溫度與沖擊荷載耦合下花崗巖動力性質(zhì)

盧志堂，王志亮, 2

(1.同濟大學 土木工程學院，200092上海；2.合肥工業(yè)大學 土木與水利工程學院，230009合肥)

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溫度與沖擊荷載耦合下花崗巖動力性質(zhì)

盧志堂1，王志亮1, 2

(1.同濟大學 土木工程學院，200092上海；2.合肥工業(yè)大學 土木與水利工程學院，230009合肥)

摘要:為考察巖石的熱動力學特性，利用改進的分離式霍普金森壓桿，對不同實時溫度下的花崗巖試樣進行了50～250 s-1應(yīng)變率的沖擊壓縮試驗.基于測試數(shù)據(jù)，研究發(fā)現(xiàn)不同溫度下應(yīng)變率敏感性有所差別，700 ℃時花崗巖抗壓強度的應(yīng)變率效應(yīng)最弱，而峰值應(yīng)變的率效應(yīng)非常明顯,彈性模量的應(yīng)變率效應(yīng)無明顯規(guī)律，如20 ℃和700 ℃時，彈性模量表現(xiàn)出隨應(yīng)變率升高而增大的趨勢，但300 ℃和500 ℃時，其隨應(yīng)變率的增大而降低；較常溫狀態(tài)，300 ℃時花崗巖的抗壓強度變化不大，當溫度升高到500 ℃時，花崗巖熱損傷效應(yīng)明顯，其動態(tài)抗壓強度與彈性模量均大幅降低，而峰值應(yīng)變呈增大趨勢.700 ℃時熱損傷現(xiàn)象突出，抗壓強度與彈性模量迅速降低;此外，還發(fā)現(xiàn)當溫度升高時，不但巖石的破碎程度加重，而且?guī)r樣的顏色也發(fā)生改變.

關(guān)鍵詞:花崗巖；實時溫度；沖擊加載；應(yīng)變率；熱損傷

在深部巖體工程中，如地熱資源開發(fā)和利用、高放射性核廢料的地下貯存處置等，都涉及高溫下巖石的力學特性[1].國內(nèi)外學者對于巖石在高溫條件下的物理力學參數(shù)變化、變形與損傷機制、破壞準則和本構(gòu)行為等方面做了有意義的探索，取得一系列成果.Araújo等[2]分析了24、80和150 ℃的砂巖彈性模量、泊松比、抗壓強度等參數(shù)的變化趨勢，發(fā)現(xiàn)溫度變化對巖石有不可忽視的影響；Inada等[3]研究了巖石在高溫(15到100 ℃)和低溫(15到-160 ℃)循環(huán)作用下的強度和變形特性；Shmonov等[4]研究了溫度對地震作用下巖石滲透性的影響；Shibata等[5]開展了24到95 ℃時凝灰?guī)r的蠕變試驗；Dwivedi等[6]對30～160 ℃范圍內(nèi)印度花崗巖的彈性模量、單軸壓縮強度等進行了研究；許錫昌等[7]開展了20～600 ℃范圍內(nèi)花崗巖單軸壓縮試驗，指出在20～500 ℃，單軸抗壓強度受溫度的影響不大；劉泉聲等[8]通過20～300 ℃下的單軸和三軸蠕變試驗，發(fā)現(xiàn)隨著溫度升高，蠕變速率變化越來越快，巖石粘性逐漸增強；杜守繼等[9]發(fā)現(xiàn)400 ℃以內(nèi)，溫度對花崗巖力學性能的影響不明顯，超過400 ℃后，花崗巖力學性能迅速劣化；朱合華等[10]對20～800 ℃溫度后的熔結(jié)凝灰?guī)r、花崗巖及流紋狀凝灰角礫巖的力學性質(zhì)進行了研究；劉石等[11]分析了25～1 000 ℃下大理巖在沖擊破壞過程中的能量耗散特征；孫強等[12]發(fā)現(xiàn)巖石的抗壓/抗拉強度、滲透率、波速等在400～600 ℃溫度范圍內(nèi)會有顯著變化；張志鎮(zhèn)等[13]發(fā)現(xiàn)在實時高溫加載作用下，單軸抗壓強度和彈性模量隨著溫度升高而連續(xù)劣化；邱一平等[14]發(fā)現(xiàn)經(jīng)歷20～800 ℃溫度后，巖石抗壓強度、彈性模量及超聲波波速等指標有明顯下降；支樂鵬等[15]發(fā)現(xiàn)在25～1 000 ℃溫度范圍內(nèi)，隨溫度增高花崗巖的熱損傷總體上逐漸增大，抗壓強度在減小，峰值應(yīng)變總體增大；李明等[16]對800 ℃加熱后的砂巖進行沖擊壓縮試驗，發(fā)現(xiàn)隨應(yīng)變率提高，彈性模量、峰值應(yīng)力隨應(yīng)變率的提高基本呈對數(shù)形式逐漸增加；張連英等[17]對200 ℃下不同加載速率石灰?guī)r力學特性進行了研究；尹土兵等[18]發(fā)現(xiàn)砂巖由25 ℃增大到800 ℃后，密度、縱波波速與抗壓強度均逐漸減小，200 ℃后縱波波速降低的幅度增大，400～600 ℃之間抗壓強度降低幅度較小，800 ℃后抗壓強度急劇下降.

以上工作大多集中在巖石經(jīng)受高溫冷卻后力學特性變化規(guī)律方面，而實時溫度與動載耦合下的力學性質(zhì)研究相對較少.本文研究的黑云母花崗巖屬于上地殼變質(zhì)巖重熔，經(jīng)過遷移在淺部形成的，在地熱開發(fā)、核廢料處理、地下硐室與人防工程建設(shè)中廣泛涉及.上述工程花崗巖會承受高溫作用，如高溫地熱可達200 ℃，核廢料可達300 ℃，而利用火鉆加熱巖石使之軟化達到熱破碎溫度，也大約1 000 ℃[19].為考察巖石的熱動力學特性，本文開展了20(常溫)、300、500和700 ℃下動態(tài)沖壓縮試驗，探討了溫度與動載耦合下其應(yīng)力-應(yīng)變曲線、彈性模量、峰值應(yīng)力及峰值應(yīng)變等的變化規(guī)律，并細究了其熱力損傷特性與應(yīng)變率效應(yīng)，相關(guān)結(jié)論可為地熱資源開發(fā)和深部巖體工程安全評估等提供參考.

1試驗介紹

1.1試樣制備

試驗所用花崗巖呈灰白色，具有塊狀構(gòu)造，其礦物成分有微斜長石(40%)、斜長石(25%)、石英(20%)和黑云母(8%)等，為黑云母花崗巖.將花崗巖試樣加工成直徑50 mm、長徑比為0.5的圓柱體.并對試件的兩端及側(cè)面進行仔細研磨，保證不平行度和不垂直度均小于0.02 mm，試樣基本尺寸和加工精度均符合巖石力學試驗標準.常溫下，試樣密度ρ、吸水率wx、靜態(tài)抗壓強度σc分別為2 616 kgm-3、0.57%和138 MPa.本試驗分20、300、500和700 ℃共4個溫度等級，每個溫度為一組，每組安排8塊試樣.

1.2試驗設(shè)備

試驗在帶有加溫裝置的分離式霍普金森壓桿(SHPB)系統(tǒng)上完成.SHPB由沖頭、入射桿、透射桿和吸收桿組成，均由高強度鎳合金鋼制成，高溫下仍具有良好工作性能，其極限強度達800 MPa，鋼桿波速為5 480 m/s，密度為7 810 kgm-3；入射桿、透射桿和吸收桿長度分別為2 000、1 500 和500 mm，直徑為50 mm.SHPB試驗系統(tǒng)見圖1.試驗中，試樣的應(yīng)力σ(t), 應(yīng)變ε(t)和應(yīng)變率(t)可由貼在壓桿上的應(yīng)變片測得的電信號計算得出，“三波法”[20]計算式為

(1)

式中：A、As和ls分別表示壓桿和試樣的橫截面積與試樣長度；Eb表示壓桿彈性模量；C表示桿波波速；εI(t)、εR(t)和εT(t)分別為入射、反射和透射波應(yīng)變信號.

試驗中所用的加溫裝置為長沙長城電爐廠制造的SX-4-10型加熱箱(圖2(a))，由高溫爐和溫度控制器組成，額定功率為4 kW，最高加熱溫度可達1 050 ℃.該加溫設(shè)備可自動控溫，且能夠保證試樣加溫的穩(wěn)定性與均勻性.為確保沖擊壓縮過程中巖石溫度不變，釆用管式高溫爐(圖2(b))保溫，管式高溫爐固定于入射桿和透射桿之間.該裝置采用碳纖維增強合金筒作為加熱腔的內(nèi)壁，可有效防止加熱腔的擊壞與擊穿，并通過在試樣加熱裝置的支架上安裝找平螺栓，保證試樣與入射桿、透射桿的精確對齊和完好接觸，在加熱腔兩端安裝的可調(diào)保溫倉門，避免了入射桿、透射桿在出入加熱腔時熱量的大量散失，有效地保證了試樣的恒溫狀態(tài)[21].

圖1　SHPB試驗系統(tǒng)

圖2　溫控加熱爐

1.3試驗方法

把加熱箱溫度分別設(shè)定為300、500和700 ℃ 3個等級，每次將8塊試樣放入內(nèi)壁尺寸為500 mm×200 mm×120 mm的電加熱爐膛內(nèi)，以電爐的最大功率升溫，其升溫速率為10 ℃/min.加熱到相應(yīng)的溫度等級并保持恒溫3 h，以保證試樣受熱均勻.之后，迅速將試樣轉(zhuǎn)移至架設(shè)在SHPB裝置上的管式高溫爐中，加熱10 min，以補償試樣在轉(zhuǎn)移及放置過程中的熱量散失，期間啟動SHPB系統(tǒng).其中，管式高溫爐應(yīng)在裝入試樣前升至試驗所需溫度.以上工序完成后，打開保溫倉，將入射桿和透射桿同時緩慢推入爐內(nèi)，夾緊試樣，立即按照常規(guī)SHPB沖擊試驗步驟進行試驗.通過改變沖擊氣壓的大小，控制試驗的應(yīng)變率范圍.

2結(jié)果分析

圖3　花崗巖高溫下動態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變曲線

表1　不同溫度下的試驗結(jié)果

2.1抗壓強度變化特征

圖4給出20～700 ℃下，應(yīng)變率范圍50～250 s-1的抗壓強度散點圖.首先可看出溫度300 ℃時，與20 ℃時相比，花崗巖抗壓強度分布范圍基本相同，可認為該溫度區(qū)間內(nèi)，巖石強度沒有明顯改變；而500 ℃對應(yīng)的抗壓強度比20 ℃時有所降低，這表明500 ℃時，花崗巖力學性質(zhì)有明顯的劣化現(xiàn)象；700 ℃時花崗巖抗壓強度較20 ℃時大幅降低，均在100 MPa以內(nèi).其次，還可看出，高溫花崗巖抗壓強度同常溫下一樣，會隨應(yīng)變率的增大而增大，這反映了高溫時花崗巖抗壓強度仍然具有較強的應(yīng)變率效應(yīng).

圖4　不同溫度下動態(tài)抗壓強度-應(yīng)變率關(guān)系

圖5給出了動態(tài)強度敏感系數(shù)(即圖4中直線的斜率)，可看出不同溫度時，抗壓強度的增大幅度有所差別，即不同溫度下其敏感系數(shù)有所差別.當溫度為20 ℃時，抗壓強度敏感系數(shù)最大，而溫度為700 ℃時，應(yīng)變率敏感系數(shù)最小，意味著該組巖石強度的應(yīng)變率效應(yīng)最弱.

圖5　不同溫度下動態(tài)強度敏感系數(shù)

2.2峰值應(yīng)變變化特征

圖6給出了溫度為20～700 ℃下峰值應(yīng)變與應(yīng)變率的關(guān)系，從整體上看，在20 ℃與300 ℃時花崗巖峰值應(yīng)變分布范圍接近，而500 ℃時峰值應(yīng)變有明顯增大，而當溫度升高到700 ℃時，峰值應(yīng)變大幅提高.各級溫度下峰值應(yīng)變也與應(yīng)變率相關(guān)，均隨應(yīng)變率增大而增大.圖7給出了其應(yīng)變率敏感系數(shù)的變化情況，可見從20 ℃到300 ℃，敏感系數(shù)減小，由0.08 ms減小到0.06 ms；而當溫度由300 ℃ 升到700 ℃時，敏感系數(shù)由0.08 ms增大到0.15 ms.

圖6　不同溫度下峰值應(yīng)變與應(yīng)變率關(guān)系

圖7　不同溫度下峰值應(yīng)變敏感系數(shù)

2.3彈性模量變化特征

同巖石靜態(tài)抗壓試驗一樣，從圖3中的應(yīng)力-應(yīng)變曲線上找出近似直線段，將其平均斜率作為彈性模量(也稱為平均模量)[22].圖8給出了溫度為20～700 ℃下彈性模量隨應(yīng)變率的變化趨勢，同樣采用線性擬合來分析.隨著溫度不斷升高，花崗巖的彈性模量不斷減小.20 ℃時，彈性模量隨應(yīng)變率增大有增大趨勢，但都在27～31 GPa之間，變化幅度較小.而300和500 ℃時彈性模量隨應(yīng)變率增大卻有減小趨勢，但變化幅度也較小.當溫度升高到700 ℃時，彈性模量大幅度減小，均不足10 GPa，遠低于20 ℃的彈性模量.這也反映了700 ℃高溫時，巖石出現(xiàn)了嚴重的熱損傷.由圖9給出了各級溫度下彈性模量隨應(yīng)變率增大的變化情況.可見溫度為20和700 ℃時，花崗巖彈性模量隨應(yīng)變率增大而增大，而溫度為300和500 ℃時，敏感系數(shù)為負值，彈性模量隨應(yīng)變率增大而有所降低.整體上看，巖石的彈性模量與應(yīng)變率之間沒有明確的關(guān)系.

圖8　不同溫度下彈性模量-應(yīng)變率關(guān)系

圖9　不同溫度下彈性模量敏感系數(shù)

3熱損傷機理及破壞模式

通過對實時高溫的花崗巖進行沖擊壓縮試驗，探討高溫與荷載耦合作用下巖石的破壞模式，可加深對溫度與應(yīng)力波作用后巖石破碎、失穩(wěn)機制及其發(fā)展過程的認識.

3.1熱損傷機理

首先觀察高溫對巖石外觀的影響，將加熱后的試樣取出并迅速拍照.由圖10可以看出，當溫度升高到300 ℃之后，花崗巖的顏色開始變深，但從抗壓強度、峰值應(yīng)變和彈性模量的變化來看，未見明顯劣化.當溫度升高到500 ℃時，試樣表面有肉眼可見的小裂縫.花崗巖是由石英、長石與云母等礦物組成，各礦物間熱膨脹性質(zhì)存在差異，500 ℃高溫下，礦物晶粒界面展開，同時內(nèi)部原有的微裂隙也會長大，因此500 ℃時巖樣強度明顯降低；700 ℃時，試樣發(fā)生了較強的熱破裂作用，邊緣出現(xiàn)了一定蹦落豁口(見圖10(d)).由肉眼觀察，500 ℃時花崗巖試樣表面有裂縫產(chǎn)生，出現(xiàn)明顯熱損傷，700 ℃時高溫使得試樣發(fā)生了強烈的熱破裂，微裂縫擴展較大，花崗巖遭受了嚴重損傷.席道瑛[19]曾研究指出石英在573 ℃附近由α相轉(zhuǎn)變?yōu)棣孪?對于花崗巖受熱嚴重劣化的機理，可以理解為高溫下石英相變導致體積膨脹，故花崗巖內(nèi)部微裂隙萌生擴展，巖石力學性質(zhì)從而出現(xiàn)劣化.因此，可認為在500～700 ℃區(qū)間內(nèi)，石英相變使得花崗巖發(fā)生了熱破裂，造成了嚴重的熱損傷，導致抗壓強度大幅降低.

根據(jù)裂紋演化理論認為，巖石材料內(nèi)部存在的裂紋擴展和聚合是巖石材料破壞的根本原因，所謂的動力強度，只不過是由于斷裂傳播速度的有限性，試樣來不及松弛而加上去的荷載，即超載.700 ℃高溫時，巖石內(nèi)部裂縫已經(jīng)廣泛擴展與貫通，使得承受沖擊荷載時無需再次經(jīng)歷裂縫擴展與貫通的過程迅速發(fā)生破壞，因此該級溫度下，花崗巖的應(yīng)變率效應(yīng)最弱.

圖10　經(jīng)受高溫后試樣照片

假設(shè)未加熱時，試樣彈性模量相同，那么根據(jù)損傷理論，熱損傷參數(shù)D可由下式計算：

(2)

式中：E20表示20 ℃時花崗巖彈性模量，ET表示不同溫度下花崗巖彈模.

對于500 ℃和700 ℃高溫下巖石損傷，提取編號1-4、3-1和4-1試樣的彈性模量(沖擊氣壓均為0.4 MPa)代入式(2)，得出損傷量D分別為0.44和0.94，這表明當環(huán)境溫度高于500 ℃時，花崗巖的損傷嚴重，700 ℃時損傷已接近1.0.

3.2沖擊破壞模式

圖11為沖擊氣壓為0.4 MPa時，不同溫度條件下試樣沖擊破壞形態(tài)照片.可以看出，溫度為20 ℃時，試樣沿軸向存在劈裂面，試樣破裂成幾塊；300 ℃時，試樣主要破壞仍為軸向劈裂，但四周破裂成多塊；500 ℃時，試樣外圍破裂嚴重，軸向破裂面不明顯；700 ℃時試樣破碎嚴重，幾乎為粉末狀.從破壞模式來說，300 ℃時巖石破碎程度比常溫下稍有增強，但500 ℃以上高溫巖石破碎嚴重，巖石劣化明顯.

圖11　試樣破壞后的照片

4結(jié)論

1)高溫時花崗巖的動態(tài)抗壓強度、峰值應(yīng)變?nèi)跃哂袘?yīng)變率效應(yīng)，但不同溫度下應(yīng)變率敏感性有所差別.其中700 ℃時，花崗巖抗壓強度應(yīng)變率效應(yīng)最弱，而峰值應(yīng)變的率效應(yīng)最明顯.彈性模量與應(yīng)變速率沒有明確關(guān)系，20 ℃和700 ℃時，彈性模量表現(xiàn)出隨應(yīng)變率升高呈增大趨勢，300 ℃和 500 ℃時，彈性模量隨應(yīng)變率的增大則減小.

2)300 ℃時花崗巖的抗壓強度、峰值應(yīng)變和彈性模量相對常溫而言變化不大，當溫度增大到500 ℃時，熱損傷效應(yīng)明顯，花崗巖動態(tài)抗壓強度與彈性模量顯著降低.溫度超過500 ℃時花崗巖組份中石英由α相轉(zhuǎn)變?yōu)棣孪啵沟没◢弾r性質(zhì)急劇劣化，故700 ℃下熱損傷劇烈增大，抗壓強度與彈性模量大幅降低，分別在100 MPa和10 GPa以下.

3)花崗巖顏色300 ℃開始變深，到500 ℃時，肉眼可見巖樣中萌生的裂紋，700 ℃時巖樣邊緣因熱破裂出現(xiàn)剝落.相同沖擊作用下，300 ℃時試樣破壞模式與常溫比較相近，主要為軸向劈裂破壞；而500～700 ℃時加載，試樣破碎程度加重，幾乎呈粉碎狀態(tài).

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(編輯趙麗瑩)

Dynamic properties of granite subjected to coupling action of impact loading with actual temperature

LU Zhitang1,WANG Zhiliang1,2

(1.School of Civil Engineering, Tongji University, 200092 Shanghai, China;2.School of Civil & Hydraulic Engineering, Hefei University of Technology, 230009 Hefei, China)

Abstract:To investigate the thermodynamic property of rock, the impact compression tests of granite within different temperatures were performed under different strain rates (50-250 s-1). Results show that the strain-rate sensitivities subjected to different temperatures are quite different. When the temperature rises to 700 ℃, the effect of strain rate on compressive strength is the weakest, while that on peak strain is obvious. The effect of strain rate on elastic modulus tends to have no regularity. The elastic modulus increases with the increase of strain rate at 20 ℃ and 700 ℃, but it takes on a downward trend at 300 ℃ and 500 ℃. There is little change in the dynamic compressive strength at 300 ℃ compared to the room temperature. When the temperature reaches 500 ℃, the thermal damage becomes obvious, the dynamic compressive strength and elastic modulus significantly reduce, but the peak strain increases. At 700 ℃, the thermal damage phenomenon is serious, and the compression strength and elastic modulus sharply decrease. In addition, with increasing the actual temperature, the color of the tested rock changes and its breakage degree also deepens.

Keywords:granite; actual temperature; impact loading; strain rate; thermal damage

中圖分類號:TU45

文獻標志碼:A

文章編號:0367-6234(2016)06-0143-07

通信作者:王志亮,cvewzL@tongji.edu.cn.

作者簡介:盧志堂(1985—)，男，博士研究生;王志亮(1969—)，男，教授，博士生導師.

基金項目:國家自然科學基金 (51379147,51579062,51174145)；

收稿日期:2015-08-13.

doi：10.11918/j.issn.0367-6234.2016.06.023

教育部博士點專項資金(20120072110024).