張衛(wèi)強，曹志成，周琦忠，王左券，吳 云

(1.中國礦業(yè)大學 資源與地球科學學院，江蘇 徐州 221116；2.中國礦業(yè)大學 礦區(qū)深部零碳負碳技術教育部工程研究中心，江蘇 徐州 221116；3.中國礦業(yè)大學 地熱資源研究中心，江蘇 徐州 221116；4.江蘇省地質礦產局第五地質大隊，江蘇 徐州 221004)

燒變巖作為煤層自燃的重要產物，在世界范圍內廣泛分布。燒變作用后，煤層圍巖結構發(fā)生顯著變化，導致其物理力學性質及工程效應隨之發(fā)生明顯改變[1-3]。掌握巖石結構在燒變過程中的演化規(guī)律，可有效預判燒變巖區(qū)的工程地質特性，規(guī)避一些意想不到的地質災害[4-6]。因此，開展燒變巖結構演化機制研究具有重要的理論意義和工程應用價值[7-8]。

目前，關于燒變作用下巖石結構演變特征等方面的研究還相對較少，研究方法主要以溫壓交變條件下的巖石熱破裂室內試驗、現場觀測及數值模擬為主[9-12]。巖石熱破裂試驗方面，主要通過SEM、核磁共振、CT 掃描等微觀測試方法探究熱破裂累進過程及結構損傷在物理力學性質上的響應特征[13-16]，如左建平等[17]利用掃描電鏡(SEM)研究了砂巖的熱破裂特征，發(fā)現礦物的熱力學性質對裂縫發(fā)育影響顯著；趙陽升等[18]利用CT掃描觀測了花崗巖的三維熱破裂過程，得到不同溫度下的熱裂紋形態(tài)特征；孫中光等[19]基于核磁共振研究了花崗巖孔隙特征隨溫度的變化規(guī)律；張衛(wèi)強[20]研究了高溫作用后巖石結構損傷與波速、電阻率和強度等物理力學性質的關聯關系。現場觀測方面，主要是對燒變區(qū)的結構進行探測，探測結果與地層水文地質特征相聯系[21-22]。數值模擬方面，主要是基于固熱耦合模型、有限元分析等方法模擬巖石熱破裂過程[23-24]。熱破裂機理方面，主要通過礦物成分、物理化學反應及微觀結構的變化探究其破裂成因[20,25-26]。以上研究雖提高了對高溫作用下巖石結構演變特征的認識，但研究對象以深部地層的巖漿巖居多。含煤地層為沉積巖，其礦物組分、結構和膠結方式與巖漿巖差異巨大，熱破裂演變機制也完全不同?；?guī)r是含煤地層的典型巖性之一，也是煤礦地質災害防治的重點關注對象，其在煤層自燃中雖很少與煤火直接接觸，但也經常處于燒變范圍內[27-28]，其結構特征隨燒變程度的演化機制尚不明晰，有待進一步開展多尺度的系統(tǒng)研究。

針對以上研究背景，筆者以灰?guī)r為研究對象，通過不同高溫作用模擬燒變過程，探究灰?guī)r試樣宏-細-微觀結構隨溫度的演變規(guī)律，通過數值模擬獲取升降溫過程中溫度場和熱應力場的分布特征及數值變化規(guī)律，X 射線衍射(XRD)結合SEM 測試，探究不同溫度下灰?guī)r主要礦物成分及其礦物顆粒的變化特征，綜合熱應力和礦物分解揭示不同溫度段灰?guī)r結構熱破裂的機理，以期深化巖體破裂相關理論研究，為燒變巖區(qū)工程活動提供借鑒和指導。

1 試驗樣品及步驟

1.1 試驗樣品

試驗所用灰?guī)r試樣采自江蘇徐州某礦，平均密度2.71 g/cm3，表面呈灰色，質地均勻，無肉眼可見裂紋，局部可見方解石填充的白色條帶。通過X 射線衍射測試，查明試樣的主要礦物含量為方解石、白云石、石英、白云母和菱鎂礦，石英、白云母和菱鎂礦含量均較少，結果如圖1 所示。試驗所用試樣的規(guī)格為?50 mm×25 mm 的標準圓柱體，端面不平整度和側面不平整度的誤差分別在0.02 mm 和0.20 mm 以內。

1.2 試驗步驟和儀器

為模擬燒變過程中高溫對巖石的烘烤作用，對分組后的灰?guī)r試樣進行不同目標溫度的高溫處理，溫度分別設為100、200、300、400、500、600、700 和800℃，每組設2 個平行試樣，加熱前需對天然試樣進行稱重和拍照。考慮地下煤層自燃過程相對緩慢，本次試驗將升溫速率設置為5℃/min(避免熱沖擊作用)。試樣在馬弗爐中完成高溫處理，并在目標溫度下保持恒溫2 h(保證試樣充分受熱)，降溫方式采用室溫空氣中自然冷卻。

對經歷不同高溫作用后的灰?guī)r試樣再次進行稱重及表面裂隙的觀測和拍照，然后利用真空增壓飽和缸對試樣進行20 MPa 壓力下的飽和處理(飽和時間12 h)，對飽和試樣再次稱重，根據吸水質量計算開孔孔隙率。通過加熱前后的質量差與加熱前試樣的質量之比計算質量損失率。最后，利用試驗后的試樣制作掃描電鏡和X 射線衍射的試樣并進行測試，從微觀結構和主要礦物成分的變化特征方面探討灰?guī)r燒變過程中的熱破裂機理。試驗所用的主要儀器如圖2 所示，試樣開孔孔隙率和質量損失率的計算公式如下：

圖2 主要試驗儀器Fig.2 Primary devices for experiments

2 試驗結果與分析

2.1 宏觀熱破裂特征

圖3 顯示了不同溫度作用后灰?guī)r的宏觀形貌變化特征?？梢姡斀洑v溫度低于500℃時，灰?guī)r的表觀形貌未發(fā)現肉眼可見的變化，僅表觀顏色有略微變化，由青灰色向土黃色過渡。當經歷溫度達到500℃時，試樣表面可觀察到一條與邊緣近乎垂直的細小裂紋，熱破裂現象開始出現。隨著經歷溫度的持續(xù)升高，熱破裂現象越來越明顯。在經歷溫度為600℃時，灰?guī)r試樣發(fā)育了2 條熱裂紋，且在延伸過程中相交，將試樣劈裂成兩塊。當加熱溫度達到700℃時，熱破裂的模式發(fā)生了顯著變化，并未觀察到從試樣邊緣起裂并沿大角度向內延伸的熱裂紋，而是在靠近試樣邊緣位置發(fā)育了與試樣邊緣近似平行的圓弧型裂紋，且裂紋兩側的顏色明顯不同；試樣邊緣的棱角也大部分脫落，圓弧型裂紋與邊緣之間偶見細小連接裂紋。試樣中間部位的顏色與邊緣位置不同的原因是試樣在室內空氣中自然降溫冷卻，冷卻過程中試樣底部與空氣無充分接觸，致使CaO 不能與空氣中的水分充分反應生成Ca(OH)2，從而引起試樣中部和邊緣位置顏色的差別。當經歷溫度達到800℃后，灰?guī)r發(fā)生了劇烈的熱破裂現象，完全破碎，不成形狀。

圖3 高溫作用后灰?guī)r的宏觀形貌變化特征Fig.3 Changes in the macroscopic morphologies of limestone samples under high temperatures

基于以上分析，可將研究溫度范圍內灰?guī)r試樣的宏觀熱破裂過程分為3 個階段：(1) 孕育階段(常溫至400℃)：試樣未發(fā)生熱破裂；(2) 裂紋發(fā)育初期階段(500～600℃)：裂紋形態(tài)較簡單，以直線型裂紋發(fā)育為主，數量較少，主要是已發(fā)育裂紋的擴展；(3) 復雜裂紋發(fā)育階段(700～800℃)：當溫度達到700℃時，試樣表面發(fā)育圓弧型裂紋為主的復雜裂紋，附近伴有一些細小的次級裂紋發(fā)育。當經歷溫度達到800℃時，試樣礦物成分發(fā)生顯著變化，結構發(fā)生嚴重損傷，加上熱應力較高，致使試樣完全破碎。由此可見，巖石熱破裂的發(fā)生需要一定的時間積累，不是升高到目標溫度破裂即發(fā)生，即熱破裂形式隨著經歷溫度的升高不會累進疊加，而是在不同溫度范圍呈現出不同模式。

2.2 細觀結構破裂特征

為進一步研究灰?guī)r的熱破裂機制，通過細觀顯微鏡對經歷不同溫度作用后的試樣表面進行了細觀觀測(放大50 倍左右)，結果如圖4 所示。在細觀尺度上，觀察到熱破裂發(fā)育的起始溫度相對宏觀尺度要低。在經歷300℃的試樣中觀察到在方解石填充裂隙中出現了細微裂隙，但在層理及其他區(qū)域均未觀測到裂隙。當經歷溫度達到400℃時，在層理位置觀察到一條長度和寬度均很小的且沿著層理方向發(fā)育的裂隙。垂直層理方向的裂隙在500℃時初次觀測到，且裂隙的寬度相對300～400℃試樣明顯增大，在肉眼尺度上已可觀察到。更高溫度試樣的裂隙發(fā)育特征與宏觀熱破裂現象一致。

圖4 灰?guī)r細觀熱破裂特征Fig.4 Mesoscopic thermal cracking characteristics of limestone samples

2.3 微觀結構損傷特征

灰?guī)r熱破裂的本質是礦物結構或膠結物的損傷或破壞，故運用掃描電鏡對不同溫度作用后灰?guī)r試樣的微觀結構演變特征進行了觀測?？紤]灰?guī)r的宏-細觀破裂特征相對較簡單，并未形成復雜的縫網結構，故本次選取未破裂區(qū)進行研究，放大倍數選用500 倍，結果如圖5 所示。從掃描電鏡結果可知，灰?guī)r的礦物晶體顆粒排列很緊密，粒徑相對較均勻，在400℃前均未觀察到明顯的裂隙發(fā)育；當經歷溫度達到400℃時，觀察到有少量細小沿晶裂隙開始出現，裂隙的寬度和長度均較??；隨著經歷溫度的持續(xù)升高，裂隙的數量和尺寸均逐漸增大，在500℃時觀察到一條幾乎貫穿觀測區(qū)域的較寬裂隙，且部分顆粒間膠結的致密性有所降低；在經歷溫度為600℃時，可見較多長度和寬度均較大的裂隙發(fā)育，試樣的斷口形貌也有顯著變化，斷口粗糙度變大，平整的礦物斷面明顯變少，這說明礦物間的膠結強度明顯降低；當經歷溫度達到700℃時，裂隙數量和長度進一步發(fā)育，但裂隙寬度反而較600℃有所下降，裂隙之間相互連通形成縫網結構，礦物顆粒表面出現絮狀物質；800℃試樣的裂隙數量和發(fā)育程度與700℃試樣相差不大，但礦物顆粒出現較大變化，顆粒表面幾乎布滿絮狀物質，這也是800℃試樣整體碎裂的主要成因。

圖5 高溫作用對灰?guī)r微觀結構的影響(500 倍)Fig.5 Effects of high temperatures on the microstructures of limestone samples (500 times)

為進一步觀察礦物晶體表觀形貌的變化，將掃描電鏡的放大倍數提升到3 000 倍，結果如圖6 所示?？梢?，經歷500℃的灰?guī)r試樣的礦物晶體還很完整，雖有沿晶裂隙發(fā)育，但顆粒表面十分規(guī)整；600℃試樣的少部分礦物晶體表面呈現蜂窩狀，說明開始發(fā)生化學反應；700℃時，部分礦物表面出現小的孔洞和絮狀物質；800℃時，礦物晶體表面幾乎被白色的小圓球覆蓋，整體呈絮狀。

圖6 灰?guī)r礦物顆粒微觀形貌的變化特征(3 000 倍)Fig.6 Changes in the microscopic morphologies of limestone mineral grains (3 000 times)

2.4 開孔孔隙率和質量損失率變化特征

由經歷不同溫度后灰?guī)r試樣微-細-宏觀結構的觀測結果可知，熱破裂和礦物成分轉變是灰?guī)r高溫損傷的主要體現。結構及礦物成分變化會引起孔隙率和質量的改變，不同溫度作用后灰?guī)r試樣的開孔孔隙率和質量損失率測試結果如圖7 和圖8 所示。

圖7 高溫作用后灰?guī)r開孔孔隙率的變化Fig.7 Changes in the porosity of open pores in limestone samples under high temperatures

圖8 高溫作用后灰?guī)r質量損失率的變化Fig.8 Changes in the mass loss rate of limestone samples under high temperatures

圖7 顯示，灰?guī)r的開孔孔隙率在200℃之前變化不大，200℃后快速增大，尤其是400～700℃段增長最快。200～700℃段的開孔孔隙率曲線可擬合為二項式函數，相關系數高達0.988，具體的函數表達式如下：

圖8 顯示了不同溫度作用后灰?guī)r試樣的質量損失率變化曲線，可以看出，研究溫度范圍內灰?guī)r的質量損失率呈階段性變化規(guī)律，大致可分為3 個階段：(1) 常溫至400℃：試樣的質量損失率基本沒有變化；(2) 在400～600℃：質量損失率略有升高；(3) 600～800℃：質量損失率急劇增大，從600℃時的0.61%增長到800℃時9.14%，增長速率達15 倍左右。對比分析不同溫度后灰?guī)r結構、開孔孔隙率及質量損失率的變化特征發(fā)現，質量損失率與結構演變的對應關系相對較好，400℃前試樣僅在方解石填充裂隙或層理局部位置發(fā)育細微裂紋，正常巖石結構未發(fā)生破裂，主要礦物成分未發(fā)生分解，質量損失率基本未變；400～600℃時，灰?guī)r試樣結構開始緩慢發(fā)生熱破裂，同時含量較低的菱鎂礦開始分解，釋放CO2，引起質量損失率緩慢上升；600℃后熱破裂快速發(fā)育，主要礦物成分方解石和白云石逐漸分解，導致質量損失率快速上升。

3 灰?guī)r熱破裂機理分析

已有研究表明，高溫作用下巖石脫水、相變、礦物分解、分子鍵斷裂等物理化學反應是造成巖石熱損傷的主要原因[5,17,28]。由于本次試驗所用灰?guī)r試樣結構致密，本身含水量極低(小于1%)，且試驗前進行了統(tǒng)一的干燥處理，故高溫作用后自由水喪失對試樣的影響很小，這與圖8 中試樣的質量損失率在400℃前基本不變相互印證。根據高溫作用后灰?guī)r試樣結構的演變特征發(fā)現，熱破裂和礦物成分變化是本次研究溫度范圍內的主要損傷表現。因此，本節(jié)主要從熱應力和礦物成分的角度探討灰?guī)r燒變過程中的熱破裂機理。

3.1 熱應力

采用COMSOL Multiphysics 軟件構建灰?guī)r試樣模型(圖9)，模擬升降溫過程中試樣的熱應力變化規(guī)律?？紤]所用灰?guī)r試樣相對較均質，為簡化模擬工作，忽略了高溫作用下礦物的分解，并將試樣假設為各向同性的均質體。網格劃分采用均分網格方式，網格形狀為三角形。所建數值模型尺寸為?50 mm×25 mm，邊界設置為自由邊界，根據室內試驗條件設置周邊環(huán)境的空氣溫度，加熱過程中空氣的溫度設為(20+5t)℃，降溫過程中空氣的溫度設定為20℃。依據參考文獻中類似灰?guī)r在不同溫度作用后的力學和熱學參數，對數值模擬模型進行參數賦值[25-27]，見表1。

表1 數值模型參數賦值Table 1 Assigned parameters for the numerical model

圖9 灰?guī)r試樣數值模型Fig.9 Numerical model for limestone samples

基于以上模型，模擬了灰?guī)r試樣升降溫過程中溫度場及熱應力場的變化特征。不同目標溫度下溫度場和熱應力場的分布特征及演化規(guī)律基本一致，以500℃試樣的軸向切片為例進行展示和分析，如圖10 所示。從圖10a 和圖10b 可知，升溫過程中試樣中間部位溫度最低，棱角位置處最高，等溫線從外向內呈橢圓形分布；降溫過程的溫度場分布形態(tài)與升溫過程基本一致，但中間溫度最高，棱角處溫度最低。圖10c 和圖10d 展示了熱應力場的分布特征，可見升降溫過程中熱應力場的分布形態(tài)特征基本一致，均是棱角處熱應力最大，頂底面和側面的中部靠近試樣表面處熱應力最低，試樣中間部位的熱應力位于中間水平。熱應力差最大位置為與最低熱應力帶接觸的部位。

圖10 500℃時升降溫過程中灰?guī)r試樣溫度場和熱應力場的分布特征Fig.10 Distributions of the temperature and thermal stress fields of limestone samples during temperature rise and fall at around 500℃

模擬過程中發(fā)現，升溫過程中當環(huán)境溫度達到目標溫度時，試樣內部的溫度差及熱應力達到最大值，而降溫過程中熱應力的最大值基本出現在2 min 內。對不同目標溫度試樣在升降溫過程中的最高、最低溫度及最大熱應力的數值進行統(tǒng)計，如圖11 所示。升溫過程中，隨著目標溫度的升高，試樣的最大溫差逐漸增大，但整體數值不大；熱應力在600℃前變化不大，且由于彈性模量、熱導率等參數隨溫度的變化導致熱應力在200～600℃略有下降，600℃熱應力有相對較大的增大，但最大熱應力在1 MPa 左右，無法使灰?guī)r正常的結構發(fā)生熱破裂。降溫過程中，試樣的最大溫差相對升溫過程明顯增大，最大熱應力的變化速率和數值范圍也顯著變大，且可大致分為3 個階段：(1) 400℃前：最大熱應力隨著經歷溫度的升高快速增大，當經歷溫度達到300℃時，熱應力已達到3.0 MPa 左右，對應細觀結構中方解石填充帶的熱裂紋，可見方解石填充帶的抗拉強度在2.5～3.0 MPa(200℃時的熱應力在2.5 MPa 左右)；(2) 400～600℃：最大熱應力隨著經歷溫度的升高急劇增大，在500℃時熱應力在4.5 MPa 左右，基本達到了灰?guī)r的抗拉強度，解釋了灰?guī)r宏觀結構在500℃出現與層理斜交的熱裂紋的力學成因；(3) 600～800℃：最大熱應力相對600℃有所降低，在4.5～5.5 MPa 波動。因此，判定導致試樣在600～800℃尤其是700～800℃間結構的快速破裂及失穩(wěn)的主控成因是礦物分解而非熱應力。

圖11 升降溫過程中試樣的最高-最低溫度及最大熱應力變化特征Fig.11 Changes in the maximum and minimum temperatures and the maximum thermal stress of limestone samples during temperature rise and fall

3.2 礦物成分

通過XRD 試驗獲取了不同溫度作用后灰?guī)r試樣主要礦物成分的變化特征，如圖12 所示。當經歷溫度低于400℃時，灰?guī)r的主要礦物成分幾乎未發(fā)生變化；經歷溫度達到500～600℃時，部分白云石(CaMg(CO3)2)和菱鎂礦(MgCO3)的衍射峰峰值明顯降低；700℃時，白云石和白云母的衍射峰出現明顯衰減；800℃時，白云石和白云母的衍射峰完全消失，生石灰(CaO)和熟石灰(Ca(OH)2)的衍射峰出現。以上結果表明，菱鎂礦在500℃后發(fā)生了分解，白云石和白云母在600℃開始出現分解，在800℃時分解完畢，完整的生石灰和熟石灰在800℃時出現。

圖12 不同溫度作用后灰?guī)r主要礦物成分的變化特征Fig.12 Changes in the primary mineral components of limestone samples under different temperatures

對比分析XRD 和SEM 測試結果發(fā)現，600℃試樣的SEM 圖片中礦物表面的蜂窩狀結構為菱鎂礦分解的體現；700℃試樣中部分礦物表面的小孔洞及絮狀物質為白云石分解過程中CO2逸出及CaO、Ca(OH)2開始生成的體現，但XRD 結果在700℃時未檢測出CaO和Ca(OH)2的成分，說明700℃下CaO 和Ca(OH)2并未充分形成；800℃時SEM 圖片中的白色絮狀顆粒為Ca(OH)2，且覆蓋了大部分礦物顆粒，這是因為灰?guī)r的主要成分方解石和白云石在800℃時均發(fā)生分解，并生成了CaO，CaO 吸收空氣中的水分生成Ca(OH)2。

3.3 討論

綜合對比灰?guī)r試樣細-宏觀熱破裂特征發(fā)現，方解石填充帶、層理等結構面處的熱破裂溫度閾值在300～400℃；完整巖塊的熱破裂溫度閾值在500℃左右；600℃前發(fā)育的熱破裂形態(tài)較簡單，多呈直線型，且數量較少；700℃時的熱破裂呈環(huán)狀分布，且裂紋周邊分布一些次級裂紋，裂紋的寬度和長度顯著增長；800℃時試樣結構完全破壞，呈破碎狀。從灰?guī)r未破裂區(qū)的微觀結構來看，400℃時開始出現少量細小的沿晶裂紋，根據微觀結構能譜分析(圖13a)可知，破裂位置基本出現在Si 與Ca 元素的交界處(石英與方解石的交界處)；500℃時的裂紋數量沒有明顯變化，但長度和寬度明顯增大，裂紋附近的礦物顆粒間的膠結性也變差；600℃后，裂紋的數量逐漸增多，尺寸逐漸增大，連通性逐漸增強，在700～800℃間礦物表面出現絮狀物質，顆粒間的膠結性逐漸減弱。對800℃試樣的微觀結構進行能譜分析(圖13b)，發(fā)現絮狀物質的分布與Ca 元素的空間分布基本一致，在Si 元素分布區(qū)沒有絮狀物質。這也印證了絮狀物質為方解石和白云石分解的產物。

圖13 灰?guī)r微觀結構能譜分析Fig.13 Energy spectrum analysis of the microstructure of limestone samples

基于以上熱破裂規(guī)律，結合數值模擬的熱應力、XRD 測試及質量損失率剖析不同溫度階段的熱破裂機理。不同溫度下試樣的開孔孔隙率、最大熱應力及質量損失率的變化如圖14 所示。400℃前，主要礦物成分及微觀結構未發(fā)生明顯變化，質量損失率極小，升降溫過程中最大熱應力在3 MPa 以內，故認為300～400℃時在方解石填充帶及層理結構處的熱破裂主要由熱應力引起，在試樣結構原始缺陷處集中，超過該部位的抗拉強度時產生熱破裂。400～600℃時，試樣的微觀結構逐漸發(fā)生損傷，裂紋數量和尺寸緩慢增大，菱鎂礦逐漸分解，質量損失率緩慢增大，最大熱應力快速增大并超過4 MPa。而該溫度段的熱破裂主要以直線型的裂紋為主，數量和尺寸增長速率也較慢，認為該階段的熱破裂機理仍以熱應力為主，含量較少的礦物分解及微觀結構損傷有利于熱應力集中，當熱應力超過試樣的抗拉強度后產生破裂并沿直線型擴展。600～800℃階段，熱應力沒有持續(xù)升高，相對600℃時還略有下降，白云石和方解石逐漸快速分解，對應質量損失率急劇增大，部分分解生成的CaO 與空氣中的水分反應生成Ca(OH)2，CaO 與Ca(OH)2均為粉末狀物質，降低了礦物顆粒間的膠結性，熱應力和礦物分解共同作用下導致該溫度區(qū)間的熱破裂發(fā)育程度較高，到800℃時試樣完全破碎。

圖14 不同溫度作用下灰?guī)r開孔孔隙率、質量損失率及最大熱應力綜合分析Fig.14 Comprehensive analysis of the porosity,mass loss rate,and maximum thermal stress of limestone samples under different temperatures

圖14 中的開孔孔隙率曲線與微觀結構變化、質量損失率曲線的變化規(guī)律有較大區(qū)別，質量損失率在400～600℃間緩慢增大，在600℃后急劇增大；微觀結構在400～600℃間發(fā)育有少量的熱破裂，而600℃后發(fā)育速率顯著增大；而開孔孔隙率從200℃后便快速增大。開孔孔隙率是通過飽和吸水率進行間接計算的，可見高溫作用后灰?guī)r的飽和吸水量并不只是孔裂隙儲水，礦物顆粒本身的吸水率也有所增加，該試驗結果可為燒變巖區(qū)的持水性研究提供借鑒。

4 結論

a.灰?guī)r中典型結構面(方解石填充裂隙、層理等)與完整巖塊的宏-細觀熱破裂溫度閾值分別在300～400℃和500℃左右，微觀尺度上礦物顆粒的熱破裂溫度閾值在400℃左右。

b.灰?guī)r熱破裂形式不隨著溫度的升高累進疊加。600℃前灰?guī)r表觀熱破裂形態(tài)表現為較簡單的直線型，數量較少、尺寸較小，一般在原始缺陷處起裂并近似沿直線擴展；600℃后發(fā)育非線性弧形裂紋，熱破裂形態(tài)與數值模擬獲取的最大熱應力差分布位置基本一致；當溫度達到800℃時，試樣整體發(fā)生破壞，呈散碎狀態(tài)。

c.礦物成分及微觀結構測試結果顯示，500℃前灰?guī)r的熱破裂主要受熱應力控制，熱應力在結構缺陷處形成應力集中，形成熱破裂；500～600℃間的熱破裂主要成因是熱應力增大并超過灰?guī)r抗拉強度，同時菱鎂礦等含量較少的礦物組分發(fā)生分解，助力熱破裂發(fā)育；700～800℃的熱破裂受熱應力與礦物分解共同控制。

符號注釋：

m0為加熱前的試樣質量，g；md為目標溫度處理后的干質量，g；ms為飽和質量，g；Δm為質量損失率，%；n為開孔孔隙率，%；t為時間，min；T為溫度，℃；V0為巖石體積，cm3；ρw為水的密度，g/cm3。