梁忠豪，秦 楠，孫嘉彬，葛 強(qiáng)

(青島科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，青島 266001)

隨著當(dāng)今世界經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，謝和平等[1]研究表明，地?zé)豳Y源的開(kāi)發(fā)利用、高放射性廢棄物儲(chǔ)存工程、高溫火災(zāi)后地下巖石工程修復(fù)等問(wèn)題均會(huì)影響到巖石物理力學(xué)性質(zhì)和巖石內(nèi)部結(jié)構(gòu)。巖石經(jīng)過(guò)高溫?fù)p傷作用后其物理力學(xué)性質(zhì)、化學(xué)成分結(jié)構(gòu)發(fā)生明顯的變化，二者變化直接影響地下工程的長(zhǎng)期穩(wěn)定。

中外專家學(xué)者針對(duì)上述問(wèn)題開(kāi)展了經(jīng)歷初始高溫?fù)p傷作用后黃砂巖單軸及三軸試驗(yàn)，并廣泛應(yīng)用于高溫作用后巖石的力學(xué)特性研究。秦嚴(yán)[2]研究了不同高溫處理后的花崗巖巖樣進(jìn)行了單軸與三軸實(shí)驗(yàn)，得到了高溫對(duì)花崗巖力學(xué)性質(zhì)(抗壓強(qiáng)度、峰值應(yīng)變、彈性模量、黏聚力、內(nèi)摩擦角)的影響規(guī)律。于鑫等[3]研究發(fā)現(xiàn)，高溫冷卻后的砂巖平均單軸抗壓強(qiáng)度變化規(guī)律在26～200 ℃階段呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)，400～600 ℃階段持續(xù)下降。倪純博等[4]研究發(fā)現(xiàn)，在200 ℃之前，巖石的彈性模量和抗壓強(qiáng)度均隨溫度升高而降低，200 ℃之后巖樣的抗壓強(qiáng)度隨溫度升高而降低。李利峰等[5]研究發(fā)現(xiàn)，在相同加載速率下，30～200 ℃內(nèi)彈性模量損傷變化較小，200～500 ℃內(nèi)巖石損傷較嚴(yán)重。秦楠等[6]研究了高溫后砂巖的力學(xué)特性和宏細(xì)觀損傷變化，對(duì)高溫作用后的砂巖進(jìn)行了單軸壓縮試驗(yàn)、聲波損傷檢測(cè)、X射線衍射試驗(yàn)、掃描電鏡試驗(yàn)。楊圣奇等[7]研究了晶粒尺寸效應(yīng)對(duì)花崗巖高溫力學(xué)行為的影響。陰偉濤等[8]對(duì)高溫三軸應(yīng)力下淺層細(xì)?；◢弾r與深層粗?；◢弾r的熱、力學(xué)特性進(jìn)行了研究。根據(jù)文獻(xiàn)[9-11]進(jìn)行高溫作用后巖石的壓縮試驗(yàn),而后對(duì)試件破壞斷口進(jìn)行掃描電鏡(scanning electron microscope，SEM)電鏡掃描試驗(yàn),分析其斷口形貌特征與能耗規(guī)律。鐘群鵬等[12]研究發(fā)現(xiàn)隨著斷裂力學(xué)基礎(chǔ)、斷裂物理基礎(chǔ)的完善，從宏觀到微觀，從定性到定量，從原因診斷到機(jī)理研究，斷口學(xué)的不斷發(fā)展與完善起來(lái)。王俊光等[13]研究了不同擾動(dòng)幅值和頻率對(duì)泥巖蠕變及斷口細(xì)觀特征的影響。趙洪寶等[14]對(duì)沖擊載荷作用下煤樣表面裂紋擴(kuò)展規(guī)律進(jìn)行了試驗(yàn)研究。劉傳孝等[15]分析了深井煤巖試驗(yàn)斷口上礦物、結(jié)構(gòu)、構(gòu)造等的細(xì)觀特征,追溯圍壓對(duì)其蠕變損傷機(jī)制的影響及調(diào)節(jié)作用,得到了圍壓分別為0、10、20 MPa的深井煤巖短時(shí)分級(jí)加載蠕變?cè)囼?yàn)破壞斷口的細(xì)觀構(gòu)造。

綜觀以上所有研究成果，在高溫作用后黃砂巖三軸壓縮特性及細(xì)觀破壞機(jī)制方面并未做過(guò)多的研究，因此通過(guò)開(kāi)展考慮不同初始高溫預(yù)損傷黃砂巖的三軸壓縮試驗(yàn)，分析了不同初始高溫?fù)p傷程度、圍壓對(duì)于黃砂巖物理及力學(xué)參數(shù)的影響，利用掃描電鏡試驗(yàn)分析了初始高溫?fù)p傷對(duì)巖石內(nèi)部細(xì)觀結(jié)構(gòu)變化的影響，進(jìn)而引用金屬斷口學(xué)的研究方法，從試件破壞面斷口處的細(xì)觀形貌特征的角度來(lái)分析黃砂巖的細(xì)觀斷裂機(jī)制問(wèn)題。

1 損傷巖樣制備及實(shí)驗(yàn)方法

1.1 巖樣選擇及高溫預(yù)損傷巖樣制備

實(shí)驗(yàn)所選用的巖石為黃砂巖，實(shí)地開(kāi)采于山東省萊州市山區(qū)，巖樣內(nèi)部結(jié)構(gòu)致密，外部無(wú)明顯裂紋痕跡，巖樣外表顏色為土黃色，經(jīng)X射線衍射(X-ray diffraction，XRD)分析獲得巖樣內(nèi)部成分含量為：鈣長(zhǎng)石68%、石英18%、安山巖3%、角閃巖3%、輝石2%、其他成分6%。采用巖石取芯機(jī)、鋸石機(jī)、巖石磨石機(jī)等設(shè)備，將從一塊高完整度、均一性優(yōu)良的大巖塊中鉆取出巖芯式樣，并根據(jù)文獻(xiàn)[16]國(guó)際巖石力學(xué)學(xué)會(huì)(ISMR)的加工精度標(biāo)準(zhǔn)要求，將巖芯式樣加工成直徑φ50 mm、高度100 mm的標(biāo)準(zhǔn)圓柱體試件，如圖1所示，加工時(shí)試件高度誤差±2 mm，兩端斷面不平整度誤差±0.05 mm。

圖1 黃砂巖巖樣

在開(kāi)展高溫預(yù)初始損傷處理試驗(yàn)之前，對(duì)試件進(jìn)行聲波檢測(cè)篩選，選取同一批次試件中聲波速度相近的試件進(jìn)行高溫預(yù)損傷處理試驗(yàn)，以防止由于巖石離散性過(guò)高而導(dǎo)致后期數(shù)據(jù)產(chǎn)生過(guò)高的誤差。所用試件平均密度2.100 g/cm3，平均縱波速度為3 109 m/s。

1.2 試驗(yàn)方法與試驗(yàn)工況

分批次將已制備好黃砂巖試件放入馬弗爐(MXX1200-30箱式高溫爐，最高溫度可達(dá)到1 200 ℃，升溫最高速率20 ℃/min)中進(jìn)行高溫?fù)p傷試驗(yàn)，當(dāng)加熱溫度達(dá)到預(yù)定設(shè)定值(T=200、400、600、800 ℃)，馬弗爐內(nèi)保溫2 h后再停止機(jī)器加熱功能，爐內(nèi)自然冷卻至室溫(T=20 ℃)以確保巖樣試件后期數(shù)據(jù)不具有太大的離散性，實(shí)驗(yàn)設(shè)備如圖2所示。

圖2 馬弗爐(MXX1200-30箱式高溫爐)

高溫作用后黃砂巖的三軸壓縮試驗(yàn)，在青島科技大學(xué)力學(xué)中心與長(zhǎng)春朝陽(yáng)試驗(yàn)機(jī)廠聯(lián)合研制的TAW-200型多功能全自動(dòng)剛性巖石試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，設(shè)備主要由主機(jī)、胡克壓力室、加載裝置、計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)等部分組成，最大軸向試驗(yàn)力為200 kN，測(cè)量精度為±1 kN，最大圍壓加載應(yīng)力為30 MPa，測(cè)量精度為±0.1 MPa,變形測(cè)量精度為±0.5%，可進(jìn)行常規(guī)、三軸高溫壓縮與蠕變?cè)囼?yàn)。試驗(yàn)巖樣與實(shí)驗(yàn)設(shè)備具體如圖3所示。

1為壓機(jī)壓頭；2為砂巖試件；3為承載支架；4為壓力傳感器；5為胡克壓力室；6為電磁加熱環(huán)；7為套環(huán)；8為熱縮管；9為徑向位移傳感器；10為緊箍環(huán)；11為溫度變送器

為研究不同圍壓條件下高溫作用后對(duì)黃砂巖的壓縮力學(xué)性質(zhì)的影響，圍壓僅設(shè)計(jì)了1、3、5 MPa 3個(gè)圍壓等級(jí)，具體試驗(yàn)工況如表1所示。常規(guī)的三軸壓縮試驗(yàn)圍壓加載速率設(shè)置為0.1 MPa/s，軸向加載方式采用負(fù)荷加載，加載速率為0.05 MPa/s。試件編號(hào)SY(三軸壓縮)-20(溫度損傷等級(jí))-1(圍壓等級(jí))。

表1 高溫作用后黃砂巖三軸壓縮試驗(yàn)工況

2 高溫作用后黃砂巖三軸壓縮力學(xué)特性分析

2.1 高溫作用后黃砂巖的三軸壓縮試驗(yàn)結(jié)果分析

本次高溫作用后的軟巖壓縮實(shí)驗(yàn)共進(jìn)行了15組，為減小數(shù)據(jù)的離散性每組進(jìn)行3次實(shí)驗(yàn)，最終選取三次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)平均值作為最終試驗(yàn)取值。試驗(yàn)之初，根據(jù)高溫作用后黃砂巖的物理性質(zhì)測(cè)試可知，無(wú)損黃砂巖單軸抗壓強(qiáng)度Rc=29.41 MPa，彈性模量E=50.6 GPa，泊松比μ=0.658 3，巖石的內(nèi)摩擦角φ=27.269°,黏聚力c=19.03 MPa。將高溫作用后黃砂巖的三軸壓縮實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行研究，試驗(yàn)結(jié)果詳情如圖4所示。

圖4分別給出了1、3、5 MPa圍壓作用下不同初始高溫預(yù)損傷黃砂巖的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，可以看出：完整巖石三軸壓縮實(shí)驗(yàn)應(yīng)力-應(yīng)變曲線應(yīng)力-應(yīng)變曲線由初始?jí)好?、線彈性變形、非彈性階段、峰后破裂典型的4階段構(gòu)成，本次試驗(yàn)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線具有與完整巖石三軸壓縮實(shí)驗(yàn)應(yīng)力-應(yīng)變曲線類似的4個(gè)階段；初始?jí)好茈A段：在此階段中，巖石內(nèi)部初始微孔隙、微裂隙受荷載作用逐漸閉合，導(dǎo)致應(yīng)變值迅速增加但應(yīng)力值增長(zhǎng)緩慢，同時(shí)曲線斜率逐漸增大整體呈微微上彎曲狀，隨著初始高溫預(yù)損傷程度的逐漸增大，孔隙壓密階段在應(yīng)力-應(yīng)變曲線中越發(fā)明顯，當(dāng)溫度T≥600 ℃后愈發(fā)明顯；線彈性變形階段：曲線在此階段中近似于直線，即隨著軸壓的增大巖石試樣的軸向應(yīng)變隨之線性增大，曲線斜率隨著初始溫度預(yù)損傷程度的增大而逐漸減小，巖石彈性模量受高溫?fù)p傷影響程度隨之降低；非彈性階段：曲線在此階段內(nèi)整體呈現(xiàn)出下凹狀，應(yīng)變隨著應(yīng)力的增大而非線性增大，曲線斜率隨之逐漸降低；峰后破壞階段：由于內(nèi)部新生微孔隙、微裂紋逐漸增大，且受荷載作用導(dǎo)致內(nèi)部新生孔隙、裂紋逐漸擴(kuò)展、貫穿、融合使試樣外表面出現(xiàn)宏觀裂紋，最終導(dǎo)致試件失去承載能力；以上4個(gè)階段均具有明顯的圍壓增強(qiáng)效應(yīng)。

σ3為圍壓

壓密階段隨著圍壓的增大，由于圍壓作用導(dǎo)致巖石試件內(nèi)部微孔隙閉合，巖石壓密階段曲線越發(fā)不明顯；線彈性階段三軸壓縮過(guò)程中隨著圍壓的增大，試樣的彈性模量逐漸增大，曲線逐漸重合即受到初始高溫預(yù)損傷作用逐漸減?。环菑椥噪A段中圍壓作用使得曲線中塑性變形階段越發(fā)明顯，且塑性變形階段整體隨著初始高溫預(yù)損傷程度的增大不斷增大；峰后破裂階段中在高圍壓作用下，同時(shí)也由于自身結(jié)構(gòu)強(qiáng)度較低，導(dǎo)致試樣應(yīng)力在峰后破裂階段緩慢降低。與文獻(xiàn)[6]進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)圍壓增強(qiáng)效應(yīng)致使巖石試件受初始高溫?fù)p傷效應(yīng)影響降低，但也增加了試樣峰值強(qiáng)度、提高了峰值應(yīng)變。

2.2 高溫作用后黃砂巖的峰值強(qiáng)度與峰值應(yīng)變結(jié)果分析

峰值強(qiáng)度與峰值應(yīng)變是實(shí)際巖體工程中非常重要的兩個(gè)工程參數(shù)，是評(píng)價(jià)和分析巖石力學(xué)性質(zhì)和相關(guān)巖體工程穩(wěn)定性的重要指標(biāo)[17]。在考慮高溫預(yù)損傷后黃砂巖進(jìn)行三軸壓縮試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上對(duì)其峰值強(qiáng)度與峰值應(yīng)變進(jìn)行研究，結(jié)果如圖5所示。

圖5 不同圍壓作用下考慮初始高溫預(yù)損傷黃砂巖峰值強(qiáng)度與峰值應(yīng)變的變化

由圖5可知，在圍壓作用下黃砂巖的峰值強(qiáng)度與應(yīng)變隨著溫度的升高，可將兩條曲線變化過(guò)程大體分為以下3部分。

(1)T=20～200 ℃，巖石試樣的峰值應(yīng)力隨著溫度的升高開(kāi)始出現(xiàn)小幅度提升，在σ3=3 MPa的圍壓作用下巖石試樣峰值應(yīng)力提升約為+6.53 %，峰值應(yīng)變整體呈現(xiàn)出降低趨勢(shì)分別降低-5.72%。綜上所述分析可得：巖石試件經(jīng)過(guò)高溫作用后，導(dǎo)致初始巖樣內(nèi)部孔隙、裂隙中及內(nèi)部晶體結(jié)構(gòu)中所含水分蒸發(fā)，內(nèi)部礦物質(zhì)成分因受熱導(dǎo)致體積膨脹，整體使得巖樣內(nèi)部原生孔隙、裂隙得以充填、閉合，同時(shí)由于內(nèi)部晶體結(jié)構(gòu)受熱膨脹也導(dǎo)致相鄰晶體結(jié)構(gòu)之間距離縮短，增大了二者之間的內(nèi)摩擦力，從而整體上增大了巖石的抗壓強(qiáng)度，使得巖樣整體強(qiáng)度增加。

(2)T=200～600 ℃，σ3=3 MPa圍壓作用下峰值應(yīng)力出現(xiàn)大幅度下降趨勢(shì)為-10.702%，而峰值應(yīng)變則出現(xiàn)大幅度上升為+35.75%。分析得：黃砂巖內(nèi)部主要結(jié)構(gòu)成分為鈣長(zhǎng)石CaO·Al2O3·2SiO2。巖樣內(nèi)部晶體結(jié)構(gòu)會(huì)脫去結(jié)構(gòu)水與結(jié)晶水，進(jìn)而發(fā)生氧化還原反應(yīng)，在573 ℃開(kāi)始α-石英開(kāi)始轉(zhuǎn)變?yōu)棣?石英。石英晶體結(jié)構(gòu)體積突然增大，會(huì)導(dǎo)致周圍產(chǎn)生較大的不平衡力[9]。而CaO在530 ℃左右會(huì)發(fā)生反應(yīng)，化學(xué)方程式為

(1)

(2)

(3)

三者反應(yīng)同時(shí)進(jìn)行，致使巖樣內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，同時(shí)由于內(nèi)部晶體結(jié)構(gòu)因受熱而導(dǎo)致不均勻性晶體膨脹，導(dǎo)致產(chǎn)生新生熱裂隙、孔隙結(jié)構(gòu)的同時(shí)，也使得試樣內(nèi)部原生裂隙結(jié)構(gòu)進(jìn)一步擴(kuò)展、貫穿，裂隙密集程度進(jìn)一步提高，最終導(dǎo)致巖石因受熱導(dǎo)致?lián)p傷程度越高、完整性程度降低。

(3)T=600～800 ℃，峰值強(qiáng)度發(fā)生小幅度下降，降幅約為-4.59%，峰值應(yīng)變則出現(xiàn)大幅度下降，降幅約為-33.54%。分析得：巖樣內(nèi)部成分經(jīng)歷初期200～600 ℃高溫作用后產(chǎn)生變化，再經(jīng)歷到800 ℃作用時(shí)巖樣內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生新生變化，內(nèi)部晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生熔融現(xiàn)象，化學(xué)方程式為

(4)

(5)

化學(xué)反應(yīng)如上所示，CaCO3分解反應(yīng)在530～800 ℃均可進(jìn)行，當(dāng)溫度達(dá)到800 ℃后，反應(yīng)速率達(dá)到頂峰，經(jīng)過(guò)初期保溫2 h，試樣內(nèi)部CaCO3完全反應(yīng)殆盡，且CaCO3在800 ℃左右會(huì)與SiO2進(jìn)行高溫反應(yīng)，生成新物質(zhì)CaSiO3。兩種反應(yīng)均會(huì)生出大量CO2氣體，導(dǎo)致內(nèi)部初期因受熱產(chǎn)生裂隙進(jìn)一步得到發(fā)育、擴(kuò)展、貫穿，密集程度迅速增加。綜上所述，高溫達(dá)到T=800 ℃致使試樣內(nèi)部裂紋密集程度、礦物質(zhì)成分發(fā)生大幅轉(zhuǎn)變，同時(shí)由于內(nèi)部晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生熔融現(xiàn)象，分子的熱運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能增大，導(dǎo)致結(jié)晶破壞，物質(zhì)由晶相開(kāi)始轉(zhuǎn)變?yōu)橐合?，?nèi)部晶體結(jié)構(gòu)破壞嚴(yán)重，從而對(duì)巖石峰值應(yīng)力、應(yīng)變發(fā)生大幅度下降，致使巖石試樣宏觀物理力學(xué)性質(zhì)發(fā)生改變。

由表2、圖5可知，隨著圍壓等級(jí)的增加黃砂巖試件的峰值強(qiáng)度與峰值應(yīng)變均隨著增大。其中圍壓作用限制黃砂巖的徑向變形，增大了試件內(nèi)部的內(nèi)摩擦力，同時(shí)高圍壓作用致使巖石內(nèi)因熱損傷產(chǎn)生的新生裂紋與原試件內(nèi)部的原生裂紋產(chǎn)生閉合，進(jìn)而導(dǎo)致峰值強(qiáng)度略有增大。且隨著初始高溫?fù)p傷程度的增長(zhǎng)，由于圍壓作用導(dǎo)致試件的峰值強(qiáng)度產(chǎn)生更加明顯的非線性變化趨勢(shì)。而峰值應(yīng)變變化情況也出現(xiàn)明顯的非線性變化趨勢(shì)，這也從側(cè)面說(shuō)明圍壓作用導(dǎo)致試件的延性特征的增長(zhǎng)。

表2 不同圍壓作用下考慮初始高溫預(yù)損傷黃砂巖峰值強(qiáng)度與峰值應(yīng)變

2.3 高溫作用后黃砂巖的變形規(guī)律分析

由Mohr-Coulomb強(qiáng)度理論可知，在τ-σ平面上，是一條斜率為f=tanφ，截距為c的直線。剪切面上的正應(yīng)力與剪應(yīng)力可分別由應(yīng)力圓給出，如圖6所示。當(dāng)應(yīng)力圓與式(4)所示直線相切時(shí)，即發(fā)生破壞，可表示為[18]

|τ|=fσ+c

(6)

f=tanφ

(7)

式中：τ為剪應(yīng)力；σ為正應(yīng)力；c為黏聚力；f為內(nèi)摩擦系數(shù)；φ為內(nèi)摩擦角。圖6中，M為莫爾應(yīng)力圓圓心，N為莫爾圓與結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度包絡(luò)線切點(diǎn)，C為結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度包絡(luò)線Y軸上截距；D為結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度包絡(luò)線X軸上截距。

σ1為軸向應(yīng)力

由式(4)、式(5)計(jì)算得出內(nèi)摩擦角與黏聚力隨溫度變化，如圖7所示，可以看出，黃砂巖受到初始高溫?fù)p傷效應(yīng)影響嚴(yán)重，黃砂巖黏聚力隨著溫度的增高持續(xù)下降，整體降幅達(dá)到-80.39%。而內(nèi)摩擦角則隨著溫度的升高整體呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)，增幅達(dá)到+49.86%。由此得出：黃砂巖峰值強(qiáng)度與黏聚力整體隨著溫度的升高呈現(xiàn)出下降的趨勢(shì)，在溫度T=20 ℃時(shí)達(dá)到最大值，在T=800 ℃時(shí)達(dá)到最低，隨著溫度逐漸升高，高溫導(dǎo)致試樣內(nèi)部損傷逐漸增大，逐漸失去承載能力與完整性。而內(nèi)摩擦角則與之相反，在T=20 ℃時(shí)，內(nèi)摩擦角幾近為零，說(shuō)明此時(shí)試樣內(nèi)部?jī)?nèi)摩擦力較低，內(nèi)部晶體結(jié)構(gòu)較完整未受到破壞，T=800 ℃達(dá)到最高，也從另一方面說(shuō)明此時(shí)試樣隨著溫度的升高，試件在經(jīng)受高溫?fù)p傷后所提供承載力逐漸由黏聚力改變?yōu)閮?nèi)部晶體結(jié)構(gòu)之間相互摩擦所提供的內(nèi)摩擦力，從而導(dǎo)致試樣承載能力的降低。

圖7 溫度對(duì)黃砂巖試件黏聚力和內(nèi)摩擦角的影響

結(jié)合圖8可以看出，經(jīng)過(guò)初始高溫?fù)p傷作用后的黃砂巖試件，其黏聚力下降趨勢(shì)與內(nèi)摩擦角增加趨勢(shì)可以用線性擬合曲線進(jìn)行擬合，擬合結(jié)果較好，說(shuō)明后期試驗(yàn)工作可以采用此曲線公式進(jìn)行預(yù)測(cè)，同時(shí)二者的擬合曲線也從另一方面驗(yàn)證了黃砂巖試件經(jīng)過(guò)初期的高溫?fù)p傷后，試件內(nèi)部由于晶體結(jié)構(gòu)的損傷程度增大導(dǎo)致黏聚力降低，同時(shí)也由于內(nèi)部晶體結(jié)構(gòu)的損傷程度不斷增大，而導(dǎo)致不同損傷程度晶體之間因相互摩擦而導(dǎo)致晶體碎屑的增加，同時(shí)也導(dǎo)致內(nèi)摩擦力的增大。

圖8 高溫作用后擬合黏聚力與內(nèi)摩擦角曲線

彈性模量E取自巖石應(yīng)力-應(yīng)變曲線中加載曲線的線彈性階段斜率(取值范圍為峰值強(qiáng)度30%～70%的直線段斜率)，進(jìn)而得到彈性模量E隨溫度與圍壓變化曲線，如圖9所示。由圖9可知，當(dāng)溫度T≤200 ℃時(shí)，彈性模量隨圍壓變化不明顯，彈性模量隨圍壓的增大呈線性上升，受圍壓作用影響較小。當(dāng)溫度T≥400 ℃時(shí)，受高溫?fù)p傷黃砂巖整體隨著圍壓的增加而呈非線性增大的趨勢(shì)，并隨著溫度的增加彈性模量取值顯示出明顯的下降趨勢(shì)。以1 MPa圍壓作用下彈性模量進(jìn)行分析可知，T≤200 ℃時(shí)，溫度對(duì)彈性模量的影響較小，說(shuō)明在此溫度區(qū)間內(nèi)高溫對(duì)試樣內(nèi)部損傷較低，未對(duì)巖樣整體結(jié)構(gòu)造成太大損傷；當(dāng)T≥200 ℃后隨著溫度的增加彈性模量急劇降低，說(shuō)明在此溫度區(qū)間內(nèi)，高溫造成巖樣內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化，細(xì)觀裂紋新生與宏觀裂紋擴(kuò)展二者共同進(jìn)行，使得黃砂巖受到高溫?fù)p傷效應(yīng)影響明顯增大，進(jìn)而導(dǎo)致宏觀物理力學(xué)性質(zhì)發(fā)生明顯變化。同時(shí)由此發(fā)現(xiàn)彈性模量的變化趨勢(shì)與峰值應(yīng)力-應(yīng)變曲線的變化趨勢(shì)相符合，二者均可作為細(xì)觀破壞機(jī)制分析時(shí)提供數(shù)據(jù)分析支持。

圖9 常規(guī)三軸黃砂巖彈性模量隨圍壓變化特征

3 高溫作用后黃砂巖細(xì)觀結(jié)構(gòu)SEM結(jié)果分析

為研究考慮高溫?fù)p傷效應(yīng)黃砂巖的細(xì)觀破壞機(jī)制，同時(shí)也為了研究高溫初始損傷對(duì)黃砂巖內(nèi)部細(xì)觀結(jié)構(gòu)破壞方式，對(duì)進(jìn)行了考慮高溫?fù)p傷效應(yīng)黃砂巖的三軸壓縮實(shí)驗(yàn)試樣斷口進(jìn)行了掃描電鏡分析，如圖10～圖12所示。通過(guò)上述試驗(yàn)破壞后的斷口進(jìn)行掃描電鏡分析，進(jìn)而得到2 000倍、5 000倍的端口掃描圖像，進(jìn)而對(duì)比分析不同初始高溫?fù)p傷程度對(duì)黃砂巖裂紋擴(kuò)展形態(tài)及細(xì)觀破壞機(jī)制的影響。按照斷口表面細(xì)觀特征結(jié)構(gòu)分類可將斷口分為：脆性斷口、韌性斷口、韌-脆混合斷口。從圖中可以看出高溫作用后黃砂巖的試件斷口細(xì)觀特征包括：沿晶斷裂、穿晶斷裂、韌窩、解理臺(tái)階、河流花樣、滑移分離、晶體碎屑等。其中解理臺(tái)階、河流花樣、沿晶斷裂為典型的脆性斷口，韌窩、滑移分離、穿晶斷裂為典型的韌性斷口?？芍?，通過(guò)不同斷口的形貌特征判斷斷層擴(kuò)展方向、斷面間裂紋擴(kuò)展方向、斷面間兩側(cè)晶體相對(duì)位移方向等，進(jìn)而分析巖石試件斷口細(xì)觀破裂機(jī)制[17]。

圖10 T=20 ℃時(shí)3 MPa圍壓作用下黃砂巖壓縮斷口形貌

圖11 高溫作用后3 MPa圍壓作用下黃砂巖三軸壓縮斷口形貌(2 000倍率)

圖12 高溫作用后3 MPa圍壓作用下黃砂巖三軸壓縮斷口形貌(5 000倍率)

結(jié)合圖10可以看出，初始高溫?fù)p傷對(duì)黃砂巖壓縮破壞的細(xì)觀形貌結(jié)構(gòu)產(chǎn)生巨大的影響。對(duì)比圖10與圖11，在2 000倍率的觀測(cè)情況下，當(dāng)T=20 ℃時(shí)黃砂巖斷口形貌以河流花樣、鱗片狀脆性斷口為主，少量沿晶裂紋、穿晶裂紋分布在晶體表面，并且存在著少量的韌窩形貌；當(dāng)T=200 ℃時(shí)黃砂巖斷口形貌主要以解理臺(tái)階、沿晶斷裂為主，穿插著少量的穿晶裂紋并分布著零星的韌窩斷口形貌；當(dāng)T=400 ℃時(shí)黃砂巖壓縮破壞后的斷口形貌還是以河流花樣、鱗片狀脆性端口、解理臺(tái)階等脆性斷口為主，局部存在著少量的韌窩，些許穿晶裂紋韌性斷口形貌分布在解理平臺(tái)周圍；當(dāng)T≥600 ℃后，雖然斷口形貌還是主要以鱗片狀脆性斷口等脆性斷裂為主，但隨著初始高溫?fù)p傷程度的增加，越來(lái)越多的沿晶裂紋、穿晶裂紋裂將砂巖內(nèi)部結(jié)構(gòu)中晶體顆粒逐漸分崩、離析，進(jìn)而使得斷口表面存在大量的碎小晶體顆粒，使得黃砂巖斷口形貌的脆性斷裂特征逐漸增加。

對(duì)比圖10與圖11，將電鏡掃描倍率提升至5000倍時(shí)，可以觀測(cè)出初始高溫?fù)p傷對(duì)于黃砂巖壓縮破壞的細(xì)觀斷裂破壞機(jī)制影響加劇。當(dāng)T=20 ℃時(shí)可以觀測(cè)出明顯的解理臺(tái)階，在解理平臺(tái)，解理平臺(tái)近乎占據(jù)了整張斷口表面，同時(shí)附近區(qū)域存在著少量的滑移分離斷口形貌，由河流花樣可知巖石內(nèi)部晶體結(jié)構(gòu)的破壞方向是由左上至右下，呈扇形區(qū)域擴(kuò)展。同時(shí)由于沿晶裂紋擴(kuò)展將內(nèi)部結(jié)構(gòu)中一塊整體晶體分裂成幾個(gè)不規(guī)則、獨(dú)立的晶體，產(chǎn)生力少許晶體碎屑位于斷口表面。當(dāng)T=200 ℃時(shí)多個(gè)范圍可以看到明顯的滑移分離斷口形貌,同時(shí)由沿晶裂紋分裂形成的單個(gè)晶體數(shù)量明顯先增加。當(dāng)T=400 ℃時(shí)可以觀測(cè)到塑性峰林花樣明顯增加，觀測(cè)面上可以觀測(cè)到明顯的韌窩現(xiàn)象。當(dāng)T=600 ℃時(shí)穿晶裂紋明顯增加且程度加劇，破裂面粗糙但平直，同時(shí)塑性斷裂特征愈發(fā)明顯，塑性峰林花樣明顯增加，但整體仍為脆性斷裂方式。當(dāng)T=800 ℃時(shí)由沿晶裂紋導(dǎo)致完整晶體分崩、離析而形成的單個(gè)晶體數(shù)量明顯增加，砂巖斷口形貌較為單一，脆性破壞斷口形貌為主要斷口形貌。

由圖12可知，隨著初始高溫?fù)p傷程度的增加，黃砂巖壓縮破壞細(xì)觀斷裂方式的演化規(guī)律為脆性斷裂轉(zhuǎn)化為脆-韌斷裂再轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈詳嗔?，但每個(gè)斷裂的局部范圍內(nèi)均存在著明顯的韌性斷裂方式。當(dāng)溫度升高后，巖石內(nèi)部晶體結(jié)構(gòu)吸熱導(dǎo)致內(nèi)應(yīng)力增加，分子熱運(yùn)動(dòng)程度增加，晶體結(jié)構(gòu)受熱膨脹導(dǎo)致沿晶裂紋大大增加，使得原生完整晶體分崩、離析成多個(gè)微小晶體結(jié)構(gòu)。同時(shí)當(dāng)溫度T≥400 ℃后，晶體內(nèi)部結(jié)構(gòu)中位錯(cuò)迅速增長(zhǎng)，進(jìn)而導(dǎo)致晶體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度降低的同時(shí)整體黃砂巖抗壓強(qiáng)度迅速降低，位錯(cuò)的迅速增加也導(dǎo)致穿晶裂紋的數(shù)量、程度迅速增大，導(dǎo)致黃砂巖原生完整晶體結(jié)構(gòu)之間的黏聚力大大降低。同時(shí)由于初始高溫?fù)p傷作用，導(dǎo)致因受熱產(chǎn)生的裂紋、孔隙迅速發(fā)育、擴(kuò)展，因而在細(xì)觀斷口形貌圖像中可以觀測(cè)出穿晶裂紋、沿晶裂紋交錯(cuò)互聯(lián)出現(xiàn)，由于晶體結(jié)構(gòu)之間的熱運(yùn)動(dòng)與初始高溫作用后導(dǎo)致的晶體結(jié)構(gòu)成分的轉(zhuǎn)變的相互作用，導(dǎo)致晶體結(jié)構(gòu)之間的摩擦程度大大增大，大量細(xì)小碎屑從晶體結(jié)構(gòu)之間的斷口處因摩擦程度的增大而掉落，并于晶體結(jié)構(gòu)之間的斷口的低點(diǎn)匯聚。總而言之，隨著初始高溫?fù)p傷程度的增加，黃砂巖內(nèi)部裂紋、孔隙結(jié)構(gòu)迅速增長(zhǎng)、擴(kuò)展，內(nèi)部晶體結(jié)破壞程度加劇，并且由于晶體結(jié)構(gòu)的破壞程度增加而導(dǎo)致黃砂巖整體變得更加“酥軟”，細(xì)觀損傷程度愈發(fā)嚴(yán)重。

4 結(jié)論

(1)隨著初始高溫?fù)p傷程度的增加，高溫對(duì)黃砂巖壓縮破壞的影響程度加劇，但是同時(shí)因?yàn)閲鷫涸鰪?qiáng)效應(yīng)致使巖石試件受初始高溫?fù)p傷效應(yīng)影響降低，但也增加了試樣峰值強(qiáng)度、提高了峰值應(yīng)變。

(2)當(dāng)溫度20 ℃≤T≤200 ℃時(shí)，高溫作用使得黃砂巖試件的峰值強(qiáng)度增強(qiáng)，當(dāng)200 ℃≤T≤600 ℃高溫作用使得黃砂巖試件按照線性降低峰值強(qiáng)度，但是當(dāng)600 ℃≤T≤800 ℃時(shí)隨著溫度的升高，三軸抗壓強(qiáng)度急劇下降，表明在此溫度范圍內(nèi)，初始高溫作用導(dǎo)致巖石樣品內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生根本性轉(zhuǎn)變，巖石內(nèi)部細(xì)觀裂紋的萌生和外表面宏觀裂紋的擴(kuò)展和發(fā)育同時(shí)發(fā)生，對(duì)黃砂巖受高溫破壞的影響很大。高溫導(dǎo)致整體強(qiáng)度的降低主要從降低內(nèi)部黏聚力、增加晶體結(jié)構(gòu)之間的摩擦力、晶體結(jié)構(gòu)的改變?nèi)矫嬉稹?/p>

(3)隨著溫度的增加，巖石內(nèi)部晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生轉(zhuǎn)變，分子熱運(yùn)動(dòng)增加，晶體結(jié)構(gòu)受熱膨脹裂解，晶體結(jié)構(gòu)中位錯(cuò)現(xiàn)象增加，導(dǎo)致晶體結(jié)構(gòu)自身強(qiáng)度降低，新生裂紋于晶體結(jié)構(gòu)內(nèi)部產(chǎn)生并快速與原生裂紋擴(kuò)展、貫通，細(xì)觀破壞斷口表現(xiàn)為脆性斷裂程度增加，并于局部小范圍內(nèi)存在韌性斷裂形貌。

(4)隨著溫度的增加，600 ℃≤T≤800 ℃時(shí)巖石內(nèi)部晶體結(jié)構(gòu)中的位錯(cuò)現(xiàn)象發(fā)生頻率急劇增加，導(dǎo)致穿晶裂紋大量產(chǎn)生于晶體結(jié)構(gòu)內(nèi)外表面，同時(shí)巖石內(nèi)部新生裂紋與原生裂紋二者相互貫穿、連接，使得試件內(nèi)外表面裂紋急劇擴(kuò)張，從而導(dǎo)致晶體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度整體降低，從而導(dǎo)致巖石試件整體強(qiáng)度的降低，試件整體表現(xiàn)得更加“酥軟”。