高溫熱處理對花崗巖抗拉強度的影響

代聰

摘要：本文對高溫處理后的花崗巖試樣進行分階段降溫處理，并對處理后的試樣進行巴西劈裂試驗。試驗結(jié)果表明：經(jīng)歷高溫處理后，花崗巖試樣抗拉強度大幅減小;塑性變形增大，彈性階段減小，溫度對花崗巖的抗拉強度有著嚴重的劣化作用。

Abstract： In this paper， the granite samples after heating treatment were cooled in stages， and the treated samples were subjected to the Brazilian split test. The test results show that the tensile strength of the granite sample is greatly reduced after heating treatment; the plastic deformation is increased， the elastic stage is reduced， and the temperature has a serious deterioration effect on the tensile strength of the granite.

關(guān)鍵詞：熱處理;分階段降溫;抗拉強度

Key words： heat treatment;cooling in stages;tensile strength

中圖分類號：TU458+.1 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1006-4311（2020）24-0193-02

0 ?引言

高溫巖體地熱資源（又稱干熱巖，HRD）是指溫度在150～650℃之間的巖體中的熱能，蘊藏在地殼深部高溫巖體中的可再生綠色資源。地熱能源由于其清潔性和空間分布的廣泛性，已經(jīng)成為位居水力、生物質(zhì)能之后的第三大可再生能源。現(xiàn)階段干熱巖地熱資源專指埋深較淺，溫度較高，具有開發(fā)經(jīng)濟價值的熱巖體，保守估計地殼中干熱巖（3～10km深處）所蘊含的能量相當于全球石油、天然氣和煤炭儲量的30倍[1]。

近年來，國內(nèi)外學者分別從不同的角度和層次，研究溫度對巖土材料的物理力學特性的影響，取得了豐碩的理論成果。早在1978年，國際巖石力學學會（ISRM）就以規(guī)范的形式確定了通過室內(nèi)試驗獲得巖石單軸抗拉強度的方法直接拉伸試驗和巴西劈裂試驗并給出了相應(yīng)的制樣要求和計算公式。由于直接拉伸得到抗拉強度實現(xiàn)較為困難，所以一般采用間接拉伸法，主要以巴西劈裂為主。劉天宇等[2]采用最基本的墊條加載方式提出墊條加載下抗拉強度的修正公式，消除加載速率和厚徑比對抗拉強度的影響。蔣偉[3]通過四種不同巖石的抗壓和抗拉試驗對比分析，分析理論計算與數(shù)值模擬之間的差異。支樂鵬[4]研究了不同溫度處理后花崗巖超聲波特性并分析了不同溫度對花崗巖抗拉特型的影響。除了常規(guī)的巴西劈裂試驗研究，許多學者結(jié)合實際工程情況，也進行了許多非常規(guī)的巴西劈裂試驗。如Zhou[5]將3DP技術(shù)運用于巖石的巴西劈裂試驗，對比分析3DP材料生成的試樣與原巖試樣巴西劈裂破壞機制與理論分析。為3DP技術(shù)運用于巖石力學研究領(lǐng)域打下了基礎(chǔ)。Tavallali[6-8]研究了巴西劈裂試驗條件下層狀和試樣形狀對試樣強度和試樣斷裂形態(tài)的影響。大量學者對花崗巖的抗拉強度進行了大量的試驗研究，但不同產(chǎn)地的試樣的物理力學性質(zhì)都有一定的區(qū)別。

為了研究溫度對花崗巖抗拉力學性能的影響，本文采用分階段降溫的方式對高溫處理過的花崗巖進行降溫處理。利用巴西劈裂試驗測得不同溫度處理后的花崗巖抗拉強度。并分析不同溫度對花崗巖抗拉性能的影響。為我國干熱巖的開采提供一定的科學依據(jù)和技術(shù)支持。

1 ?試驗準備

試樣所用花崗巖采自湖南省岳陽市汩羅市川山坪鎮(zhèn)栗山屋。常溫下樣品成灰白色。將試樣按照國際巖石力學規(guī)范加工成直徑50mm，高度25mm的圓盤狀。天然密度為2.670g/cm3。孔隙率為0.997%。測得試樣在常溫下的平均抗拉強度為10.2MPa。

本試驗利用高溫馬弗爐設(shè)備TNX1200-30對試樣進行不同溫度的熱處理。為減小熱沖擊效應(yīng)對試樣產(chǎn)生的影響，設(shè)置升溫速率為5℃/min;加熱至目標溫度600℃后恒溫2h，使得試樣內(nèi)部受熱均勻;待試樣恒溫完成后進行降溫處理，設(shè)置降溫速率為1℃/min使試樣均勻降溫，消除因降溫速率產(chǎn)生的溫度應(yīng)力對試樣內(nèi)部結(jié)構(gòu)的影響。溫度每降低100℃恒溫2h，保證試樣在降溫過程中內(nèi)外受熱均勻，直至降到室溫為止。其降溫示意圖如圖1所示。

2 ?實驗結(jié)果及分析

本次試驗利用巖石的三軸試驗系統(tǒng)進行花崗巖圓盤巴西劈裂試驗，為減小應(yīng)力集中對試驗結(jié)果的影響，劈裂夾具采用弧形夾具，如圖2所示。試驗加載方式采用流量加載方式，設(shè)置加載速率為2ml/min，直到試樣破壞。記錄試樣破壞時的軸向壓力并通過公式（1）計算峰值抗拉強度。

圖3顯示了分階段降溫方式處理后花崗巖的巴西劈裂壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線，圖中可以明顯看出花崗巖的抗拉強度隨溫度的升高而降低。常溫下花崗巖的抗拉強度為10.2MPa;600℃時，抗拉強度降為2.38MPa。巴西劈裂壓縮應(yīng)力應(yīng)變曲線和單軸壓縮試驗的應(yīng)力-應(yīng)變曲線都經(jīng)歷了四個階段，分別為壓密階段、彈性變形階段、微破裂穩(wěn)定發(fā)展階段、非穩(wěn)定破壞發(fā)展階段。巖石為多孔隙介質(zhì)，在試驗加載的初期階段巖石內(nèi)部大量原生裂隙和孔隙被壓密實，在圖3應(yīng)力-應(yīng)變曲線中表現(xiàn)為上凹型階段。在彈性階段，花崗巖的力學變形屬于彈性變形，應(yīng)力應(yīng)變成正比關(guān)系，在應(yīng)力-應(yīng)變曲線中表現(xiàn)為直線階段。經(jīng)過壓密階段和彈性階段的變形，花崗巖的內(nèi)部密實度達到一定的穩(wěn)定狀態(tài)，隨著軸向壓力的繼續(xù)加載，花崗巖內(nèi)部穩(wěn)定性被打破，由彈性階段向著非穩(wěn)定破壞階段發(fā)展，應(yīng)力-應(yīng)變曲線由直線型向著上凸型轉(zhuǎn)變，即花崗巖內(nèi)部達到非穩(wěn)定破壞階段。在這一階段，花崗巖試樣內(nèi)部開始產(chǎn)生次生裂紋，被壓密的原生裂紋也開始擴展，裂紋之間相互貫穿，試樣內(nèi)部礦物質(zhì)成分開始破壞，整體結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞。隨著軸向荷載的增加，軸壓強度逐漸達到穩(wěn)定，而花崗巖變形繼續(xù)增大，達到典型的塑性變形階段，最終在花崗巖圓盤試樣中心處產(chǎn)生裂紋發(fā)生劈裂破壞。

3 ?結(jié)論

文章以高溫加熱后和分階段降溫方式處理后的花崗巖試樣為研究對象，利用巖石三軸系統(tǒng)開展了巴西劈裂試驗，分析了溫度對花崗巖抗拉強度的影響規(guī)律，其主要結(jié)論如下：

①經(jīng)歷高溫處理后，花崗巖試樣抗拉強度大幅減小;

②高溫處理后的花崗巖試樣，塑性變形增大，彈性階段減小，溫度對花崗巖的抗拉強度有著嚴重的劣化作用。

另外，由于巖石結(jié)構(gòu)的復雜性，試驗過程中可能會出現(xiàn)數(shù)據(jù)的離散性，不能排除巖樣個體差異對試驗結(jié)果的干擾，因此本文的結(jié)論還需要更多試驗進行論證。

參考文獻：

[1]許天福，張延軍，曾昭發(fā)，等.增強型地熱系統(tǒng)（干熱巖）開發(fā)技術(shù)進展[J].科技導報，2012，30（32）：42-45.

[2]劉天宇，萬文，王亞，等.巴西劈裂試驗對巖石抗拉強度影響因素研究[J].礦業(yè)工程研究，2016，31（04）：1-7.

[3]蔣偉.不同巖石抗拉與抗壓實驗對比研究[D].南京大學， 2014.

[4]支樂鵬，許金余，劉志群，等.高溫后花崗巖巴西劈裂抗拉實驗及超聲特性研究[J].巖土力學，2012，33（S1）：61-66.

[5]Tao Zhou， Zhu Jianbo. An Experimental Investigation of Tensile Fracturing Behavior of Natural and Artificial Rocks in Static and Dynamic Brazilian Disc Tests[J]. Procedia Engineering， 2017， 191： 992-998.

[6]Abbass Tavallali， Vervoort André. Behaviour of layered sandstone under Brazilian test conditions： Layer orientation and shape effects[J]. Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering， 2013， 5（5）： 366-377.

[7]Zeinab Aliabadian， Zhao Gao-Feng， Russell Adrian-R. Crack development in transversely isotropic sandstone discs subjected to Brazilian tests observed using digital image correlation[J]. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences， 2019， 119： 211-221.

[8]Abbass Tavallali， Vervoort André. Effect of layer orientation on the failure of layered sandstone under Brazilian test conditions[J]. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences， 2010， 47（2）： 313-322.