加熱后花崗巖在不同冷卻方式下軸向受壓破壞形態(tài)研究

趙廣臣， 張永生， 胡新萍

(山西工程技術學院 土木與建筑工程系， 山西 陽泉 045200)

經(jīng)過溫度荷載作用的巖石被冷卻到常溫在工程中是常見的，比如隧道圍巖經(jīng)歷火災后自然緩慢冷卻，再比如向地熱源注入換熱冷水會導致地熱源周圍巖石發(fā)生緩慢冷卻或者快速冷卻。加熱和冷卻會引起巖石強度、彈性模量和變形特性等力學性能的變化。國內(nèi)外學者對加熱處理巖石的力學性能做了大量深入研究。Vázquez等發(fā)現(xiàn)加熱會導致巖石中具有不同熱膨脹系數(shù)的成分之間發(fā)生微裂紋[1]。Gomez-Heras等指出溫度荷載會導致巖石成分晶體結構的改變[2-3]。Chen等發(fā)現(xiàn)冷卻在一定程度上會誘導加熱巖石中的微裂紋發(fā)展[4]。蔣海昆等研究了不同溫度加熱后花崗巖變形及聲發(fā)射時序特征[5]。候迪等研究了熱損傷對孔隙率、縱波波速、裂紋發(fā)育的影響，分析了高溫處理和圍壓共同作用下大理石的強度與變形特征，提出了一種可以描述熱損傷巖石強度規(guī)律的GSI弱化模型[6]。徐小麗等建立了基于彈性模量的熱力耦合損傷本構方程，分析了花崗石熱損傷開裂機理[7]，從非平衡熱力學角度出發(fā)，分析了經(jīng)歷不同溫度作用巖石的強度與能量耗散及能量釋放之間的關系[8]。楊昊天等分析了加熱溫度對花崗巖強度特性、變形特性及破壞特性的影響[9]。劉石對經(jīng)歷不同溫度加熱后大理巖的縱波波速、抗壓強度、破壞形態(tài)以及損傷特性隨溫度變化的規(guī)律進行研究[10]。

研究者普遍認為可以通過加熱在巖石內(nèi)部引起微裂紋和晶體結構變化導致巖石發(fā)生損傷，并對熱損傷條件下巖石的強度、變形、聲學等性質(zhì)及細觀熱開裂機制方面進行了深入的試驗和理論研究。然而，大多是單獨研究溫度效應，不同冷卻方式如何影響加熱巖石的破壞形態(tài)這方面的研究并不多見。本文采用快速冷卻和緩慢冷卻2種方式對經(jīng)受不同加熱溫度(100～1 000 ℃)的花崗巖進行了冷卻，采用萬能試驗機對花崗巖試樣進行了軸向壓縮試驗，得到了試樣的破壞形態(tài)，從損傷的角度解釋了冷卻方式和加熱溫度對花崗巖試樣破壞形態(tài)的影響。

1 試驗方案

1.1 巖石試樣

用水鉆在花崗巖塊材上朝同一方向鉆取直徑為50 mm的圓柱體巖芯，再將巖芯沿橫截面切開，得到直徑50 mm、高100 mm的標準巖樣。對加工后的試樣進行仔細觀察并打磨，確保表面沒有明顯的節(jié)理、裂紋等缺陷，兩端面不平行度小于0.05 mm、端面與軸線垂直度偏差小于0.25°。

1.2 試驗方案

試樣分為慢冷試樣和快冷試樣2類，每類10組，每組3個，快冷試樣和慢冷試樣分組及編號分別如表1和表2所示。試樣編號示例如R091、S103，其中第1位的字母R和S分別表示快速冷卻和緩慢冷卻方式，第2至第3位的09和10表示加熱溫度為900 ℃和1 000 ℃，第4位的1和3表示該組的第1個和第3個試樣，不進行加熱和冷卻處理的原始試樣為C1、C2、C3。每類試樣中各組3個試樣同時放置于高溫爐中以5 ℃/min的速率分別加熱至100 ℃、200 ℃、300 ℃……1 000 ℃，加熱至預定目標溫度后再恒溫2 h，然后進行冷卻。慢冷試樣在高溫爐中以5 ℃/min的速率緩慢冷卻至室溫25 ℃，快冷試樣放置在冷水池內(nèi)快速冷卻至室溫25 ℃，模擬了真實工況中巖石的自然冷卻和快速冷卻。每組準備3個試樣主要是為了觀察試樣處理結果是否具有一致性。

表1 快冷試樣分組及編號

表2 慢冷試樣分組及編號

軸向加載采用天水紅山試驗機廠生產(chǎn)的1 000 kN電液伺服萬能試驗機，型號為WAW-1000。正式加載之前先預壓500 N，壓緊試樣，隨后采用位移控制，以0.2 mm/min的速度加載到試樣。

2 試驗結果及分析

每一組經(jīng)過同樣處理的3個試樣最終的破壞形態(tài)相近。不進行熱處理和冷卻的原始試樣表現(xiàn)為劈裂破壞如圖1所示。不同加熱溫度的慢冷試樣和快冷試樣的軸向壓縮破壞形態(tài)如圖2和圖3所示。

圖1 試樣C1的破壞形態(tài)

對于慢冷試樣，加熱到100 ℃的試樣破壞形態(tài)與C1破壞形態(tài)基本相同，為劈裂破壞，如圖2(a)所示；加熱到300 ℃及更高溫度的慢冷試樣的破碎情況更嚴重，如圖2(b)、圖2(c)和圖2(d)所示；加熱到500 ℃、600 ℃、700 ℃的試樣破壞更加嚴重，表現(xiàn)為剪切和膨脹復合破壞形態(tài)，沒有形成完整的剪切破壞面，只是形成了一個錐形破壞面,如圖2(e)、圖2(f)和圖2(g)所示；加熱到800 ℃、900 ℃的試樣表現(xiàn)為剪切破壞形態(tài)，如圖2(h)和圖2(i)所示；加熱后到1 000 ℃的試樣表現(xiàn)為剪切和膨脹復合破壞形態(tài)，形成上下2個錐形破壞面，膨出部分已破碎剝落，如圖2(j)所示。對于快冷試樣，加熱到100 ℃的試樣與C1試樣表現(xiàn)為相同的劈裂破壞，如圖3(a)所示；加熱到200 ℃的試樣發(fā)生剪切破壞，如圖3(b)所示；加熱到300～600 ℃的試樣發(fā)生劈裂破壞，隨著加熱溫度升高，試樣的破壞面增多，破碎程度更嚴重，如圖3(c)、圖3(d)、圖3(e)和圖3(f)所示；加熱到700 ℃的試樣發(fā)生剪切劈裂復合破壞形態(tài)，如圖3(g)所示；加熱到800～1 000 ℃的試樣發(fā)生剪切膨脹復合破壞形態(tài)，破碎程度比700 ℃加熱試樣更加嚴重，如圖3(h)、圖3(i)和圖3(j)所示。

(a)S011 (b)S021 (c)S031 (d)S043 (e)S052

(f)S062 (g)S073 (h)S082 (i)S093 (j)S103

微結構面的分布會影響巖石的破壞形態(tài)，如試樣C1中的裂隙沿軸向發(fā)展，形成具有軸向破壞面劈裂破壞。由試樣R021和S021的破壞形態(tài)與C1的破壞形態(tài)對比可以說明，一定溫度熱處理和冷卻處理導致的巖石內(nèi)部損傷大到一定程度時，損傷的分布就會取代微結構面的分布，成為影響破壞形態(tài)的主要因素。由慢冷試樣的破壞形態(tài)可以看出：特定溫度區(qū)段內(nèi)的不同溫度對巖石造成的損傷分布相近，導致了不同溫度加熱處理的巖石具有相近的破壞形態(tài)；不同溫度區(qū)段會造成巖石內(nèi)部的損傷分布不同，導致不同的破壞形態(tài)，如200～400 ℃溫度區(qū)段的試樣S021、S031、S043發(fā)生剪切破壞，但是500～700 ℃溫度區(qū)段的試樣S052、S062、S073發(fā)生剪切膨脹復合破壞。由快冷試樣的破壞形態(tài)也可以得到相同的結論。由慢冷試樣和快冷試樣破壞形態(tài)的對比可以發(fā)現(xiàn)，在200～400 ℃加熱處理溫度區(qū)段，慢冷試樣發(fā)生剪切破壞，但是快冷試樣主要發(fā)生劈裂破壞。這說明不同冷卻方式引起的損傷分布是不同的，雖然破壞形態(tài)是由熱處理損傷和冷卻損傷共同影響的，但在300 ℃和400 ℃加熱處理條件下的快速冷卻損傷明顯占主導地位，導致了破壞形態(tài)的改變。在300～600 ℃加熱處理溫度區(qū)段，慢冷試樣破壞形態(tài)都包含有剪切破壞，但快冷試樣均發(fā)生劈裂破壞，這說明300～600 ℃加熱處理條件下的快速冷卻損傷明顯占主導地位，導致了破壞形態(tài)的改變。值得注意的是，100～200 ℃加熱處理條件下，慢冷試樣和快冷試樣的破壞形態(tài)卻是一樣的：S011和R012均為劈裂破壞，S021和R021均為剪切破壞。這說明快速冷卻在較高的熱處理溫度條件下可以導致更大的損傷，快速冷卻損傷占主導地位，但在較低溫度熱處理條件下，慢冷和快冷引起的損傷不占主導地位。

(a)R012 (b)R021 (c)R033 (d)R043 (e)R053

(f)R063 g)R073 (h)R081 (i)R093 (j)R103

3 結 語

(1)在一定溫度范圍內(nèi)以不同溫度對花崗巖進行熱處理，隨后進行冷卻。加熱和冷卻導致的損傷分布是相近的，可以導致相似的破壞形態(tài)。當超過某個溫度閥值時，加熱和冷卻導致的損傷分布會發(fā)生變化，從而導致了破壞形態(tài)的改變。

(2)熱致?lián)p傷和冷卻損傷共同影響經(jīng)過加熱處理和冷卻的花崗巖的破壞形態(tài)，當加熱處理溫度達到一定值(200 ℃)，損傷分布才會取代結構面分布，成為影響破壞形態(tài)的主要因素。當加熱熱處理溫度超過300 ℃時，由于快速冷卻損傷占主導地位，導致快速冷卻花崗巖試樣與慢冷花崗巖試樣破壞形態(tài)不同。