實(shí)時(shí)高溫作用下花崗巖沖擊壓縮力學(xué)特性研究*

黃耀瑩，屈 璐,2，李宇白,2，翟 越,2，謝怡帆

（1.長安大學(xué)地質(zhì)工程與測繪學(xué)院，陜西 西安 710064；2.自然資源部礦山地質(zhì)災(zāi)害成災(zāi)機(jī)理與防控重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710064）

地下空間與巖體隧道火災(zāi)事故的峰值溫度可達(dá)1 000 ℃[1]以上，巖體受熱后力學(xué)特性改變，極易威脅工程安全；干熱巖地?zé)豳Y源開采過程中，巖石長時(shí)間承受高溫（150～650 ℃[2]）造成的熱損傷，物理力學(xué)性能有所改變；石油第三次開采過程中，使用熱力采油[3]、火燒油層等技術(shù)降低油氣黏度，提高石油采收率，其所在巖層也因受熱改變力學(xué)性能。此外在隧道爆破開挖[4]、礦山安全、建筑安全等行業(yè)中也需要考慮巖石在實(shí)時(shí)高溫與動(dòng)荷載耦合作用下的力學(xué)特性。因此，研究實(shí)時(shí)高溫環(huán)境中巖石的動(dòng)力學(xué)特性變化具有重要工程意義。

溫度對巖石力學(xué)性能的影響研究廣泛開展于20 世紀(jì)70 年代后，學(xué)者們從縱波速度、單軸抗壓強(qiáng)度、裂紋發(fā)育等不同角度，對熱處理巖石力學(xué)特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究。研究發(fā)現(xiàn)，在高溫環(huán)境中，巖石單軸強(qiáng)度表現(xiàn)出明顯軟化效應(yīng)[5,6]，這是由于溫度升高導(dǎo)致礦物顆粒膠結(jié)處開裂[7]，促進(jìn)巖石內(nèi)部裂紋發(fā)育[8]。隨著研究深入，更多學(xué)者發(fā)現(xiàn)，花崗巖熱損傷效應(yīng)存在門檻溫度：趙陽升等[9-10]對高溫冷卻后的花崗巖進(jìn)行了宏觀力學(xué)特性、細(xì)觀結(jié)構(gòu)及滲透性等多方面試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)200 ℃下花崗巖熱裂紋數(shù)量較少，300 ℃以上時(shí)裂紋數(shù)量迅速增多、尺寸增大；張靜華等[11]和王靖濤等[12]對花崗巖臨界應(yīng)力強(qiáng)度因子的溫度效應(yīng)進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)花崗巖斷裂韌度隨溫度變化存在一門檻溫度200 ℃。受限于試驗(yàn)設(shè)備，已有研究多圍繞高溫冷卻后的巖石開展試驗(yàn)，隨著技術(shù)進(jìn)步，近年來有學(xué)者對實(shí)時(shí)高溫下的巖石力學(xué)特性展開研究：Yin 等[13-14]和王超等[15]運(yùn)用帶有加熱裝置的電液伺服材料試驗(yàn)機(jī)對熱處理后和實(shí)時(shí)高溫花崗巖、砂巖等進(jìn)行了靜力與動(dòng)力試驗(yàn)，結(jié)果顯示，實(shí)時(shí)高溫下花崗巖脆-延轉(zhuǎn)變的臨界溫度更低，壓密階段更長，砂巖縱波波速在200 ℃以前降幅較小，200 ℃以后急速下降；許錫昌等[16]對高溫下花崗巖力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)200 ℃為單軸抗壓強(qiáng)度劣化的門檻溫度。現(xiàn)有實(shí)時(shí)高溫動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)主要通過將試件加溫至目標(biāo)溫度后，轉(zhuǎn)移至相同溫度下的管式加熱爐中進(jìn)行沖擊試驗(yàn)[17-18]來完成，但管式加熱爐會(huì)使桿件同步升溫，影響桿件屈服強(qiáng)度并帶來無法避免的試驗(yàn)誤差。

綜上，已有研究工作多集中于靜力-溫度耦合下的巖石力學(xué)特性，且現(xiàn)有實(shí)時(shí)高溫動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)受限于試驗(yàn)條件，誤差較大，熱-力耦合巖石動(dòng)力學(xué)特性研究仍有待深入。因此，本文以巖體隧道爆破開挖為工程背景，以川藏鐵路色季拉山施工區(qū)域加里東期花崗巖為實(shí)驗(yàn)材料，利用霍普金森壓桿（split Hopkinson pressure bar, SHPB）及同步高溫爐對不同溫度下的試件進(jìn)行沖擊壓縮試驗(yàn)，研究熱-力耦合作用下花崗巖試件的力學(xué)特性、破碎分形、能量耗散規(guī)律，基于粉晶X 射線衍射對試件進(jìn)行礦物成分分析，研究礦物成分變化與花崗巖動(dòng)力學(xué)強(qiáng)度的內(nèi)在關(guān)聯(lián)，為實(shí)際工程設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)與參考。

1 試驗(yàn)設(shè)備與方法

1.1 花崗巖試件制備

本文中以川藏鐵路某隧道施工區(qū)域花崗巖為研究對象，該花崗巖以灰白色為主，成分主要為石英、長石及黑云母等。SHPB 動(dòng)力試驗(yàn)的試件尺寸選取一般滿足0.5≤d/h≤1，為確保加熱過程中試件受熱均勻，根據(jù)GB/T 50266-2013《工程巖體試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)范要求并結(jié)合實(shí)際試驗(yàn)條件，將花崗巖加工成直徑48 mm、高度25 mm的圓柱體標(biāo)準(zhǔn)試件，如圖1 所示。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)花崗巖試件Fig.1 Standard granite specimens

1.2 動(dòng)態(tài)沖擊壓縮試驗(yàn)

采用 ? 50 mm SHPB 系統(tǒng)及同步智能箱式電阻爐進(jìn)行實(shí)時(shí)高溫沖擊壓縮試驗(yàn)，如圖2 所示。該套設(shè)備可在達(dá)到目標(biāo)溫度后迅速完成沖擊力學(xué)試驗(yàn)，既能避免將試件與部分桿件同時(shí)加熱影響桿件力學(xué)參數(shù)，也可有效降低高溫試件移動(dòng)導(dǎo)致的溫度損失。SHPB 系統(tǒng)各桿件均采用高強(qiáng)度不銹鋼制成，彈性模量210 GPa、密度7 800 kg/m3，其中子彈長度500 mm，直徑為50 mm。圖3 給出了同步高溫爐測試系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意。

圖2 SHPB 系統(tǒng)及同步智能箱式電阻爐Fig.2 SHPB system and synchronous intelligent box-type resistance furnace

圖3 同步高溫爐測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意Fig.3 Sketch of synchronous high temperature furnace test system structure

將篩選出的試件進(jìn)行分組編號，共設(shè)置20 ℃（常溫）、200 ℃、400 ℃、600 ℃和800 ℃五個(gè)溫度等級，每種工況設(shè)置3 塊試件。使用人工智能電阻爐（型號：AI-518；測溫精度：±0.1 ℃；溫度范圍：0～1 200 ℃）加熱試件。為使試件受熱均勻，設(shè)置升溫速率10 ℃/min，達(dá)到目標(biāo)溫度后恒溫2 h[19]，恒溫后使用同步對桿機(jī)構(gòu)將入射桿與透射桿送至高溫爐內(nèi)，與高溫試件緊密貼合，隨即迅速完成沖擊試驗(yàn)。沖擊試驗(yàn)結(jié)束后自然冷卻并收集破碎試件，進(jìn)行破碎篩分試驗(yàn)。

1.3 數(shù)據(jù)計(jì)算方法

通過應(yīng)變片采集三種波形的脈沖信號，基于一維應(yīng)力波原理和均勻性假定，計(jì)算試件兩端軸向荷載p(t)、應(yīng)力 σ (t)、應(yīng)變 率 ε ˙(t) 和 應(yīng)變 ε (t)[20]：

式中：A0為桿件橫截面積，E0為桿件彈性模量，c0為縱波波速，Ls為試件厚度，εt(t) 為透射波，εr(t) 為反射波。

共設(shè)置0.2、0.4 和0.6 MPa 等3 種氣壓對試件進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，氣缸壓力增加促使子彈撞擊入射桿的沖擊速率增大，平均加載應(yīng)變率也隨之增大。不同加載應(yīng)變率下花崗巖試件的應(yīng)變率時(shí)程曲線如圖4 所示，取應(yīng)變率曲線上升段拐點(diǎn)與下降段拐點(diǎn)區(qū)間內(nèi)的平均值作為平均加載應(yīng)變率，計(jì)算得到試驗(yàn)參數(shù)如表1 所示。

表1 SHPB 試驗(yàn)參數(shù)Table 1 Parameters of the test

圖4 加載應(yīng)變率曲線Fig.4 Strain rate curves

1.4 波形整形

為減小彌散效應(yīng)帶來的應(yīng)力波振蕩現(xiàn)象[21]，在撞擊桿與入射桿接觸端面處粘貼紫銅薄片作為緩沖-濾波手段，過濾撞擊產(chǎn)生的高頻振蕩。沖擊氣壓為0.2、0.4 和0.6 MPa 時(shí)，分別采用直徑為15、20 和25 mm，厚1 mm 的紫銅片進(jìn)行整形。整形前后的應(yīng)力波波形對比如圖5 所示，整形前的入射波為陡峭的梯形，且存在高頻振蕩現(xiàn)象；整形后近似為半正弦形，且波形相對穩(wěn)定光滑。

圖5 整形前后波形曲線Fig.5 Waveforms without and with a pulse shaper

2 沖擊試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 破碎形態(tài)分析

如圖6 所示，高溫加熱至800 ℃時(shí)，鉀長石等礦物成分因水解作用發(fā)生了礦物分解[22]，劣化其力學(xué)性能，另外溫度作用促使花崗巖內(nèi)部裂紋不斷發(fā)育貫通[23]，導(dǎo)致試件未經(jīng)沖擊已經(jīng)破碎，喪失力學(xué)強(qiáng)度。

圖6 800 ℃實(shí)時(shí)高溫破碎試件Fig.6 Broken specimen at 800 ℃ real-time high temperature

花崗巖試件在同一實(shí)時(shí)高溫下，受到不同速率沖擊荷載作用后的破碎形態(tài)如圖7～圖9 所示，其中：每幅子圖中有8 個(gè)位置，分為兩行，用于放置不同尺寸的破碎塊體（如對應(yīng)尺寸無破碎塊體，則空出該位置）：第一行破碎塊體粒徑從左往右依次為：大于19 mm、16～19 mm、13.2～16 mm、9.5～13.2 mm，第二行破碎塊體粒徑從左往右依次為：小于0.5 mm、0.5～2.36 mm、2.36～4.75 mm、4.75～9.5 mm。

圖7 74.8 s-1 應(yīng)變率時(shí)，試件破碎形態(tài)Fig.7 Fragmentation morphologies of the specimen at the strain rate of 74.8 s-1

圖8 144.97 s-1 應(yīng)變率時(shí)，試件破碎形態(tài)Fig.8 Fragmentation morphologies of the specimen at the strain rate of 144.97 s-1

圖9 230.29 s-1 應(yīng)變率時(shí)，試件破碎形態(tài)Fig.9 Fragmentation morphologies of the specimen at the strain rate of 230.29 s-1

對破碎篩分試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，隨著沖擊速率增大，試件整體破碎程度加劇。應(yīng)變率由74.8 s-1增加至144.97 s-1時(shí)，粒徑大于19 mm 的破碎試件碎塊質(zhì)量占比由64.23%下降至22.59%，粒徑小于等于2.36 mm 的破碎試件顆粒質(zhì)量占比由6.98%上升至92.67%；應(yīng)變率為230.29 s-1時(shí)基本沒有大粒徑顆粒出現(xiàn)，粒徑小于2.36 mm 的細(xì)微顆粒質(zhì)量占比高達(dá)83.26%。隨著溫度升高，20～400 ℃溫度范圍內(nèi)試件破碎程度變化規(guī)律不明顯；高于400 ℃時(shí)，試件破碎程度明顯加劇，基本無大粒徑碎塊存在，粉末狀顆粒質(zhì)量占比顯著增加。

20、200 和400 ℃高溫試件沖擊破碎形式以脆性劈裂破壞為主，試件破壞前無明顯變形，且粒徑范圍在4.75～9.5 mm 內(nèi)的碎塊形態(tài)呈紡錘形，兩端尖銳（見圖10(a)）；600 ℃時(shí)，試件碎塊以塑性破壞為主，形狀趨于圓鈍（見圖10(b)）。

圖10 破碎試件細(xì)節(jié)Fig.10 Detail of the broken specimen

2.2 力學(xué)特性分析

圖11 所示的應(yīng)力-應(yīng)變曲線反映了試件從變形發(fā)展到?jīng)_擊破壞的過程。表2 為不同溫度下的試件峰值應(yīng)力。試驗(yàn)曲線無明顯壓密段，部分曲線初始階段斜率急劇增大，這是由于盡管采用波形整形銅片、試件兩端涂抹鉬基潤滑脂等措施，在入射桿接觸試樣的瞬間，仍會(huì)出現(xiàn)因桿件接觸不平穩(wěn)導(dǎo)致的數(shù)據(jù)振蕩現(xiàn)象，造成變形模量急劇升高。加載應(yīng)變率為74.8 s-1時(shí)（見圖7(a)），試驗(yàn)曲線在達(dá)到峰值應(yīng)力前出現(xiàn)明顯的近似平臺段，因?yàn)闆_擊速率較小時(shí)，當(dāng)外界荷載達(dá)到試件最大承載能力，由于作用時(shí)間極短，巖石破碎后會(huì)存在短暫的適應(yīng)停滯期，從而產(chǎn)生一種能短時(shí)間抵抗峰值載荷的現(xiàn)象[24]。

圖11 應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.11 Stress-strain curves

表2 峰值應(yīng)力Table 2 Peak stress

不同沖擊速率下花崗巖的峰值應(yīng)力隨溫度變化情況如圖12 所示。由于應(yīng)變率對巖石材料力學(xué)性能的強(qiáng)化效應(yīng)，試驗(yàn)沖擊速率對花崗巖試件的抗沖擊力學(xué)性能影響較為顯著，隨著沖擊速率的增大，試件峰值應(yīng)力具有明顯上升趨勢。

圖12 峰值應(yīng)力與溫度、沖擊荷載關(guān)系Fig.12 Relationship between peak stress and temperature and strain rate

隨著溫度升高，試件峰值應(yīng)力具有先增大后減小的變化趨勢，在200 ℃時(shí)達(dá)到強(qiáng)度閾值，隨后持續(xù)降低。這一變化規(guī)律與文獻(xiàn)[5,16,25]對高溫花崗巖抗壓強(qiáng)度研究得出的結(jié)論一致，即花崗巖峰值應(yīng)力的門檻溫度為200 ℃，25～200 ℃區(qū)間內(nèi)緩慢上升，200 ℃以后迅速下降。不同應(yīng)變率下，200 ℃的花崗巖峰值應(yīng)力較常溫分別提升了5.45%、8.51%和1.06%。其原因是200 ℃以內(nèi)的升溫過程會(huì)造成巖石內(nèi)部自由水蒸發(fā)，孔隙水壓力減小，同時(shí)礦物成分受熱膨脹，擠壓填充試件內(nèi)原生裂隙[25]，因此其動(dòng)態(tài)力學(xué)特性得到一定強(qiáng)化。200～400 ℃區(qū)間內(nèi)，不同應(yīng)變率下的花崗巖試件的峰值應(yīng)力隨溫度升高而降低，分別由132.08、178.38 和190.91 MPa 降低至103.43、161.38 和173.94 MPa，降低幅度由8.89% 到21.69%不等。原因是受溫度影響，花崗巖內(nèi)部孔隙逐漸發(fā)展貫通，同時(shí)高溫導(dǎo)致試件內(nèi)結(jié)構(gòu)水脫失[26]，引起其內(nèi)部裂隙發(fā)展，劣化試件動(dòng)態(tài)力學(xué)性能。400～600 ℃區(qū)間內(nèi)花崗巖峰值應(yīng)力持續(xù)降低，降幅可達(dá)28.99%。這是由于隨著溫度的進(jìn)一步升高，試件內(nèi)部結(jié)構(gòu)熱應(yīng)力逐步增大，導(dǎo)致原有孔隙和微裂隙在結(jié)構(gòu)熱應(yīng)力的影響下發(fā)展貫通，形成較大裂隙，同時(shí)黑云母、角閃石等礦物成分脫水熔融生成新礦物熔體[27]，加大峰值應(yīng)力降低幅度。

峰值應(yīng)變作為試件脆塑性大小的判斷依據(jù)，表征了試件的塑性強(qiáng)弱。隨溫度升高，花崗巖試件峰值應(yīng)變整體呈增大趨勢，在200～400 ℃內(nèi)有所波動(dòng)。20 ℃時(shí)峰值應(yīng)變?yōu)?.010 1、0.010 4 和0.011 2，600 ℃時(shí)峰值應(yīng)變?yōu)?.017 9、0.015 2 和0.011 9，增幅約為6.25%～72.23%。造成這種現(xiàn)象的原因是：高溫作用改變了花崗巖試件內(nèi)部礦物成分的形態(tài)和相態(tài)，造成礦物熔融軟化[28]，試件原有組分接觸狀態(tài)與整體結(jié)構(gòu)被破壞，裂紋發(fā)育更加貫通，因此花崗巖試件的塑性特征得到加強(qiáng)。

2.3 破碎分形分析

分形維數(shù)大小是破碎程度的量化體現(xiàn)，根據(jù)GB/T 14685—2011《建設(shè)用卵石、碎石》，收集SHPB沖擊試驗(yàn)后的破碎塊體，通過篩分稱量不同粒徑范圍的破碎試件質(zhì)量，按質(zhì)量-頻率關(guān)系[28]計(jì)算花崗巖沖擊破碎塊度的分布

式中：MX為粒徑小于X的破碎塊體質(zhì)量之和，M為破碎塊體總質(zhì)量，X為破碎顆粒粒徑，Xm為破碎顆粒的最大粒徑，D為破碎顆粒塊度分布的分形維數(shù)。

分形維數(shù)與溫度、加載應(yīng)變率的關(guān)系如圖13 所示。由圖可知，隨著應(yīng)變率的增大，試件分形維數(shù)具有明顯增大趨勢。例如74.8 s-1時(shí)，不同溫度下破碎試件的分形維數(shù)分別為2.09、1.95、1.99 和2.39，當(dāng)應(yīng)變率增大到230.29 s-1時(shí)，不同溫度下破碎試件的分形維數(shù)則分別增大至2.439 1、2.405 3、2.500 3 和2.705，增幅從13.03%到25.52%不等。分形維數(shù)隨沖擊速率增大而增大，說明試件破碎后的小顆粒占比增加，即沖擊速率的增加會(huì)導(dǎo)致試件破壞程度加劇。

圖13 分形維數(shù)與溫度、應(yīng)變率關(guān)系Fig.13 Relationship between fractal dimension and temperature and strain rate

隨著溫度升高，分形維數(shù)呈整體上升趨勢，20～400 ℃溫度區(qū)間內(nèi)分形維數(shù)有所波動(dòng)，變化規(guī)律不明顯；400～600 ℃，分形維數(shù)呈明顯上升趨勢，由1.99、2.35 和2.50 增長至2.39、2.57 和2.70，增幅可達(dá)20.10%。分形維數(shù)隨溫度升高而增大，說明實(shí)時(shí)高溫沖擊破碎后，試件小粒徑顆粒含量增高，破碎程度加劇。

分形維數(shù)與峰值應(yīng)力的關(guān)系如圖14 所示。峰值應(yīng)力表征試件動(dòng)力學(xué)強(qiáng)度的大小，分形維數(shù)是破碎程度的量化體現(xiàn)，二者線性正相關(guān)，因此分形維數(shù)可以作為試件動(dòng)力學(xué)強(qiáng)度的劣化的一種衡量指標(biāo)。

圖14 分形維數(shù)與峰值應(yīng)力關(guān)系Fig.14 Relationship between fractal dimension and peak stress

3 能量分析

3.1 計(jì)算原理

巖石沖擊破壞是不同形式能量相互轉(zhuǎn)化的結(jié)果，能量演化促進(jìn)試件內(nèi)部損傷發(fā)育。設(shè)撞擊桿攜帶的入射能為Wi，反射能為Wr，透射能為Wt，三種能量可通過下式計(jì)算得到：

式中：As、cs、E分別為桿件橫截面積、縱波波速和桿件的彈性模量。

圖15 為SHPB 試驗(yàn)中花崗巖入射能、反射能與透射能的時(shí)程曲線。由圖可知，隨著采樣時(shí)間增加，入射能、反射能與透射能也持續(xù)增長，達(dá)到最大值后趨于穩(wěn)定。計(jì)算得出，入射能大于反射、透射能之和，這說明有一部分能量被試件本身吸收，這部分能量即為吸收能。

圖15 能量時(shí)程曲線Fig.15 Curve of energy

沖擊過程中，絕大部分吸收能轉(zhuǎn)化為破碎耗散能，少部分轉(zhuǎn)化為碎塊動(dòng)能[29]，因此本研究以吸收能近似替代破碎耗散能。根據(jù)能量守恒定律，計(jì)算可得試件破壞過程耗散能量：

為更直觀地比較不同溫度及沖擊荷載下試件的能量吸收特性，定義體積能量（w）為單位體積花崗巖耗散能[30]：

式中：Vg為試件體積。

3.2 體積能量變化規(guī)律

表3 給出了計(jì)算得出的試件體積能量，其中：εˉ 為平均應(yīng)變率。圖16～圖17 給出了體積能量與加載應(yīng)變率和溫度的關(guān)系。分析發(fā)現(xiàn)，體積能量隨應(yīng)變率增大而近似線性增大，這是由于沖擊速率越大，入射桿攜帶能量越大，用于巖石破碎的耗能越多，試件內(nèi)部被激活的裂紋增加，因此體積能量隨之增大。

圖16 體積能量與應(yīng)變率關(guān)系Fig.16 Relationship between volumic energy and strain rate

圖17 體積能量與溫度關(guān)系Fig.17 Relationship between volumic energy and temperature

表3 體積能量Table 3 Volumic energy

同一加載應(yīng)變率下，隨著溫度升高，體積能量先減小后增大，變化趨勢很好地滿足二次函數(shù)形式：

式中：w的單位為J/cm3；T為溫度，℃；R2為決定系數(shù)。三種沖擊速率下的R2均大于等于0.97，說明擬合效果良好。吸收能越大，說明試件內(nèi)部用于裂紋發(fā)育的能量越多，強(qiáng)度越弱。因此，體積能量的先減后增表明試件強(qiáng)度先升后降，與沖擊試驗(yàn)結(jié)果一致。

3.3 吸收能與動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度

巖石的失穩(wěn)破壞是能量轉(zhuǎn)移與吸收的結(jié)果，體積能量變化與試件內(nèi)部損傷演化、強(qiáng)度劣化息息相關(guān)。不同溫度下花崗巖動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度與體積能量關(guān)系如圖18 所示，動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度隨體積能量增大而增大，二者呈指數(shù)相關(guān)。這是由于體積能量越大，單位體積花崗巖吸收能量越多，裂紋發(fā)育越貫通，試件損傷越嚴(yán)重，導(dǎo)致試件力學(xué)性能劣化。

圖18 動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度與體積能量關(guān)系Fig.18 Relationship between fractal dimension and volumic energy of granite

4 XRD 結(jié)果分析

為進(jìn)一步分析礦物成分變化對試驗(yàn)結(jié)果的影響，對破碎試件進(jìn)行X 射線衍射（X-ray diffraction, XRD）分析。根據(jù)XRD 結(jié)果，分別繪制花崗巖在20、200、400 和600 ℃下的X 射線衍射圖譜，如圖19 所示。

圖19 不同實(shí)時(shí)高溫下花崗巖X 衍射圖譜Fig.19 X-ray diffraction patterns of granite at different real-time high temperatures

由衍射結(jié)果可知，川藏鐵路色季拉山施工區(qū)域加里東期花崗巖主要成分為石英、長石（以斜長石、鈉長石為主）和云母，并含有少量綠泥石和磁鐵礦。在四種試驗(yàn)溫度下，花崗巖主要礦物成分衍射信息均未消失，說明該地區(qū)花崗巖在20～600 ℃化學(xué)性質(zhì)較為穩(wěn)定。通過K 值法[22]計(jì)算得出不同實(shí)時(shí)溫度下花崗巖主要礦物成分的相對含量，如表4 所示。

表4 礦物成分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)（%）Table 4 Mass fraction (%) of the components

由表4 可知，20～400 ℃試件中石英含量隨溫度升高而不斷增大，600 ℃時(shí)有所下降，這可能是由于在573 ℃附近石英發(fā)生了低溫 α 石英向高溫 β 石英的相變過程。長石和云母含量隨溫度升高有所波動(dòng)，規(guī)律不明顯，由于二者主要成分均為金屬鋁硅酸鹽，因此單獨(dú)分析某一種成分的含量變化較為片面，需要綜合分析長石和云母的相對含量之和，繪制長石、云母含量之和隨溫度變化曲線，如圖20 所示。

由圖20 可知，20～200 ℃長石和云母相對含量之和增大，在200 ℃時(shí)達(dá)到最大，與沖擊試驗(yàn)結(jié)果保持一致。200～400 ℃長石和云母相對含量下降，石英相對含量增大，從材料方面解釋了花崗巖破碎分形維數(shù)在20～400 ℃變化規(guī)律不明顯的原因：三種主要礦物成分含量在20～400 ℃內(nèi)隨溫度變化規(guī)律有所不同，因此試件硬度變化規(guī)律不明顯，導(dǎo)致分形維數(shù)波動(dòng)。400～600 ℃下長石云母含量之和明顯提升，這是由于溫度升高導(dǎo)致石英礦物晶格破壞，羥基逸出形成鈉長石[27]，結(jié)合石英含量的下降趨勢，解釋了花崗巖600 ℃下破碎形態(tài)的塑性特征：石英硬度為7，長石硬度在6～6.5，云母硬度在2～3 左右，溫度由400 ℃升高到600 ℃時(shí)，硬度較大的石英含量下降，硬度較小的長石和云母含量增大，導(dǎo)致試件整體硬度減小，脆性隨之減小，因此破壞形態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄云茐?。三種主要礦物成分的含量變化和相變共同作用，最終導(dǎo)致200 ℃后試件的動(dòng)力學(xué)性能劣化、分形維數(shù)波動(dòng)與破碎形態(tài)變化。

圖20 長石、云母相對含量之和與溫度的關(guān)系Fig.20 Relationship between the sum of feldspar and mica content and temperature

5 結(jié) 論

本文利用配有實(shí)時(shí)高溫裝置的 ? 50 mm SHPB 試驗(yàn)系統(tǒng)對花崗巖進(jìn)行實(shí)時(shí)高溫（20～800 ℃）沖擊壓縮力學(xué)特性研究，研究并分析了不同溫度等級下花崗巖的破碎分形、動(dòng)力學(xué)性能變化、能量吸收和礦物成分變化的內(nèi)在關(guān)聯(lián)。總結(jié)規(guī)律如下：

(1) 試件破碎形式為劈裂破壞，600 ℃以下高溫試件以脆性破壞為主，試件破壞前無明顯變形，且粒徑范圍在4.75～9.5 mm 內(nèi)的碎塊形態(tài)呈紡錘形，兩端尖銳；600 ℃試件以塑性破壞為主，形狀趨于圓鈍；

(2) 隨著溫度升高，試件峰值應(yīng)力具有先增大后減小的變化趨勢，在200 ℃時(shí)達(dá)到強(qiáng)度閾值，隨后持續(xù)降低；不同沖擊速率下，200 ℃的花崗巖峰值應(yīng)力較20 ℃分別提升了5.45%、8.51%和1.06%；400 ℃花崗巖峰值應(yīng)力較200 ℃降低8.89%～21.69%；600 ℃峰值應(yīng)力較400 ℃下降了10.55%～28.99%；800 ℃實(shí)時(shí)高溫中，花崗巖未經(jīng)沖擊即破碎；

(3) 體積能量與加載應(yīng)變率線性正相關(guān)，與溫度呈二次函數(shù)關(guān)系，與峰值應(yīng)力呈指數(shù)相關(guān)，擬合效果良好；

(4) 花崗巖試件在20～600 ℃化學(xué)性質(zhì)較穩(wěn)定；云母、長石和石英的含量波動(dòng)共同導(dǎo)致花崗巖動(dòng)力學(xué)強(qiáng)度在200 ℃后隨溫度升高逐步劣化。