽和水花崗巖的波速測(cè)試試驗(yàn)結(jié)果可知，在相同熱處理溫度下，飽和花崗巖試樣波速明顯大于干燥花崗巖波速。經(jīng)500 ℃和600 ℃處理的花崗巖試件波速，干燥試樣波速降幅值也明顯大于飽和試樣，這表明巖石孔隙內(nèi)部所含的水會(huì)對(duì)巖石的熱損傷起到一定的抑制作用。

③ 由干燥熱處理的巖石單軸加載試驗(yàn)分析可知，溫度越高試件的破壞變形值越大，在加載過(guò)程中巖石表現(xiàn)出塑性特征越強(qiáng)。常溫下試樣峰值強(qiáng)度為166.29MPa，在經(jīng)過(guò)300～600 ℃的熱處理之后，巖樣的峰值強(qiáng)度分別衰減為原來(lái)的0.97、0.95、0.90和0.62倍，通過(guò)峰值強(qiáng)度的衰減規(guī)律可知，在500～600 ℃之間存在明顯的損傷臨界溫度，這也與波速測(cè)試結(jié)果相吻合。

④ 經(jīng)不同溫度處理的花崗巖，在峰前階段彈性能占輸入機(jī)械能比例超過(guò)90 %，其主要表現(xiàn)為能量的積聚，從峰前的塑性階段開(kāi)始到峰后階段，能量的耗散值在快速增加，表明巖石從損傷向著宏觀破壞發(fā)展的過(guò)程中所消耗的能量也越來(lái)越多，并且隨著熱處理溫度的增加耗散能所占全部能量的比例也在不斷增加。