DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2017.08.021

制备岩石试样的高温预损伤方法及应用

吕庆¹，周春锋¹，郑俊¹，于洋²

(1. 浙江大学 建筑工程学院，浙江 杭州，310058；

2. 浙江大学 海洋学院，浙江 舟山，316021)

摘要：通过高温加热预损伤试验，分析花岗岩密度、纵波波速、单轴抗压强度、劈裂抗拉强度、弹性模量随温度的变化规律，提出岩石加热损伤效应评价方法，并将高温损伤后的岩样应用到滚石碰撞试验中，以检验该方法的可行性。研究结果表明：随着加热温度升高，花岗岩的抗压强度、抗拉强度、弹性模量、纵波波速逐渐降低，当温度低于400 ℃时，变化幅度较小；在400~600 ℃时，试样的强度和弹性模量降低程度加剧；在800 ℃以上时，试样损伤严重，抗压强度、抗拉强度、弹性模量仅为常温下的10%~35%。因此，采用控制温度加热方法，可获得不同质量和不同物理力学性质的预损伤岩石试样。加热温度越高，滚石碰撞越破碎，高温损伤效应越显著。

关键词：岩石试验；高温损伤；岩石强度；弹性模量；纵波波速

中图分类号：TU458             文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2017)08-2126-07

Preparing rock samples using high temperature heating damage method and its application

L Qing¹, ZHOU Chunfeng¹, ZHENG Jun¹, YU Yang²

(1. College of Civil Engineering and Architecture, Zhejiang University, Hangzhou 310058, China;

2. Ocean College, Zhejiang University, Zhoushan 316021, China)

Abstract: The relationship between the density, the P-wave velocity, the uniaxial compressive strength, the Brazilian tensile strength and the elastic modulus of granite with temperature were investigated by means of high temperature heating pre-damage experiment. A method for evaluating the damage effect of rock heating was proposed. Finally, the method was applied to preparing samples in rockfall impact testing to illustrate its feasibility. The results show that the properties including the compressive and tensile strength, the elastic modulus and P-wave velocity of the granite gradually decrease as the heating temperature increases. The change is small when the temperature is below 400 ℃. The rock properties of strength and modulus turn to deteriorate when the temperature increases from 400 ℃ to 600 ℃. And the damage becomes severe when the temperature is higher than 800 ℃, beyond which the properties such as the strength and the modulus decrease to 10%-35% of their original values. Thus, rock samples with different properties can be readily obtained by controlling the heating temperature. The higher the heating temperature, the severer the rockfall fragmentation, which illustrates, that the high temperature damage effect is obvious.

Key words: rock experiment; high temperature damage; rock strength; elastic modulus; P-wave velocity

典型岩石工程问题如边坡稳定、隧道开挖变形和岩基承载力等均与岩石物理力学性质密切相关^[1-4]。探讨岩体力学性质变化对岩石工程中的强度、变形和稳定问题的影响，一直是岩石力学与工程领域的重要内容。室内试验仍是目前研究的重要手段之一。在岩石试验中，如何获得具有不同性质的试样是一个问题，目前还没有标准的制备方法^[5]。已有的岩石试验预损伤的方法包括：1) 机械损伤方法。如林鹏等^[6]采用超声钻法，杨圣奇等^[7]采用超薄金刚锯等方法对花岗岩、砂岩、大理岩试样进行切割，形成不同组合形式的三维裂隙。这种方法可生成与节理、裂隙、断层几何相似的预制裂隙，使试样力学性质降低。但预制裂纹实际上是宏观上的裂隙，与工程扰动随机产生的微观裂隙间存在差异。且裂隙的尺寸、角度、数量、位置对岩石试样影响较大^[7]，易产生应力集中，很难事先估计预制裂隙对岩样力学性质的整体影响。此外，机械损伤方法对加工精度要求高，操作困难，易造成试样破坏。一般用于研究岩石裂纹扩展机理研究，不适合用在大量岩石试样预损伤处理。2) 加载损伤方法。陈有亮等^[8]采取预压加载法对岩石试样分别施加10%~90%极限抗压强度的荷载，以形成不同程度的初始损伤。王章琼^[9]对武当群片岩试样预加载30 kN，通过测量加载前后岩石试样纵波波速的变化来定量表征岩石损伤程度。加载法可产生岩石预损伤效果，但需选择合适的荷载大小和加载速率。此外，加载法一般适用于长方体、圆柱体等规则试样，对不规则的试样不易控制。3) 浸水软化方法。水对部分岩石有软化作用，可通过浸水软化对岩石进行预损伤。孟召平等^[10-11]研究了砂岩、石灰岩、泥岩等软岩力学性质与含水率的关系，发现随着含水率的增加，岩石力学性能降低。但对不软化硬岩，饱水后力学性质变化较小，该方法预损伤效果不佳。4) 冻融损伤方法。岩石经过不同温度处理后，其力学性质会发生变化。王章琼等^{[9, 12-13]}对片麻岩、大理岩、砂岩和花岗岩开展了循环冻融试验，结果表明：随着冻融次数增加，岩石的强度和弹性模量有所降低。但是总体降低幅度不大，且冻融循环达到一定次数后，岩石强度和弹性模量趋于稳定。考虑试验设备、试验时间和预损伤效果，冻融方法不是理想的岩样预损伤方法。因为核废料处理、隧道火灾、爆炸冲击等工程需求，许多学者研究了大理岩、花岗岩、砂岩、泥岩等岩石的物理力学性质随温度的变化规律^[14-17]。大量试验表明：岩石的力学性质对高温加热敏感。当加热温度达到一定阈值后，随着温度升高，岩石强度和弹性模量显著降低，甚至发生破坏。因此，可采用高温加热的方法实现岩石试样的预损伤。通过设定加热速率、加热温度和降温速率，得到具有特定力学性质的岩石试样。为此，首先需要明确岩石的力学性质随温度的变化规律以及合适的加热方法。本文作者通过对花岗岩试样进行高温加热损伤后力学性质试验，探讨花岗岩力学性质随温度的变化规律，通过超声波波速测试和扫描电镜图像评价了不同温度下岩石试样损伤程度。最后将其应用在滚石碰撞试验中，验证该方法的可行性。

1  岩石高温损伤试验

1.1  岩石试样

岩石试样为采自山东省昌邑市的花岗岩。单轴抗压强度试验样直径为50 mm，高度为100 mm；巴西劈裂试验样直径为50 mm，高度为25 mm。试样尺寸和加工精度满足岩石试验标准要求。

1.2  试验设备

为分析温度对岩石的损伤效应，对上述岩样进行高温加热。试样加热采用SXF-12-10型可编程高温炉。该高温炉加热温度范围为100~1 000 ℃，控温精度小于2 ℃；显示精度为1 ℃，升温速率小于10 ℃/min。

岩石纵波波速测试采用ZBL-US20/510非金属超声波检测仪。该超声仪的声时测读精度为±0.05 μs，声时测读范围为0~600 000 μs，幅度分辨率为0.39%，放大器带宽为10~250 kHz；接收器的灵敏度≤30 μV。

岩石单轴压缩试验和巴西劈裂试验在浙江大学土木工程测试中心的INSTRON高精度动态伺服试验机上进行。

1.3  试验方法

加热前，测量每个试样的直径、高度、质量和纵波波速，计算其密度。然后对试样进行加热，预设加热温度为25，200，400，500，600，800和1 000 ℃。加热速率为2.5 ℃/min，加热到预设温度后，恒温3 h，然后在加热炉内自然冷却至室温。每个预设温度加热6个压缩试样和6个劈裂试样。

加热完成后，首先再次测量试样的直径、高度、质量和纵波波速，计算其密度。对典型试样进行裂纹观察、记录，并通过电镜扫描图像分析岩样表面裂纹发育规律和分布特征。然后进行力学性质试验，测定加热后岩样的单轴抗压强度，劈裂抗拉强度和弹性模量。

2  温度对岩石性质的影响

2.1  温度对试样质量、体积和密度的影响

图1所示为花岗岩试样质量、体积、密度随温度的变化规律(图中，A/A₀为加热后和加热前各参数的比值)。由图1可见：加热对花岗岩质量影响不大，但会导致岩样体积膨胀以及密度降低。在400 ℃以下时，加热影响很小；在400~800 ℃时，岩样体积逐渐膨胀，密度逐渐下降；温度高于800 ℃，体积和密度急剧变化；1 000 ℃时的体积约为常温时的108%；密度降低至92%。可见高温加热导致花岗岩试样产生了不可恢复的体积膨胀。

图1  花岗岩试样质量、体积、密度与温度的关系

Fig. 1  Relationships between mass, volume and density of granite samples and temperature

2.2  温度对岩石单轴抗压强度的影响

图2所示为花岗岩试样的单轴抗压强度随温度的变化规律。由图2可见：随着温度增加，岩石抗压强度逐渐降低；其变化过程可分为2个阶段：1) 低于500 ℃时，岩样抗压强度随温度升高以近似线性缓降。500 ℃时，平均抗压强度为常温时的79.04%；2) 当温度超过500 ℃，抗压强度急剧降低，600 ℃时降为常温时的55.03%，至1 000 ℃时，平均抗压强度仅为常温时的11.52%。

2.3  温度对岩石劈裂抗拉强度的影响

图3所示为花岗岩试样的劈裂抗拉强度随温度的变化规律。和抗压强度的变化规律基本一致。当温度低于200 ℃时，强度变化不大；当温度超过500 ℃后，下降幅度显著；至1 000 ℃时，平均抗拉强度仅为常温的9.60%。

图2  花岗岩抗压强度与温度的关系

Fig. 2  Relationship between uniaxial compressive strength of granite samples and temperature

图3  花岗岩抗拉强度与温度的关系

Fig. 3  Relationship between Brazilian tensile strength of granite samples and temperature

2.4  温度对岩石弹性模量的影响

图4所示为花岗岩弹性模量随加热温度的变化。从图4可见：总体来看，随着温度的升高，花岗岩的弹性模量逐渐下降。特别是温度超过500 ℃后，下降幅度显著。例如，500 ℃时弹性模量为常温时的62.43%，至1 000 ℃时仅为常温时的6.88%。

2.5  温度对纵波波速的影响

图5所示为花岗岩纵波波速随温度的变化规律。由图5可见：随着温度升高，岩样波速逐渐降低。400 ℃时降为常温下的76.37%，600 ℃时降为39.70%，1 000 ℃时仅为常温下的18.32%。在500~600 ℃时，岩样波速降幅最大。这与前面抗压、抗拉强度的变化规律是一致的。

图4 花岗岩弹性模量与温度的关系

Fig. 4  Relationship between elastic modulus of granite samples and temperature

图5  花岗岩纵波波速与温度的关系

Fig. 3  Relationship between P-wave velocity of granite samples and temperature

2.6  扫描电镜图像分析

为进一步分析岩石高温损伤机理，采用扫描电镜技术对加热后花岗岩表面进行观察，对比不同加热温度下裂纹数量、分布特征。图6所示为不同加热温度下裂阴谋诡计特征的SEM像。

采用美国FEI公司研发的场发射环境扫描电镜(型号Quanta-FEG 650)进行岩样电镜扫描成像。以400，800和1 000 ℃加热试样为例(图6)。结果表明：在温度低于400 ℃时，岩样表面未见明显裂纹(图6 (a))；此后，随着温度增加，裂纹数量和宽度逐渐增加；至800 ℃时，部分裂纹出现交叉联通(图6(b))；1 000 ℃时，主裂纹宽度急剧增加，众多微裂纹相互交错贯通，试样表面呈破碎状，岩石试样表现出明显的损伤特征(图6 (c))。

图6  不同加热温度下裂纹特征的SEM像

Fig. 6  SEM images of crack characteristics at different temperatures

2.7  岩石高温预损伤效果评价

由前面的试验可知：岩石的纵波波速、弹性模量、抗压强度、抗拉强度均随加热温度的升高而逐渐降低。对试验数据进行归一化处理，即用加热后岩石试样的性质参数值与常温时(25 ℃)的性质参数相比，得到归一化后的不同岩石性质与温度的关系曲线，如图7所示。

由图7可知：总体而言，4种岩石性质参数随温度变化的规律基本一致。选择任一参数均可反映岩石高温预损伤效应，但考虑到岩石强度和弹性模量测试需进行破坏性试验，且对试样形状和尺寸有严格要求；而纵波波速检测是无损试验，且能较好地综合反映岩石的损伤程度^[13]，故本文采用纵波波速作为表征岩石高温加热预损伤效应的指标。

借鉴岩体完整性指标计算公式^[18]，采用下式描述高温加热处理后的岩石试样的损伤程度。

式中：K_V为岩石高温损伤指标；v_pr为常温下岩样的纵波波速，m/s；v_pm为加热后岩样的纵波波速，m/s。

图8所示为K_V与加热温度的关系。按照工程岩体分级标准中岩体完整程度划分方法^[18]，结果见表1。

图7  不同岩石性质随加热温度的变化

Fig. 7  Variation of different rock properties with heating temperature

图8  岩石高温损伤指标K_V与加热温度的关系

Fig. 8  Relationship between damage index K_v and heating temperature

表1  K_V与岩体完整性的对应关系^[18]

Table 1  Correspondence between K_V and rock mass quality

由表1可见：加热至200 ℃时，岩样仍“完整”；在400 ℃以上时，岩样“较完整”；在500 ℃以上时，岩样“较破碎”；600 ℃以上时，岩样“破碎”；在800 ℃以上时，岩样已“极破碎”。因此，可通过不同的加热温度获得具有不同质量等级的岩样。

3  岩石高温预损伤方法的应用实例

本节将介绍上述高温预损伤方法在滚石碰撞试验研究中的应用。滚石灾害是山区常见的一类地质灾害，为研究滚石碰撞破裂机理及其对运动特征的影响，需通过室内碰撞试验考虑滚石力学性质的影响，为此需要制备具有不同力学性质的滚石试样。采用上述高温加热方法对滚石试样进行预损伤处理，共生成了常温25，500和800 ℃时的3组岩样。

依据前面温度对岩石性质影响规律的试验结果，25 ℃时滚石试样的力学参数为弹性模量E=37.5 GPa，抗压强度σ_c=88.4 MPa，抗拉强度σ_t=6.88 MPa，岩石变温损伤指标K_V=1.00；500 ℃时，E=23.4 GPa，σ_c=69.9 MPa，σ_t=3.81 MPa，K_V=0.42；800 ℃时，E=5.4 GPa，σ_c=30.2 MPa，σ_t=1.6 MPa，K_V=0.03。

加热后的滚石试样在自主研制的滚石碰撞试验系统中进行碰撞试验，设置碰撞速度为10.0 m/s，碰撞后滚石破裂情况如图9所示。

图9  不同温度加热处理后滚石试样碰撞破裂特征

Fig. 9  Impact fragmentation characteristics of rockfall specimens after heating at different temperatures

结果表明：25 ℃时，滚石撞击未破裂，肉眼未见明显裂纹；500 ℃时，滚石撞击后基本沿径向破裂为2块；800 ℃时，滚石碰撞后破碎程度更显著，放射状裂纹分布特征明显，撞击点处还有众多小碎块。可见，经不同温度加热处理后，滚石试样力学性质差异显著，碰撞破裂机理及其破裂特征明显不同，说明采用高温加热预损伤方法制备岩石试样的方法完全可行。

4  结论

1) 高温加热将导致岩石试样产生不可逆的体积膨胀，且随着温度的升高，体积膨胀和密度下降程度越来越显著。

2) 花岗岩的单轴抗压强度、劈裂抗拉强度、弹性模量和纵波波速均随温度的升高而降低。一般地，在400 ℃以下，温度的影响较小；随着温度升高，岩石强度和弹性模量降低程度加剧；超过800 ℃后，岩石强度和弹性模量仅为常温时的10%~35%。

3) 基于纵波波速变化确定的岩石完整性指标可较好反映岩石高温损伤劣化的影响，为选择合适的加热温度提供参考。

4) 滚石碰撞试验的应用实例说明采用高温加热预损伤方法制备具有不同性质的岩石试样完全可行。

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(编辑  陈爱华)

收稿日期：2016-09-21；修回日期：2016-12-14

基金项目(Foundation item)：国家自然科学基金资助项目(41202216)；中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(2014QNA4020)；浙江省交通厅科研计划项目(2014H21)(Project (41202216) supported by the National Natural Science Foundation of China; Project (2014QNA4020) supported by the Fundamental Research Funds for the Central University; Project (2014H21) supported by the Department of Transportation Foundation of Zhejiang Provence)

通信作者：郑俊，讲师，从事岩体稳定性分析、不连续面网络模拟研究；E-mail：zhengjun12@zju.edu.cn