王 超, 尹土兵, 2

(1.中南大學(xué)資源與安全工程學(xué)院，長沙 410083;2.中南大學(xué)深部金屬礦產(chǎn)開發(fā)與災(zāi)害控制湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長沙 410083)

礦產(chǎn)資源深部開采[1]、地?zé)豳Y源開發(fā)利用[2]、地下工程火災(zāi)后重建[3]以及核廢料儲(chǔ)存[4]等巖石工程都處于高溫狀態(tài)，同時(shí)還受到爆破、機(jī)械鑿巖和高階段落礦等[5-6]動(dòng)載荷擾動(dòng)，導(dǎo)致巖石工程發(fā)生損傷甚至破壞。眾所周知，巖石的抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)小于抗壓強(qiáng)度使得巖石工程大部分發(fā)生拉伸破壞。因此，研究巖石在溫-壓耦合狀態(tài)下的動(dòng)態(tài)拉伸特性具有重要意義，且一直是國內(nèi)外眾多學(xué)者的研究熱點(diǎn)。

研究溫度對巖石力學(xué)性質(zhì)的影響分為熱處理后和高溫下兩種狀態(tài)，受到測量技術(shù)的限制，目前對巖石動(dòng)態(tài)拉伸性質(zhì)的研究主要局限在熱處理后的狀態(tài)。劉石等[7]進(jìn)行了高溫后大理巖動(dòng)態(tài)劈裂拉伸試驗(yàn)的研究，結(jié)果表明在同一加載速率下，隨著溫度的升高，拉伸強(qiáng)度先增大后減小。夏開文等[8]研究發(fā)現(xiàn)熱處理后的花崗巖在受到靜水圍壓的作用下動(dòng)態(tài)拉伸強(qiáng)度會(huì)顯著增大。Mardoukhi等[9]使用數(shù)字圖像相關(guān)法觀察受到火焰沖擊后的試樣在動(dòng)態(tài)巴西劈裂試驗(yàn)時(shí)表面的裂紋萌生和擴(kuò)展。Yao等[10]利用X射線計(jì)算機(jī)斷層掃描法量化龍游砂巖(LS)的熱損傷，并建立了加載率和溫度對LS拉伸強(qiáng)度影響的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀?/p>

單軸壓縮條件下，巖石在高溫下以及加熱冷卻后的力學(xué)性質(zhì)有明顯的區(qū)別[11-12]。到現(xiàn)在為止，巖石在高溫下的動(dòng)態(tài)力學(xué)性質(zhì)鮮有研究，因?yàn)樵诟邷叵逻M(jìn)行動(dòng)態(tài)試驗(yàn)時(shí)需要考慮溫度對應(yīng)力波的影響。主要有兩種方法來消除溫度對彈性桿參數(shù)的影響：①設(shè)計(jì)一套全新的動(dòng)態(tài)加載裝置來實(shí)現(xiàn)高溫試樣與彈性桿同步組裝，然后快速撞擊[13]；②對受到溫度影響的應(yīng)力波進(jìn)行修正，從而保留原有的分離式霍普金森壓桿(SHPB)系統(tǒng)。平琦等[14]利用自制的高溫環(huán)境箱進(jìn)行了高溫下砂巖沖擊壓縮試驗(yàn)，得出了試樣動(dòng)態(tài)峰值應(yīng)力和應(yīng)變都與加載速率近似呈二次多項(xiàng)式關(guān)系的結(jié)論。Wong等[15]對Carrara大理巖進(jìn)行了4種加熱狀態(tài)的動(dòng)態(tài)壓縮實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明在相同入射能量下，隨著溫度的升高，試件強(qiáng)度降低，裂紋擴(kuò)展速度加快。

本文基于高溫下應(yīng)力波修正的方法[16]，使用自行設(shè)計(jì)的加熱爐結(jié)合SHPB裝置來測試砂巖在高溫下以及熱處理后的動(dòng)態(tài)拉伸特性，試驗(yàn)溫度分別為25、100、200、300、400、500、600 ℃。研究加載率和溫度對砂巖圓盤的動(dòng)態(tài)拉伸強(qiáng)度與破壞模式的影響，對高溫下以及熱處理后的拉伸性能進(jìn)行了對比研究，并分析了兩種溫度狀態(tài)對砂巖拉伸強(qiáng)度影響的機(jī)理。

1 試樣制備與處理

1.1 試樣制備與描述

試樣是產(chǎn)自中國云南省楚雄彝族自治州的細(xì)粒紅砂巖，無肉眼可見裂紋與缺陷，試樣直徑是平均粒徑的10倍以上，試樣的基本物理性質(zhì)如表1所示。根據(jù)國際巖石力學(xué)學(xué)會(huì)的要求[17]，先從同一巖塊中取出巖芯，然后切割成圓盤，最后對試樣表面進(jìn)行拋光和打磨成直徑50 mm，長徑比為0.5的巴西圓盤(BD)，使表面粗糙度小于0.02 mm，端面與軸向夾角誤差小于0.001 rad。對試樣使用X射線衍射(XRD)進(jìn)行分析得出的礦物組成如圖1所示。

表1 砂巖的基本物理力學(xué)性質(zhì)

圖1 試樣礦物組成Fig.1 Sample mineral composition

1.2 試樣處理

試樣分為熱處理后和高溫下兩組，溫度梯度為常溫(25)、100、200、300、400、500、600 ℃共7組，每組溫度下的試樣數(shù)不少于5個(gè)。熱處理和高溫下組都以10 ℃/min的升溫速率由室溫加熱到預(yù)設(shè)溫度，然后保溫1 h，以保證試樣整體處于同一均勻溫度場中。熱處理的試樣保溫結(jié)束后自然冷卻至室溫，高溫下的試樣則直接進(jìn)行沖擊試驗(yàn)。熱處理后的試樣如圖2a所示，從試樣表觀顏色(見圖2b)中可以看出，試樣經(jīng)過100 ℃處理后與常溫試樣的顏色并無肉眼可見區(qū)別；而當(dāng)熱處理溫度到達(dá)200 ℃和300 ℃時(shí)，試樣的表面由紅色變?yōu)楹谏?，?00 ℃比200 ℃的黑色更深；當(dāng)熱處理溫度達(dá)到400 ℃時(shí)，試樣表面的黑色又消失了，顏色重新變?yōu)榕c25 ℃和100 ℃相近的紅色；當(dāng)溫度達(dá)到500 ℃和600 ℃時(shí)，試樣表面的紅色愈加明顯，且600 ℃的試樣呈現(xiàn)出帶微黃的磚紅色。

圖2 熱處理后的試樣與表觀顏色Fig.2 Samples and apparent color after heat treatment

2 試驗(yàn)設(shè)備與方法

2.1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)設(shè)備系統(tǒng)由動(dòng)態(tài)沖擊裝置、加熱裝置和高速攝像裝置組成。試驗(yàn)所用的沖擊裝置為Li等[18]改進(jìn)后的分離式霍普金森壓桿系統(tǒng)，能實(shí)現(xiàn)半正弦波重復(fù)加載并且得出脆性巖石的動(dòng)態(tài)力學(xué)特性。該系統(tǒng)主要由氮?dú)怛?qū)動(dòng)裝置、紡錘型沖頭、入射桿、透射桿、吸收桿和能量吸收裝置組成。所有的桿和沖頭都是由高強(qiáng)度的40Cr合金制成，桿的基本參數(shù)如表2所示。入射桿和透射桿上的應(yīng)變片記錄下的電壓信號通過動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀放大后以波形信號的方式顯示在示波器上，基于一維應(yīng)力波理論[19]，并考慮加載時(shí)間，可以得出試樣與桿的兩個(gè)端面處的載荷如下：

表2 彈性桿的基本參數(shù)

P1(t)=AbEb[εI(t)+εR(t)]

(1)

P2(t)=AbEbεT(t)

(2)

式中：P1(t)和P2(t)分別為試樣與入射桿端面的載荷和試樣與透射桿端面的載荷；Ab和Eb分別為桿的橫截面積和彈性模量；εI、εR和εT分別為入射、反射和透射應(yīng)變。

自行設(shè)計(jì)的加熱裝置型號為NZ-2-1200，由高溫爐和溫度控制儀組成(見圖3)，最高設(shè)計(jì)溫度可達(dá)1 200 ℃。爐體由金屬外殼、外保溫層、內(nèi)保溫層和爐膛組成，爐體尺寸為長450 mm，寬470 mm，高400 mm，爐膛尺寸為200 mm×200 mm×140 mm，爐膛內(nèi)上下對稱布置有12根耐高溫的鎳鉻合金電爐絲。為了使用高速攝像儀拍攝到試樣在實(shí)時(shí)高溫下沖擊時(shí)的破壞過程，保證試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，爐門上布置有寬100 mm、高80 mm的可視窗口，其材料為耐高溫的厚石英玻璃。

圖3 試驗(yàn)裝置系統(tǒng)Fig.3 Experimental equipment system

2.2 試驗(yàn)方法

(3)

式中：Pmax為試驗(yàn)時(shí)的最大載荷；D為試樣的直徑；t為試樣的厚度。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 動(dòng)態(tài)應(yīng)力平衡

應(yīng)力平衡是動(dòng)態(tài)試驗(yàn)結(jié)果有效的前提，可通過比較整個(gè)加載過程中試樣兩端的應(yīng)力進(jìn)行校準(zhǔn)[17]。由示波器記錄的動(dòng)態(tài)巴西劈裂電壓信號(見圖4a)及電信號處理后的應(yīng)力平衡(見圖4b)可以看出，入射應(yīng)力和反射應(yīng)力疊加以后的曲線在應(yīng)力峰值前期幾乎與透射應(yīng)力的曲線重合，這說明在應(yīng)力峰值前期，試件兩端受力幾乎相等，此時(shí)可以忽略慣性效應(yīng)。試驗(yàn)中每個(gè)試樣的數(shù)據(jù)都會(huì)進(jìn)行應(yīng)力平衡驗(yàn)證，若不滿足條件則舍去該數(shù)據(jù)。

圖4 電壓信號和動(dòng)態(tài)應(yīng)力平衡Fig.4 Voltage signal and dynamic stress balance

3.2 加載率與拉伸強(qiáng)度的確定

以應(yīng)變率為變量來研究巖石的率效應(yīng)一般只適用于壓縮試驗(yàn)，對于動(dòng)態(tài)巴西劈裂試驗(yàn)而言，用加載率作為變量來表征巖石的率效應(yīng)更為合適[21]。當(dāng)試樣達(dá)到應(yīng)力平衡時(shí)，可以利用試樣的應(yīng)力-時(shí)間曲線來確定加載率和拉伸強(qiáng)度[17](見圖5)，可以看出在50～75 μs之間應(yīng)力存在一段近似線性增加的區(qū)域，該線性段的斜率定義為試樣的加載率，即333 GPa/s。根據(jù)式(3)可知應(yīng)力-時(shí)間歷程曲線的最高點(diǎn)為試樣的拉伸強(qiáng)度，為13.85 MPa。

圖5 拉伸應(yīng)力-時(shí)間Fig.5 Tensile stress-time

3.3 加熱冷卻后砂巖動(dòng)態(tài)拉伸強(qiáng)度

熱處理后的砂巖動(dòng)態(tài)拉伸試驗(yàn)結(jié)果如表3所示，將7組溫度的數(shù)據(jù)描繪成散點(diǎn)圖來研究溫度和加載率對動(dòng)態(tài)拉伸強(qiáng)度的影響(見圖6)，可以看出數(shù)據(jù)點(diǎn)的離散性不是很大。在每個(gè)溫度下都可以清晰地看出拉伸強(qiáng)度具有率效應(yīng)，即拉伸強(qiáng)度隨著加載率的增大而增大，且兩者呈線性關(guān)系，由此可見加載率對拉伸強(qiáng)度起到了增強(qiáng)作用。將離散點(diǎn)進(jìn)行線性擬合得出各個(gè)溫度下的拉伸強(qiáng)度隨加載率變化的趨勢線，從趨勢線的位置關(guān)系可以看出除了100 ℃以外，其他溫度的拉伸強(qiáng)度都比25 ℃小，且拉伸強(qiáng)度隨著溫度的升高而減小。

表3 熱處理后及高溫下砂巖動(dòng)態(tài)拉伸試驗(yàn)結(jié)果

圖6 熱處理后砂巖動(dòng)態(tài)拉伸強(qiáng)度Fig.6 Dynamic tensile strength of sandstone after heat treatment

3.4 實(shí)時(shí)高溫下砂巖動(dòng)態(tài)拉伸強(qiáng)度

砂巖在高溫下的動(dòng)態(tài)拉伸試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果如表3所示，表3中25 ℃的試驗(yàn)數(shù)據(jù)與熱處理后的是同一組。高溫下拉伸強(qiáng)度對應(yīng)加載率的數(shù)據(jù)點(diǎn)如圖7所示，相比熱處理后的數(shù)據(jù)，高溫下的數(shù)據(jù)點(diǎn)離散性較大。從圖7中仍然可以看出砂巖在高溫下的加載率依賴性很強(qiáng)，說明脆性巖石的率效應(yīng)不會(huì)因?yàn)闇囟葓龅拇嬖诙l(fā)生改變。從各溫度下拉伸強(qiáng)度的趨勢線可以看出，除了600 ℃以外，其他溫度下的拉伸強(qiáng)度都較常溫大，且整體的拉伸強(qiáng)度變化趨勢是先增大后減小，200 ℃和300 ℃時(shí)的拉伸強(qiáng)度是最大的。

圖7 實(shí)時(shí)高溫下砂巖動(dòng)態(tài)拉伸強(qiáng)度Fig.7 Dynamic tensile strength of sandstone at high temperature

3.5 動(dòng)態(tài)巴西劈裂破壞模式

只有當(dāng)圓盤試樣沿著加載方向靠近圓盤中心處首先出現(xiàn)開裂時(shí)，才是有效的動(dòng)態(tài)BD試驗(yàn)[20]。通過高速相機(jī)記錄的熱處理后試樣典型的破壞過程(見圖8a)可以看出，1條沿著加載方向的主裂紋在試樣的中心產(chǎn)生，然后沿著直徑方向往兩邊擴(kuò)展，700 μs的時(shí)候二次裂紋在試樣和桿接觸的地方萌生，然后向圓盤中心擴(kuò)展形成剪切區(qū)域，整體的裂紋看起來像字母“X”。

圖8 高速相機(jī)記錄的試樣破壞過程Fig.8 Failure process recorded by high-speed camera

由高速相機(jī)在高溫下拍攝的試樣破壞過程(見圖8b)可知，裂紋的萌生與拓展過程與熱處理后的破壞過程一致，但高溫下試樣的破壞形態(tài)有所差別，有時(shí)試樣直接沿著主裂紋分成兩瓣，沒有其他的小碎片，將這種破壞模式稱為Ⅰ型。

由熱處理后試樣碎片回收后拼接的形態(tài)(見圖9a)可以看出，試樣的破壞形態(tài)都是沿著中心線被分成兩瓣，兩端因?yàn)閼?yīng)力集中都存在三角形剪切帶，且隨著熱處理的溫度升高，兩端的剪切帶變大，將這種破壞模式劃分為X型。當(dāng)溫度達(dá)到400 ℃以上，圓盤中心線附近的碎片太過零散，有時(shí)呈粉末狀，導(dǎo)致無法拼接成較完整的圓盤，說明熱處理溫度對試樣拉伸強(qiáng)度的弱化效應(yīng)也會(huì)表現(xiàn)在破壞形態(tài)上。

由高溫下試樣的破壞形態(tài)(見圖9b)可知，除了有熱處理后的X型破壞模式，高溫下的破壞模式還有Ⅰ型。在實(shí)時(shí)高溫狀態(tài)下，破壞模式和溫度沒有明顯的關(guān)系，而是隨著加載率的增大，破壞模式由Ⅰ型轉(zhuǎn)化為X型。

圖9 巴西圓盤的破壞形態(tài)Fig.9 Failure pattern of Brazilian disc

4 討論

溫度對巖石工程穩(wěn)定性和安全性的影響主要表現(xiàn)在強(qiáng)度的變化上，因此了解加熱冷卻后和實(shí)時(shí)高溫下溫度對試樣拉伸強(qiáng)度的影響至關(guān)重要。以25 ℃的動(dòng)態(tài)拉伸強(qiáng)度為參照，兩種溫度狀態(tài)下砂巖的拉伸強(qiáng)度有明顯的區(qū)別。熱處理后和高溫下拉伸強(qiáng)度隨加載率的變化關(guān)系如圖10所示。

圖10 熱處理后和高溫下砂巖動(dòng)態(tài)拉伸強(qiáng)度Fig.10 Dynamic tensile strength of sandstone after heat treatment and at high temperature

從圖10中可以看出熱處理后砂巖的拉伸強(qiáng)度隨著溫度的升高而減小，值得注意的是100 ℃的拉伸強(qiáng)度較25 ℃大，這一溫度增強(qiáng)效應(yīng)主要是因?yàn)樵嚇觾?nèi)部的自由水被蒸發(fā)，而且礦物顆粒之間的縫隙因?yàn)槭軣岢霈F(xiàn)不可逆的膨脹，從而增加了試樣的致密性，最終表現(xiàn)出強(qiáng)度增大。超過100 ℃以后，隨著熱處理溫度的升高，試樣的拉伸強(qiáng)度逐漸減小，主要影響因素有：一些黏結(jié)物或礦物達(dá)到了熔點(diǎn)、不同礦物晶粒的熱膨脹系數(shù)不同而產(chǎn)生結(jié)構(gòu)熱應(yīng)力、573 ℃時(shí)α-β石英發(fā)生相變轉(zhuǎn)化等[22]。

實(shí)時(shí)高溫狀態(tài)下，從25～200 ℃，拉伸強(qiáng)度一直增大，且100 ℃的拉伸強(qiáng)度比100 ℃熱處理后的大；當(dāng)溫度達(dá)到300 ℃時(shí)，拉伸強(qiáng)度與200 ℃時(shí)相比基本沒有變化。400 ℃時(shí)，拉伸強(qiáng)度相比300 ℃已經(jīng)減小了，但是當(dāng)溫度增大到500 ℃時(shí)，拉伸強(qiáng)度并沒有繼續(xù)減小，500 ℃和400 ℃的拉伸強(qiáng)度差距很小，但總體來說500 ℃的拉伸強(qiáng)度比25 ℃大。當(dāng)溫度達(dá)到600 ℃時(shí)，試樣的拉伸強(qiáng)度相比500 ℃有很大的降幅，而且比25 ℃更小，因此600 ℃可認(rèn)為是門檻溫度。

無論是熱處理后還是高溫下，加載率對于砂巖的拉伸強(qiáng)度都是增強(qiáng)效果，當(dāng)加載率在125～400 GPa/s的范圍內(nèi)，隨著加載率的增大，拉伸強(qiáng)度呈線性趨勢增大。因此，引入拉伸強(qiáng)度與加載率之間關(guān)系的公式：

(4)

由熱處理后和高溫下兩種狀態(tài)的擬合結(jié)果(見表4)可以看出，熱處理后的擬合曲線斜率變化不大，各溫度下的擬合曲線基本上是平行的，說明熱處理的溫度對拉伸強(qiáng)度的影響還是很顯著的。相比之下，高溫下擬合曲線的斜率就顯得比較離散，沒有一致的變化規(guī)律，表明在高溫狀態(tài)下拉伸強(qiáng)度受加載率和溫度共同作用的方式比較復(fù)雜。

由室溫(25 ℃)、實(shí)時(shí)高溫和加熱冷卻后試樣的微觀結(jié)構(gòu)(見圖11)可知，實(shí)時(shí)高溫狀態(tài)下，可以看出試樣內(nèi)部自由水完全被蒸發(fā)，一些不耐熱的膠結(jié)物、礦物溶解或分解導(dǎo)致新裂紋產(chǎn)生和初始裂紋蔓延，相鄰的礦物顆粒受熱膨脹相互擠壓產(chǎn)生新的裂紋，高溫下出現(xiàn)穿晶裂紋，還有些裂隙受熱膨脹閉合(見圖11b)。加熱冷卻后的巖石內(nèi)部礦物顆粒冷卻收縮，裂紋相互連接和擴(kuò)展，冷卻收縮后裂隙變大，礦物、膠結(jié)物被熱分解或溶解(見圖11c)。砂巖在高溫下的動(dòng)態(tài)拉伸強(qiáng)度比熱處理后的高，主要原因在于高溫下的礦物顆粒始終都處于一個(gè)受熱膨脹的狀態(tài)，即便溫度會(huì)惡化巖石內(nèi)部結(jié)構(gòu)，但是熱膨脹作用會(huì)抑制裂紋相互連接，使得試樣結(jié)構(gòu)更加密實(shí)，表現(xiàn)出強(qiáng)度較大。

圖11 試樣的微觀結(jié)構(gòu)Fig.11 Microstructure of the sample

5 結(jié)語

基于一種高溫下應(yīng)力波的修正方法開展了高溫下和熱處理后砂巖動(dòng)態(tài)拉伸特性的比較研究，結(jié)果表明砂巖的應(yīng)變率依賴性在兩種溫度狀態(tài)下都存在，且隨著加載率的增大，拉伸強(qiáng)度近似呈線性增大。熱處理后的砂巖拉伸強(qiáng)度除100 ℃外都比常溫狀態(tài)小，隨著熱處理溫度的增大，拉伸強(qiáng)度減小，巴西圓盤兩端的三角形剪切帶增大且破壞碎片增多甚至粉碎。高溫下砂巖的拉伸強(qiáng)度除600 ℃外都比常溫狀態(tài)大，且拉伸強(qiáng)度隨著溫度的升高先增大后減小，但高溫狀態(tài)下的圓盤破壞模式基本不受溫度影響，而是加載率起主導(dǎo)作用。高溫下和熱處理后的拉伸強(qiáng)度有著很大的區(qū)別，熱處理溫度對砂巖的拉伸強(qiáng)度基本上是弱化作用，而高溫下的試樣一直處于熱膨脹狀態(tài)，導(dǎo)致試樣的微裂隙和孔洞一定程度上受熱閉合從而使試樣結(jié)構(gòu)更加密實(shí)，抑制了微裂隙相互連結(jié)成大裂紋，最終表現(xiàn)為強(qiáng)度較常溫狀態(tài)大。