不同溫度熱處理巖石軸向受壓力學(xué)特性的研究

趙廣臣，張永生，胡新萍

(山西工程技術(shù)學(xué)院，山西 陽泉 045000)

0 前 言

在能源、地質(zhì)、土木等眾多工程領(lǐng)域中，高放射性核廢料的深地層處置、石油及天然氣的地下貯存及開采、地?zé)豳Y源的開發(fā)與利用、巖石地下工程災(zāi)后重建等都涉及到高溫后巖石的強(qiáng)度及變形特性[1]。研究者們注意到，經(jīng)歷過高溫作用的巖石，即使溫度恢復(fù)到常溫，其力學(xué)特性也會發(fā)生變化。張晶瑤等[2]研究不同加熱溫度條件下磁鐵石英巖和赤鐵石英巖兩種礦石強(qiáng)度的變化。結(jié)果表明,加熱溫度較低時(不超過200℃～300℃)，巖石受熱產(chǎn)生熱膨脹，增強(qiáng)了巖石的致密度，提高了巖石的強(qiáng)度，在加熱溫度達(dá)到400℃之后，礦石強(qiáng)度明顯下降。孫強(qiáng)等[3]的研究表明，花崗巖在高溫加熱下的物理力學(xué)特性改變是因為內(nèi)部結(jié)構(gòu)改變，這種結(jié)構(gòu)改變包括水的逸出、石英相變和礦物熔融破裂及相變。劉石等[4]通過縱波波速引入了損傷因子唯象地表征高溫后大理石內(nèi)部組分結(jié)構(gòu)變化，還建立了損傷因子與加熱溫度的關(guān)系。楊昊天等[5]分析了溫度對花崗巖試樣的強(qiáng)度特性、變形特性以及破壞特征的影響。候迪等[6]在Hoek-Brown 強(qiáng)度模型基礎(chǔ)上，采用地質(zhì)損傷指數(shù)弱化方法來表示損傷，提出一種含有地質(zhì)損傷指數(shù)的損傷強(qiáng)度模型。

上述研究表明加熱作用會導(dǎo)致巖石的強(qiáng)度和彈性模量會發(fā)生一定程度的降低，還會對巖石的破壞特征造成影響。值得注意的是多數(shù)研究的試驗方案都是針對加熱后巖石進(jìn)行單一方式冷卻，因此，無法探討冷卻方式對軸向受壓巖石力學(xué)特性的影響。實際工程中，受熱巖石快速冷卻和緩慢冷卻都是可能發(fā)生的，因此，有必要就不同冷卻方式對加熱后巖石的力學(xué)特性進(jìn)行探討。本文對經(jīng)過不同溫度加熱的花崗巖試樣采用快速冷卻和緩慢冷卻得到兩類試樣，再對這兩類試樣進(jìn)行軸向壓縮試驗，記錄了這兩類花崗巖試樣壓縮過程的壓力—時間曲線、軸向應(yīng)變—時間曲線，得到了試樣的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系。通過對比分析兩類試樣的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系、強(qiáng)度和彈性模量，分析了冷卻方式和加熱溫度對花崗巖試樣的強(qiáng)度、彈性模量等力學(xué)性能的影響。

1 試樣及方案選擇

1.1 巖石試樣

本文中的試樣是用采自山東日照的花崗巖制作的，為了保證試樣軸向受力性能的一致性，在花崗巖原材上鉆取巖芯時要朝同一方向鉆取。試樣為圓柱體標(biāo)準(zhǔn)試樣，尺寸為d=50 mm，h=100 mm。對試樣進(jìn)行仔細(xì)挑選確保試樣表面沒有節(jié)理和裂隙等缺陷，對試樣進(jìn)行仔細(xì)打磨確保試樣端面平行度小于0.05 mm，端面與側(cè)表面的垂直度小于0.25°。

本文中的兩類試樣分別為快速冷卻和緩慢冷卻，快速冷卻試樣是將加熱過的花崗巖放在水池中冷卻到25℃，緩慢冷卻試樣是將加熱過的花崗巖放在高溫爐中以5℃/min的降溫速率冷卻至25℃。冷卻之前的花崗巖試樣先用高溫爐以100℃～1000℃的溫度分十級加熱，每級增加100℃，升溫速率為5℃/min。經(jīng)過冷卻試樣的編號為ABC，其中A取R或S，R表示快速冷卻，S表示緩慢冷卻，BC取01—10，表示以100℃～1000℃十級溫度進(jìn)行加熱。不進(jìn)行加熱和冷卻處理的原始試樣三個編號為C1、C2、C3。

1.2 試驗方案

軸向壓縮試驗采用滿量程為1 000 kN的萬能試驗機(jī)加載至破壞，試驗開始前先預(yù)加500 N壓緊試樣，加載速率為0.2 mm/min。在試樣側(cè)表沿試樣縱向貼電阻應(yīng)變用來測量試樣加載過程中的軸向應(yīng)變。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 試樣軸向壓縮下的應(yīng)力—應(yīng)變曲線

由圖1～2的應(yīng)力—應(yīng)變曲線可以看出應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系可分為三段：微裂紋閉合段、線彈性段和韌性變形段。由圖1(a)可以看到，對于加熱溫度小于200℃時，韌性段表現(xiàn)出多個峰值，這主要是因為巖石的損傷較小，脆性較強(qiáng)，導(dǎo)致破壞模式為漸近的多次脆性破壞。這種脆性破壞也表現(xiàn)在線彈性段，導(dǎo)致試件C1、S01、S02在線彈性段的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系并不平滑。這種漸近的破壞導(dǎo)致試件的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系表現(xiàn)出明顯的延性，但這并不能說明較低加熱溫度的試樣韌性要比較高加熱試樣的韌性大，因為這種延性是多次脆性破壞的外在表現(xiàn)。同樣加熱溫度的快冷試樣R01、R02卻并沒有表現(xiàn)出漸近脆性破壞，這說明快冷試樣表現(xiàn)出更強(qiáng)的脆性。無論是緩慢冷卻試樣還是快速冷卻試樣，只有當(dāng)加熱溫度為1 000℃時，才表現(xiàn)出非漸近脆性破壞的比較明顯的韌性段。

(a)常溫到300℃試樣的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系

(a)常溫到400℃試樣的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系

2.2 試樣的強(qiáng)度、彈性模量

圖3～4顯示，可以把熱處理溫度分為強(qiáng)化段、波動段和損傷段。慢冷試樣在300℃熱處理條件下，強(qiáng)度較原始花崗巖試樣有很大的提高，試樣得到強(qiáng)化，隨著熱處理溫度的提高，慢冷試樣的強(qiáng)度整體表現(xiàn)為降低的趨勢，但400℃～800℃熱處理條件下，強(qiáng)度并沒有發(fā)生顯著的降低，只是發(fā)生一些波動，當(dāng)熱處理溫度大于800℃強(qiáng)度顯著降低。快速冷卻試樣有類似的表現(xiàn)，同緩慢冷卻試樣的區(qū)別在于強(qiáng)化溫度為200℃和強(qiáng)度顯著降低溫度為900℃。一種觀點(diǎn)認(rèn)為在300℃以下的熱處理條件下，巖石晶體受熱膨脹，恰好使裂隙關(guān)閉，導(dǎo)致了強(qiáng)度提高[2]。因為本文所采用巖石的粒徑和成分與文獻(xiàn)[2]有差異，所以本文中快冷試樣的強(qiáng)化溫度為200℃。在較低溫度熱處理條件下，緩慢冷卻和快速冷卻引起的損傷不占主導(dǎo)地位，所以在200℃～300℃熱處理條件下(緩慢冷卻試樣為300℃，快速冷卻試樣為200℃)，導(dǎo)致裂紋關(guān)閉的有利熱損傷占主導(dǎo)地位，導(dǎo)致了軸向抗壓強(qiáng)度增加。對于緩慢冷卻試樣，當(dāng)熱處理條件為300℃～800℃時，花崗巖強(qiáng)度減小緩慢，當(dāng)熱處理條件為800℃～1 000℃時，強(qiáng)度減小顯著，說明加熱和冷卻處理對緩慢冷卻的熱處理花崗巖造成的損傷在熱處理溫度大于800℃試樣中發(fā)展最充分。快速冷卻試樣有類似的變化趨勢，但當(dāng)熱處理溫度為300℃～800℃時，強(qiáng)度比緩慢冷卻試樣低，這說明快速冷卻方式對試樣造成了明顯損傷。兩種冷卻方式的試樣的彈性模量隨熱處理溫度的變化(見圖4)有一定差異，雖然兩種冷卻方式試樣的彈性模量都是在200℃時顯著提高，但是緩慢冷卻試樣的彈性模量較常溫試樣在熱處理溫度為600℃時才明顯減小，而快速冷卻試樣彈性模量的明顯降低發(fā)生在300℃，并且當(dāng)熱處理溫度為300℃～800℃時，快速冷卻試樣的彈性模量明顯小于緩慢冷卻試樣，這從另一個角度說明快速冷卻方式對加熱后巖石造成了明顯損傷。

圖3 快冷試樣和和慢冷試樣的抗壓強(qiáng)度

圖4 快冷試樣和和慢冷試樣的楊氏模量

3 結(jié) 論

本文對慢冷和快冷兩類花崗巖試樣應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系、軸向抗壓強(qiáng)度和彈性模量進(jìn)行了分析討論，結(jié)論如下。

1)當(dāng)熱處理溫度較低時，緩慢冷卻試樣軸向受壓表現(xiàn)為脆性漸近破壞，表現(xiàn)出一定的延性。快速冷卻試樣脆性比緩慢冷卻的試樣更強(qiáng)，脆性漸近破壞表現(xiàn)較少，延性較差。

2)在較低溫度加熱處理條件下，緩慢冷卻和快速冷卻引起的損傷均不占主導(dǎo)地位。所以在200℃～300℃加熱處理條件下，導(dǎo)致裂紋關(guān)閉的有利熱損傷占主導(dǎo)地位，導(dǎo)致了軸向抗壓強(qiáng)度增加。

3)當(dāng)熱處理溫度處于一定范圍時，強(qiáng)度只發(fā)生波動或者很少的降低。當(dāng)加熱處理溫度大于某一閾值時，花崗巖表現(xiàn)出顯著的損傷，導(dǎo)致強(qiáng)度和彈性模量快速減小。

4)大多情況下，快速冷卻方式對巖石造成明顯損傷，導(dǎo)致快速冷卻試樣的強(qiáng)度和彈性模量均小于具有相同加熱溫度的緩慢冷卻試樣。

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