循環(huán)高溫-快速冷卻處理后的花崗巖力學(xué)特性及聲發(fā)射響應(yīng)特征*

謝晉勇 陳占清 吳疆宇

(①中國(guó)礦業(yè)大學(xué)力學(xué)與土木工程學(xué)院，徐州 221116，中國(guó))

(②中國(guó)礦業(yè)大學(xué)深部巖土力學(xué)與地下工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，徐州 221116，中國(guó))

0 引 言

高溫下巖石的力學(xué)特性嚴(yán)重影響地?zé)豳Y源開發(fā)、高放射核廢料儲(chǔ)存等地質(zhì)工程的穩(wěn)定性。因此，大量學(xué)者對(duì)高溫對(duì)巖石力學(xué)特性影響規(guī)律的研究依然采用了變形和強(qiáng)度的指標(biāo)。Chen et al. (2012)通過單軸壓縮試驗(yàn)分析了溫度對(duì)花崗巖力學(xué)特性的影響，得到了溫度與花崗巖單軸抗壓強(qiáng)度、彈性模量和峰值應(yīng)變的關(guān)系。Ko?uníkovet al. (2017)認(rèn)為隨著溫度的升高，花崗巖的物理和結(jié)構(gòu)特性發(fā)生明顯變化，總孔隙率不斷增大，使其超聲波傳播速度、熱傳導(dǎo)率降低，滲透率升高； 方新宇等(2016)通過巴西劈裂試驗(yàn)推導(dǎo)和驗(yàn)證了高溫巖體熱損傷演化方程和熱-力耦合本構(gòu)方程； 吳順川等(2018)研究了溫度對(duì)紅砂巖抗拉強(qiáng)度的影響，試驗(yàn)結(jié)果表現(xiàn)為隨著處理溫度的升高，其內(nèi)部礦物組分間的膠結(jié)能力減弱，導(dǎo)致抗拉強(qiáng)度不斷下降； 王春萍等(2014)分析了溫度對(duì)花崗巖蠕變特性的影響規(guī)律，建立了單軸蠕變損傷本構(gòu)模型，得到了溫度對(duì)花崗巖的蠕變率和破壞時(shí)間的影響規(guī)律； Sun et al. (2015)探索了花崗巖在25～800 ℃條件下物理力學(xué)特性的演變規(guī)律，高溫使花崗巖的破壞形式由脆性破壞向塑性破壞轉(zhuǎn)變，證實(shí)了熱處理后花崗巖物理力學(xué)特性之間的重要關(guān)聯(lián)； Yang et al.(2017)研究表明，在25～600 ℃內(nèi)，花崗巖的破壞模式為脆性斷裂，形成貫通的劈裂裂紋； 700～800 ℃時(shí)，在韌性斷裂過程中會(huì)產(chǎn)生較大的塑性變形； 平琦等(2019)試驗(yàn)證明了實(shí)時(shí)高溫條件下砂巖的動(dòng)態(tài)峰值應(yīng)力與加載速率呈二次多項(xiàng)式函數(shù)關(guān)系； 趙國(guó)凱等(2019)得到了花崗巖在實(shí)時(shí)溫度作用下的應(yīng)力-應(yīng)變變化規(guī)律，隨著溫度升高，單軸抗壓強(qiáng)度與彈性模量呈下降的趨勢(shì)。吳剛等(2015)探討了溫度與花崗巖細(xì)觀結(jié)構(gòu)形態(tài)和聲發(fā)射響應(yīng)的關(guān)系，試驗(yàn)證明花崗巖的內(nèi)部裂紋和聲發(fā)射活動(dòng)頻率與溫度呈正相關(guān)關(guān)系，與巖樣內(nèi)部裂紋網(wǎng)格的形成具有對(duì)應(yīng)關(guān)系； 陳世萬等(2017)采用電鏡掃描技術(shù)發(fā)現(xiàn)， 100～573 ℃處理后，花崗巖的裂紋主要集中在晶粒邊界， 573 ℃后，開始出現(xiàn)穿晶裂紋，貫通整個(gè)晶粒與周圍晶粒裂紋連接，形成裂隙網(wǎng)絡(luò)； 趙亞永等(2017)發(fā)現(xiàn)高溫處理后的花崗巖內(nèi)部裂紋發(fā)育狀況隨著溫度的上升愈加明顯，認(rèn)為熱損傷巖石的宏觀物理力學(xué)性質(zhì)與其形成條件、礦物組分、微裂紋發(fā)育密切相關(guān)； 張帆等(2018)利用納米壓痕技術(shù)研究了花崗巖礦物組分和微觀結(jié)構(gòu)對(duì)其力學(xué)特性的影響，花崗巖內(nèi)部石英加熱超過500 ℃時(shí)，晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生相變，硬度急劇降低； 張志鎮(zhèn)等(2016)分析了溫度對(duì)巖石孔隙分布的影響規(guī)律，建立了孔隙分布的分形模型，得到了溫度與孔隙分維數(shù)之間的關(guān)系。

以上學(xué)者大多考慮高溫對(duì)地?zé)釒r石的物理力學(xué)特性、微觀結(jié)構(gòu)特征等的影響。事實(shí)上，在地?zé)豳Y源開發(fā)過程中，高溫巖體通常承受地?zé)崽崛∫旱姆磸?fù)快速冷卻作用(趙陽升等， 2004)。試驗(yàn)證明巖體顆?；蚓w結(jié)構(gòu)破裂裂紋會(huì)使巖體劣化(陳國(guó)慶等， 2018； 董艷輝等， 2018； 林冠宇等， 2018； 韓振華等， 2019； 王林均等， 2019)，而地?zé)崽崛∫旱拇嬖跁?huì)使巖石顆粒或晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生改變(Peng et al.，1972； Tapponnier et al.，1976； 趙陽升等， 2004)，孔隙水壓力也會(huì)加速巖石裂紋從不穩(wěn)定擴(kuò)展到宏觀失穩(wěn)(胡少華等， 2016)。因此，僅考慮高溫對(duì)巖石力學(xué)特性的影響不能完全描述地?zé)豳Y源開發(fā)中高溫巖體的工程行為。然而，目前針對(duì)循環(huán)高溫-快速冷卻對(duì)地?zé)釒r體力學(xué)特性影響的相關(guān)研究仍較少，對(duì)循環(huán)高溫-快速冷卻下地?zé)釒r體力學(xué)特性的演化規(guī)律仍不清楚。

因此，本文對(duì)花崗巖開展了循環(huán)高溫-快速冷卻試驗(yàn)，研究了溫度和快速冷卻次數(shù)對(duì)花崗巖應(yīng)力-應(yīng)變行為的影響規(guī)律，分析了循環(huán)高溫-快速冷卻后花崗巖承載全程的聲發(fā)射響應(yīng)特征，討論了溫度和快速冷卻次數(shù)與循環(huán)高溫-快速冷卻后花崗巖應(yīng)力-應(yīng)變、單軸抗壓強(qiáng)度和峰值應(yīng)變的關(guān)系。

1 試驗(yàn)方案與試驗(yàn)設(shè)備

1.1 巖樣的制備

圖1 花崗巖的X射線衍射譜

根據(jù)試驗(yàn)要求，將溫度設(shè)置為25 ℃、150 ℃、300 ℃、450 ℃及600 ℃，其中25 ℃下巖樣不進(jìn)行高溫處理。其他每個(gè)溫度水平又分為4個(gè)循環(huán)次數(shù)水平，分別為1次、5 次、10 次及15次。25 ℃制備6塊巖樣，其他每組溫度和循環(huán)次數(shù)各制備4塊巖樣，共17組， 70塊巖樣。將巖樣以10 ℃·min-1的速率分別加熱至目標(biāo)溫度，然后恒溫保持2 h。完成高溫處理后，快速且穩(wěn)定地將巖樣放置在蒸餾水中冷卻至25 ℃，巖樣冷卻至預(yù)定溫度后，將巖樣從水中取出放置在陰涼處，待巖樣表面干燥，使用烘干箱對(duì)其進(jìn)行干燥處理(在50 ℃條件下烘24 h)。為了確保冷卻水的溫度恒定在25 ℃，使用了150 L的水箱作為容器，并對(duì)冷卻水進(jìn)行了實(shí)時(shí)更新。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

本次花崗巖高溫處理試驗(yàn)在CW-3000型高溫爐(圖2)上完成，該設(shè)備使用溫度≤1600 ℃，升溫速率≤20 ℃·min-1。高溫處理后的花崗巖單軸壓縮試驗(yàn)均在MTS815電液伺服巖石力學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng)(MTS815 Electrohydraulic Servocontrolled Rock Mechanics Testing System)(圖2)上完成。在花崗巖進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)過程中采用位移控制的加載方式，速率為0.002mm·s-1； 與此同時(shí)，開啟AE21C聲發(fā)射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(圖2)，以獲取聲發(fā)射信號(hào)。設(shè)置加載設(shè)備MTS815系統(tǒng)采集信號(hào)時(shí)間間隔為0.5 s，聲發(fā)射AE21C系統(tǒng)采集信號(hào)時(shí)間間隔為1 s。

圖2 MTS815電液伺服巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)、AE21C聲發(fā)射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和CW-3000型高溫爐

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 常溫條件下的花崗巖應(yīng)力-應(yīng)變行為和聲發(fā)射響應(yīng)特征

為了了解循環(huán)高溫-快速冷卻后花崗巖力學(xué)特性演化規(guī)律，首先需要了解常溫狀態(tài)下花崗巖在加載過程中的應(yīng)力-應(yīng)變演化特征。圖3給出了常溫狀態(tài)下的花崗巖巖樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，大致可將其分為5個(gè)階段(Bieniawski， 1967； 蔡美峰等， 2002； Wu et al.， 2017； Zhou et al.，2019)。第1階段為孔隙壓密階段(o-cc)，此階段σ-ε曲線呈上凹型，可以理解為原生孔隙和裂隙的壓密閉合，因此在此階段聲發(fā)射信號(hào)較弱； 第2階段為彈性變形階段(cc-ci)，此階段σ-ε曲線呈線性變化，聲發(fā)射信號(hào)較平穩(wěn)，甚至沒有聲發(fā)射信號(hào)產(chǎn)生； 第3階段為裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展階段(ci-cd)，巖樣內(nèi)已閉合的原生孔隙和裂隙以及新生裂紋開始擴(kuò)展，使得此階段σ-ε曲線表現(xiàn)出一定的非線性，聲發(fā)射信號(hào)增強(qiáng)； 第4階段為裂紋非穩(wěn)定擴(kuò)展階段(cd-c)，此階段裂紋擴(kuò)展加劇，致使σ-ε曲線的非線性增大，且容易出現(xiàn)較大裂紋的擴(kuò)展貫通，由此表現(xiàn)出聲發(fā)射信號(hào)的突增，見圖3中cd-c間的聲發(fā)射突增； 第5階段為破壞階段(c點(diǎn)之后)，巖樣達(dá)到峰值應(yīng)力后，裂紋擴(kuò)展貫通形成破裂面，導(dǎo)致聲發(fā)射信號(hào)的突增。峰后巖樣的承載能力主要依靠裂隙面間的顆粒摩擦承載，局部的顆粒斷裂形成裂紋也在峰后表現(xiàn)出一定的聲發(fā)射信號(hào)。

圖3 常溫條件下花崗巖巖樣軸向應(yīng)力-軸向應(yīng)變-聲發(fā)射曲線

2.2 循環(huán)高溫條件下的花崗巖應(yīng)力-應(yīng)變行為和聲發(fā)射響應(yīng)特征

2.2.1 溫度的影響

為了研究溫度對(duì)花崗巖應(yīng)力-應(yīng)變行為和聲發(fā)射響應(yīng)特征的影響，固定循環(huán)次數(shù)，以溫度為變量進(jìn)行研究。取5次循環(huán)處理的花崗巖巖樣為例，探究溫度對(duì)花崗巖巖樣軸向應(yīng)力和軸向應(yīng)變的影響(圖4)。由圖4可知，在不同溫度水平下，花崗巖巖樣均經(jīng)歷了上述5個(gè)階段，花崗巖巖樣的單軸抗壓強(qiáng)度和峰值應(yīng)變?cè)跍囟茸饔煤蟀l(fā)生明顯的變化。由圖4可知，溫度為150 ℃、300 ℃、450 ℃及600 ℃下巖樣的單軸抗壓強(qiáng)度分別為112.94 MPa、84.43 MPa、58.42 MPa和16.16 MPa，花崗巖試樣單軸抗壓強(qiáng)度隨著溫度的升高而減小，呈負(fù)相關(guān)關(guān)系； 其對(duì)應(yīng)峰值應(yīng)變分別為0.007 73、0.008 71、0.010 89、0.021 50，峰值應(yīng)變隨著溫度的升高而逐漸增大，呈正相關(guān)關(guān)系。由圖4中4條不同溫度應(yīng)力-應(yīng)變曲線的形態(tài)可以看出，隨著溫度升高，花崗巖軸向應(yīng)力-軸向應(yīng)變行為的變化越來越明顯，巖石的塑性特征明顯增強(qiáng)。

圖4 不同溫度下花崗巖巖樣的軸向應(yīng)力-軸向應(yīng)變曲線

巖石內(nèi)部顆粒在荷載的作用下斷裂滑移形成裂紋，其斷裂產(chǎn)生的能量釋放了聲發(fā)射信號(hào)，因此，可以通過聲發(fā)射信號(hào)來表征巖石材料的損傷狀態(tài)。圖5給出了花崗巖巖樣在不同溫度下的軸向應(yīng)力-軸向應(yīng)變-聲發(fā)射曲線。

圖5 不同溫度下花崗巖巖樣的軸向應(yīng)力-軸向應(yīng)變-聲發(fā)射曲線

由圖5可知，溫度使花崗巖巖樣聲發(fā)射信號(hào)響應(yīng)特征產(chǎn)生明顯的變化。循環(huán)次數(shù)相同的條件下，花崗巖試樣聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)率最大值和聲發(fā)射累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)在150～450 ℃內(nèi)隨著溫度的上升而增大； 需要注意的是，在600 ℃時(shí)，無論是聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)率最大值還是累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)都發(fā)生明顯的降低，這和翟松韜等(2013)試驗(yàn)結(jié)果一致，認(rèn)為這是由熱熔效應(yīng)導(dǎo)致花崗巖裂紋閉合造成的。由聲發(fā)射信號(hào)分布特征可以看出，隨著溫度的升高，聲發(fā)射信號(hào)響應(yīng)由間歇活動(dòng)向連續(xù)活動(dòng)過渡，聲發(fā)射信號(hào)的密集程度逐漸增大。由此可得，高溫會(huì)造成巖樣內(nèi)部的結(jié)構(gòu)劣化，而聲發(fā)射信號(hào)趨于連續(xù)則表現(xiàn)出巖石延性的增加。通過對(duì)比圖3和圖5還可以發(fā)現(xiàn)，圖3、圖5a和圖5b中，在單軸抗壓強(qiáng)度2/3的位置存在明顯的“跌坎”(郭清露等， 2015)，即應(yīng)力跌落。針對(duì)應(yīng)力跌落的產(chǎn)生，謝和平等(2006)認(rèn)為單軸壓縮過程中原已壓密的原生裂隙孔隙在軸向應(yīng)力繼續(xù)作用下不斷產(chǎn)生新生裂隙，并迅速擴(kuò)展匯合成宏觀貫通裂隙，且不可控制； 其應(yīng)力跌落點(diǎn)聲發(fā)射信號(hào)反應(yīng)劇烈，聲發(fā)射柱狀圖上出現(xiàn)峰值。隨著溫度的升高，這種應(yīng)力跌落的現(xiàn)象趨于消失，說明了巖石的脆性衰弱，塑性增強(qiáng)。

2.2.2 循環(huán)次數(shù)的影響

為了研究循環(huán)次數(shù)對(duì)花崗巖應(yīng)力-應(yīng)變行為和聲發(fā)射響應(yīng)特征的影響，固定加熱溫度，以循環(huán)次數(shù)為變量進(jìn)行研究。取450 ℃高溫處理后的花崗巖巖樣為例，研究花崗巖單軸抗壓強(qiáng)度和軸向應(yīng)變的變化規(guī)律(圖6)。由圖6可知，在不同循環(huán)次數(shù)的條件下，花崗巖巖樣均經(jīng)歷了上述5個(gè)階段，其單軸抗壓強(qiáng)度和峰值應(yīng)變皆因循環(huán)次數(shù)的增加而發(fā)生明顯的變化。循環(huán)次數(shù)為1次、5次、10次和15次下巖樣的單軸抗壓強(qiáng)度分別為87.18 MPa、58.42 MPa、35.37 MPa和23.93 MPa，單軸抗壓強(qiáng)度隨循環(huán)次數(shù)升高而減小，單軸抗壓強(qiáng)度與循環(huán)次數(shù)呈負(fù)相關(guān)關(guān)系； 其對(duì)應(yīng)峰值應(yīng)變分別為0.010 07、0.010 89、0.013 99、0.016 48，峰值應(yīng)變隨著循環(huán)次數(shù)的增加而增大，呈正相關(guān)關(guān)系。從圖6的應(yīng)力-應(yīng)變曲線可以看出，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，軸向應(yīng)力-軸向應(yīng)變曲線趨于扁平，使其塑性特征更加明顯。

圖6 不同循環(huán)次數(shù)下花崗巖巖樣的軸向應(yīng)力-軸向應(yīng)變曲線

圖6顯示出循環(huán)次數(shù)對(duì)軸向應(yīng)力-應(yīng)變的影響，為了便于表達(dá)這種損傷狀態(tài)，圖7給出了花崗巖巖樣在不同循環(huán)次數(shù)下的軸向應(yīng)力-軸向應(yīng)變-聲發(fā)射曲線。

圖7 不同循環(huán)次數(shù)下花崗巖巖樣的軸向應(yīng)力-軸向應(yīng)變-聲發(fā)射曲線

由圖6和圖7可知，循環(huán)次數(shù)對(duì)花崗巖巖樣聲發(fā)射信號(hào)分布特征產(chǎn)生了較大的影響。聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)率最大值、累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)、分布密集度等皆發(fā)生明顯的改變，如聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)率最大值隨著循環(huán)次數(shù)的增加而降低； 聲發(fā)射累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)在循環(huán)1次到5次時(shí)呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)，而循環(huán)5次到循環(huán)15次呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)； 聲發(fā)射信號(hào)由間斷活動(dòng)向連續(xù)活動(dòng)過渡，聲發(fā)射信號(hào)的密集程度明顯升高。由此可得，花崗巖試樣在循環(huán)次數(shù)的影響下，其巖石延性趨于增強(qiáng)。

3 結(jié) 論

本文利用MTS815電液伺服巖石力學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng)和AE21C聲發(fā)射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)開展了花崗巖的單軸壓縮試驗(yàn)和聲發(fā)射監(jiān)測(cè)試驗(yàn)，分析了溫度和循環(huán)次數(shù)對(duì)花崗巖軸向應(yīng)力-軸向應(yīng)變行為和聲發(fā)射響應(yīng)特征的影響規(guī)律，得到了溫度和循環(huán)次數(shù)與花崗巖單軸抗壓強(qiáng)度、變形和聲發(fā)射信號(hào)的劇烈程度、分布特征的關(guān)系。主要結(jié)論如下：

(1)花崗巖軸向應(yīng)力-軸向應(yīng)變行為、單軸抗壓強(qiáng)度和峰值應(yīng)變與溫度和循環(huán)次數(shù)密切相關(guān)。溫度和循環(huán)次數(shù)均削弱了花崗巖承載能力，而加強(qiáng)了花崗巖的變形能力，表現(xiàn)為花崗巖的承載力持續(xù)減弱，花崗巖試樣結(jié)構(gòu)承載力達(dá)到峰值時(shí)的變形量持續(xù)增加，即單軸抗壓強(qiáng)度與溫度和循環(huán)次數(shù)呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，峰值應(yīng)變與溫度和循環(huán)次數(shù)呈正相關(guān)關(guān)系，巖石塑性變形能力趨于增強(qiáng)。

(2)花崗巖試樣在溫度影響下，聲發(fā)射信號(hào)的劇烈程度(聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)率最大值)和聲發(fā)射累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)呈現(xiàn)先增大后降低的趨勢(shì)，應(yīng)力跌落的現(xiàn)象弱化甚至消失，聲發(fā)射信號(hào)由間歇活動(dòng)向連續(xù)活動(dòng)過渡?？梢钥闯?，溫度影響下的花崗巖試樣脆性降低而韌性增強(qiáng)。

(3)循環(huán)次數(shù)加劇了溫度對(duì)花崗巖試樣內(nèi)部結(jié)構(gòu)的影響，使聲發(fā)射信號(hào)響應(yīng)特征發(fā)生巨大變化。聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)率最大值和聲發(fā)射累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)隨著循環(huán)次數(shù)的增加而減小，聲發(fā)射信號(hào)密集程度加大，聲發(fā)射信號(hào)由間歇活動(dòng)向連續(xù)活動(dòng)轉(zhuǎn)變。因此，循環(huán)次數(shù)弱化了花崗巖的脆性及增強(qiáng)了塑性。