高溫后花崗巖巴西劈裂抗拉實驗及超聲特性研究

支樂鵬，許金余,，劉志群，劉 石，陳騰飛

(1. 空軍工程大學 工程學院，西安 710038；2. 西北工業大學 力學與土木建筑學院，西安 710072；3. 空軍工程大學 校務部，西安 710051)

1 引 言

巖石的抗拉強度遠小于其抗壓強度，而拉應力往往是巖體工程開裂的關鍵。近年來，隨著深部礦山的開發，城市地下空間的利用，火災后巖石體程（如礦山、大壩、隧道洞庫重要地下硐室）的修復和重建逐漸成為國際上廣泛關注的課題。 高溫作用后，巖體裂隙增多增大，特別在主拉應力作用區域裂隙更是個容易積聚[1]，進而導致高溫后巖體工程的整體強度發生變化。因此，研究高溫后巖石抗拉強度等力學性能，對巖體工程的安全性評估及災后的修復、加固都具有重要的意義。

在大量進行的巖體工程實踐中，超聲波測試便利，且測試過程不會引起材料新的損傷，逐漸成為一種理想的探測手段。溫度作用后，巖石自身結構特性會發生很大改變，超聲波測試結果也相應的發生了變化。關于巖石超聲特性的研究日益成為一個熱點課題[2－3]。

目前國內外學者對巖石常溫下的靜態、動態力學特性研究較為深入，對高溫下的物理力學性質進行了較多的研究，但對高溫后花崗巖的的超聲特性研究以及高溫后的拉強度特性研究比較少見。李海波等[4]采用高壓動三軸實驗，系統地研究了花崗巖的動態力學特性，指出花崗巖的抗壓強度隨圍壓的增加而增加。李夕兵等[5]研究了動靜組合加載下巖石的力學特性，結果表明應變率和動態抗壓強度存在明顯的相關性。蘇承東等[6]對高溫后粗砂巖的力學效應進行研究，結果表明超過100 ℃后，粗砂巖超聲波縱波波速、初始模量與溫度大致線性降低。萬志軍等[7]、許錫昌等[8]對高溫下花崗巖的抗壓強度進行了研究，認為存在某一個溫度閥值，超過這個閥值后花崗巖的抗壓強度顯著減小。夏小和等[9]研究了高溫下大理巖的抗壓強度及變形規律，發現隨著溫度升高，大理巖的抗壓強度，變形模量，彈性模量都不同程度降低，并且，降低也存在一些突變性。

本文通過測試高溫后花崗巖的超聲波和進行劈裂抗拉強度試驗，比較分析經歷不同溫度（25 ℃～1000 ℃）作用后，花崗巖的外觀形態、縱波波速、波形曲線以及劈裂抗拉強度的特征，研究了花崗巖縱波波速、劈裂抗拉強度、溫度三者之間的關系，研究成果可為高溫后的巖體工程的研究借鑒及參考。

2 試驗概況

2.1 巖樣制備

巖樣均取自陜西秦嶺某工程，在實驗室加工成直徑為50 mm，高25 mm的圓餅型試件。試件的上下表面平行度控制在0.05 mm以內,表面的平行度控制在0.02 mm以內。制作的花崗巖試樣外觀為灰褐色，有細粒狀斑點。

經過陜西國土資源部西安礦產資源監督監測中心檢驗，花崗巖試樣的礦物主要成分見表 1。試驗前通過縱波波速測試，挑選的波速較為接近的花崗巖試樣，分成7組，每組3塊，共計21塊。試驗分25、100、200、400、600、800、1000 ℃共 7 個溫度等級。

表1 花崗巖的礦物組成Table1 Components of granite

2.2 試驗設備以及試驗方法

本次加熱設備采用的是武漢華中電爐設備有限公司生產的RX3-20-12型箱式電阻爐，設計最高溫度為1200 ℃，見圖1(a)。將花崗巖試樣放入電加熱爐膛內，升溫速率為10 ℃/min，分別加熱到相應的溫度并保持恒溫 2 h，保證試件內外溫度達到均勻。然后打開爐門冷卻，制成高溫后的花崗巖試樣。

測試巖石波速所用的儀器，為武漢中科智創巖土技術有限公司生產的 RSM-5N非金屬超聲波檢測分析儀。采用平面式超聲換能器探頭，主頻為50 kHz。縱波測試時，采用黃油耦合，在換能器上均勻涂抹1層薄黃油，高溫前后均進行質量和幾何尺寸量測，并進行超聲波檢測。該儀器可以將測量值、處理結果、狀態信息直接顯示出來，見圖1(b)。

圖1 試樣加熱爐和超聲波檢測儀Fig.1 Instruments for sample heating and Ultrasonic detector

2.3 巴西劈裂抗拉實驗

根據國際巖石力學學會（ISPM）標準和中華人民共和國行業標準《公路工程巖石試驗規程》[10]，對試驗所采用的花崗巖試件進行巴西劈裂抗拉試驗。試驗所用的設備為 HYY型電液伺服材料試驗系統，采用φ50 mm×25 mm巴西圓盤試樣。試驗時，試件立于試驗機的承壓板中央，選用1 mm的細鋼絲墊于試件和試驗機的承壓板間，對試件施加線荷載，確保受力均勻，以0.5 MPa/s的速率向花崗巖試件施加荷載，直至破壞。

3 試驗結果分析

3.1 超聲檢測結果及分析

（1）縱波波速檢測結果

超聲波檢測結果量的變化有良好的相關性，圖2反映了高溫后花崗巖縱波波速與溫度的變化關系。從圖中可以看出，高溫前所有巖樣的超聲縱波波速值在 4600～5500 m/s之間。隨著溫度的增加，縱波波速逐漸下降，這與郤保平等[11]的研究結果一致。溫度達200、400、600 ℃后，縱波波速分別下降到初始平均波速的 66%、44%、26%，經歷1000 ℃高溫后的波速下降到常溫的10%左右。

圖2 高溫后花崗巖縱波波速與溫度的關系Fig.2 Relations between the longitudinal wave velocity and temperature of under granite post-high temperatures

由于巖石是由不同礦物組成的多晶體，不同礦物成分具有不同的熱膨脹系數及熱膨脹各向異性。同時，礦物晶體的結晶方向和空間排列方式也不相同，導致晶格能的差異[12]。隨著溫度的增加。巖石內部的礦物晶體間發生了不同程度的膨脹，導致新裂紋的產生，裂紋間的空隙又會阻礙超聲波的傳播，從而引起超聲波縱波波速的不斷降低。

（2）波形圖分析

發射換能器向被測試件中發射超聲波脈沖，被測試件勻質且密時，聲波傳播路徑簡單，換能器接受到的波形就規律整齊；試件的勻質性較差，存在較多裂隙孔隙和缺陷等，聲波傳播到這些部位將發生反射、折射、繞射等，這時接受端換能器接受到的波形比較零亂和弱小。

圖3為經歷不同溫度后花崗巖試樣的超聲波波形圖。圖中，橫坐標為時間T（us）；縱坐標為幅值A（mA）。由于是原始截圖，文中沒顯示坐標，同時溫度200、1000 ℃波形圖相對前一個溫度等級變化不大，這里沒有給出。對比不同溫度下的波形圖發現，隨著溫度的不斷增高，波形總體上由整齊變混亂，有密集變稀疏，首波振幅總體上由高變低。這反映出隨著溫度的升高，試樣內部出現了阻礙聲波傳遞的空隙，主要來自于溫度升高導致巖樣出現的裂隙和損傷[13]。

（3）熱損傷分析

巖石的損傷程度與波速變化率有關，波速變化率越大，巖石損傷越嚴重，巖石的熱損傷D可用式（1）計算。

式中：Vp前、Vp后分別為高溫前后的縱波波速。

圖4為花崗巖的熱損傷D隨溫度的變化規律。隨著溫度的升高，熱損傷總體上在不斷地變大，尤其在200～400 ℃之間，損傷變化最為劇烈。800 ℃之后，熱損傷隨著溫度的變化漸漸緩和，與文獻[14]的研究一致。高溫后損傷后，試樣脆性增加，變得輕脆易碎。圖4的黑色虛線是對熱損傷與溫度關系的擬合曲線，見式(2)。

圖3 經歷不同溫度后的波形圖Fig.3 Graphs of waveform after different temperatures

圖4 溫度和熱損傷D關系Fig.4 Relations between damageD and temperature of granite

通過超聲法判斷的熱損傷D′（彈性模量法計算的損傷）與傳統力學用彈性模量法計算熱損傷有些區別[15]，公式為

式中：ET1、ET1分別為T1、T2溫度條件下彈性模量。

究其原因，本文的熱損傷D′是建立在巖石超聲特性的基礎之上，而傳統彈性模量計算的損傷是從巖石力學的角度出發，角度不同，差異有所不同。超聲波法分析熱損傷具有便捷，快速的特點，但通常會比較籠統，具備一定的參考價值，在具體的工程中，如果要細致地分析熱損傷，還應該從實際工程力學角度出發分析研究。

3.2 巴西劈裂抗拉實驗結果分析

（1）抗拉破壞形態研究

圖5為經歷不同溫度后花崗巖試樣的巴西劈裂抗拉破壞形態。由圖中發現，不同溫度下劈裂破壞都是沿直徑方向破裂，隨著溫度的增加破壞形態差距不明顯。只是在較低溫度下，斷裂面邊緣致密、光亮、堅硬，而在較高溫度下，斷裂面更加粗糙、暗淡、易破碎。從圖5(d)可見，劈裂后從斷裂面脫落的顆粒，脫落的顆粒表明花崗巖經歷高溫后，內部的成之間的膠結程度降低，水分散失，脆性增加，更加容易破碎。高溫后花崗巖劈裂抗拉破壞形態和單軸壓縮試驗的破壞特征有很大差異，這是因為花崗巖是脆性材料，抗壓強度比抗拉強度大多。在巴西劈裂試驗中，試樣受力主要是沿軸向的拉應力，很小的微應變，可使脆性強的巖石劈裂。溫度的不同只改變了花崗巖的脆性、強度，而不會改變劈裂抗拉受力的方式。因此，花崗巖不同溫度后的劈裂抗拉的破壞形態比較相近，這也從另一個角度印證劈裂抗拉試驗的有效性。

圖5 花崗巖在不同溫度條件下的破壞形態Fig.5 Failure forms of granite under different temperatures

（2）抗拉強度與溫度的關系

試樣的劈裂抗拉強度和溫度的關系如圖 6所示。隨著溫度的升高，溫后花崗巖抗拉強度不斷下降。200～400 ℃時抗拉強度下降不明顯，但400～800 ℃之間抗拉強度下降很明顯。在經歷1000 ℃高溫后，抗拉強度下降到常溫條件下的35%左右。這是由于花崗巖是由不同礦物組成的非均質體，各礦物在高溫條件下的熱膨脹系數不同[16]，因此，巖石試樣受熱后各種礦物顆粒的變形不一致，導致裂隙數目的增加，從而進一步引起了花崗巖抗拉強度的降低。

圖6 高溫作用后花崗巖劈裂抗拉強度與溫度的關系Fig.6 Relations between splitting-tensile strengths and temperatures of granite post-high temperatures

（3）抗拉強度和縱波波速分析

經歷不同溫度等級之后，花崗巖試樣的縱波波速和劈裂抗拉強度之間表現出了明顯的相關性，如圖7所示。

圖7 高溫作用后花崗巖劈裂抗拉強度與縱波速的關系Fig.7 Relations between splitting-tensile strength and longitudinal wave velocity of granite post-high temperatures

隨著花崗巖試樣溫度的升高，縱波波速不斷下降，同時其劈裂抗拉強度也在不斷降低。李巖等[17]指出巖石的縱波和抗拉強度間近似存在指數關系為

式中：σt、Vp分別為巖石的劈裂抗拉強度和縱波波速；a、b為常數。

對高溫后花崗巖的劈裂抗拉強度和縱波波速的離散值點進行指數擬合，見式（5）。在實際工程中，可將式（4）中的b值取為2。高溫后花崗巖的劈裂抗拉強度與縱波波速所表現出的這種指數分布規律，僅僅是一種統計關系，并非絕對意義上的力學關系[18]。但是，這種關系為花崗巖劈裂抗拉強度的粗略判定，提供了便捷、可行的方法、對實際工程來講具有較強的應用價值。

4 結 論

（1）隨著溫度的升高，花崗巖試樣波速逐漸降低，經歷1000 ℃高溫后，波速下降到常溫下的10%左右。超聲波波形也發生明顯的變化，整體上由整齊變混亂，由強大變弱小。

（2）隨著溫度增加，熱損傷不斷增大，800 ℃后，熱損傷增加程度漸漸趨于緩和。經歷1000 ℃后，由于熱損傷的影響，試樣脆性增加，變得輕脆易碎。

（3）高溫后不同溫度下花崗巖劈裂抗拉試驗的破壞形態差異不明顯，隨著溫度的增加，劈裂抗拉強度明顯降低，經歷1000 ℃高溫后，抗拉強度下降到常溫條件時的35%左右。

（4）隨著溫度增加，縱波波速和劈裂抗拉強度都在減小，并且波速和劈裂抗拉強度之間存在一定的相關性，服從σt的指數分布。

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