高溫及干濕壓處理后花崗巖的物理性質研究

薛 超

(河北大學建筑工程學院，河北 保定 071000)

1 概述

花崗巖是由石英、酸性斜長石和鉀長石等多種礦物組成的一種結構致密，各向異性的不連續體，廣泛分布于我國許多地區。工程中開采的花崗巖常深埋于地下深處，所處溫度較高，許多工程面臨著高溫花崗巖的影響，如深部采礦工程，地熱的開發與利用，高溫核廢料深埋等。同時，花崗巖在浸水飽和狀態下物理性質的研究較少，本實驗針對高溫花崗巖的物理性質以及高溫干濕壓處理后花崗巖的抗壓強度進行了分析和總結，希望可以為相關方面的研究提供一些理論依據。

目前，高溫花崗巖自然冷卻后物理性質的變化已經有了很多研究，并取得了一系列的實驗成果。例如Yan Qin等[1]研究了從室溫到1 000 ℃高溫處理前后花崗巖的物理力學性質，以及高溫對花崗巖外觀和礦物形態的影響，結果表明：400 ℃，600 ℃和800 ℃是花崗巖物理力學性質三個不同階段的特征溫度。Weqiang Zhang等[2]研究了高溫處理后花崗巖的波速和孔隙率。吳云等[3]通過對高溫處理后的花崗巖進行單軸壓縮試驗，采用聲發射檢測巖石變形破壞過程，分析了波速等物理性質隨溫度的變化規律。田振興等[4]通過模擬實際工況，對花崗巖進行加熱淬火冷卻循環處理，研究了花崗巖物理力學性質在高溫疲勞處理后的變化。郤保平等[5]研究了青海共和花崗巖在600 ℃范圍內的物理力學特性。孫強等[6]研究了高溫處理后花崗巖的物理力學性質和相變，結果表明：花崗巖的物理力學性質隨溫度變化可劃分為5個階段，花崗巖中的石英會在573 ℃時由α相變為β相從而導致巖石內部微裂縫大量增加以及一系列物理性質的變化。解元等[7]研究了高溫處理對花崗巖基本物理性質的影響。秦嚴[8]通過對花崗巖細觀礦物的形態，基本物理性質以及力學性質的總結和研究，結果表明：花崗巖在不同溫度段水分的損失程度及類別各有不同，花崗巖物理性質影響的關鍵溫度與對力學性質影響的關鍵溫度有相關聯系。杜守繼等[9]根據測得不同溫度處理后花崗巖的波速計算了花崗巖的動力彈性模量，研究了其變化規律，結果表明：高溫對花崗巖縱波速的變化比力學性質的變化影響更明顯。羅生銀等[10]研究了高溫自然冷卻及實時高溫下花崗巖試樣物理力學性質的變化情況，結果表明：自然冷卻與實時高溫處理后花崗巖的體積均會隨著溫度的升高而增大，質量隨著溫度的升高而降低。何愛林等[11]研究了不同溫度處理后花崗巖的強度特性與破壞形式。徐小麗等[12]通過對不同溫度，不同圍壓處理后的花崗巖試樣進行三軸壓縮試驗,結果表明：巖樣質量隨著溫度的升高而下降，600 ℃是影響花崗巖密度和體積的一個閾值。杜守繼等[13]研究了不同高溫處理后花崗巖密度、縱波波速和彈性模量的變化情況。姜廣輝等[14]對經過不同溫度處理后的花崗巖進行了質量、波速、滲透率的測量，結果表明：隨著溫度升高，花崗巖質量的減小主要與花崗巖內部不同形態水分的逸出相關。隨著溫度的升高,花崗巖的縱橫波速均降低。

國內外學者主要選取了體積，質量，密度，波速，強度中的幾個物理性質進行研究。本試驗綜合性的對高溫處理后花崗巖基本物理性質進行了研究和總結，同時針對干濕壓情況下花崗巖的抗壓強度進行了對比性實驗。

2 試樣準備及實驗方法

2.1 試樣準備

本試驗采用直徑50 mm高度100 mm的圓柱形試樣，共20個試樣分為5組，每個溫度為一組分別包含4個試件，根據干濕壓處理的不同每組又分為2組，每組2個試件，每組分別加熱到100 ℃，300 ℃，500 ℃，700 ℃，900 ℃。試樣的平均密度為2.63 g/cm3，縱波波速范圍4 293 m/s～4 925 m/s，平均波速為4 579.85 m/s，試樣外觀和質量無太大差異，均一性較好。

2.2 試驗方法

1)高溫加熱試樣：將經過編號的花崗巖試樣置于SX-12-5.0箱式電阻馬沸爐中，以5 ℃/min的速率加熱到目標溫度。為了充分加熱巖石試樣，在目標溫度下保持恒溫6 h，最后使試樣在爐內冷卻至室溫。

2)基本物理性質測試：質量：用坩堝鉗取出在馬沸爐內冷卻至室溫的試樣，豎直放于精確至0.001 g的臺秤上，讀取加熱后試樣質量。體積：用精確至0.02 mm的游標卡尺多次測得加熱后試樣的高度和直徑，計算出相應體積取平均值。密度：用加熱后試樣的質量及體積的數據，求出加熱后試樣的密度。縱波波速：將加熱后試樣的兩端涂抹凡士林(保證超聲探頭與巖樣兩端完全耦合，減小誤差)，用ZBL-U5200非金屬超聲檢測儀測得其縱波波速。

3)飽和并冷卻：取出需要飽和處理的一半試樣，采用ZK-270真空飽和缸，放入盛滿室溫冷水的飽和缸中進行熱沖擊冷卻，并將飽和缸中氣壓抽至-0.1 MPa，浸泡8 h使試樣充分飽和，直至缸中不再產生氣泡。

4)單軸抗壓強度的測量：分別將干壓和濕壓處理的試樣通過WAW-3300微控電子萬能試驗機進行單軸壓縮實驗，壓縮速率為6 mm/min，記錄所得抗壓強度。

3 試驗及結果分析

3.1 高溫處理后基本物理性質變化規律

高溫作用會導致礦物晶粒的一系列物理化學反應，進而導致試樣質量、體積、密度及波速的變化。

定義質量變化率Wm，體積變化率Wv，密度變化率Wρ，波速變化率Wc：

其中，v1為加熱前花崗巖試樣的體積；v2為加熱后花崗巖試樣的體積;m1為加熱前花崗巖試樣的質量；m2為加熱后花崗巖試樣的質量;ρ1為加熱前花崗巖試樣的密度；ρ2為加 熱后花崗巖試樣的密度;c1為加熱前花崗巖試樣的波速；c2為加熱后花崗巖試樣的波速。

如圖1所示，質量變化率隨著溫度的升高整體上呈上升趨勢，主要原因是花崗巖內部不同形態水分的損失，100 ℃ 以前花崗巖的質量損失率增加幅度較大，試樣內部附著水大量損失，100 ℃～500 ℃質量損失幅度減小，試樣內附著水在100 ℃已經喪失殆盡，此時試樣質量主要是由于結合水和結構水的揮發而減小。500 ℃之后，質量損失率突然大幅度增加，表明試樣內部發生劇烈的物理化學變化，礦物分解產生的結晶水開始大幅度損失。

如圖2所示，體積變化率隨著溫度的升高整體上呈上升趨勢。25 ℃～100 ℃體積增加幅度較大，100 ℃～500 ℃體積增長呈現水平狀態，500 ℃之前試樣體積的變化基本是由礦物晶粒受熱膨脹引起,體積增長的不明顯。500 ℃～900 ℃體積變化率呈現大幅度上升，近似呈直線增長，表明此時試樣內部發生了劇烈的物理化學變化，主要原因是試樣內的礦物成分發生熔融和相變，導致試樣內部產生大量裂縫，晶體顆粒發生錯位無法復原，加劇了試樣內部空間狀態的改變，體積大幅度增加。

如圖3所示，密度變化率隨著溫度的升高整體上呈下降趨勢，試樣密度受體積和質量共同變化的影響。由圖可以看出，100 ℃以前質量減小幅度較大，體積增加明顯，所以密度也明顯減小，100 ℃～300 ℃質量和體積的變化幅度均有所下降，因此密度變化幅度減小，300 ℃～500 ℃質量的增加幅度進一步減小，體積的增加幅度變大，所以密度下降幅度變大，500 ℃往后體積大幅度增加，質量大幅度減小，密度因此大幅度減小。

如圖4所示，高溫處理花崗巖的縱波波速隨著溫度的升高整體上呈下降趨勢，與室溫相比，經高溫處理后縱波波速平均降幅分別為8.02%，28.56%，46.23%，73.80%，81.97%。花崗巖波速的下降隨著溫度的升高分為三個階段，每個階段波速的下降都近似呈直線型，室溫至500 ℃波速的下降速率相對較慢，500 ℃～700 ℃波速的下降速率相對較快。700 ℃～900 ℃下降速率最慢，可見500 ℃和700 ℃是影響花崗巖波速的閾值。加熱溫度對花崗巖縱波波速的影響是由于高溫使試樣內部形成了較多的裂縫且裂縫增大，導致花崗巖結構發生一定程度的損傷，結果造成縱波波速的減小。試驗結果表明，高溫會導致花崗巖縱波波速的降低，500 ℃和700 ℃是影響花崗巖波速的兩個閾值，500 ℃后花崗巖縱波波速下降幅度最大，700 ℃后下降幅度開始減小。

3.2 高溫處理后單軸抗壓強度變化規律

高溫干濕壓處理后試樣的抗壓強度見表1。

表1 高溫干濕壓處理后試樣的抗壓強度

干壓：對高溫加熱并冷卻處理后的花崗巖進行單軸壓縮。

濕壓：對高溫加熱并冷卻后的花崗巖進行浸水飽和，將處理后的花崗巖進行單軸壓縮。

干壓處理：當溫度加熱到100 ℃～500 ℃之間時，試樣的抗壓強度并無明顯變化。當溫度超過500 ℃后試樣的抗壓強度大幅度下降。推測干壓處理下，500 ℃是花崗巖抗壓強度的一個閾值。

濕壓處理：當溫度加熱到100 ℃～300 ℃之間時，試樣的抗壓強度并無明顯變化。當溫度超過300 ℃后試樣的抗壓強度大幅度下降。推測濕壓處理下，300 ℃是影響花崗巖抗壓強度的一個閾值。

干濕壓比較：相同溫度加熱后，與干壓處理相比，濕壓處理后花崗巖的抗壓強度更低，可見濕壓處理會導致花崗巖抗壓強度的下降，且影響更明顯。

4 結論

本文對花崗巖物理力學性質隨溫度變化特征的實驗進行了分析和總結,研究表明,花崗巖的質量、體積、密度、波速、抗壓強度等性質在高溫條件下會發生顯著變化,其特征可歸納如下：

1)花崗巖試樣的體積，質量，密度在加熱到100 ℃時均有較大幅度的變化，主要原因是溫度引起的物理變化的影響。當加熱到100 ℃～500 ℃之間時三者的變化幅度均有所減小。500 ℃后花崗巖內部開始發生一系列的化學變化，此時劇烈的物理化學變化對花崗巖基本物理性質產生顯著影響，由此可見500 ℃是影響花崗巖物理性質的一個閾值。2)500 ℃和700 ℃是影響花崗巖波速的兩個閾值，500 ℃之前波速下降相對較慢，500 ℃～700 ℃波速下降最快，700 ℃往后波速下降最慢，溫度對花崗巖波速的影響十分顯著。3)500 ℃和300 ℃分別是干濕壓處理下花崗巖抗壓強度的閾值，達到相應溫度后花崗巖抗壓強度會有大幅度的降低，濕壓處理花崗巖的抗壓強度相比干壓處理花崗巖的抗壓強度更低，影響更明顯。