高溫作用后砂巖力學性質研究①

楊禮寧， 姜振泉， 張衛(wèi)強， 耿濟世

(中國礦業(yè)大學 資源與地球科學學院，江蘇 徐州 221116)

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高溫作用后砂巖力學性質研究①

楊禮寧， 姜振泉， 張衛(wèi)強， 耿濟世

(中國礦業(yè)大學 資源與地球科學學院，江蘇 徐州 221116)

摘要：對臨沂市莒南縣砂巖進行經歷25～850 ℃高溫作用后的力學試驗。結合掃描電鏡技術對高溫作用后砂巖試樣的物理力學性質和微觀結構的變化規(guī)律進行觀察。研究表明：砂巖的峰值強度在25～400 ℃間存在一定的波動，但整體上變化不大；在400 ℃以后，試樣的峰值強度開始迅速下降；砂巖試樣的變形位移總體上隨處理溫度升高而增大，在400 ℃以前變化不大，當溫度高于400 ℃后峰值強度對應的位移迅速增加。掃描電鏡圖片顯示當加熱溫度越高時砂巖微觀孔隙越多，特別是在500 ℃時，部分顆粒膠結物已經遭受破壞。

關鍵詞：砂巖； 峰值強度； 變形位移； 掃描電鏡； 高溫

0引言

隨著煤礦資源的深部開采、核廢料的深埋處置、地熱資源的開發(fā)以及大都市圈深度地下空間開發(fā)利用的迅速發(fā)展，巖石在高溫作用下或高溫作用后的物理力學性質[1-2]、深部巖石力學等問題成為巖土工程的熱點之一。

近些年許多學者對高溫作用下的巖石力學性質進行了多方面的研究。吳揚科[3]對不同溫度作用后的砂巖試樣進行了劈裂試驗，發(fā)現(xiàn)粗砂巖的單軸抗拉強度隨著溫度的增加先增大，后減小。汪然等[4]通過溫度循環(huán)作用后的大理巖單軸壓縮試驗發(fā)現(xiàn)隨溫度升高，其變形特征表現(xiàn)為塑性變形明顯，彈性模量降低，峰值應變增大；吳忠等[5]對煤層頂板砂巖的試驗結果也符合這一規(guī)律。吳剛等[6]對焦作砂巖在經歷高溫作用后的力學特性進行試驗研究，發(fā)現(xiàn)溫度引起的熱應力作用、礦物成分和微結構變化導致砂巖力學性質發(fā)生改變與高溫作用后的巖石承載力劣化。諶倫建等[7-8]采用掃描電鏡、偏光顯微鏡和熱分析儀等方法得出砂巖在高溫作用下微觀結構變化是礦物晶體轉化、體積膨脹等產生的熱應力和有機物析出與遷移的共同結果，得出巖石微觀結構在高溫變化下的變化對巖石力學特性有顯著影響。蘇承東等[9]研究高溫作用后的高空隙度粗砂巖，發(fā)現(xiàn)溫度增高既可以增強巖石的承載能力和抗變形能力，也可以減弱這兩種能力。左建平等[10-11]研究不同溫度作用下平頂山砂巖的熱開裂，得出砂巖的熱開裂主要與礦物成分的熱力學性質有關，受礦物顆粒形狀的影響較大。張淵等[12]通過試驗得出了在不同溫度條件下長石砂巖孔隙率隨溫度變化的規(guī)律。繆阿麗等[13]通過對比大量的巖石試樣的巖石高速摩擦試驗，簡述了水熱作用下巖石和斷層泥的高速摩擦性狀。

本文對不同高溫作用下的砂巖試樣進行力學試驗并用掃描電鏡觀察其微觀結構變化，分析高溫作用后砂巖試樣的力學性質，以期為今后的工程提供參考依據。

1試驗概況

試驗所用高溫爐為CTM500灰分揮發(fā)分測定儀(馬弗爐)。此設備具有恒溫區(qū)的識別與控制技術，控溫范圍最高能達到1 000 ℃。試驗加載裝置由巖石力學試驗加載系統(tǒng)液壓伺服剛性壓力試驗機組成(圖1)。試驗過程中在試驗機上對砂巖試樣進行單軸加載。

圖1　電液伺服壓力試驗機Fig.1　Electro-hydraulic servo pressure testing machine

采自山東省臨沂市莒南縣的巖石試樣在天然狀態(tài)下呈暗紅色，質地均勻，表面無紋理，常溫平均密度為2.42 g/cm3。將試樣切割成為高度和直徑分別為100 mm和50 mm的標準圓柱體，然后對其進行高溫作用。在溫度作用低于150 ℃時選取烘箱對砂巖進行加溫，達到試驗溫度后在烘箱內保持恒溫30分鐘，取出試樣自然冷卻至常溫后對其進行力學試驗。加溫超過150 ℃時采用馬弗爐對試樣進行加溫，達到試驗溫度后在爐內保溫30分鐘，試樣自然冷卻至常溫后進行壓力加載試驗。

2試驗結果分析

砂巖在高溫條件下的應力-位移曲線以及峰值強度與溫度的關系如圖2、3所示。25～100 ℃間由于砂巖內結合水的蒸發(fā)，砂巖試樣的峰值強度有小幅度增強，從單軸砂巖聲發(fā)射試驗中可以準確地反映這一過程[14]。在100～200 ℃，砂巖的顆粒逐漸發(fā)生變形，砂巖試樣中的部分孔隙閉合，這一壓密過程的宏觀表現(xiàn)即為試樣的峰值強度降低。200～400 ℃間砂巖試樣的峰值強度先下降后上升，并在400 ℃時升至最大值82.76 MPa。在這一溫度區(qū)間中，砂巖中的部分礦物發(fā)生了重結晶，所以試樣中的孔隙和裂隙發(fā)生改變。400 ℃以后砂巖試樣的峰值強度急劇下降，表明巖石塑性增強，非線性階段逐漸增大。峰值強度在500 ℃處降至最低點，并隨著溫度繼續(xù)上升，砂巖式樣的峰值強度有了小幅度的上升。由于在400 ℃以后砂巖中的礦物發(fā)生了多種的變化，包括礦物脫水、相變、重結晶等，改變了礦物之間的膠結結構，在宏觀上表現(xiàn)為砂巖峰值強度的嚴重劣化。

圖2　砂巖應力-位移關系曲線Fig.2　Stress-displacement curve of sandstone

圖3　不同溫度下峰值強度變化曲線Fig.3　Peak strength curves at different temperatures

從圖4可以觀察出變形位移在不同高溫作用下的變化規(guī)律。從100～400 ℃，砂巖試樣在高溫態(tài)下的變形位移緩步增長，400 ℃時變形位移達到1.39 mm，是100 ℃時的2.3倍；500 ℃以后試樣的變形位移急劇增大；600 ℃以后的變形位移增長近似為線性增長，850 ℃時的變形位移達到了4.32 mm，是常溫下試樣變形的5倍。

圖4　變形位移隨溫度變化曲線Fig.4　Displacement curves at different temperatures

通過掃描電鏡技術(SEM)對不同溫度作用下的砂巖試樣進行微觀形貌特征觀察。在工作電壓為30 kV的掃描電鏡圖片中可以看到巖石孔隙和裂隙的變化過程與巖石斷裂的各個階段。從掃描電鏡照片(圖5)可以看到，砂巖試樣的孔隙率隨著溫度升高而增大，特別是當溫度增加到500 ℃以上時，砂巖試樣的孔隙和裂隙變得非常密集；當溫度升高到600 ℃甚至更高時，孔隙裂隙空間比常溫狀態(tài)下試樣的孔隙大許多，礦物膠結處發(fā)生巨大改變，膠結物開始消失。

圖5　掃描電鏡圖片F(xiàn)ig.5　 SEM images

3結論

通過試驗研究不同溫度作用下砂巖試樣的峰值強度與對應的變形位移，根據不同溫度下的測試結果(25～850 ℃)以及掃描電鏡觀察，得到以下結論

(1) 25～400 ℃這一階段，巖石的峰值強度產生波動，但整體上變化不大；400 ℃以后巖石峰值強度急劇下降；700 ℃以后巖石已經進入了塑性變形階段。

(2) 100～200 ℃這一階段，峰值強度對應的變形位移緩慢增加。200～ 400 ℃這一階段，峰值強度對應的變形位移則是先增加后減小，相對于峰值強度的急劇變化，變形位移的變化是微小的。400～500 ℃，峰值強度對應的變形位移先上升后減小，位移的變化略有滯后。在500 ℃以后，巖石的變形位移呈線性特征急劇增大，這也驗證了巖石試樣已經進入塑性狀態(tài)。

(3) 掃描電鏡圖像結果表明當加熱溫度越高時砂巖微觀孔隙越多，巖石試樣在500 ℃時，孔隙和裂隙急劇增多，部分膠結顆粒物已經消失。

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Mechanical Properties of Sandstone after High Temperature

YANG Li-ning, JIANG Zhen-quan, ZHANG Wei-qiang, GENG Ji-shi

(SchoolofResourcesandEarthScience,ChinaUniversityofMiningandTechnology,Xuzhou,Jiangsu221116,China)

Abstract：In this study, we conducted a number of mechanical experiments on sandstone samples from Junan County, Linyi City, in order to investigate the mechanical properties of the sandstone samples after being subjected to high temperatures, ranging from 25 ℃ to 850 ℃. We plotted the peak strength and deformation displacement curves of the sandstone samples, based on the results of the uniaxial stress experiments under different temperatures. We observed the changes and differences in the sample microstructures after different temperatures using scanning electron microscope (SEM) technology. The results of the sandstone samples' uniaxial stress tests are as follows: (1) At temperatures between 25 ℃ and 400℃, the peak strength of the sandstone samples appears to fluctuate, but the overall strength changes only slightly. This means that the samples share the same mechanical properties, and the strength of the samples under these temperatures is steady. (2) When the temperature is higher than 400 ℃, the peak strength of the sandstone samples begins to decline rapidly. (3) With increasing temperature, the overall deformation displacement of the sandstone samples increases as well, growing very slowly, but increasingly, when the temperature is higher than 400 ℃. In addition, the SEM images show that the pores and fissures of the sandstone samples sharply increase when temperature reaches 400 ℃. Cement particles in the samples begin to disappear when the temperature reaches 500 ℃. The study shows that the macroscopic mechanical properties of sandstone change radically at high temperatures.

Key words：sandstone; peak strength; deformation displacement; SEM; high temperature

DOI:10.3969/j.issn.1000-0844.2016.02.0299

中圖分類號:P315

文獻標志碼：A

文章編號:1000-0844(2016)02-0299-04

作者簡介：楊禮寧(1992-)，男，山東榮成人，在讀碩士生，從事工程地質、巖土工程學習研究工作。E-mail: yangln@126.com。

基金項目：國家973項目(2013CB036003)；國家自然科學基金項目(41102201)

收稿日期:①2015-03-31