灰?guī)r在燒變過程中的熱破裂機(jī)制試驗(yàn)研究

張衛(wèi)強(qiáng)，曹志成，周琦忠，王左券，吳 云

(1.中國礦業(yè)大學(xué) 資源與地球科學(xué)學(xué)院，江蘇 徐州 221116；2.中國礦業(yè)大學(xué) 礦區(qū)深部零碳負(fù)碳技術(shù)教育部工程研究中心，江蘇 徐州 221116；3.中國礦業(yè)大學(xué) 地?zé)豳Y源研究中心，江蘇 徐州 221116；4.江蘇省地質(zhì)礦產(chǎn)局第五地質(zhì)大隊(duì)，江蘇 徐州 221004)

燒變巖作為煤層自燃的重要產(chǎn)物，在世界范圍內(nèi)廣泛分布。燒變作用后，煤層圍巖結(jié)構(gòu)發(fā)生顯著變化，導(dǎo)致其物理力學(xué)性質(zhì)及工程效應(yīng)隨之發(fā)生明顯改變[1-3]。掌握巖石結(jié)構(gòu)在燒變過程中的演化規(guī)律，可有效預(yù)判燒變巖區(qū)的工程地質(zhì)特性，規(guī)避一些意想不到的地質(zhì)災(zāi)害[4-6]。因此，開展燒變巖結(jié)構(gòu)演化機(jī)制研究具有重要的理論意義和工程應(yīng)用價(jià)值[7-8]。

目前，關(guān)于燒變作用下巖石結(jié)構(gòu)演變特征等方面的研究還相對(duì)較少，研究方法主要以溫壓交變條件下的巖石熱破裂室內(nèi)試驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)及數(shù)值模擬為主[9-12]。巖石熱破裂試驗(yàn)方面，主要通過SEM、核磁共振、CT 掃描等微觀測(cè)試方法探究熱破裂累進(jìn)過程及結(jié)構(gòu)損傷在物理力學(xué)性質(zhì)上的響應(yīng)特征[13-16]，如左建平等[17]利用掃描電鏡(SEM)研究了砂巖的熱破裂特征，發(fā)現(xiàn)礦物的熱力學(xué)性質(zhì)對(duì)裂縫發(fā)育影響顯著；趙陽升等[18]利用CT掃描觀測(cè)了花崗巖的三維熱破裂過程，得到不同溫度下的熱裂紋形態(tài)特征；孫中光等[19]基于核磁共振研究了花崗巖孔隙特征隨溫度的變化規(guī)律；張衛(wèi)強(qiáng)[20]研究了高溫作用后巖石結(jié)構(gòu)損傷與波速、電阻率和強(qiáng)度等物理力學(xué)性質(zhì)的關(guān)聯(lián)關(guān)系。現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)方面，主要是對(duì)燒變區(qū)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行探測(cè)，探測(cè)結(jié)果與地層水文地質(zhì)特征相聯(lián)系[21-22]。數(shù)值模擬方面，主要是基于固熱耦合模型、有限元分析等方法模擬巖石熱破裂過程[23-24]。熱破裂機(jī)理方面，主要通過礦物成分、物理化學(xué)反應(yīng)及微觀結(jié)構(gòu)的變化探究其破裂成因[20,25-26]。以上研究雖提高了對(duì)高溫作用下巖石結(jié)構(gòu)演變特征的認(rèn)識(shí)，但研究對(duì)象以深部地層的巖漿巖居多。含煤地層為沉積巖，其礦物組分、結(jié)構(gòu)和膠結(jié)方式與巖漿巖差異巨大，熱破裂演變機(jī)制也完全不同?；?guī)r是含煤地層的典型巖性之一，也是煤礦地質(zhì)災(zāi)害防治的重點(diǎn)關(guān)注對(duì)象，其在煤層自燃中雖很少與煤火直接接觸，但也經(jīng)常處于燒變范圍內(nèi)[27-28]，其結(jié)構(gòu)特征隨燒變程度的演化機(jī)制尚不明晰，有待進(jìn)一步開展多尺度的系統(tǒng)研究。

針對(duì)以上研究背景，筆者以灰?guī)r為研究對(duì)象，通過不同高溫作用模擬燒變過程，探究灰?guī)r試樣宏-細(xì)-微觀結(jié)構(gòu)隨溫度的演變規(guī)律，通過數(shù)值模擬獲取升降溫過程中溫度場(chǎng)和熱應(yīng)力場(chǎng)的分布特征及數(shù)值變化規(guī)律，X 射線衍射(XRD)結(jié)合SEM 測(cè)試，探究不同溫度下灰?guī)r主要礦物成分及其礦物顆粒的變化特征，綜合熱應(yīng)力和礦物分解揭示不同溫度段灰?guī)r結(jié)構(gòu)熱破裂的機(jī)理，以期深化巖體破裂相關(guān)理論研究，為燒變巖區(qū)工程活動(dòng)提供借鑒和指導(dǎo)。

1 試驗(yàn)樣品及步驟

1.1 試驗(yàn)樣品

試驗(yàn)所用灰?guī)r試樣采自江蘇徐州某礦，平均密度2.71 g/cm3，表面呈灰色，質(zhì)地均勻，無肉眼可見裂紋，局部可見方解石填充的白色條帶。通過X 射線衍射測(cè)試，查明試樣的主要礦物含量為方解石、白云石、石英、白云母和菱鎂礦，石英、白云母和菱鎂礦含量均較少，結(jié)果如圖1 所示。試驗(yàn)所用試樣的規(guī)格為?50 mm×25 mm 的標(biāo)準(zhǔn)圓柱體，端面不平整度和側(cè)面不平整度的誤差分別在0.02 mm 和0.20 mm 以內(nèi)。

1.2 試驗(yàn)步驟和儀器

為模擬燒變過程中高溫對(duì)巖石的烘烤作用，對(duì)分組后的灰?guī)r試樣進(jìn)行不同目標(biāo)溫度的高溫處理，溫度分別設(shè)為100、200、300、400、500、600、700 和800℃，每組設(shè)2 個(gè)平行試樣，加熱前需對(duì)天然試樣進(jìn)行稱重和拍照。考慮地下煤層自燃過程相對(duì)緩慢，本次試驗(yàn)將升溫速率設(shè)置為5℃/min(避免熱沖擊作用)。試樣在馬弗爐中完成高溫處理，并在目標(biāo)溫度下保持恒溫2 h(保證試樣充分受熱)，降溫方式采用室溫空氣中自然冷卻。

對(duì)經(jīng)歷不同高溫作用后的灰?guī)r試樣再次進(jìn)行稱重及表面裂隙的觀測(cè)和拍照，然后利用真空增壓飽和缸對(duì)試樣進(jìn)行20 MPa 壓力下的飽和處理(飽和時(shí)間12 h)，對(duì)飽和試樣再次稱重，根據(jù)吸水質(zhì)量計(jì)算開孔孔隙率。通過加熱前后的質(zhì)量差與加熱前試樣的質(zhì)量之比計(jì)算質(zhì)量損失率。最后，利用試驗(yàn)后的試樣制作掃描電鏡和X 射線衍射的試樣并進(jìn)行測(cè)試，從微觀結(jié)構(gòu)和主要礦物成分的變化特征方面探討灰?guī)r燒變過程中的熱破裂機(jī)理。試驗(yàn)所用的主要儀器如圖2 所示，試樣開孔孔隙率和質(zhì)量損失率的計(jì)算公式如下：

圖2 主要試驗(yàn)儀器Fig.2 Primary devices for experiments

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 宏觀熱破裂特征

圖3 顯示了不同溫度作用后灰?guī)r的宏觀形貌變化特征?？梢姡?dāng)經(jīng)歷溫度低于500℃時(shí)，灰?guī)r的表觀形貌未發(fā)現(xiàn)肉眼可見的變化，僅表觀顏色有略微變化，由青灰色向土黃色過渡。當(dāng)經(jīng)歷溫度達(dá)到500℃時(shí)，試樣表面可觀察到一條與邊緣近乎垂直的細(xì)小裂紋，熱破裂現(xiàn)象開始出現(xiàn)。隨著經(jīng)歷溫度的持續(xù)升高，熱破裂現(xiàn)象越來越明顯。在經(jīng)歷溫度為600℃時(shí)，灰?guī)r試樣發(fā)育了2 條熱裂紋，且在延伸過程中相交，將試樣劈裂成兩塊。當(dāng)加熱溫度達(dá)到700℃時(shí)，熱破裂的模式發(fā)生了顯著變化，并未觀察到從試樣邊緣起裂并沿大角度向內(nèi)延伸的熱裂紋，而是在靠近試樣邊緣位置發(fā)育了與試樣邊緣近似平行的圓弧型裂紋，且裂紋兩側(cè)的顏色明顯不同；試樣邊緣的棱角也大部分脫落，圓弧型裂紋與邊緣之間偶見細(xì)小連接裂紋。試樣中間部位的顏色與邊緣位置不同的原因是試樣在室內(nèi)空氣中自然降溫冷卻，冷卻過程中試樣底部與空氣無充分接觸，致使CaO 不能與空氣中的水分充分反應(yīng)生成Ca(OH)2，從而引起試樣中部和邊緣位置顏色的差別。當(dāng)經(jīng)歷溫度達(dá)到800℃后，灰?guī)r發(fā)生了劇烈的熱破裂現(xiàn)象，完全破碎，不成形狀。

圖3 高溫作用后灰?guī)r的宏觀形貌變化特征Fig.3 Changes in the macroscopic morphologies of limestone samples under high temperatures

基于以上分析，可將研究溫度范圍內(nèi)灰?guī)r試樣的宏觀熱破裂過程分為3 個(gè)階段：(1) 孕育階段(常溫至400℃)：試樣未發(fā)生熱破裂；(2) 裂紋發(fā)育初期階段(500～600℃)：裂紋形態(tài)較簡單，以直線型裂紋發(fā)育為主，數(shù)量較少，主要是已發(fā)育裂紋的擴(kuò)展；(3) 復(fù)雜裂紋發(fā)育階段(700～800℃)：當(dāng)溫度達(dá)到700℃時(shí)，試樣表面發(fā)育圓弧型裂紋為主的復(fù)雜裂紋，附近伴有一些細(xì)小的次級(jí)裂紋發(fā)育。當(dāng)經(jīng)歷溫度達(dá)到800℃時(shí)，試樣礦物成分發(fā)生顯著變化，結(jié)構(gòu)發(fā)生嚴(yán)重?fù)p傷，加上熱應(yīng)力較高，致使試樣完全破碎。由此可見，巖石熱破裂的發(fā)生需要一定的時(shí)間積累，不是升高到目標(biāo)溫度破裂即發(fā)生，即熱破裂形式隨著經(jīng)歷溫度的升高不會(huì)累進(jìn)疊加，而是在不同溫度范圍呈現(xiàn)出不同模式。

2.2 細(xì)觀結(jié)構(gòu)破裂特征

為進(jìn)一步研究灰?guī)r的熱破裂機(jī)制，通過細(xì)觀顯微鏡對(duì)經(jīng)歷不同溫度作用后的試樣表面進(jìn)行了細(xì)觀觀測(cè)(放大50 倍左右)，結(jié)果如圖4 所示。在細(xì)觀尺度上，觀察到熱破裂發(fā)育的起始溫度相對(duì)宏觀尺度要低。在經(jīng)歷300℃的試樣中觀察到在方解石填充裂隙中出現(xiàn)了細(xì)微裂隙，但在層理及其他區(qū)域均未觀測(cè)到裂隙。當(dāng)經(jīng)歷溫度達(dá)到400℃時(shí)，在層理位置觀察到一條長度和寬度均很小的且沿著層理方向發(fā)育的裂隙。垂直層理方向的裂隙在500℃時(shí)初次觀測(cè)到，且裂隙的寬度相對(duì)300～400℃試樣明顯增大，在肉眼尺度上已可觀察到。更高溫度試樣的裂隙發(fā)育特征與宏觀熱破裂現(xiàn)象一致。

圖4 灰?guī)r細(xì)觀熱破裂特征Fig.4 Mesoscopic thermal cracking characteristics of limestone samples

2.3 微觀結(jié)構(gòu)損傷特征

灰?guī)r熱破裂的本質(zhì)是礦物結(jié)構(gòu)或膠結(jié)物的損傷或破壞，故運(yùn)用掃描電鏡對(duì)不同溫度作用后灰?guī)r試樣的微觀結(jié)構(gòu)演變特征進(jìn)行了觀測(cè)?？紤]灰?guī)r的宏-細(xì)觀破裂特征相對(duì)較簡單，并未形成復(fù)雜的縫網(wǎng)結(jié)構(gòu)，故本次選取未破裂區(qū)進(jìn)行研究，放大倍數(shù)選用500 倍，結(jié)果如圖5 所示。從掃描電鏡結(jié)果可知，灰?guī)r的礦物晶體顆粒排列很緊密，粒徑相對(duì)較均勻，在400℃前均未觀察到明顯的裂隙發(fā)育；當(dāng)經(jīng)歷溫度達(dá)到400℃時(shí)，觀察到有少量細(xì)小沿晶裂隙開始出現(xiàn)，裂隙的寬度和長度均較小；隨著經(jīng)歷溫度的持續(xù)升高，裂隙的數(shù)量和尺寸均逐漸增大，在500℃時(shí)觀察到一條幾乎貫穿觀測(cè)區(qū)域的較寬裂隙，且部分顆粒間膠結(jié)的致密性有所降低；在經(jīng)歷溫度為600℃時(shí)，可見較多長度和寬度均較大的裂隙發(fā)育，試樣的斷口形貌也有顯著變化，斷口粗糙度變大，平整的礦物斷面明顯變少，這說明礦物間的膠結(jié)強(qiáng)度明顯降低；當(dāng)經(jīng)歷溫度達(dá)到700℃時(shí)，裂隙數(shù)量和長度進(jìn)一步發(fā)育，但裂隙寬度反而較600℃有所下降，裂隙之間相互連通形成縫網(wǎng)結(jié)構(gòu)，礦物顆粒表面出現(xiàn)絮狀物質(zhì)；800℃試樣的裂隙數(shù)量和發(fā)育程度與700℃試樣相差不大，但礦物顆粒出現(xiàn)較大變化，顆粒表面幾乎布滿絮狀物質(zhì)，這也是800℃試樣整體碎裂的主要成因。

圖5 高溫作用對(duì)灰?guī)r微觀結(jié)構(gòu)的影響(500 倍)Fig.5 Effects of high temperatures on the microstructures of limestone samples (500 times)

為進(jìn)一步觀察礦物晶體表觀形貌的變化，將掃描電鏡的放大倍數(shù)提升到3 000 倍，結(jié)果如圖6 所示。可見，經(jīng)歷500℃的灰?guī)r試樣的礦物晶體還很完整，雖有沿晶裂隙發(fā)育，但顆粒表面十分規(guī)整；600℃試樣的少部分礦物晶體表面呈現(xiàn)蜂窩狀，說明開始發(fā)生化學(xué)反應(yīng)；700℃時(shí)，部分礦物表面出現(xiàn)小的孔洞和絮狀物質(zhì)；800℃時(shí)，礦物晶體表面幾乎被白色的小圓球覆蓋，整體呈絮狀。

圖6 灰?guī)r礦物顆粒微觀形貌的變化特征(3 000 倍)Fig.6 Changes in the microscopic morphologies of limestone mineral grains (3 000 times)

2.4 開孔孔隙率和質(zhì)量損失率變化特征

由經(jīng)歷不同溫度后灰?guī)r試樣微-細(xì)-宏觀結(jié)構(gòu)的觀測(cè)結(jié)果可知，熱破裂和礦物成分轉(zhuǎn)變是灰?guī)r高溫?fù)p傷的主要體現(xiàn)。結(jié)構(gòu)及礦物成分變化會(huì)引起孔隙率和質(zhì)量的改變，不同溫度作用后灰?guī)r試樣的開孔孔隙率和質(zhì)量損失率測(cè)試結(jié)果如圖7 和圖8 所示。

圖7 高溫作用后灰?guī)r開孔孔隙率的變化Fig.7 Changes in the porosity of open pores in limestone samples under high temperatures

圖8 高溫作用后灰?guī)r質(zhì)量損失率的變化Fig.8 Changes in the mass loss rate of limestone samples under high temperatures

圖7 顯示，灰?guī)r的開孔孔隙率在200℃之前變化不大，200℃后快速增大，尤其是400～700℃段增長最快。200～700℃段的開孔孔隙率曲線可擬合為二項(xiàng)式函數(shù)，相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.988，具體的函數(shù)表達(dá)式如下：

圖8 顯示了不同溫度作用后灰?guī)r試樣的質(zhì)量損失率變化曲線，可以看出，研究溫度范圍內(nèi)灰?guī)r的質(zhì)量損失率呈階段性變化規(guī)律，大致可分為3 個(gè)階段：(1) 常溫至400℃：試樣的質(zhì)量損失率基本沒有變化；(2) 在400～600℃：質(zhì)量損失率略有升高；(3) 600～800℃：質(zhì)量損失率急劇增大，從600℃時(shí)的0.61%增長到800℃時(shí)9.14%，增長速率達(dá)15 倍左右。對(duì)比分析不同溫度后灰?guī)r結(jié)構(gòu)、開孔孔隙率及質(zhì)量損失率的變化特征發(fā)現(xiàn)，質(zhì)量損失率與結(jié)構(gòu)演變的對(duì)應(yīng)關(guān)系相對(duì)較好，400℃前試樣僅在方解石填充裂隙或?qū)永砭植课恢冒l(fā)育細(xì)微裂紋，正常巖石結(jié)構(gòu)未發(fā)生破裂，主要礦物成分未發(fā)生分解，質(zhì)量損失率基本未變；400～600℃時(shí)，灰?guī)r試樣結(jié)構(gòu)開始緩慢發(fā)生熱破裂，同時(shí)含量較低的菱鎂礦開始分解，釋放CO2，引起質(zhì)量損失率緩慢上升；600℃后熱破裂快速發(fā)育，主要礦物成分方解石和白云石逐漸分解，導(dǎo)致質(zhì)量損失率快速上升。

3 灰?guī)r熱破裂機(jī)理分析

已有研究表明，高溫作用下巖石脫水、相變、礦物分解、分子鍵斷裂等物理化學(xué)反應(yīng)是造成巖石熱損傷的主要原因[5,17,28]。由于本次試驗(yàn)所用灰?guī)r試樣結(jié)構(gòu)致密，本身含水量極低(小于1%)，且試驗(yàn)前進(jìn)行了統(tǒng)一的干燥處理，故高溫作用后自由水喪失對(duì)試樣的影響很小，這與圖8 中試樣的質(zhì)量損失率在400℃前基本不變相互印證。根據(jù)高溫作用后灰?guī)r試樣結(jié)構(gòu)的演變特征發(fā)現(xiàn)，熱破裂和礦物成分變化是本次研究溫度范圍內(nèi)的主要損傷表現(xiàn)。因此，本節(jié)主要從熱應(yīng)力和礦物成分的角度探討灰?guī)r燒變過程中的熱破裂機(jī)理。

3.1 熱應(yīng)力

采用COMSOL Multiphysics 軟件構(gòu)建灰?guī)r試樣模型(圖9)，模擬升降溫過程中試樣的熱應(yīng)力變化規(guī)律?？紤]所用灰?guī)r試樣相對(duì)較均質(zhì)，為簡化模擬工作，忽略了高溫作用下礦物的分解，并將試樣假設(shè)為各向同性的均質(zhì)體。網(wǎng)格劃分采用均分網(wǎng)格方式，網(wǎng)格形狀為三角形。所建數(shù)值模型尺寸為?50 mm×25 mm，邊界設(shè)置為自由邊界，根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)條件設(shè)置周邊環(huán)境的空氣溫度，加熱過程中空氣的溫度設(shè)為(20+5t)℃，降溫過程中空氣的溫度設(shè)定為20℃。依據(jù)參考文獻(xiàn)中類似灰?guī)r在不同溫度作用后的力學(xué)和熱學(xué)參數(shù)，對(duì)數(shù)值模擬模型進(jìn)行參數(shù)賦值[25-27]，見表1。

表1 數(shù)值模型參數(shù)賦值Table 1 Assigned parameters for the numerical model

圖9 灰?guī)r試樣數(shù)值模型Fig.9 Numerical model for limestone samples

基于以上模型，模擬了灰?guī)r試樣升降溫過程中溫度場(chǎng)及熱應(yīng)力場(chǎng)的變化特征。不同目標(biāo)溫度下溫度場(chǎng)和熱應(yīng)力場(chǎng)的分布特征及演化規(guī)律基本一致，以500℃試樣的軸向切片為例進(jìn)行展示和分析，如圖10 所示。從圖10a 和圖10b 可知，升溫過程中試樣中間部位溫度最低，棱角位置處最高，等溫線從外向內(nèi)呈橢圓形分布；降溫過程的溫度場(chǎng)分布形態(tài)與升溫過程基本一致，但中間溫度最高，棱角處溫度最低。圖10c 和圖10d 展示了熱應(yīng)力場(chǎng)的分布特征，可見升降溫過程中熱應(yīng)力場(chǎng)的分布形態(tài)特征基本一致，均是棱角處熱應(yīng)力最大，頂?shù)酌婧蛡?cè)面的中部靠近試樣表面處熱應(yīng)力最低，試樣中間部位的熱應(yīng)力位于中間水平。熱應(yīng)力差最大位置為與最低熱應(yīng)力帶接觸的部位。

圖10 500℃時(shí)升降溫過程中灰?guī)r試樣溫度場(chǎng)和熱應(yīng)力場(chǎng)的分布特征Fig.10 Distributions of the temperature and thermal stress fields of limestone samples during temperature rise and fall at around 500℃

模擬過程中發(fā)現(xiàn)，升溫過程中當(dāng)環(huán)境溫度達(dá)到目標(biāo)溫度時(shí)，試樣內(nèi)部的溫度差及熱應(yīng)力達(dá)到最大值，而降溫過程中熱應(yīng)力的最大值基本出現(xiàn)在2 min 內(nèi)。對(duì)不同目標(biāo)溫度試樣在升降溫過程中的最高、最低溫度及最大熱應(yīng)力的數(shù)值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，如圖11 所示。升溫過程中，隨著目標(biāo)溫度的升高，試樣的最大溫差逐漸增大，但整體數(shù)值不大；熱應(yīng)力在600℃前變化不大，且由于彈性模量、熱導(dǎo)率等參數(shù)隨溫度的變化導(dǎo)致熱應(yīng)力在200～600℃略有下降，600℃熱應(yīng)力有相對(duì)較大的增大，但最大熱應(yīng)力在1 MPa 左右，無法使灰?guī)r正常的結(jié)構(gòu)發(fā)生熱破裂。降溫過程中，試樣的最大溫差相對(duì)升溫過程明顯增大，最大熱應(yīng)力的變化速率和數(shù)值范圍也顯著變大，且可大致分為3 個(gè)階段：(1) 400℃前：最大熱應(yīng)力隨著經(jīng)歷溫度的升高快速增大，當(dāng)經(jīng)歷溫度達(dá)到300℃時(shí)，熱應(yīng)力已達(dá)到3.0 MPa 左右，對(duì)應(yīng)細(xì)觀結(jié)構(gòu)中方解石填充帶的熱裂紋，可見方解石填充帶的抗拉強(qiáng)度在2.5～3.0 MPa(200℃時(shí)的熱應(yīng)力在2.5 MPa 左右)；(2) 400～600℃：最大熱應(yīng)力隨著經(jīng)歷溫度的升高急劇增大，在500℃時(shí)熱應(yīng)力在4.5 MPa 左右，基本達(dá)到了灰?guī)r的抗拉強(qiáng)度，解釋了灰?guī)r宏觀結(jié)構(gòu)在500℃出現(xiàn)與層理斜交的熱裂紋的力學(xué)成因；(3) 600～800℃：最大熱應(yīng)力相對(duì)600℃有所降低，在4.5～5.5 MPa 波動(dòng)。因此，判定導(dǎo)致試樣在600～800℃尤其是700～800℃間結(jié)構(gòu)的快速破裂及失穩(wěn)的主控成因是礦物分解而非熱應(yīng)力。

圖11 升降溫過程中試樣的最高-最低溫度及最大熱應(yīng)力變化特征Fig.11 Changes in the maximum and minimum temperatures and the maximum thermal stress of limestone samples during temperature rise and fall

3.2 礦物成分

通過XRD 試驗(yàn)獲取了不同溫度作用后灰?guī)r試樣主要礦物成分的變化特征，如圖12 所示。當(dāng)經(jīng)歷溫度低于400℃時(shí)，灰?guī)r的主要礦物成分幾乎未發(fā)生變化；經(jīng)歷溫度達(dá)到500～600℃時(shí)，部分白云石(CaMg(CO3)2)和菱鎂礦(MgCO3)的衍射峰峰值明顯降低；700℃時(shí)，白云石和白云母的衍射峰出現(xiàn)明顯衰減；800℃時(shí)，白云石和白云母的衍射峰完全消失，生石灰(CaO)和熟石灰(Ca(OH)2)的衍射峰出現(xiàn)。以上結(jié)果表明，菱鎂礦在500℃后發(fā)生了分解，白云石和白云母在600℃開始出現(xiàn)分解，在800℃時(shí)分解完畢，完整的生石灰和熟石灰在800℃時(shí)出現(xiàn)。

圖12 不同溫度作用后灰?guī)r主要礦物成分的變化特征Fig.12 Changes in the primary mineral components of limestone samples under different temperatures

對(duì)比分析XRD 和SEM 測(cè)試結(jié)果發(fā)現(xiàn)，600℃試樣的SEM 圖片中礦物表面的蜂窩狀結(jié)構(gòu)為菱鎂礦分解的體現(xiàn)；700℃試樣中部分礦物表面的小孔洞及絮狀物質(zhì)為白云石分解過程中CO2逸出及CaO、Ca(OH)2開始生成的體現(xiàn)，但XRD 結(jié)果在700℃時(shí)未檢測(cè)出CaO和Ca(OH)2的成分，說明700℃下CaO 和Ca(OH)2并未充分形成；800℃時(shí)SEM 圖片中的白色絮狀顆粒為Ca(OH)2，且覆蓋了大部分礦物顆粒，這是因?yàn)榛規(guī)r的主要成分方解石和白云石在800℃時(shí)均發(fā)生分解，并生成了CaO，CaO 吸收空氣中的水分生成Ca(OH)2。

3.3 討論

綜合對(duì)比灰?guī)r試樣細(xì)-宏觀熱破裂特征發(fā)現(xiàn)，方解石填充帶、層理等結(jié)構(gòu)面處的熱破裂溫度閾值在300～400℃；完整巖塊的熱破裂溫度閾值在500℃左右；600℃前發(fā)育的熱破裂形態(tài)較簡單，多呈直線型，且數(shù)量較少；700℃時(shí)的熱破裂呈環(huán)狀分布，且裂紋周邊分布一些次級(jí)裂紋，裂紋的寬度和長度顯著增長；800℃時(shí)試樣結(jié)構(gòu)完全破壞，呈破碎狀。從灰?guī)r未破裂區(qū)的微觀結(jié)構(gòu)來看，400℃時(shí)開始出現(xiàn)少量細(xì)小的沿晶裂紋，根據(jù)微觀結(jié)構(gòu)能譜分析(圖13a)可知，破裂位置基本出現(xiàn)在Si 與Ca 元素的交界處(石英與方解石的交界處)；500℃時(shí)的裂紋數(shù)量沒有明顯變化，但長度和寬度明顯增大，裂紋附近的礦物顆粒間的膠結(jié)性也變差；600℃后，裂紋的數(shù)量逐漸增多，尺寸逐漸增大，連通性逐漸增強(qiáng)，在700～800℃間礦物表面出現(xiàn)絮狀物質(zhì)，顆粒間的膠結(jié)性逐漸減弱。對(duì)800℃試樣的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行能譜分析(圖13b)，發(fā)現(xiàn)絮狀物質(zhì)的分布與Ca 元素的空間分布基本一致，在Si 元素分布區(qū)沒有絮狀物質(zhì)。這也印證了絮狀物質(zhì)為方解石和白云石分解的產(chǎn)物。

圖13 灰?guī)r微觀結(jié)構(gòu)能譜分析Fig.13 Energy spectrum analysis of the microstructure of limestone samples

基于以上熱破裂規(guī)律，結(jié)合數(shù)值模擬的熱應(yīng)力、XRD 測(cè)試及質(zhì)量損失率剖析不同溫度階段的熱破裂機(jī)理。不同溫度下試樣的開孔孔隙率、最大熱應(yīng)力及質(zhì)量損失率的變化如圖14 所示。400℃前，主要礦物成分及微觀結(jié)構(gòu)未發(fā)生明顯變化，質(zhì)量損失率極小，升降溫過程中最大熱應(yīng)力在3 MPa 以內(nèi)，故認(rèn)為300～400℃時(shí)在方解石填充帶及層理結(jié)構(gòu)處的熱破裂主要由熱應(yīng)力引起，在試樣結(jié)構(gòu)原始缺陷處集中，超過該部位的抗拉強(qiáng)度時(shí)產(chǎn)生熱破裂。400～600℃時(shí)，試樣的微觀結(jié)構(gòu)逐漸發(fā)生損傷，裂紋數(shù)量和尺寸緩慢增大，菱鎂礦逐漸分解，質(zhì)量損失率緩慢增大，最大熱應(yīng)力快速增大并超過4 MPa。而該溫度段的熱破裂主要以直線型的裂紋為主，數(shù)量和尺寸增長速率也較慢，認(rèn)為該階段的熱破裂機(jī)理仍以熱應(yīng)力為主，含量較少的礦物分解及微觀結(jié)構(gòu)損傷有利于熱應(yīng)力集中，當(dāng)熱應(yīng)力超過試樣的抗拉強(qiáng)度后產(chǎn)生破裂并沿直線型擴(kuò)展。600～800℃階段，熱應(yīng)力沒有持續(xù)升高，相對(duì)600℃時(shí)還略有下降，白云石和方解石逐漸快速分解，對(duì)應(yīng)質(zhì)量損失率急劇增大，部分分解生成的CaO 與空氣中的水分反應(yīng)生成Ca(OH)2，CaO 與Ca(OH)2均為粉末狀物質(zhì)，降低了礦物顆粒間的膠結(jié)性，熱應(yīng)力和礦物分解共同作用下導(dǎo)致該溫度區(qū)間的熱破裂發(fā)育程度較高，到800℃時(shí)試樣完全破碎。

圖14 不同溫度作用下灰?guī)r開孔孔隙率、質(zhì)量損失率及最大熱應(yīng)力綜合分析Fig.14 Comprehensive analysis of the porosity,mass loss rate,and maximum thermal stress of limestone samples under different temperatures

圖14 中的開孔孔隙率曲線與微觀結(jié)構(gòu)變化、質(zhì)量損失率曲線的變化規(guī)律有較大區(qū)別，質(zhì)量損失率在400～600℃間緩慢增大，在600℃后急劇增大；微觀結(jié)構(gòu)在400～600℃間發(fā)育有少量的熱破裂，而600℃后發(fā)育速率顯著增大；而開孔孔隙率從200℃后便快速增大。開孔孔隙率是通過飽和吸水率進(jìn)行間接計(jì)算的，可見高溫作用后灰?guī)r的飽和吸水量并不只是孔裂隙儲(chǔ)水，礦物顆粒本身的吸水率也有所增加，該試驗(yàn)結(jié)果可為燒變巖區(qū)的持水性研究提供借鑒。

4 結(jié)論

a.灰?guī)r中典型結(jié)構(gòu)面(方解石填充裂隙、層理等)與完整巖塊的宏-細(xì)觀熱破裂溫度閾值分別在300～400℃和500℃左右，微觀尺度上礦物顆粒的熱破裂溫度閾值在400℃左右。

b.灰?guī)r熱破裂形式不隨著溫度的升高累進(jìn)疊加。600℃前灰?guī)r表觀熱破裂形態(tài)表現(xiàn)為較簡單的直線型，數(shù)量較少、尺寸較小，一般在原始缺陷處起裂并近似沿直線擴(kuò)展；600℃后發(fā)育非線性弧形裂紋，熱破裂形態(tài)與數(shù)值模擬獲取的最大熱應(yīng)力差分布位置基本一致；當(dāng)溫度達(dá)到800℃時(shí)，試樣整體發(fā)生破壞，呈散碎狀態(tài)。

c.礦物成分及微觀結(jié)構(gòu)測(cè)試結(jié)果顯示，500℃前灰?guī)r的熱破裂主要受熱應(yīng)力控制，熱應(yīng)力在結(jié)構(gòu)缺陷處形成應(yīng)力集中，形成熱破裂；500～600℃間的熱破裂主要成因是熱應(yīng)力增大并超過灰?guī)r抗拉強(qiáng)度，同時(shí)菱鎂礦等含量較少的礦物組分發(fā)生分解，助力熱破裂發(fā)育；700～800℃的熱破裂受熱應(yīng)力與礦物分解共同控制。

符號(hào)注釋：

m0為加熱前的試樣質(zhì)量，g；md為目標(biāo)溫度處理后的干質(zhì)量，g；ms為飽和質(zhì)量，g；Δm為質(zhì)量損失率，%；n為開孔孔隙率，%；t為時(shí)間，min；T為溫度，℃；V0為巖石體積，cm3；ρw為水的密度，g/cm3。