高溫作用下花崗巖的脆延性轉化溫度點

徐小麗，高 峰，張志鎮

(1.南通大學建筑工程學院，江蘇南通 226019;2.中國礦業大學深部巖土力學與地下工程國家重點實驗室，江蘇徐州 221008)

處理高溫環境中或高溫作用下的巖石工程問題是巖石力學的新課題。高放射性核廢料的地層深埋處置、地熱資源開發等工程地質環境均可能產生一定的高溫，這就需要考慮巖石在高溫作用下或高溫作用冷卻后的物理力學性質［1-9］。20世紀70年代以來，人們研究了溫度對巖石材料力學性質的影響，取得了豐碩成果。Brede［10］研究了溫度對材料韌脆轉變的影響，發現韌脆轉變溫度隨著位移加載率的升高而升高;Alshayea等［11］利用聲發射來考察加熱時巖石的損傷過程，測量了Westerly花崗巖在20～50℃時的斷裂韌性;周永勝等［12］對不同溫壓條件下居庸關花崗巖脆塑性轉化與失穩形式進行了試驗研究，結果表明當溫度小于300℃時花崗巖為脆性破裂，大于800℃時為塑性變形，在300～600℃時為半脆性破裂和碎裂流動，在600～800℃時為半脆性流動;桑祖南等［13］進行了輝長巖脆塑性轉化及其影響因素的高溫高壓試驗研究，認為輝長巖的脆塑性轉化溫度為700～900℃，主要影響因素為溫度、圍壓和應變速率;左建平等［14］通過島津全數字液壓高溫疲勞試驗系統，實時觀察不同溫度下北山花崗巖的熱開裂過程，獲得北山花崗巖的熱開裂臨界溫度為68～88℃。

由于花崗巖具有致密、強度高、滲透性小等特點，其熱破裂溫度點以及脆延性轉化溫度點較高，但國內外研究的加載溫度大多在800℃以內，不能得到有效的脆延性轉化溫度點，影響了花崗巖脆延性轉換機制的研究［15-17］。本文對實時高溫作用下和高溫作用冷卻后的花崗巖試件進行單軸受壓破壞試驗，并利用掃描電鏡技術(SEM)對不同溫度作用下花崗巖斷口的微觀破壞特性進行分析，研究其微觀破壞力學機理，分別運用力學理論和微觀理論分析花崗巖在高溫作用下力學性能劣化及發生脆延性轉化的重要原因，為今后正確分析巖石破壞和建立力學模型提供依據。

1 試驗概況

1.1 高溫力學試驗

試驗所用的花崗巖巖樣為圓柱體，直徑25 mm，高50 mm，巖樣平均單軸抗壓強度為191.9 MPa。高溫力學試驗主要分為實時高溫作用下以及高溫作用冷卻后兩種情況下巖石的單軸壓縮試驗。

實時高溫作用巖石單軸壓縮試驗采用中國礦業大學深部巖土力學與地下工程國家重點實驗室的MTS810電液伺服試驗系統以及與之配套的高溫爐MTS652.02。試驗以3塊巖樣為1組，共有12組，以2℃/s的升溫速率分別升溫至25℃、75℃、100℃、125℃、300℃、400℃、550℃、600℃、800℃ 和 850℃，每組巖樣加熱后保持恒溫20 min，確保巖樣內外受熱均勻。在均勻溫度場中采用電液伺服位移控制方式對巖樣實施加載，直至巖樣破壞為止，位移加載速率為0.0015 mm/s。加載過程中利用TeststarII控制程序按預定的要求完成試驗過程，同時記錄相關物理量的值，如軸向載荷、軸向位移、軸向應力及應變等，試驗系統如圖1所示。

高溫作用冷卻后巖石單軸壓縮試驗采用MTS815.02電液伺服試驗系統。試驗以3塊巖樣為1組，共有15組。由25℃分別升溫至50℃、100℃、200℃、300℃、400℃、500℃、600℃、700℃、800℃、900℃、1000℃、1100℃和 1200 ℃，共13 個溫度點，保持恒溫20min后自然冷卻至常溫狀態。將降溫后的巖樣進行單軸壓縮試驗，試驗過程中測量巖石的荷載、變形及時間等參數，試驗系統如圖2所示。

圖1 MTS810電液伺服試驗系統

圖2 MTS815.02電液伺服試驗系統

1.2 掃描電鏡試驗

采用S250MKⅢ掃描電子顯微鏡進行掃描電鏡試驗，其技術指標為:分辨率60?，放大倍數20萬倍，加速電壓40 kV。主要附件有AN10000能譜儀和WDX-2A波譜儀。試驗主要對巖樣斷口進行微結構形態和脆延性特征進行觀測，分別對25℃、100℃、200℃、300℃、500℃、800℃、1000℃ 和1200℃共8個溫度點的巖樣斷口進行掃描試驗，每個溫度點各用1塊試樣，共8塊試樣。

2 試驗結果與分析

2.1 實時高溫作用下試驗結果與分析

溫度是影響巖石材料脆延性斷裂的一個十分重要的因素，當溫度低于脆延性轉化溫度點時，巖石發生脆性斷裂，否則發生延性斷裂?；◢弾r屬于致密巖樣，張連英［18］認為當軸向應力達到峰值應力的80%時，巖樣開始屈服，此時的應變為屈服應變。將巖石破壞應變與屈服時應變的比值定義為巖石的延性系數，對于完全脆性材料，延性系數可達1.25。試驗得到的實時高溫作用下花崗巖的屈服應變與破壞應變隨溫度的變化規律分別如圖3和圖4所示。

圖3 實時高溫作用下屈服應變隨溫度的變化

圖4 實時高溫作用下破壞應變隨溫度的變化

由圖3可知，各個溫度點巖樣的屈服應變離散性較大，25℃時巖樣的屈服應變平均值為0.473×10-2，100℃ 時為 0.996 × 10-2，200℃ 為 0.720 ×10-2，此后隨著溫度的升高，屈服應變平均值呈上升趨勢，500℃時達到最大值1.173×10-2，是25℃時的2.48倍，隨后又有所下降，850℃時為0.810×10-2。由圖4可以看出，花崗巖的破壞應變與屈服應變的變化規律相似，整個升溫過程中巖樣屈服應變和破壞應變隨溫度變化的規律不明顯，所以由屈服應變和破壞應變來判斷巖樣的脆延性轉化不是很合理。

實時高溫作用下花崗巖延性系數隨溫度的變化如圖5所示，軸向應力-應變關系曲線如圖6所示。由圖5可以看出，實時高溫作用下，在800℃之前花崗巖的延性系數無明顯變化，其平均值為1.25左右，體現了脆性破壞特性;溫度升高到850℃時，延性系數迅速增大到1.547，是25℃時的1.25倍，體現了延性破壞特性，延性系數與溫度的擬合曲線呈指數增長關系。由圖6可以看出，實時高溫作用下花崗巖不同溫度點的應力-應變關系曲線極其相似，塑性變形過程相對較短，當應力達到峰值時，巖樣迅速破裂，呈脆性破壞;溫度升高，直線段的斜率降低，表明彈性模量隨著溫度的升高而降低;溫度超過550℃以后，應力峰值明顯減小，軸向應變呈現增大的趨勢，主要是因為巖樣的脆性減弱而延性增強，但仍屬脆性破斷。從熱力學的角度分析，當溫度升高時，巖石晶體質點的熱運動增強，質點間的結合力相對減弱，質點容易位移，故延性增強而脆性減弱。由圖5和圖6可以推斷花崗巖脆延性轉化溫度點大約在800℃。

圖5 實時高溫作用下延性系數隨溫度的變化

圖6 實時高溫作用下軸向應力-應變關系曲線

2.2 高溫作用冷卻后試驗結果與分析

試驗得到的高溫作用冷卻后花崗巖屈服應變與破壞應變隨溫度的變化規律分別如圖7和圖8所示。

圖7 高溫作用冷卻后屈服應變隨溫度的變化

圖8 高溫作用冷卻后破壞應變隨溫度的變化

由圖7可知，高溫作用冷卻后，花崗巖的屈服應變平均值在25～1000℃之間總體呈現增大趨勢，在1000℃時達到0.833×10-2，是25℃時的1.76倍。隨著溫度的不斷升高，屈服應變有所下降，在1200℃時減小至0.634×10-2，是25℃時的1.34倍。由圖8可以看出，花崗巖破壞應變與屈服應變的變化規律相似。

高溫作用冷卻后花崗巖延性系數隨溫度的變化規律如圖9所示，軸向應力-應變關系曲線如圖10所示。由圖9可以看出，高溫作用冷卻后，隨著溫度的不斷升高，花崗巖延性系數總體呈現先減小后增大的趨勢，擬合曲線呈多項式關系。在800℃時，延性系數為最小值1.177，是25℃時的95.38%;在1200℃時達到最大值1.424，是25℃時的1.15倍。由圖10可以看出，在常溫下花崗巖從壓密階段過渡到線彈性階段的應變很小，弱化階段不明顯;隨著溫度的升高，壓密階段所占的應變逐漸增大，線彈性階段所占的應變區間逐漸減小，溫度達到800℃以后，壓密階段的應變占了應力峰值前應變的大部分;弱化階段也具有了明顯的應力-應變平滑過渡段。在800℃之前，巖樣破壞形式表現為強烈的脆性破壞特征，超過800℃，應力-應變曲線趨于平緩，破壞形式具有塑性剪切破壞的特點。由此可以推斷，花崗巖脆延性轉化溫度點在800℃左右，這與實時高溫作用下的結論相吻合。

圖9 高溫作用冷卻后延性系數隨溫度的變化

圖10 高溫作用冷卻后軸向應力-應變關系曲線

3 花崗巖破壞特性分析

花崗巖屬于典型的脆性巖石，在常溫和低溫下顯示典型的脆性破壞，當溫度超過800℃時，破壞形式開始由脆性向延性轉化，不同溫度作用下花崗巖斷口的微觀破壞形態如圖11所示。

巖石是由多種礦物組成的天然材料，這些成分基本上由不同尺寸的晶體顆粒構成，在力學和熱學性質等方面，各種礦物一般都表現為各向異性，因此對巖樣的加熱往往會在其內部產生一個三維拉應力狀態，加熱產生的拉應力極易在巖石內部形成沿晶和穿晶斷裂，由本次掃描電鏡的試驗觀察結果可知，當熱處理溫度低于200℃時，沿晶斷裂是主要的熱開裂形式，隨著熱處理溫度的繼續升高，穿晶裂紋明顯增多，此外，微空洞和較大的沿晶裂紋可能會成為新的熱開裂損傷源。不同溫度作用下花崗巖斷口的宏觀與微觀特破壞性對比如表1所示。

圖11 不同溫度作用下花崗巖斷口的微觀破壞形態

表1 不同溫度作用下花崗巖斷口的宏觀與微觀破壞特性對比

由表1和圖11可知，當溫度低于800℃時，花崗巖的斷裂為張拉脆性斷裂，屬于一種低能量吸收斷裂形式，這種斷裂的裂紋萌生臨界應力通常大于或等于裂紋擴展的臨界應力，因此一般由1個主裂紋高速擴展，有時還誘導產生二次裂紋，最終斷裂。由于沿解理而開裂所消耗的應變能最小，故斷裂形式多表現為穿晶解理斷裂和沿晶脆性斷裂，宏觀破壞方式為突發失穩。

當溫度達到800℃時，斷裂面表現為既有穿晶裂紋又存在剪切滑移帶的混合斷裂特征，破壞機理為張拉破壞與剪切破壞共存，破壞方式由脆性向塑性轉化，礦物晶體的晶型發生轉變，宏觀破壞方式表現為準突發失穩，這表明花崗巖在800℃后巖樣強度突然降低，呈現出明顯的塑性行為，由此可以推斷花崗巖脆延性轉化溫度在800℃左右，這與上述的結論相一致。

當溫度繼續升高，巖樣斷裂前發生明顯的塑性變形，達到1200℃時斷口出現許多韌窩和微孔穴，并出現熱熔融，破壞機理為剪切破壞，屬于一種高能量斷裂，通常其裂紋擴展的臨界應力大于裂紋萌生的臨界應力，裂紋擴展時仍有一定程度的塑性變形，宏觀破壞方式為漸進失穩。由掃描電鏡觀察發現，花崗巖中的有機物在加熱過程中以氣態和液態形式析出，存在大量的氣孔。顯然，有機物的析出必然在巖石中形成或存在析出通道，如果加熱過程中巖石的礦物晶體破裂形成微裂隙，這些微裂隙可能就是有機物析出的通道，同時，有機物的析出又可能加劇微裂隙的擴展和巖石的破壞，這也導致花崗巖在1200℃時承載能力急劇下降。

4 結論

a．實時高溫作用下，隨著溫度的不斷升高，花崗巖的屈服應變先增大、后減小，然后再增大、再減小，延性系數與溫度的擬合曲線呈指數增長關系，花崗巖脆延性化換溫度點在800℃左右。

b．高溫作用冷卻后，隨著溫度的不斷升高，花崗巖延性系數總體呈現先減小后增大趨勢，其與溫度的擬合曲線呈多項式關系，花崗巖脆延性轉換溫度點在800℃左右，這與實時高溫作用下的結論相吻合。

c．當溫度低于800℃時，花崗巖斷裂面平整，顯示冰糖狀、河流狀花樣，具有明顯的沿晶、穿晶裂紋，是典型的脆性破壞，斷裂機理為張拉破壞;當溫度高于800℃時，斷裂面表現為既有穿晶裂紋又存在剪切滑移帶的混合斷裂特征，破壞方式由脆性向延性轉化，由此可以推斷花崗巖脆延性轉化溫度在800℃左右。

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