液氮冷卻作用下三類高溫巖石力學(xué)性能試驗(yàn)研究

董 碩, 沙 松, 蒙世仟, 榮 冠

(1. 武漢大學(xué) 水資源與水電工程科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 湖北 武漢 430072;2. 廣西壯族自治區(qū)水利電力勘測設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司, 廣西 南寧 530023)

與化石能源相比,干熱巖地?zé)崮苁且环N可再生的環(huán)境友好型能源,具有廣闊的發(fā)展前景[1-2].適于開發(fā)的干熱巖儲存溫度在150～500 ℃之間,以變質(zhì)巖、結(jié)晶類巖體為主,也可見于沉積巖體[3-4].目前采用有效手段對致密的地?zé)醿訋r體進(jìn)行增透處置是提高干熱巖地?zé)崮荛_采效率的關(guān)鍵.與傳統(tǒng)水力壓裂相比,液氮壓裂是一種新興的無水壓裂技術(shù),液氮在大氣壓下約為-196 ℃,與高溫巖體接觸將產(chǎn)生強(qiáng)烈的冷沖擊,在巖石表面產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力,從而造成拉伸破壞,促進(jìn)裂隙網(wǎng)絡(luò)的形成[5-8].低溫液氮壓裂試驗(yàn)結(jié)果也集中在油氣資源領(lǐng)域,而在干熱巖開發(fā)應(yīng)用上還存在許多需要解決的問題.

近年來,國內(nèi)外學(xué)者逐步開展了液氮對巖石的凍結(jié)損傷及壓裂試驗(yàn),并取得了一些研究成果.基于核磁共振技術(shù),蔡承政等[9-12]發(fā)現(xiàn)液氮可對巖石的孔隙結(jié)構(gòu)造成嚴(yán)重的破壞,且損傷程度與巖石孔隙率和飽和度呈正相關(guān).黃中偉等[13-14]指出低溫液氮沖擊導(dǎo)致了巖石內(nèi)部微觀缺陷的發(fā)展,而孔隙水結(jié)冰產(chǎn)生的凍脹力進(jìn)一步加劇了巖石的損傷程度,當(dāng)液氮作為鉆井液和壓裂液使用時(shí),有助于提高破巖效率.楊兆中等[15]通過研究發(fā)現(xiàn)液氮產(chǎn)生的低溫?fù)p傷會導(dǎo)致煤巖滲透率升高,含水煤巖滲透率升高幅度大于干燥煤巖.Cha等[16]和Alqatahni等[17]在真三軸加載條件下進(jìn)行了液氮低溫壓裂試驗(yàn),結(jié)果表明,液氮低溫處理在促進(jìn)巖石內(nèi)部微裂紋發(fā)育、增強(qiáng)巖石滲透性和降低起裂壓力方面具有優(yōu)異的表現(xiàn),而裂縫的擴(kuò)展方向受圍壓水平和各向異性的控制.Qin等[18-19]開展了三軸條件下液氮單次和循環(huán)注入誘發(fā)煤破壞的試驗(yàn),研究發(fā)現(xiàn),循環(huán)注入的壓裂效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于單次注入.任韶然等[20]利用液氮對煤巖進(jìn)行冷沖擊試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)液氮使煤巖內(nèi)部結(jié)構(gòu)及力學(xué)強(qiáng)度發(fā)生較大變化.Cai等[21]研究液氮處理前后煤巖滲透率變化規(guī)律,表明液氮處理后巖石滲透率提升.Wu等[22]研究了加熱-液氮冷卻循環(huán)對花崗巖物理力學(xué)性能的影響,發(fā)現(xiàn)加熱-液氮冷卻循環(huán)處理導(dǎo)致巖石滲透率增強(qiáng)和力學(xué)特性劣化,加劇試樣損傷.Yang等[23]對不同溫度花崗巖(100～600 ℃)在三軸圍壓下進(jìn)行液氮壓裂試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)經(jīng)液氮低溫處理后,花崗巖破裂壓力降低了10%～51%.

目前,液氮對巖石損傷作用的研究大多是針對常溫條件下的煤巖和頁巖開展的,高溫巖石在液氮冷卻處理后的力學(xué)特性和損傷機(jī)理尚不清楚.因此,本文選取花崗巖、片麻巖和砂巖為研究對象,利用液氮對處于不同高溫狀態(tài)下(25～350℃)的巖石試樣進(jìn)行冷卻處理,通過開展一系列的室內(nèi)試驗(yàn),研究液氮冷卻對三類巖石物理力學(xué)特性的影響,并分析其損傷機(jī)理.

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試樣描述與制備

選取花崗巖、片麻巖和砂巖開展試驗(yàn)研究.從礦山開采完整性較好、無明顯裂隙的大尺度巖塊.其中,花崗巖采自河南泌陽,灰白色,質(zhì)地相對均勻,主要礦物為鉀長石、鈉長石和石英,含有少量云母、方解石和綠泥石;片麻巖采自福建南平,深灰色,片麻狀構(gòu)造,深淺條帶相間排列,礦物成分包括鉀長石、透閃石、石英、云母和綠泥石;砂巖采自四川自貢,黃褐色,泥質(zhì)膠結(jié),由石英、伊利石和高嶺石組成.三類巖石的基本物理力學(xué)特性如表1所示.

表1 三類巖石基本物理力學(xué)特性

根據(jù)試驗(yàn)需求,將巖塊加工成直徑50 mm,高度100 mm的圓柱體試樣,其中,片麻巖的取芯方向平行于層理平面.試樣的加工制備過程嚴(yán)格按照國際巖石力學(xué)學(xué)會(ISRM)的建議方法[24]進(jìn)行.試樣的直徑和高度誤差控制在0.3 mm以內(nèi),兩端面的不平行度不超過0.05 mm.加工完成的巖石試樣如圖1所示.為了保證試樣性質(zhì)的均一性,同一類巖石試樣均取自同一個(gè)巖塊.此外,為了減少試驗(yàn)結(jié)果的離散性,將縱波波速明顯偏離平均值的試樣剔除.

圖1 三類巖石標(biāo)準(zhǔn)圓柱體試樣

1.2 試驗(yàn)設(shè)備與方案

1.2.1 試樣加熱及液氮冷卻

采用SX3-10-12箱型馬弗爐對試樣進(jìn)行高溫處理.各類巖石試樣被分為7組,每組包含3個(gè)試樣.其中,一組試樣不進(jìn)行高溫處理(25 ℃),剩余各組試樣分別加熱至100,150,200,250,300和 350 ℃,以模擬干熱巖儲層巖石的環(huán)境溫度.加熱速率設(shè)置為5 ℃/min,以避免熱沖擊誘發(fā)額外的熱裂紋.為了使試樣充分受熱,將試樣加熱至設(shè)定溫度后繼續(xù)保溫4 h.此后,將試樣從馬弗爐中取出,立刻浸泡在液氮中冷卻,不斷加入液氮,直到試樣表面沒有劇烈反應(yīng),則巖石試樣完全冷卻.試樣完全冷卻后取出放入密封袋中,待其恢復(fù)至室溫.巖石的加熱冷卻過程如圖2所示.

1.2.2 基本物理參數(shù)測定

基于超聲脈沖技術(shù),采用RSM-SY5(T)聲波測試儀對高溫加熱前后試樣的縱波波速進(jìn)行測定.每種條件下測量三個(gè)試樣的縱波波速,取平均值作為最終結(jié)果.另外,根據(jù)ISRM的建議方法[24],對高溫加熱前后巖石試樣的孔隙率進(jìn)行測定.借助ZK-270真空飽和裝置,將試樣在0.1 MPa的真空環(huán)境中浸水24 h,稱重得到飽和質(zhì)量Msat;然后,將試樣放在DHG-101型鼓風(fēng)干燥箱中,在105 ℃的溫度下干燥24 h,稱重得到干燥質(zhì)量Ms.試樣的孔隙率為

(1)

式中:n是孔隙率,%;Msat是飽和質(zhì)量，g;Ms是干燥質(zhì)量，g;V是表觀體積,cm3;ρw是水的密度,g/cm3.

1.2.3 單軸壓縮試驗(yàn)

單軸壓縮試驗(yàn)在TAW-3000 型巖石三軸伺服多場耦合試驗(yàn)系統(tǒng)上開展,如圖3a所示.該系統(tǒng)最大加載力3 MN,控制精度0.01%.試驗(yàn)采用軸向變形控制,加載速率恒定為0.02 mm/min.試樣的軸向和徑向變形由對應(yīng)的線性可變差動變壓器(LVDT)監(jiān)測(圖3b),其測量范圍分別為±2.5 mm和±6.5 mm,測量精度均為0.01%.試驗(yàn)過程中產(chǎn)生的所有數(shù)據(jù)由控制軟件自動記錄(圖3c).同樣,在每種條件下對三個(gè)試樣開展單軸壓縮試驗(yàn),以減少離散誤差.

圖3 試驗(yàn)系統(tǒng)

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 表觀特征

對經(jīng)過加熱和液氮冷卻后的巖石試樣進(jìn)行仔細(xì)的表觀檢查.花崗巖和片麻巖試樣在各溫度下未發(fā)生明顯的顏色改變,而砂巖試樣在經(jīng)過250 ℃的高溫處理后,外觀顏色有所加深,由最初的黃褐色變?yōu)榧t褐色,如圖4a所示.這是由于砂巖礦物中的鐵離子在熱作用下由低價(jià)態(tài)逐漸向高價(jià)態(tài)轉(zhuǎn)變所致[25].此外,三類巖石表面粗糙度隨著加熱溫度的升高而更加顯著.

在各溫度條件下,未在花崗巖試樣表面發(fā)現(xiàn)明顯的宏觀裂紋(圖4b),而在350℃時(shí),經(jīng)過液氮冷卻的片麻巖和砂巖試樣表面發(fā)生了局部宏觀破裂,如圖4c,圖4d所示.液氮快速冷卻使試樣表面發(fā)生高速收縮變形并產(chǎn)生拉應(yīng)力,在較大的溫差條件下,拉應(yīng)力超過了礦物間的抗拉強(qiáng)度,會造成宏觀拉伸破壞[7,9].

圖4 巖石試樣表觀觀察

2.2 孔隙率

孔隙率是巖石重要的基礎(chǔ)物理特性之一,反映了巖石內(nèi)部結(jié)構(gòu)的密實(shí)度,對巖石材料的強(qiáng)度和變形特性有著顯著影響.圖5呈現(xiàn)了液氮冷卻處理后三類巖石的孔隙率隨加熱溫度的變化規(guī)律.從圖5可以看出,三類巖石的孔隙率與加熱溫度總體呈正相關(guān),表明在較高的溫度下進(jìn)行液氮冷卻處理能夠促進(jìn)試樣內(nèi)部微觀缺陷的發(fā)展.在室溫條件下,花崗巖、片麻巖和砂巖的孔隙率分別為0.73%,0.30%和10.54%,花崗巖和片麻巖具有相對致密的孔隙結(jié)構(gòu),而砂巖內(nèi)部孔隙發(fā)育.這主要是因?yàn)閹r石的成巖作用和礦物間的膠結(jié)類型不同所致.在350 ℃的高溫條件下,經(jīng)液氮冷卻后花崗巖和片麻巖試樣的孔隙率分別為0.93%和0.47%,較室溫條件下增加27.40%和56.67%.由圖5可以看出,花崗巖孔隙率變化呈現(xiàn)增大的趨勢,增幅較平緩.這是由于花崗巖試樣經(jīng)歷了先加熱后液氮冷卻的過程,在高溫及溫差冷沖擊效應(yīng)的作用下,使得試樣內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生變化,溫度越高,對試樣的損傷程度越大,故而曲線呈上升趨勢.但由于試驗(yàn)花崗巖試樣結(jié)構(gòu)致密,350℃的高溫加熱及冷沖擊作用還未使得花崗巖內(nèi)部晶體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生大的破壞,未造成石英的相態(tài)轉(zhuǎn)化,故而升幅較緩.

圖5 液氮冷卻后三類巖石孔隙率隨溫度的變化

與花崗巖相比,片麻巖試樣雖然具有更低的初始孔隙率,但在200 ℃之后,其孔隙率的增長較大.這是因?yàn)槠閹r層理薄弱區(qū)處的原生裂紋在強(qiáng)烈的熱沖擊作用下逐漸沿層理面發(fā)育,導(dǎo)致裂隙通道的擴(kuò)展,從而導(dǎo)致孔隙率的大幅提高[25].砂巖試樣的孔隙率在200 ℃之前略有下降,而后表現(xiàn)為逐漸增加的趨勢.這是因?yàn)樵?5～200 ℃較低溫度條件下,隨著溫度上升,試樣內(nèi)部微孔隙及小孔隙逐漸增加,由于砂巖內(nèi)部孔隙發(fā)育,中孔隙及大孔隙數(shù)量逐漸減少.該溫度區(qū)間礦物顆粒膨脹,中、大孔隙逐漸閉合,從而導(dǎo)致砂巖孔隙率降低.當(dāng)溫度超過200 ℃后,中、大孔隙數(shù)量逐漸增多,孔隙率增大.相比而言,砂巖對熱沖擊的敏感性較低,在350 ℃下,其孔隙率為12.26%,較室溫條件下僅增長16.32%.砂巖疏松的孔隙結(jié)構(gòu)為礦物提供了熱變形空間,有助于減少局部熱應(yīng)力和熱破壞的產(chǎn)生[26].

2.3 縱波波速

縱波波速對巖石內(nèi)部微觀缺陷的發(fā)育非常敏感,因此可以作為評價(jià)巖石微觀結(jié)構(gòu)損傷的有效指標(biāo).經(jīng)過液氮冷卻后三類巖石的縱波波速隨溫度的變化如圖6所示.對于完整的花崗巖和片麻巖試樣,其縱波波速分別為4 112和4 447 m/s.相比而言,片麻巖比花崗巖具有更密實(shí)的內(nèi)部結(jié)構(gòu),這與孔隙率的結(jié)果一致.而對于孔隙發(fā)育的砂巖試樣,其縱波波速為2 641 m/s,遠(yuǎn)小于花崗巖和片麻巖波速.從圖6可以看出,隨著加熱溫度的升高,花崗巖和片麻巖的縱波波速呈近似線性降低,砂巖試樣的縱波波速表現(xiàn)為先增加后減少的波動變化.在350 ℃的加熱溫度下,經(jīng)液氮冷卻后的花崗巖、片麻巖和砂巖試樣的縱波波速較常溫條件下分別減小了21.69%,23.34%,6.51%.

圖6 液氮冷卻后三類巖石縱波波速隨溫度的變化

液氮冷卻對高溫巖石產(chǎn)生的熱沖擊損傷取決于兩者之間的溫差,溫差越大,試樣內(nèi)部產(chǎn)生的熱應(yīng)力則越大,對巖石內(nèi)部結(jié)構(gòu)造成損傷也就越顯著[27].同樣,液氮冷卻處理對片麻巖產(chǎn)生的熱沖擊損傷最為顯著,花崗巖次之,而對砂巖內(nèi)部結(jié)構(gòu)的破壞相對較小.

2.4 應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖7顯示了三類巖石試樣在不同處理?xiàng)l件下的典型應(yīng)力-應(yīng)變曲線.從應(yīng)力-應(yīng)變曲線可以看出,巖石在加載過程中經(jīng)歷了裂紋閉合、彈性變形、裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展、裂紋加速擴(kuò)展以及峰后變形5個(gè)漸進(jìn)破壞階段.在初始加載階段,試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線表現(xiàn)出非線性變形,曲線呈上凹狀,這與巖石內(nèi)部微裂紋在荷載作用下的閉合有關(guān)[23].隨著軸向應(yīng)力的進(jìn)一步增大,應(yīng)力-應(yīng)變曲線進(jìn)入線彈性階段,試樣的變形參數(shù),如彈性模量和泊松比,可以根據(jù)此階段曲線的線性變化來確定.隨后,隨著巖石微裂紋的不斷萌生、發(fā)展和合并,應(yīng)力-應(yīng)變曲線逐漸偏離線性,產(chǎn)生塑性變形,直至達(dá)到峰值強(qiáng)度.最后,曲線進(jìn)入峰后變形階段,軸向應(yīng)力逐漸降低,試樣產(chǎn)生宏觀破裂面.從圖7可以看出,隨著加熱溫度的升高,三類巖石在初始變形階段的非線性均逐漸增強(qiáng),表明溫度的提高加劇了液氮冷卻對巖石產(chǎn)生的熱沖擊損傷,即巖石內(nèi)部產(chǎn)生了更多的微裂紋.與花崗巖和砂巖的光滑曲線不同,在各溫度下,片麻巖試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線在彈性階段后多次出現(xiàn)明顯的應(yīng)力突變點(diǎn),曲線呈現(xiàn)鋸齒狀(圖7b).這主要是因?yàn)樵诩虞d過程中片麻巖試樣沿層理面發(fā)生了多次局部破裂.此外,加熱和液氮冷卻處理對試樣峰后變形的影響并不顯著.幾乎所有巖石試樣在峰值應(yīng)力后都出現(xiàn)應(yīng)力驟降,這意味著它們均以脆性破壞的形式失效.

圖7 三類高溫巖石液氮冷卻后應(yīng)力-應(yīng)變曲線

2.5 強(qiáng)度變形參數(shù)

經(jīng)液氮冷卻后,三類巖石的抗壓強(qiáng)度隨溫度的變化如圖8所示.在室溫下,花崗巖、片麻巖和砂巖的強(qiáng)度分別為177.89,186.32和 69.83 MPa.隨著加熱溫度的提高,三類巖石的強(qiáng)度總體呈下降趨勢.在250 ℃之前,片麻巖的抗壓強(qiáng)度高于花崗巖,此后則呈現(xiàn)出更大的降幅.在350 ℃時(shí),花崗巖和片麻巖抗壓強(qiáng)度較常溫條件分別下降了30.25%和40.66%.片麻巖的層理面膠結(jié)較弱,在高溫和液氮冷卻沖擊的雙重作用下,片麻巖的強(qiáng)度退化更為顯著.對于砂巖試樣,其在任意加熱溫度下始終具有最低的抗壓強(qiáng)度.相比于花崗巖和片麻巖,砂巖對高溫和液氮冷卻處理并不敏感,在350 ℃時(shí),砂巖的抗壓強(qiáng)度較室溫條件僅下降22.76%.

圖8 液氮冷卻后三類巖石抗壓強(qiáng)度隨溫度的變化

彈性模量是衡量巖石抵抗彈性變形能力大小的尺度.在本研究中,不同處理?xiàng)l件下巖石試樣的彈性模量通過應(yīng)力-應(yīng)變曲線中40%～60%峰值應(yīng)力對應(yīng)的線性部分確定(圖9),從圖9可以看出,高溫和液氮冷卻對巖石的彈性模量有著顯著影響.總的來說,巖石試樣的彈性模量隨著加熱溫度的升高而逐漸降低.花崗巖、片麻巖和砂巖試樣在室溫下的彈性模量分別為56.34,62.16和15.96 GPa.經(jīng)350 ℃高溫處理及液氮冷卻后,花崗巖和片麻巖的彈性模量分別降低37.79%和46.16%,而砂巖變化相對較小,僅降低34.71%,進(jìn)一步說明液氮冷卻對花崗巖和片麻巖的損傷用更強(qiáng),而對砂巖的影響相對較小.圖10為三類巖石在不同處理?xiàng)l件下的峰值應(yīng)變.結(jié)果表明,在更高的溫度條件下進(jìn)行液氮冷卻處理會導(dǎo)致巖石峰值應(yīng)變近似線性地增加,這反映出試樣內(nèi)部結(jié)構(gòu)的劣化程度逐漸增強(qiáng).

圖9 液氮冷卻后三類巖石彈性模量隨溫度的變化

圖10 液氮冷卻后三類巖石峰值應(yīng)變隨溫度的變化

2.6 巖石破壞形態(tài)

經(jīng)歷不同加熱-液氮冷卻處理后,三類巖石的破壞模式如圖11所示.從圖中可以看出,三類巖石的破壞模式總體都以脆性拉伸劈裂破壞為主,在試樣表面可以觀察到一個(gè)或多個(gè)近似垂直的拉伸裂紋.由于片麻巖層理結(jié)構(gòu)發(fā)育,層間礦物的膠結(jié)作用遠(yuǎn)小于層內(nèi)礦物間的結(jié)合強(qiáng)度,其破壞大多沿層理面發(fā)生.在不同的加熱溫度下,試樣破壞后的完整性有著明顯的不同.隨著溫度的升高,三類巖石試樣破壞后的完整性逐漸變差,表現(xiàn)為主斷裂附近局部裂紋數(shù)量的增加.當(dāng)加熱溫度在300 ℃時(shí),三類巖石局部裂紋更為發(fā)育,且有更多大塊碎片從試樣脫落.這是由于在較高的溫度下,液氮快速冷卻引起的熱沖擊效應(yīng)進(jìn)一步加劇了巖石的初始損傷.

圖11 不同加熱-液氮冷卻處理后三類巖石失效模式

3 微觀觀察與損傷機(jī)理

3.1 微觀結(jié)構(gòu)觀察

采用Olympus BX53M偏光顯微鏡對在不同溫度下進(jìn)行液氮冷卻處理后的三類巖石試樣的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察.為了有效識別微裂紋的發(fā)展,將巖石試樣的微觀結(jié)構(gòu)放大50倍.部分溫度條件下三類巖石的微觀結(jié)構(gòu)如圖12所示.

圖12 液氮冷卻后三類巖石微觀結(jié)構(gòu)

由圖12a～圖12c可以看出,在室溫條件下,三類巖石中的礦物晶體排列緊密,除了原生的礦物邊界以外,在巖石薄片中均未觀察到明顯的微裂紋,表明未損傷巖石的內(nèi)部結(jié)構(gòu)完好.隨著加熱溫度的升高,巖石的微觀結(jié)構(gòu)逐步受到破壞,微裂紋在礦物邊界,甚至晶體內(nèi)部逐漸萌生、發(fā)育,微裂紋數(shù)量逐漸增加.圖12d～圖12f分別為350 ℃時(shí)花崗巖、片麻巖和砂巖的顯微結(jié)構(gòu)照片.可以看出,經(jīng)350℃高溫處理后,三類巖樣礦物顆粒內(nèi)裂紋較常溫明顯增多,石英和長石顆粒內(nèi)部裂紋發(fā)育顯著.在此溫度條件下,晶界裂紋為主要的裂紋形式,晶內(nèi)裂紋僅在部分礦物晶體中存在.對于三類巖石而言,石英均為其主要的礦物成分,由于石英具有較大的熱膨脹系數(shù),因此大多數(shù)的微裂紋沿石英礦物邊界發(fā)育.此外,相比于花崗巖試樣,片麻巖試樣在350 ℃時(shí)的微裂紋發(fā)育更為顯著,且沿礦物排列方向集中分布.砂巖由沉積作用形成,礦物間存在膠結(jié)物,初始孔隙率較大.高溫加熱液氮快速冷卻后其內(nèi)部礦物不均勻性變形得到一定程度協(xié)調(diào),因此其微觀結(jié)構(gòu)的破壞程度相對不明顯,以石英邊界的晶界裂紋發(fā)育為主.

3.2 熱沖擊損傷評價(jià)

上述試驗(yàn)結(jié)果表明,加熱和液氮冷卻處理對巖石內(nèi)部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了顯著的熱沖擊損傷,造成巖石物理力學(xué)性能的惡化.為了對三類巖石損傷程度進(jìn)行定量評價(jià),基于彈性應(yīng)變理論,定義了與彈性模量相關(guān)的損傷變量,即

(2)

式中:D是損傷變量;E為室溫下巖石的彈性模量;ET為不同加熱溫度下巖石的彈性模量.三類巖石損傷變量的計(jì)算結(jié)果見表2.

表2 三類巖石熱損傷變量

圖13顯示了液氮冷卻后三類巖石損傷變量隨加熱溫度的變化.結(jié)果顯示,三類巖石損傷變量總體隨溫度的升高而增大,損傷變量隨加熱溫度的變化可以通過二次多項(xiàng)式擬合獲得.觀察可知,三類巖石損傷變量隨溫度變化的敏感性不同.當(dāng)溫度低于200 ℃時(shí),花崗巖損傷變量最大,由于其內(nèi)部礦物顆粒排列緊密, 經(jīng)加熱和液氮冷卻處理

圖13 熱損傷變量隨溫度的變化及擬合結(jié)果

后,礦物顆粒裂紋較常溫明顯發(fā)育,故損傷變量增大.但在200 ℃之后,片麻巖的損傷程度最為顯著,這與片麻巖層理結(jié)構(gòu)在熱沖擊作用下的損傷破裂有關(guān).相比而言,在各溫度條件下,砂巖的損傷變量始終保持在較小的水平,由于其初始孔隙率較大,高溫加熱過程中砂巖內(nèi)部礦物的不均勻變形能夠得到一定程度的協(xié)調(diào).

總的來說,損傷變量能夠反映巖石試件內(nèi)部損傷隨溫度的變化,與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好.

3.3 損傷機(jī)理分析

試驗(yàn)結(jié)果表明,高溫和液氮冷卻處理對巖石的物理力學(xué)特性有著顯著的劣化影響,這是多種因素綜合作用的結(jié)果.一般來說,巖石中的礦物具有不同的熱膨脹系數(shù),并且可以沿著不同的晶軸發(fā)生膨脹[29].在高溫加熱過程中,熱應(yīng)力會使相鄰的礦物之間發(fā)生不協(xié)調(diào)變形.一旦熱應(yīng)力超過了礦物顆粒間的膠結(jié)強(qiáng)度,熱裂紋就會沿著礦物邊界萌生[30].加熱溫度升高時(shí)巖石內(nèi)部的熱應(yīng)力進(jìn)一步增強(qiáng),從而加劇了對巖石微觀結(jié)構(gòu)的損傷.采用液氮對巖石進(jìn)行快速冷卻處理時(shí),較大的溫度梯度使巖石內(nèi)部發(fā)生強(qiáng)烈的熱交換,會導(dǎo)致熱應(yīng)力的產(chǎn)生.對于經(jīng)過液氮冷卻的高溫巖石試樣來說,其內(nèi)部熱應(yīng)力是溫度和熱沖擊共同作用的產(chǎn)物.此外,介質(zhì)之間的溫度差異與熱應(yīng)力的大小存在正比例關(guān)系,即溫差越大,熱應(yīng)力越顯著[28].因此,加熱溫度的升高進(jìn)一步提高了液氮對巖石試樣物理力學(xué)特性的劣化程度.

由于三類巖石在成巖作用、礦物學(xué)特征、膠結(jié)類型以及孔隙結(jié)構(gòu)等方面的差異,它們對熱沖擊損傷的響應(yīng)程度有所不同.花崗巖是侵入上層地層的熔融巖漿經(jīng)緩慢冷卻結(jié)晶而形成的火成巖,其內(nèi)部的礦物顆粒排列緊密,并通過生長的晶體牢固地膠結(jié)在一起.因此,花崗巖具有較低的初始孔隙率和較少的原生缺陷.本研究所用的片麻巖是由巖漿巖經(jīng)變質(zhì)作用而成的為正片麻巖,其礦物成分與花崗巖基本一致,同樣具有較為致密的孔隙結(jié)構(gòu).在高溫下,花崗巖和片麻巖的礦物晶體之間由于缺少足夠的變形空間,其晶體間的熱應(yīng)力明顯高于砂巖試樣,從而更容易產(chǎn)生損傷破壞.此外,由于片麻巖層理發(fā)育,層間礦物的膠結(jié)作用遠(yuǎn)小于層內(nèi)礦物間的結(jié)合強(qiáng)度,在熱荷載的作用下容易破裂,為液氮進(jìn)入試樣內(nèi)部提供了裂隙通道.因此,在較高的加熱溫度下,液氮冷卻對片麻巖物理力學(xué)特性的劣化程度顯著大于花崗巖.砂巖是由風(fēng)化沉積物因壓實(shí)和膠結(jié)而形成的典型沉積巖,巖石內(nèi)部的石英礦物經(jīng)伊利石和高嶺石等黏土礦物膠結(jié),礦物顆粒排列相對松散,這使得砂巖具有較強(qiáng)的適應(yīng)熱變形的能力.在一定的條件下,液氮冷卻對高溫砂巖試樣的損傷并不顯著,礦物的熱膨脹變形甚至可以增強(qiáng)砂巖孔隙結(jié)構(gòu)的密實(shí)度,從而提高巖石的宏觀力學(xué)特性.然而,隨著加熱溫度的進(jìn)一步提高,液氮冷卻所產(chǎn)生的熱應(yīng)力足以破壞砂巖礦物間的膠結(jié)作用,造成砂巖強(qiáng)度特性的弱化.

4 結(jié) 論

1) 加熱溫度的升高加劇了液氮冷卻對巖石物理力學(xué)特性的劣化,在350 ℃條件下經(jīng)液氮冷卻后的片麻巖和砂巖產(chǎn)生了宏觀裂紋,而花崗巖表觀保持完好,三類巖石的孔隙率、峰值強(qiáng)度隨溫度總體呈增大趨勢,而縱波波速、抗壓強(qiáng)度和彈性模量變化相反.

2) 高溫和液氮冷卻所產(chǎn)生的熱應(yīng)力導(dǎo)致巖石內(nèi)部晶界和晶內(nèi)裂紋的萌生和擴(kuò)展,且微裂紋主要沿石英礦物邊界發(fā)育.隨著加熱溫度的升高,微裂紋的數(shù)量呈逐漸增加的趨勢,這是巖石宏觀特性退化的主要原因.

3) 由于在成巖作用、礦物學(xué)特征、膠結(jié)類型以及孔隙結(jié)構(gòu)等方面的差異,三類巖石對熱沖擊損傷的響應(yīng)程度有所不同.砂巖疏松的孔隙結(jié)構(gòu)能夠減少熱應(yīng)力造成的損傷,對高溫和液氮冷卻處理的敏感性相對較低.與花崗巖相比,在較高的溫度下,液氮冷卻產(chǎn)生的熱沖擊效應(yīng)更容易對片麻巖的層理面造成破壞,導(dǎo)致其物理力學(xué)特性的劣化更為顯著.