實時高溫下與熱處理后砂巖動態(tài)拉伸特性研究

王 超, 尹土兵, 2

(1.中南大學資源與安全工程學院，長沙 410083;2.中南大學深部金屬礦產開發(fā)與災害控制湖南省重點實驗室，長沙 410083)

礦產資源深部開采[1]、地熱資源開發(fā)利用[2]、地下工程火災后重建[3]以及核廢料儲存[4]等巖石工程都處于高溫狀態(tài)，同時還受到爆破、機械鑿巖和高階段落礦等[5-6]動載荷擾動，導致巖石工程發(fā)生損傷甚至破壞。眾所周知，巖石的抗拉強度遠小于抗壓強度使得巖石工程大部分發(fā)生拉伸破壞。因此，研究巖石在溫-壓耦合狀態(tài)下的動態(tài)拉伸特性具有重要意義，且一直是國內外眾多學者的研究熱點。

研究溫度對巖石力學性質的影響分為熱處理后和高溫下兩種狀態(tài)，受到測量技術的限制，目前對巖石動態(tài)拉伸性質的研究主要局限在熱處理后的狀態(tài)。劉石等[7]進行了高溫后大理巖動態(tài)劈裂拉伸試驗的研究，結果表明在同一加載速率下，隨著溫度的升高，拉伸強度先增大后減小。夏開文等[8]研究發(fā)現熱處理后的花崗巖在受到靜水圍壓的作用下動態(tài)拉伸強度會顯著增大。Mardoukhi等[9]使用數字圖像相關法觀察受到火焰沖擊后的試樣在動態(tài)巴西劈裂試驗時表面的裂紋萌生和擴展。Yao等[10]利用X射線計算機斷層掃描法量化龍游砂巖(LS)的熱損傷，并建立了加載率和溫度對LS拉伸強度影響的經驗模型。

單軸壓縮條件下，巖石在高溫下以及加熱冷卻后的力學性質有明顯的區(qū)別[11-12]。到現在為止，巖石在高溫下的動態(tài)力學性質鮮有研究，因為在高溫下進行動態(tài)試驗時需要考慮溫度對應力波的影響。主要有兩種方法來消除溫度對彈性桿參數的影響：①設計一套全新的動態(tài)加載裝置來實現高溫試樣與彈性桿同步組裝，然后快速撞擊[13]；②對受到溫度影響的應力波進行修正，從而保留原有的分離式霍普金森壓桿(SHPB)系統。平琦等[14]利用自制的高溫環(huán)境箱進行了高溫下砂巖沖擊壓縮試驗，得出了試樣動態(tài)峰值應力和應變都與加載速率近似呈二次多項式關系的結論。Wong等[15]對Carrara大理巖進行了4種加熱狀態(tài)的動態(tài)壓縮實驗，結果表明在相同入射能量下，隨著溫度的升高，試件強度降低，裂紋擴展速度加快。

本文基于高溫下應力波修正的方法[16]，使用自行設計的加熱爐結合SHPB裝置來測試砂巖在高溫下以及熱處理后的動態(tài)拉伸特性，試驗溫度分別為25、100、200、300、400、500、600 ℃。研究加載率和溫度對砂巖圓盤的動態(tài)拉伸強度與破壞模式的影響，對高溫下以及熱處理后的拉伸性能進行了對比研究，并分析了兩種溫度狀態(tài)對砂巖拉伸強度影響的機理。

1 試樣制備與處理

1.1 試樣制備與描述

試樣是產自中國云南省楚雄彝族自治州的細粒紅砂巖，無肉眼可見裂紋與缺陷，試樣直徑是平均粒徑的10倍以上，試樣的基本物理性質如表1所示。根據國際巖石力學學會的要求[17]，先從同一巖塊中取出巖芯，然后切割成圓盤，最后對試樣表面進行拋光和打磨成直徑50 mm，長徑比為0.5的巴西圓盤(BD)，使表面粗糙度小于0.02 mm，端面與軸向夾角誤差小于0.001 rad。對試樣使用X射線衍射(XRD)進行分析得出的礦物組成如圖1所示。

表1 砂巖的基本物理力學性質

圖1 試樣礦物組成Fig.1 Sample mineral composition

1.2 試樣處理

試樣分為熱處理后和高溫下兩組，溫度梯度為常溫(25)、100、200、300、400、500、600 ℃共7組，每組溫度下的試樣數不少于5個。熱處理和高溫下組都以10 ℃/min的升溫速率由室溫加熱到預設溫度，然后保溫1 h，以保證試樣整體處于同一均勻溫度場中。熱處理的試樣保溫結束后自然冷卻至室溫，高溫下的試樣則直接進行沖擊試驗。熱處理后的試樣如圖2a所示，從試樣表觀顏色(見圖2b)中可以看出，試樣經過100 ℃處理后與常溫試樣的顏色并無肉眼可見區(qū)別；而當熱處理溫度到達200 ℃和300 ℃時，試樣的表面由紅色變?yōu)楹谏?，?00 ℃比200 ℃的黑色更深；當熱處理溫度達到400 ℃時，試樣表面的黑色又消失了，顏色重新變?yōu)榕c25 ℃和100 ℃相近的紅色；當溫度達到500 ℃和600 ℃時，試樣表面的紅色愈加明顯，且600 ℃的試樣呈現出帶微黃的磚紅色。

圖2 熱處理后的試樣與表觀顏色Fig.2 Samples and apparent color after heat treatment

2 試驗設備與方法

2.1 試驗裝置

試驗設備系統由動態(tài)沖擊裝置、加熱裝置和高速攝像裝置組成。試驗所用的沖擊裝置為Li等[18]改進后的分離式霍普金森壓桿系統，能實現半正弦波重復加載并且得出脆性巖石的動態(tài)力學特性。該系統主要由氮氣驅動裝置、紡錘型沖頭、入射桿、透射桿、吸收桿和能量吸收裝置組成。所有的桿和沖頭都是由高強度的40Cr合金制成，桿的基本參數如表2所示。入射桿和透射桿上的應變片記錄下的電壓信號通過動態(tài)應變儀放大后以波形信號的方式顯示在示波器上，基于一維應力波理論[19]，并考慮加載時間，可以得出試樣與桿的兩個端面處的載荷如下：

表2 彈性桿的基本參數

P1(t)=AbEb[εI(t)+εR(t)]

(1)

P2(t)=AbEbεT(t)

(2)

式中：P1(t)和P2(t)分別為試樣與入射桿端面的載荷和試樣與透射桿端面的載荷；Ab和Eb分別為桿的橫截面積和彈性模量；εI、εR和εT分別為入射、反射和透射應變。

自行設計的加熱裝置型號為NZ-2-1200，由高溫爐和溫度控制儀組成(見圖3)，最高設計溫度可達1 200 ℃。爐體由金屬外殼、外保溫層、內保溫層和爐膛組成，爐體尺寸為長450 mm，寬470 mm，高400 mm，爐膛尺寸為200 mm×200 mm×140 mm，爐膛內上下對稱布置有12根耐高溫的鎳鉻合金電爐絲。為了使用高速攝像儀拍攝到試樣在實時高溫下沖擊時的破壞過程，保證試驗結果的準確性，爐門上布置有寬100 mm、高80 mm的可視窗口，其材料為耐高溫的厚石英玻璃。

圖3 試驗裝置系統Fig.3 Experimental equipment system

2.2 試驗方法

(3)

式中：Pmax為試驗時的最大載荷；D為試樣的直徑；t為試樣的厚度。

3 試驗結果與分析

3.1 動態(tài)應力平衡

應力平衡是動態(tài)試驗結果有效的前提，可通過比較整個加載過程中試樣兩端的應力進行校準[17]。由示波器記錄的動態(tài)巴西劈裂電壓信號(見圖4a)及電信號處理后的應力平衡(見圖4b)可以看出，入射應力和反射應力疊加以后的曲線在應力峰值前期幾乎與透射應力的曲線重合，這說明在應力峰值前期，試件兩端受力幾乎相等，此時可以忽略慣性效應。試驗中每個試樣的數據都會進行應力平衡驗證，若不滿足條件則舍去該數據。

圖4 電壓信號和動態(tài)應力平衡Fig.4 Voltage signal and dynamic stress balance

3.2 加載率與拉伸強度的確定

以應變率為變量來研究巖石的率效應一般只適用于壓縮試驗，對于動態(tài)巴西劈裂試驗而言，用加載率作為變量來表征巖石的率效應更為合適[21]。當試樣達到應力平衡時，可以利用試樣的應力-時間曲線來確定加載率和拉伸強度[17](見圖5)，可以看出在50～75 μs之間應力存在一段近似線性增加的區(qū)域，該線性段的斜率定義為試樣的加載率，即333 GPa/s。根據式(3)可知應力-時間歷程曲線的最高點為試樣的拉伸強度，為13.85 MPa。

圖5 拉伸應力-時間Fig.5 Tensile stress-time

3.3 加熱冷卻后砂巖動態(tài)拉伸強度

熱處理后的砂巖動態(tài)拉伸試驗結果如表3所示，將7組溫度的數據描繪成散點圖來研究溫度和加載率對動態(tài)拉伸強度的影響(見圖6)，可以看出數據點的離散性不是很大。在每個溫度下都可以清晰地看出拉伸強度具有率效應，即拉伸強度隨著加載率的增大而增大，且兩者呈線性關系，由此可見加載率對拉伸強度起到了增強作用。將離散點進行線性擬合得出各個溫度下的拉伸強度隨加載率變化的趨勢線，從趨勢線的位置關系可以看出除了100 ℃以外，其他溫度的拉伸強度都比25 ℃小，且拉伸強度隨著溫度的升高而減小。

表3 熱處理后及高溫下砂巖動態(tài)拉伸試驗結果

圖6 熱處理后砂巖動態(tài)拉伸強度Fig.6 Dynamic tensile strength of sandstone after heat treatment

3.4 實時高溫下砂巖動態(tài)拉伸強度

砂巖在高溫下的動態(tài)拉伸試驗數據結果如表3所示，表3中25 ℃的試驗數據與熱處理后的是同一組。高溫下拉伸強度對應加載率的數據點如圖7所示，相比熱處理后的數據，高溫下的數據點離散性較大。從圖7中仍然可以看出砂巖在高溫下的加載率依賴性很強，說明脆性巖石的率效應不會因為溫度場的存在而發(fā)生改變。從各溫度下拉伸強度的趨勢線可以看出，除了600 ℃以外，其他溫度下的拉伸強度都較常溫大，且整體的拉伸強度變化趨勢是先增大后減小，200 ℃和300 ℃時的拉伸強度是最大的。

圖7 實時高溫下砂巖動態(tài)拉伸強度Fig.7 Dynamic tensile strength of sandstone at high temperature

3.5 動態(tài)巴西劈裂破壞模式

只有當圓盤試樣沿著加載方向靠近圓盤中心處首先出現開裂時，才是有效的動態(tài)BD試驗[20]。通過高速相機記錄的熱處理后試樣典型的破壞過程(見圖8a)可以看出，1條沿著加載方向的主裂紋在試樣的中心產生，然后沿著直徑方向往兩邊擴展，700 μs的時候二次裂紋在試樣和桿接觸的地方萌生，然后向圓盤中心擴展形成剪切區(qū)域，整體的裂紋看起來像字母“X”。

圖8 高速相機記錄的試樣破壞過程Fig.8 Failure process recorded by high-speed camera

由高速相機在高溫下拍攝的試樣破壞過程(見圖8b)可知，裂紋的萌生與拓展過程與熱處理后的破壞過程一致，但高溫下試樣的破壞形態(tài)有所差別，有時試樣直接沿著主裂紋分成兩瓣，沒有其他的小碎片，將這種破壞模式稱為Ⅰ型。

由熱處理后試樣碎片回收后拼接的形態(tài)(見圖9a)可以看出，試樣的破壞形態(tài)都是沿著中心線被分成兩瓣，兩端因為應力集中都存在三角形剪切帶，且隨著熱處理的溫度升高，兩端的剪切帶變大，將這種破壞模式劃分為X型。當溫度達到400 ℃以上，圓盤中心線附近的碎片太過零散，有時呈粉末狀，導致無法拼接成較完整的圓盤，說明熱處理溫度對試樣拉伸強度的弱化效應也會表現在破壞形態(tài)上。

由高溫下試樣的破壞形態(tài)(見圖9b)可知，除了有熱處理后的X型破壞模式，高溫下的破壞模式還有Ⅰ型。在實時高溫狀態(tài)下，破壞模式和溫度沒有明顯的關系，而是隨著加載率的增大，破壞模式由Ⅰ型轉化為X型。

圖9 巴西圓盤的破壞形態(tài)Fig.9 Failure pattern of Brazilian disc

4 討論

溫度對巖石工程穩(wěn)定性和安全性的影響主要表現在強度的變化上，因此了解加熱冷卻后和實時高溫下溫度對試樣拉伸強度的影響至關重要。以25 ℃的動態(tài)拉伸強度為參照，兩種溫度狀態(tài)下砂巖的拉伸強度有明顯的區(qū)別。熱處理后和高溫下拉伸強度隨加載率的變化關系如圖10所示。

圖10 熱處理后和高溫下砂巖動態(tài)拉伸強度Fig.10 Dynamic tensile strength of sandstone after heat treatment and at high temperature

從圖10中可以看出熱處理后砂巖的拉伸強度隨著溫度的升高而減小，值得注意的是100 ℃的拉伸強度較25 ℃大，這一溫度增強效應主要是因為試樣內部的自由水被蒸發(fā)，而且礦物顆粒之間的縫隙因為受熱出現不可逆的膨脹，從而增加了試樣的致密性，最終表現出強度增大。超過100 ℃以后，隨著熱處理溫度的升高，試樣的拉伸強度逐漸減小，主要影響因素有：一些黏結物或礦物達到了熔點、不同礦物晶粒的熱膨脹系數不同而產生結構熱應力、573 ℃時α-β石英發(fā)生相變轉化等[22]。

實時高溫狀態(tài)下，從25～200 ℃，拉伸強度一直增大，且100 ℃的拉伸強度比100 ℃熱處理后的大；當溫度達到300 ℃時，拉伸強度與200 ℃時相比基本沒有變化。400 ℃時，拉伸強度相比300 ℃已經減小了，但是當溫度增大到500 ℃時，拉伸強度并沒有繼續(xù)減小，500 ℃和400 ℃的拉伸強度差距很小，但總體來說500 ℃的拉伸強度比25 ℃大。當溫度達到600 ℃時，試樣的拉伸強度相比500 ℃有很大的降幅，而且比25 ℃更小，因此600 ℃可認為是門檻溫度。

無論是熱處理后還是高溫下，加載率對于砂巖的拉伸強度都是增強效果，當加載率在125～400 GPa/s的范圍內，隨著加載率的增大，拉伸強度呈線性趨勢增大。因此，引入拉伸強度與加載率之間關系的公式：

(4)

由熱處理后和高溫下兩種狀態(tài)的擬合結果(見表4)可以看出，熱處理后的擬合曲線斜率變化不大，各溫度下的擬合曲線基本上是平行的，說明熱處理的溫度對拉伸強度的影響還是很顯著的。相比之下，高溫下擬合曲線的斜率就顯得比較離散，沒有一致的變化規(guī)律，表明在高溫狀態(tài)下拉伸強度受加載率和溫度共同作用的方式比較復雜。

由室溫(25 ℃)、實時高溫和加熱冷卻后試樣的微觀結構(見圖11)可知，實時高溫狀態(tài)下，可以看出試樣內部自由水完全被蒸發(fā)，一些不耐熱的膠結物、礦物溶解或分解導致新裂紋產生和初始裂紋蔓延，相鄰的礦物顆粒受熱膨脹相互擠壓產生新的裂紋，高溫下出現穿晶裂紋，還有些裂隙受熱膨脹閉合(見圖11b)。加熱冷卻后的巖石內部礦物顆粒冷卻收縮，裂紋相互連接和擴展，冷卻收縮后裂隙變大，礦物、膠結物被熱分解或溶解(見圖11c)。砂巖在高溫下的動態(tài)拉伸強度比熱處理后的高，主要原因在于高溫下的礦物顆粒始終都處于一個受熱膨脹的狀態(tài)，即便溫度會惡化巖石內部結構，但是熱膨脹作用會抑制裂紋相互連接，使得試樣結構更加密實，表現出強度較大。

圖11 試樣的微觀結構Fig.11 Microstructure of the sample

5 結語

基于一種高溫下應力波的修正方法開展了高溫下和熱處理后砂巖動態(tài)拉伸特性的比較研究，結果表明砂巖的應變率依賴性在兩種溫度狀態(tài)下都存在，且隨著加載率的增大，拉伸強度近似呈線性增大。熱處理后的砂巖拉伸強度除100 ℃外都比常溫狀態(tài)小，隨著熱處理溫度的增大，拉伸強度減小，巴西圓盤兩端的三角形剪切帶增大且破壞碎片增多甚至粉碎。高溫下砂巖的拉伸強度除600 ℃外都比常溫狀態(tài)大，且拉伸強度隨著溫度的升高先增大后減小，但高溫狀態(tài)下的圓盤破壞模式基本不受溫度影響，而是加載率起主導作用。高溫下和熱處理后的拉伸強度有著很大的區(qū)別，熱處理溫度對砂巖的拉伸強度基本上是弱化作用，而高溫下的試樣一直處于熱膨脹狀態(tài)，導致試樣的微裂隙和孔洞一定程度上受熱閉合從而使試樣結構更加密實，抑制了微裂隙相互連結成大裂紋，最終表現為強度較常溫狀態(tài)大。