加熱后花崗巖在不同冷卻方式下軸向受壓破壞形態研究

趙廣臣， 張永生， 胡新萍

(山西工程技術學院 土木與建筑工程系， 山西 陽泉 045200)

經過溫度荷載作用的巖石被冷卻到常溫在工程中是常見的，比如隧道圍巖經歷火災后自然緩慢冷卻，再比如向地熱源注入換熱冷水會導致地熱源周圍巖石發生緩慢冷卻或者快速冷卻。加熱和冷卻會引起巖石強度、彈性模量和變形特性等力學性能的變化。國內外學者對加熱處理巖石的力學性能做了大量深入研究。Vázquez等發現加熱會導致巖石中具有不同熱膨脹系數的成分之間發生微裂紋[1]。Gomez-Heras等指出溫度荷載會導致巖石成分晶體結構的改變[2-3]。Chen等發現冷卻在一定程度上會誘導加熱巖石中的微裂紋發展[4]。蔣海昆等研究了不同溫度加熱后花崗巖變形及聲發射時序特征[5]。候迪等研究了熱損傷對孔隙率、縱波波速、裂紋發育的影響，分析了高溫處理和圍壓共同作用下大理石的強度與變形特征，提出了一種可以描述熱損傷巖石強度規律的GSI弱化模型[6]。徐小麗等建立了基于彈性模量的熱力耦合損傷本構方程，分析了花崗石熱損傷開裂機理[7]，從非平衡熱力學角度出發，分析了經歷不同溫度作用巖石的強度與能量耗散及能量釋放之間的關系[8]。楊昊天等分析了加熱溫度對花崗巖強度特性、變形特性及破壞特性的影響[9]。劉石對經歷不同溫度加熱后大理巖的縱波波速、抗壓強度、破壞形態以及損傷特性隨溫度變化的規律進行研究[10]。

研究者普遍認為可以通過加熱在巖石內部引起微裂紋和晶體結構變化導致巖石發生損傷，并對熱損傷條件下巖石的強度、變形、聲學等性質及細觀熱開裂機制方面進行了深入的試驗和理論研究。然而，大多是單獨研究溫度效應，不同冷卻方式如何影響加熱巖石的破壞形態這方面的研究并不多見。本文采用快速冷卻和緩慢冷卻2種方式對經受不同加熱溫度(100～1 000 ℃)的花崗巖進行了冷卻，采用萬能試驗機對花崗巖試樣進行了軸向壓縮試驗，得到了試樣的破壞形態，從損傷的角度解釋了冷卻方式和加熱溫度對花崗巖試樣破壞形態的影響。

1 試驗方案

1.1 巖石試樣

用水鉆在花崗巖塊材上朝同一方向鉆取直徑為50 mm的圓柱體巖芯，再將巖芯沿橫截面切開，得到直徑50 mm、高100 mm的標準巖樣。對加工后的試樣進行仔細觀察并打磨，確保表面沒有明顯的節理、裂紋等缺陷，兩端面不平行度小于0.05 mm、端面與軸線垂直度偏差小于0.25°。

1.2 試驗方案

試樣分為慢冷試樣和快冷試樣2類，每類10組，每組3個，快冷試樣和慢冷試樣分組及編號分別如表1和表2所示。試樣編號示例如R091、S103，其中第1位的字母R和S分別表示快速冷卻和緩慢冷卻方式，第2至第3位的09和10表示加熱溫度為900 ℃和1 000 ℃，第4位的1和3表示該組的第1個和第3個試樣，不進行加熱和冷卻處理的原始試樣為C1、C2、C3。每類試樣中各組3個試樣同時放置于高溫爐中以5 ℃/min的速率分別加熱至100 ℃、200 ℃、300 ℃……1 000 ℃，加熱至預定目標溫度后再恒溫2 h，然后進行冷卻。慢冷試樣在高溫爐中以5 ℃/min的速率緩慢冷卻至室溫25 ℃，快冷試樣放置在冷水池內快速冷卻至室溫25 ℃，模擬了真實工況中巖石的自然冷卻和快速冷卻。每組準備3個試樣主要是為了觀察試樣處理結果是否具有一致性。

表1 快冷試樣分組及編號

表2 慢冷試樣分組及編號

軸向加載采用天水紅山試驗機廠生產的1 000 kN電液伺服萬能試驗機，型號為WAW-1000。正式加載之前先預壓500 N，壓緊試樣，隨后采用位移控制，以0.2 mm/min的速度加載到試樣。

2 試驗結果及分析

每一組經過同樣處理的3個試樣最終的破壞形態相近。不進行熱處理和冷卻的原始試樣表現為劈裂破壞如圖1所示。不同加熱溫度的慢冷試樣和快冷試樣的軸向壓縮破壞形態如圖2和圖3所示。

圖1 試樣C1的破壞形態

對于慢冷試樣，加熱到100 ℃的試樣破壞形態與C1破壞形態基本相同，為劈裂破壞，如圖2(a)所示；加熱到300 ℃及更高溫度的慢冷試樣的破碎情況更嚴重，如圖2(b)、圖2(c)和圖2(d)所示；加熱到500 ℃、600 ℃、700 ℃的試樣破壞更加嚴重，表現為剪切和膨脹復合破壞形態，沒有形成完整的剪切破壞面，只是形成了一個錐形破壞面,如圖2(e)、圖2(f)和圖2(g)所示；加熱到800 ℃、900 ℃的試樣表現為剪切破壞形態，如圖2(h)和圖2(i)所示；加熱后到1 000 ℃的試樣表現為剪切和膨脹復合破壞形態，形成上下2個錐形破壞面，膨出部分已破碎剝落，如圖2(j)所示。對于快冷試樣，加熱到100 ℃的試樣與C1試樣表現為相同的劈裂破壞，如圖3(a)所示；加熱到200 ℃的試樣發生剪切破壞，如圖3(b)所示；加熱到300～600 ℃的試樣發生劈裂破壞，隨著加熱溫度升高，試樣的破壞面增多，破碎程度更嚴重，如圖3(c)、圖3(d)、圖3(e)和圖3(f)所示；加熱到700 ℃的試樣發生剪切劈裂復合破壞形態，如圖3(g)所示；加熱到800～1 000 ℃的試樣發生剪切膨脹復合破壞形態，破碎程度比700 ℃加熱試樣更加嚴重，如圖3(h)、圖3(i)和圖3(j)所示。

(a)S011 (b)S021 (c)S031 (d)S043 (e)S052

(f)S062 (g)S073 (h)S082 (i)S093 (j)S103

微結構面的分布會影響巖石的破壞形態，如試樣C1中的裂隙沿軸向發展，形成具有軸向破壞面劈裂破壞。由試樣R021和S021的破壞形態與C1的破壞形態對比可以說明，一定溫度熱處理和冷卻處理導致的巖石內部損傷大到一定程度時，損傷的分布就會取代微結構面的分布，成為影響破壞形態的主要因素。由慢冷試樣的破壞形態可以看出：特定溫度區段內的不同溫度對巖石造成的損傷分布相近，導致了不同溫度加熱處理的巖石具有相近的破壞形態；不同溫度區段會造成巖石內部的損傷分布不同，導致不同的破壞形態，如200～400 ℃溫度區段的試樣S021、S031、S043發生剪切破壞，但是500～700 ℃溫度區段的試樣S052、S062、S073發生剪切膨脹復合破壞。由快冷試樣的破壞形態也可以得到相同的結論。由慢冷試樣和快冷試樣破壞形態的對比可以發現，在200～400 ℃加熱處理溫度區段，慢冷試樣發生剪切破壞，但是快冷試樣主要發生劈裂破壞。這說明不同冷卻方式引起的損傷分布是不同的，雖然破壞形態是由熱處理損傷和冷卻損傷共同影響的，但在300 ℃和400 ℃加熱處理條件下的快速冷卻損傷明顯占主導地位，導致了破壞形態的改變。在300～600 ℃加熱處理溫度區段，慢冷試樣破壞形態都包含有剪切破壞，但快冷試樣均發生劈裂破壞，這說明300～600 ℃加熱處理條件下的快速冷卻損傷明顯占主導地位，導致了破壞形態的改變。值得注意的是，100～200 ℃加熱處理條件下，慢冷試樣和快冷試樣的破壞形態卻是一樣的：S011和R012均為劈裂破壞，S021和R021均為剪切破壞。這說明快速冷卻在較高的熱處理溫度條件下可以導致更大的損傷，快速冷卻損傷占主導地位，但在較低溫度熱處理條件下，慢冷和快冷引起的損傷不占主導地位。

(a)R012 (b)R021 (c)R033 (d)R043 (e)R053

(f)R063 g)R073 (h)R081 (i)R093 (j)R103

3 結 語

(1)在一定溫度范圍內以不同溫度對花崗巖進行熱處理，隨后進行冷卻。加熱和冷卻導致的損傷分布是相近的，可以導致相似的破壞形態。當超過某個溫度閥值時，加熱和冷卻導致的損傷分布會發生變化，從而導致了破壞形態的改變。

(2)熱致損傷和冷卻損傷共同影響經過加熱處理和冷卻的花崗巖的破壞形態，當加熱處理溫度達到一定值(200 ℃)，損傷分布才會取代結構面分布，成為影響破壞形態的主要因素。當加熱熱處理溫度超過300 ℃時，由于快速冷卻損傷占主導地位，導致快速冷卻花崗巖試樣與慢冷花崗巖試樣破壞形態不同。