經歷不同高溫后砂巖的動態力學特性實驗研究＊

陳騰飛，許金余，劉 石，王 鵬，方新宇

（1.空軍工程大學工程學院機場建筑工程系，陜西 西安710038；2.中國人民解放軍91531部隊，海南 三亞572000；3.西北工業大學力學與土木建筑學院，陜西 西安710072）

地熱是巖體賦存的地質環境中重要的因素之一，溫度是影響巖石力學性質的重要因素。溫度對巖石的作用主要表現在兩個方面，一方面是物理化學作用，使巖石風化，力學性質蛻化，另一方面表現在溫度變化引起熱應力的物理作用上［1］。實際工程中，也會經常遇到井下煤與瓦斯爆炸、巖石地下工程火災后重建等情況，這些都不可避免地涉及高溫及沖擊荷載條件下巖石的強度及變形特性，相關力學參數是地下工程火災后圍巖穩定性分析、修復加固支護設計等方面不可或缺的基本依據。

在高溫后巖石的靜態物理力學參數測定、變形機制、巖石破壞準則、本構關系、熱裂化及巖石損傷破壞機制等方面，已有了大量實驗研究和理論探討［2－7］，關于巖石動態沖擊荷載下的研究也比較多［8－11］，但針對巖石高溫后的動態力學性能的研究卻較少。

本文中，將選取地質工程中比較常見的砂巖，采用?100mm SHPB實驗裝置，研究經歷不同溫度后的砂巖在不同沖擊荷載作用下的動態力學性能。對SHPB實驗數據進行處理，得出砂巖在沖擊荷載作用下的應力－應變曲線，對砂巖試樣不同溫度不同沖擊荷載下的破壞形態進行詳細的對比分析。

1 實 驗

1.1 砂巖試樣

試樣取自陜西省秦嶺太白山區的天然砂巖，砂巖呈灰白色，具體礦物組成分別為：w（石英）＝52%，w（方解石）＝27%，w（斜長石）＝8%，w（鉀長石）＝6%，w（蒙脫石）＝1%，w（綠泥石）＝2%，w（伊利石）＝3%，w（白云石）＝1%。試樣經ZS －100型立式取芯機取樣、DQ －1型巖石切割機切割、SHM －200型雙端面磨石機端面打磨等專業巖石加工工序精加工而成。為了滿足SHPB實驗中試件應力狀態均勻性的假定，并減少由試件厚度引起的慣性效應和端面摩擦效應，參考相關文獻［12 －15］，確定試件的最佳尺寸，最終采用?100mm×50mm的圓柱體，長徑比為0.5。

根據JTG E41 －2005《公路工程巖石試驗規程》，采用電液伺服壓力機對砂巖的基本力學性能進行單軸抗壓強度實驗、劈裂抗拉強度實驗及巖石軟化系數的測定。通過實驗確定，該批砂巖的平均密度為2.596g/cm3，單軸抗壓強度為59.69MPa，劈裂抗拉強度為4.02MPa，軟化系數為0.794 6。

1.2 高溫處理

試件的加熱設備采用武漢華中電爐設備有限公司的RX3 －20 －12型箱式電阻爐，該設備由高溫爐和溫度控制器組成，如圖1所示，設計最高溫度為1 200℃。根據實驗設計，將試件按溫度分為7組，每組7個試樣，常溫試件不作處理，將100、200、400、600、800和1 000℃這6個不同溫度等級下的試件分別加熱至相應溫度后恒溫3h，升溫速率為10℃/min，然后自然冷卻至常溫，制成經歷不同溫度后的砂巖試樣。

1.3 SHPB實驗

?100mm SHPB設備主要由主體設備、能源系統、測試系統等3大部分組成，如圖2所示。系統壓桿直徑為100mm，入射桿長為4 500mm，透射桿長為2 500mm，撞擊桿長為500mm，彈性模量為210GPa，密度為7 850kg/m3，理論波速為5 172m/s，實測波速為5 200m/s。使用燈距100mm的激光測速儀測量撞擊速度。為減少壓桿與試件的接觸面之間的摩擦效應，在試件的兩端面上均勻涂抹了用潤滑油和石墨配置的潤滑劑。通過測量入射桿和透射桿上應變片的電壓，可計算試件的應力、應變率和應變等動態力學參數［16］。選用屈服強度較低的T2紫銅作為波形整形器［13，17－18］。針對每個溫度等級下的砂巖試樣進行7次實驗，彈速設計為11、12、13、14和15m/s，其中彈速實驗不理想的則用余下的2個試件做補充實驗。

圖1 箱式電阻爐Fig.1Box －type resistance furnace

圖2 ?100mm SHPB實驗裝置Fig.2Apparatus of 100 －mm －diameter SHPB

2 結果及分析

2.1 應力－應變曲線

根據SHPB實驗系統所采集的數據，得出7個溫度等級下砂巖試件在5個設計彈速下的應力－應變曲線，如圖3所示。

當溫度等級為25℃時，砂巖動態壓縮破壞具有明顯的4階段特征，即彈性階段、平臺階段、屈服階段和破壞階段，而初始彈性階段只占很小一部分。而且在峰前，不同彈速下的應力－應變曲線能較好重合，說明這時砂巖對外界沖擊荷載的反應比較一致，砂巖整體具有較好的線彈性。在峰后，應力－應變曲線變化則與彈速密切相關，當彈速較小時，試件破壞后有較大的留芯，在應力－應變曲線中表現出明顯的回彈現象；當彈速較高時，砂巖試件完全破碎，破壞過程中隨著應力的不斷降低，變形仍能持續增加。

當溫度等級為100～400℃時，砂巖試樣動態壓縮破壞應力－應變曲線的平臺階段消失，而是由彈性階段直接進入到屈服階段，2個階段的臨界點處存在明顯的拐點，屈服階段的應力－應變曲線迅速變陡，表現為彈性模量增大；由峰后應力－應變曲線發現，在彈速11～14m/s時，試件破壞都具有回彈，且隨溫度的升高，回彈更加明顯，對比常溫下回彈只發生在11～12m/s的情況，說明在這一溫度范圍內，砂巖的動態抗壓強度隨溫度的升高而增強。

當溫度等級為600～1 000℃時，應力－應變曲線又開始重新出現平臺段，且平臺段長度先隨溫度的升高而增大，800℃以后又開始隨溫度升高而減小，屈服階段的應力－應變曲線變陡，600℃時最陡。

總體而言，除了1 000℃時的峰值應力迅速減小，砂巖動態壓縮破壞的峰值應力、峰值應變都隨溫度的升高而增大，隨彈速的增大，峰值應力、峰值應變也增大。

對比峰后破壞階段無回彈現象的應力－應變曲線，隨著溫度的升高，破壞階段的應力－應變曲線變陡，說明破壞段的應變變化越來越小，破壞過程呈現為隨溫度升高而變短的趨勢。

圖3 砂巖的應力－應變曲線Fig.3Stress －strain curves of sandstone

2.2 破壞形態

圖4為砂巖經歷不同溫度后在不同彈速下的破壞形態，對比各個溫度等級、各個彈速的破壞形態差異，可以發現：（1）同一溫度等級下，砂巖試樣隨著彈速的增加破壞越來越嚴重；（2）同一彈速下，在25～800℃范圍，隨著溫度的升高，砂巖破壞后的留芯有增大趨勢，特別是在11、12和15m/s時最明顯，這也說明在這個溫度范圍砂巖的抗沖擊能力隨溫度升高而增強；（3）在1 000℃時，砂巖雖有一定的強度，但內部損傷已經很嚴重，一旦承受沖擊荷載，整個砂巖結構將發生全局脆性破碎；（4）隨著溫度的升高，砂巖破壞后的剝落碎片的破碎程度越來越嚴重，溫度越高，破碎后的粉末狀程度越明顯；（5）隨著所經歷溫度的升高，砂巖表面顆粒變細，砂巖的顏色加深，600℃以后開始變為暗黃色，1 000℃時變為黃褐色，說明溫度升高已使砂巖內部礦物質發生了化學變化；（6）砂巖的動態壓縮破壞總是由外向內發展的，彈速較小時，外層剝落破碎，內芯完整，彈速增大時外層破碎成小塊，內芯裂成大塊。

圖4 砂巖的破壞形態Fig.4Failure modes of sandstone samples

3 討 論

實驗中，為了研究經歷不同溫度后砂巖對沖擊荷載的動力響應，設計了不同的溫度等級和彈速，彈速主要控制沖擊荷載的大小，使砂巖發生不同程度的破壞。得出了不同溫度等級下砂巖在不同彈速下的應力－應變曲線，并對破壞后的形態進行比較。雖然巖石類材料的組成成分和結構都不具有完全均一性，并且試樣加工精度和儀器誤差等也有影響，個別數據有一定離散性，但總體而言，實驗數據比較理想，存在較強的規律性。

天然的地殼結構是通過建造和改造形成的，天然的巖石內部存在著許多隨機分布的微裂隙。隨著溫度的升高，巖石產生熱熔變形，礦物顆粒受熱膨脹，原生的微裂隙閉合，裂隙數量減少，從而改善礦物顆粒之間的接觸狀態，摩擦特性增強，試樣的承載能力得到強化。但另外，隨著溫度的升高，巖石內部孔隙的自由水和結合水蒸發，產生蒸壓，內部產生損傷積累。當溫度升高到一定程度后，高溫也會引起巖石內部礦物結構的化學反應，起到煅燒作用，使某些原生的礦物質分解，強度喪失。可見，溫度對巖石的物理力學性質的影響是多方面的，不同溫度條件下所起到的作用也是不同的。通過實驗可以發現，在100～400℃時，溫度的主要作用是引起砂巖試樣的微裂隙閉合，使結構密實，因為這一階段的應力－應變曲線沒有了平臺段，也就是跳過了塑性壓密階段直接進入屈服強化階段。而在400～800℃時，平臺段又出現了，這主要是因為砂巖礦物顆粒的不同熱膨脹率引起了跨顆粒邊界的熱膨脹不協調，從而引起結構熱應力，試樣內部結構熱應力過大會產生新的微裂隙，同時膠結物剛度降低，水分的蒸發及過度的膨脹使結構變脆。而且溫度繼續升高時，顆粒間或顆粒內應力將進一步增大，砂巖內部產生更多微裂隙或原生裂紋擴展、加寬和連通，表現為砂巖在沖擊荷載下經過很短的彈性階段就進入到了塑性壓實段。在1 000℃以后，砂巖內部水分基本蒸發，礦物顆粒部分分解，內部熱應力引起的擴展裂紋迅速發展，顆粒間的膠結狀態極差，結構變得松散，直接表現為沖擊荷載作用下的強度迅速降低，試樣經過屈服階段后迅速破壞，并碎成粉末狀。

4 結 論

運用?100mm SHPB實驗裝置對經歷不同溫度的砂巖進行了沖擊壓縮實驗，得出了砂巖試樣在不同溫度等級不同彈速（沖擊荷載）下的應力－應變曲線關系，并分析了砂巖試樣的破壞形態規律。

（1）常溫下砂巖的動態壓縮破壞的應力－應變曲線具有明顯的4階段特征，即彈性階段、平臺階段、屈服階段和破壞階段。

（2）在100～400℃時，溫度的作用使砂巖內部微裂隙閉合，結構密實，整體具有良好的彈性，應力－應變曲線的平臺段消失，在400～800℃時，熱應力又會引起新的裂隙產生，應力－應變曲線的平臺段將會重新產生，并且屈服段的曲線變陡。

（3）在800℃以前，溫度的升高可以使砂巖的動態抗壓強度提高，沖擊荷載作用下，應力峰值、應變峰值都隨溫度的升高而增大，800℃以后，砂巖內部的損傷積累，新的裂隙產生，結構變脆，動態抗壓強度迅速降低，但總體仍表現為砂巖在沖擊荷載下的變形能力隨溫度升高而增大。

（4）砂巖的動態壓縮破壞總是由外向內發展的，沖擊荷載越大破碎程度越大，沖擊荷載較小時，外層剝落破碎，內芯仍能保持完整，沖擊荷載增大時外層破碎成小塊，內芯裂成大塊，外層仍較嚴重破壞。

（5）溫度對巖石動態壓縮性能的影響是多方面的，較低溫度時能使巖石內部微裂隙閉合，強度提高，較高溫度時會使巖石內部水分蒸發，結構變脆，產生熱應力引起新的裂隙，礦物顆粒的膠結能力變弱，強度降低。

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