高溫作用對花崗巖動態壓縮力學性能的影響研究

劉 石， 許金余，2

(1.空軍工程大學 航空航天工程學院，西安 710038；2.西北工業大學 力學與土木建筑學院，西安 710072)

沖擊荷載作用下巖石破壞強度和變形性質的研究，是巖石動力學最基本的也是最關鍵的課題之一[1-3]。Demirdag等[4]運用液壓伺服壓力試驗機和霍普金森壓桿裝置對幾種不同巖石進行試驗，研究孔隙率、密度和硬度對巖石靜態和動態力學性能的影響。Dai等[5]采用SHPB裝置對有凹口的半圓形試件進行了沖擊動力學實驗，提出一種新的參量可以準確的描述巖石Ⅰ型動態破碎的過程。許金余等[6-7]采用單軸SHPB試驗系統研究了巖石在沖擊荷載作用下的動態力學性能及變形破壞破碎塊度的分形特征。張穎等[8]采用Hopkinson 壓桿對巖石進行動態沖擊壓縮試驗，應變率范圍為25.4～193.4 s-1。李 剛等[9]用改進的設備對三峽壩址處的花崗巖進行了大量的動態單軸壓縮試驗和劈裂試驗，探討了相應的破壞機制。同時，高溫下的巖石力學性能研究也成為當前巖石力學領域非常活躍的研究方向，高溫下的巖石工程問題也已成為巖石力學的新課題[10]。Mufundirwa等[11]通過淺表面位移監控器對黑硅石受溫度變化影響下沿主裂紋方向的傾斜變形進行觀察，提出了一種簡便的可以將巖體運動與破碎位移生長聯系起來的位移修正變量的計算方法。Chepurov等[12]通過對蛇紋石在高溫高壓下的色譜分析試驗，研究了巖石中的礦物成分及結構形式、空隙及水分的變化。郤保平等[13]探討了600℃內高溫狀態花崗巖遇水冷卻后的力學特性及花崗巖體遇水熱破裂劣化機制。秦本東等[14]利用自行研制的高溫巖石膨脹特性試驗裝置，對石灰巖和砂巖試件300～700 ℃高溫過程中的膨脹特性進行了試驗研究。謝衛紅等[15]對高溫作用下石灰巖在單向壓縮和單向拉伸加載的細觀結構進行了實時試驗研究。

但是由于當前地下工程所處地質條件日趨復雜，巖石工程中的巖石介質所處環境往往涉及沖擊荷載、高溫及其相互耦合作用等極端條件。本文利用高溫裝置改進后的Φ100 mm SHPB試驗系統，對不同高溫下花崗巖的動態壓縮力學性能進行試驗研究，研究了峰值應力、峰值應變、彈性模量隨溫度及應變率的變化關系。

圖1 Φ100 mm 高溫SHPB試驗系統示意圖

1 高溫下花崗巖的動態壓縮試驗

1.1 靜態力學性能

試驗用的花崗巖取自陜西秦嶺山區。采用液壓伺服壓力試驗機對花崗巖進行靜態力學試驗，試驗內容包括：飽和和干燥兩種狀態下巖石的單軸抗壓強度、劈裂抗拉強度以及軟化系數。通過試件直徑的兩端，沿軸線方向劃兩條相互平行的加載基線，將兩根直徑為1 mm的鋼絲作為墊條沿加載基線固定在試件兩端。試驗中儀器的加載速度為0.3～0.5 MPa/s，屬于靜態加載。得到花崗巖的飽水單軸抗壓強度為87.40 MPa，干燥單軸抗壓強度為90.42 MPa，軟化系數為0.96，劈裂抗拉強度為8.89 MPa。

1.2 試驗系統

本文中所采用的Φ100 mm高溫SHPB試驗裝置，如圖1所示，是在Φ100 mm SHPB的基礎之上加裝高溫裝置組成。SHPB試驗裝置主要由主體設備、能源系統、測試系統三大部分組成。本文所采用的加熱設備為RX3-20-12箱式電阻爐，該設備可以自動控溫、升溫，采用硅炭棒元件加熱，高性能纖維保溫。

高溫裝置主體為管式加熱爐、溫度控制箱和支撐底座。管式加熱爐內徑120 mm，設計最高溫度為1 200 ℃，由剛玉管和耐熱鋼管組成，保溫層采用絕熱性能優良的硅酸鋁纖維毯，加熱元件采用耐高溫硅碳棒。采用移動支撐平臺以實現管式加熱爐與SHPB壓桿之間的協同工作，加熱爐底座上支撐平臺通過螺母控制升降，可調控高低，以實現與壓桿的對中，支撐平臺上面嵌滿可自由滾動的鋼珠，使加熱爐可自由拖動。

1.3 試驗方案

為了充分研究高溫下花崗巖的動態壓縮力學性能，試驗溫度設置為25 ℃，100 ℃，200 ℃，400 ℃，600 ℃，800 ℃和1 000℃共7個溫度等級，子彈沖擊加載速率設計值分別為11.0 m/s、12.0 m/s、13.0 m/s、14.0 m/s、15.0 m/s，進行高溫下花崗巖在沖擊荷載作用下的動態壓縮試驗。為了保證對試件加溫均勻，以10 ℃/min的速度升溫，到預定溫度后保持恒溫3 h，以使試件內外溫度一致，制成不同高溫下的花崗巖試件。

2 高溫下花崗巖的動態壓縮力學性能分析

利用高溫裝置改進的Φ100 mm SHPB對高溫下(25 ℃～1 000 ℃)花崗巖進行每組五個沖擊加載速率等級作用下的動態壓縮試驗，試驗結果見表1所示。

圖2-圖4是高溫下花崗巖的峰值應力、峰值應變及彈性模量隨溫度及應變率的關系曲線。

可以看出，試驗結果有一定的離散性，但仍具有明顯的總體規律：① 在25 ℃～600 ℃時，高溫作用對花崗巖峰值應力的影響不大，說明花崗巖均勻性及致密性較好；800 ℃～1 000 ℃時，花崗巖峰值應力受高溫影響明顯，迅速下降，此時，可以理解為花崗巖中的礦物成分及其內部結構發生了顯著變化，一些容易發生分解、蒸發的礦物質導致巖石內部所含有的預裂紋產生更大裂紋引起強度下降，600 ℃～800 ℃有可能存在高溫下花崗巖內部結構突變的臨界溫度。② 隨著溫度的升高， 高溫下花崗巖的峰值應變呈現逐漸增加的趨勢，與25 ℃相比，到1 000 ℃時，相同沖擊加載速率下的峰值應變增加了近1.5倍～1.7倍。③ 本文采用彈性模量Ec，即應力-應變曲線上升段上對應壓縮強度為40%和60%的兩點連線的斜率，高溫下花崗巖的彈性模量離散性較大，大體上隨著溫度的升高呈現逐漸減小的趨勢，尤其是在800 ℃之后，彈性模量迅速降低，總體而言,經歷800 ℃的高溫對花崗巖的變形特性影響較大。④ 一般認為巖石的峰值應力、峰值應變等與應變率具有正相關性，即存在應變率硬化效應，這已經得到大量試驗結果證實，但是，由于巖石試件的不均勻性、尺寸效應、端部效應、加工精度等影響試驗結果的因素較多，造成了結果存在偏差和離散。但是從總體規律上來說，即便是在高溫狀態下，花崗巖的峰值應力、峰值應變仍然表現出顯著的應變率硬化效應，均隨應變率的提高近似線性增加，在溫度達到800 ℃之后，增加的幅度迅速增大。

圖2 高溫下花崗巖峰值應力的變化曲線

表1 高溫下花崗巖SHPB試驗結果

備注：GHDC表示高溫下的花崗巖動態抗壓試件。

3 結 論

(1)在25 ℃～600 ℃時，高溫作用對花崗巖峰值應力的影響不大；800 ℃～1000 ℃時，花崗巖峰值應力受高溫影響明顯，迅速下降；600 ℃～800 ℃有可能存在高溫下花崗巖內部結構突變的臨界溫度。

(2)隨著溫度的升高，高溫下花崗巖的峰值應變呈現逐漸增加的趨勢；而彈性模量離散性較大，大體上隨著溫度的升高呈現逐漸減小的趨勢，尤其是在800 ℃之后，彈性模量迅速降低，總體而言,經歷800 ℃的高溫對花崗巖的變形特性影響較大。

(3)從總體規律上來說，即便是在高溫狀態下，花崗巖的峰值應力、峰值應變仍然表現出顯著的應變率硬化效應，均隨應變率的提高近似線性增加，在溫度達到800 ℃之后，增加的幅度迅速增大。

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