高溫遇水冷卻石灰巖力學與聲學性質研究

黃真萍，張義，孫艷坤，劉成禹，吳偉達

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高溫遇水冷卻石灰巖力學與聲學性質研究

黃真萍1, 2，張義1, 2，孫艷坤3，劉成禹1, 2，吳偉達1, 2

(1. 福州大學環境與資源學院，福建福州，350108；2. 地質工程福建省高校工程研究中心，福建福州，350116；3. 中國科學院武漢巖土力學研究所，湖北武漢，430071)

以石灰巖為研究對象，對加溫遇水冷卻后的巖樣進行軸向壓縮試驗和聲波測試，研究不同高溫遇水冷卻巖樣的表觀形態和力學性質的變化情況，分析力學與聲學性質的關系。研究結果表明：隨溫度升高，高溫遇水冷卻干燥后巖樣的顏色逐漸變淺，700 ℃時變為灰白色；峰值強度整體上呈減小趨勢；當從常溫升至500 ℃時，峰值應變逐漸增大，彈性模量和變形模量逐漸減小；高于500 ℃時，隨溫度升高，峰值應變先減小后增大，彈性模量和變形模量先增大后減小；隨溫度變化，彈性模量、峰值強度與縱波聲波波速、橫波聲波波速間均呈現出良好的相關性。

高溫巖石；峰值強度；彈性模量；縱波波速；橫波波速

石材是古代建筑物的重要建筑材料之一，有很多歷史古跡是用巖石砌成的，由于某些原因引起火災，使得這些巖質建筑物遭受了一定的高溫作用。在國防工程領域中，武器打擊衍生的高溫作用是防護工程圍巖破壞的重要因素[1]。在深埋隧洞和地溫異常地區的工程建設以及因車輛交通、管理疏漏等引發的隧道、涵洞等巖石工程爆炸失火等突發性高溫災害中也都會涉及高溫巖石問題[2]，而巖石的力學及聲學性質會隨著溫度的變化而發生變化。對巖石高溫前后的力學和聲學性質進行試驗研究，可以為巖石類工程高溫災害后的安全性和耐久性評價提供分析參數和依據[3]，因而通過試驗研究高溫前后巖石的力學及聲學性質的變化具有重要的理論和實踐價值。目前，國內外學者對涉及高溫巖石方面的很多問題進行了深入研究。席道瑛等[4]對?60~600 ℃范圍內的花崗巖、大理巖和砂巖的彈性模量和波速進行了試驗研究，認為溫度升高引起的礦物相變和巖石結構的破壞是導致巖石彈性模量和波速下降的主要原因。徐小麗等[5]對常溫至1 300 ℃作用下花崗巖的力學性質和結構晶體學性質的變化規律進行了研究，發現巖石組分的改變及結晶狀態的相變是導致高溫下花崗巖力學性質突變的重要原因。張志鎮等[6]對實時高溫和高溫后冷卻2種狀態下花崗巖的力學性質進行了試驗研究，提出了熱?力耦合因子的概念，進而提出了一維非線性熱?力耦合模型。孫強等[7]對常溫至800 ℃作用下的花崗巖進行試驗研究，分析了不同溫度下花崗巖的物理力學參數的變化規律。查文華等[8]對25~55 ℃內不同溫度下的煤系砂質泥巖開展室內加載試驗，研究了溫度對泥質砂巖的力學特性的影響。蘇海健等[9]對不同高溫作用后不同尺寸的紅砂巖進行了室內巴西劈裂試驗，研究了溫度和試樣的厚徑比對巖石的抗拉強度的影響。這些研究成果有助于了解溫度對巖石力學及聲學性質的影響，但也存在以下問題：1) 遇水冷卻是高溫巖石工程中經常遇到的工況之一，如巖石工程中發生火災后，通常采用消防射水對巖石進行降溫，但以往的研究大多集中在實時高溫作用和高溫自然冷卻這2種狀態，而對高溫巖石遇水冷卻的研究較少。在同一高溫遇水冷卻時，無論是在實際工程還是室內試驗中，遇水冷卻的降溫過程是基本一致的，因而，室內試驗可以較好地模擬實際工程環境。2) 在工程地質勘察中特別是巖石質量評價中，除縱波波速外，橫波波速、動彈性模量也是不可缺少的參數[10]。聲學性質是巖石的物理力學性質和結構特征的綜合反映，因而聲學參數和力學參數之間有一定的聯系，但只針對高溫巖石遇水冷卻時花崗巖的力學性質及縱波波速進行研究[11]，并未考慮巖石的橫波波速、動彈性模量等聲學參數的變化，也未對高溫遇水冷卻后巖石的力學和聲學參數的關系進行研究。3) 石灰巖是煤系地層的常見巖層之一，而且地下工程也有部分興建于石灰巖中，隨著土地資源的日漸緊張不斷增加[12]。人們對于石灰巖高溫遇水冷卻時的力學及聲學性質變化情況的研究很少。為此，本文作者以石灰巖為研究對象，對加溫遇水冷卻靜置干燥后的石灰巖巖樣進行單軸壓縮試驗和聲波測試，分析不同高溫遇水冷卻后石灰巖的力學性質的變化規律，研究縱橫波波速、動彈性模量等聲學參數和峰值強度、彈性模量等靜力學參數之間的關系，以便為高溫遇水冷卻后巖石工程和巖質建筑物的安全性評估及修復加固等提供參考。

1 試驗方案設計

1.1 巖樣及試驗設備

石灰巖取自山東濟寧某采石廠，顏色為灰黑色，巖石致密，無明顯裂紋。礦物成分以方解石為主，含少量白云石。所有石灰巖巖樣由同一個巖塊制取，制樣時沿垂直于層理方向用水鉆套套取巖芯，再用切石機加工，最后用雙端面磨平機將試樣打磨平整。參照常規的巖石力學性能測試的要求，試樣為圓柱體試樣，直徑為50 mm，高為100 mm。部分石灰巖標準試樣如圖1所示。

圖1 石灰巖試樣

巖樣的單軸壓縮試驗采用中國科學院武漢巖土力學研究所研制的RMT?150C電液伺服試驗機進行，采用1 MN壓力傳感器測試軸向載荷；聲波采用NM?4A超聲檢測儀測試，橫波聲波采用鋁箔紙耦合測試，縱波聲波采用凡士林耦合測試；巖樣的質量采用JY1002型電子天平測量；采用Sx2?4?10箱式電阻爐加溫。

1.2 試驗方法

首先對已加工的巖樣在101?A型電熱鼓風干燥箱內常溫靜置1周鼓風干燥，對所有試樣進行質量、尺寸以及縱波聲波波速測試，依據密度和縱波波速的相近性對干燥后的巖樣進行選樣，然后分組進行測試。為了避免波動測試中耦合劑對巖石物理性質測試結果的影響，同時為了避免物理性質測試對波動測試結果的影響，物理性質測試獨立進行。試樣的選取及溫度分組情況見表1。試驗過程如下。

表1 巖樣選取及溫度分組情況

進行力學測試和聲波測試的巖樣每組為4個，進行物理性質測試的巖樣每組為3個，測試時選取的加熱速率為2 ℃/min，分別對試樣加熱至200，300，400，500，600和700 ℃，在每種溫度下，巖樣恒溫4 h后進行遇水冷卻。

將試樣從爐中快速取出，立即放入預先準備的常溫蒸餾水中冷卻，室溫約為26 ℃，浸泡時間不低于 6 h，以保證巖樣完全冷卻。

巖樣完全冷卻至室溫后，將其快速取出進行相應的質量、幾何尺寸等測試。

將進行單軸壓縮和聲波測試的巖樣靜置鼓風干燥1周后，先測量其質量、幾何尺寸，再進行力學及聲波測試。橫波聲波測試采用的探頭頻率為80 kHz，縱波聲波測試采用的探頭頻率為50 kHz。單軸壓縮試驗采用位移控制模式，加載速率為0.06 mm/min。若某一組石灰巖巖樣的測試數據出現較大離散，則該組再添加1個巖樣。石灰巖巖樣的基本物理性質指標見表2。

表2 巖樣的基本物理性質

2 試驗結果及分析

2.1 孔隙率隨溫度的變化

高溫遇水冷卻后石灰巖的峰值強度與溫度的關系如圖2所示。孔隙率是描述巖石物理、力學及滲透特性的重要參數[13]。分析圖2可以看出：在常溫至700 ℃時，隨著溫度升高，巖樣的平均孔隙率逐漸增加，平均孔隙率從0.361%增加到6.391%，增幅約為16.7倍，孔隙率增加的速率隨溫度的升高也是逐漸增大，這說明在經歷高溫遇水冷卻后，石灰巖巖樣內部有大量的新微裂隙和孔隙生成。

圖2 高溫石灰巖遇水冷卻后孔隙率與溫度的關系曲線

2.2 外觀形態隨溫度的變化

高溫遇水冷卻靜置干燥后的石灰巖外觀形態如圖3所示。從圖3可以看出：不同高溫處理后石灰巖試樣均未出現明顯的開裂，但巖樣的顏色隨溫度升高呈現逐漸變淺趨勢，室溫時為灰黑色，局部伴有灰白色條紋；在200~300 ℃時，巖樣的顏色與室溫時差別不大，整體呈灰黑色，局部有灰白色條紋；在400~600 ℃時，巖樣顏色變淺，整體呈淺灰色，顏色趨于一致；從600 ℃升至700 ℃時，顏色變化最明顯；700 ℃時，巖樣整體呈灰白色，局部呈土黃色。因此，通過巖樣的顏色變化，可以大致判定巖石經歷的溫度作用的范圍。

2.3 力學性質隨溫度變化

對高溫遇水冷卻后的石灰巖巖樣進行單軸壓縮試驗，得到不同高溫遇水冷卻后巖樣的峰值強度、峰值應變、彈性模量、變形模量50等力學參數，見表3。為了描述試驗所得數據的離散程度，引入標準差和變異系數。從表3可見：不同高溫遇水冷卻干燥后，巖樣的峰值強度、峰值應變的變異系數均小于0.150；彈性模量和變形模量除個別溫度組的變異系數小于0.20而大于0.15外，大部分溫度組的變異系數均小于0.150，離散程度均不大。

巖樣溫度/℃：(a) 28；(b) 200；(c) 300；(d) 400；(e) 500；(f) 600；(g) 700。

圖3 高溫石灰巖遇水冷卻靜置干燥后的外觀形態

Fig. 3 Surface morphologies of water cooling limestone samples after static drying

表3 石灰巖力學參數測試結果

2.3.1 石灰巖應力?應變曲線隨溫度變化

圖4所示為常溫至700 ℃時7個溫度組遇水冷卻干燥后試樣的單軸壓縮的全應力?應變曲線。從圖4可見：不同高溫遇水冷卻后的曲線均表現出從壓密階段、近似線性彈性階段、屈服階段到破壞階段的變化過程，但不同溫度下各階段表現的程度不同；各溫度組巖樣的應力?應變曲線的初始壓密階段的范圍均明顯增大，但隨著溫度升高，該階段曲線的斜率呈現出減小趨勢。經分析認為，在經歷高溫作用后，巖樣的孔隙和微裂隙數量逐漸增加，導致巖樣在壓縮作用下所產生的壓密變形增大；隨溫度升高，線性彈性階段的斜率呈現出減小趨勢；低于500 ℃時，應力?應變曲線的屈服階段斜率變化都不明顯，僅在接近峰值強度時才明顯；而在500~700 ℃時，屈服階段表現較明顯；在破壞階段，當軸向應力達到峰值時，巖石迅速破裂，軸向應力急劇降低，而應變變化不大，表現為明顯的脆性破壞。

溫度/℃：1—28；2—200；3—300；4—400；5—500；6—600；7—700。

圖4 遇水冷卻干燥后試樣的應力?應變曲線

Fig. 4 Stress?strain curves of sample after water cooling treatment and drying

2.3.2 峰值強度隨溫度的變化

高溫遇水冷卻后石灰巖的峰值強度與溫度的關系如圖5所示，峰值強度反映了巖石所能承受的最大應力。從圖5可以看出：在不同高溫遇水冷卻干燥后，石灰巖巖樣的平均峰值強度均比常溫巖樣的低，這說明經歷200 ℃以上的高溫作用遇水冷卻時，巖石的強度會有一定程度削弱；在28~700 ℃時，隨溫度升高，巖樣的平均峰值強度總體上呈現減小趨勢，從176.25 MPa減小到97.20 MPa，降低幅度約為44.85%；在28~ 500 ℃時，隨溫度升高，巖樣的平均峰值強度逐漸減小，平均峰值強度降低的速率逐漸增大。在500~700 ℃時，隨溫度升高，巖樣的平均峰值強度先微幅增加后再降低。

圖5 試樣峰值強度與溫度的關系

2.3.3 峰值應變隨溫度的變化

圖6所示為試樣峰值應變與溫度的關系。從圖6可以看出：在不同高溫遇水冷卻作用干燥后，石灰巖巖樣的峰值應變均高于常溫巖樣的峰值應變。分析認為，高溫后巖石中微裂隙和孔隙含量增加，巖樣壓密階段的變形增加，從而引起峰值應變的增大；在常溫至500 ℃時，隨溫度升高，巖樣的平均峰值應變單調遞增，從8.15×10?3增加到12.27×10?3，增幅約為50.64%，且低于400 ℃時，隨溫度升高，平均峰值應變的增加速率逐漸變大。高于500 ℃時，隨溫度升高，平均峰值應變先減小后增大。

圖6 試樣峰值應變與溫度的關系

2.3.4 彈性模量和變形模量隨溫度變化

彈性模量是巖樣抵抗彈性變形能力的標志，圖7所示為彈性模量與溫度的關系。由圖7可以看出：在不同高溫遇水冷卻干燥后，石灰巖巖樣的平均彈性模量均比常溫巖樣的低，這說明經歷高溫作用后，巖樣抵抗彈性變形能力被削弱；在常溫至500 ℃時，隨溫度升高，石灰巖巖樣的彈性模量逐漸減小，從31.05 GPa減小到12.24 GPa，降低幅度約為60.59%；在500~ 700 ℃時，隨溫度升高，石灰巖巖樣的平均彈性模量先小幅度增加后減小。

圖7 試樣彈性模量與溫度的關系

變形模量與溫度關系曲線見圖8。從圖8可以看出：在不同高溫遇水冷卻干燥后，石灰巖巖樣的平均變形模量均比常溫巖樣的低，這說明巖石經歷高溫遇水冷卻作用后，巖樣整體變形有所增大；在常溫至 500 ℃時，隨溫度升高，平均變形模量單調遞減，從15.43 GPa減小到6.23 GPa，減小幅度約為59.62%；低于200 ℃時，隨著溫度升高，石灰巖平均變形模量小幅度下降，在200~500 ℃時，隨溫度升高，石灰巖平均變形模量近似呈線性降低；在500~700 ℃時，隨著溫度升高，石灰巖的平均變形模量先增加后減小，但變化幅度不大。

圖8 試樣變形模量與溫度的關系

2.4 高溫遇水冷卻靜置干燥后巖樣的力學參數和聲學參數的關系

2.4.1 動靜彈性模量的對比分析

設0為常溫未加熱巖樣的平均靜彈性模量，T為高溫遇水冷卻后巖樣的靜彈性模量，D0為常溫未加熱巖樣的動彈性模量，DT為高溫遇水冷卻靜置干燥后巖樣的動彈性模量。T/0和DT/D0的關系如圖9所示。

從圖9(a)可以看出：在同一高溫作用遇水冷卻后，平均T/0要大于平均DT/D0，二者并不相同。這是由于采用動態方法測試時，巖石試樣在瞬間應變或高應變速率和很低應力作用下的響應處于完全彈性狀態[14]；在常溫至700 ℃時，隨著溫度升高，二者整體變化規律很相似，500℃以前，隨溫度升高，二者都近似線性降低，降低的速率也大致相近；500~600 ℃時，兩者隨溫度升高均有所增大，僅在600~700 ℃時，隨溫度升高，兩者的變化趨勢相反。圖9(b)中，對巖樣經歷高溫遇水冷卻干燥后的動彈性模量和靜彈性模量進行擬合，兩者具有較好的相關性，擬合公式如下：

T=13.102 34ln(DT)?24.850 61，2=0.937 72 (1)

2.4.2 縱橫波波速與峰值強度及彈性模量的關系

巖石的波速特征是其物理力學性質的綜合反映，在通常情況下，巖石的彈性模量和峰值強度的變化對波速的變化具有一定的依賴性[15]。通過建立高溫遇水冷卻干燥后巖石的波速與力學性質的關系，可以為高溫遇水冷卻后巖石的力學性質的預測提供依據，也可以為巖石類工程和巖質建筑物的安全性評價提供 參考。

(a) 動靜相對彈性模量的對比；(b) 動靜彈性模量的擬合曲線

圖9 試樣動靜彈性模量的關系

Fig. 9 Relationship between elastic modulus and dynamic modulus of sample

不同高溫遇水冷卻干燥后石灰巖的波速與峰值強度及彈性模量的關系如圖10和圖11所示。分析圖10和圖11可以看出：高溫遇水冷卻干燥后，隨著縱橫波波速增加，石灰巖的峰值強度和彈性模量均有所增大。對不同高溫遇水冷卻干燥后石灰巖的縱波波速、橫波波速與峰值強度以及彈性模量進行回歸分析，得到的縱橫波波速與峰值強度以及彈性模量的擬合公式 如下：

=84.644 24lnP?554.924 20，2=0.763 11 (2)

=122.610 92lns?805.227 03，2=0.756 10 (3)

=21.548 72lnP?156.606 74，2=0.926 12 (4)

=31.277 94lns?220.819 20，2=0.921 34 (5)

其中：P為巖性的縱波波速；S為巖性的橫波波速。

從上述擬合系數可以看出：縱波波速、橫波波速與峰值強度以及彈性模量均表現出較好的相關性，相關系數均大于0.75，這為通過縱橫波波速來預測高溫遇水冷卻后巖石的峰值強度及彈性模量提供了依據。聲波測試作為一種無損檢測方法，可以加快高溫遇水冷卻干燥后巖石類工程及巖質建筑物的穩定性評價的工作速度并且降低檢測費用。對比縱橫波波速與峰值強度及彈性模量的相關系數可以發現：縱、橫波波速與峰值強度的相關系數要分別低于縱、橫波波速與彈性模量的相關系數。這可能是因為彈性模量和縱橫波波速均為巖石本身特征的體現，而峰值強度并不是材料的本質特性，受試樣的幾何條件和試驗所用到的加載狀況的影響[16]。

(a) 峰值強度與縱波波速的擬合曲線；(b) 峰值強度與橫波波速的擬合曲線

圖10 試樣峰值強度與波速的擬合曲線

Fig. 10 Fitting curves between peak stress and wave velocity of sample

(a) 彈性模量與縱波波速的擬合曲線；(b) 彈性模量與橫波波速的擬合曲線

圖11 試樣彈性模量與波速的擬合曲線

Fig. 11 Fitting curves between elastic modulus and wave velocity of sample

3 討論

溫度變化是影響巖石力學及聲學性質的重要因素，這里只討論常溫以上的溫度變化對巖石的影響。

高溫遇水冷卻后巖石特性的變化是水熱及化學作用耦合的結果。本文主要研究不同高溫遇水冷卻對巖石的影響。巖石在加溫階段，采用較慢的幾乎相同的升溫速度，盡量減少升溫速率對巖石的影響，使得主要影響因素是溫度，主要研究高溫對巖石所產生的物理化學作用；而在巖石降溫階段，不同高溫石灰巖遇水冷卻時，對應的降溫速率不同，溫度越高，遇水冷卻時的降溫速率越大，不同的降溫速率對巖石物理力學及聲學性質影響不同。水在巖石的冷卻過程中起降溫媒介的作用，所產生的化學作用等較小。本文主要將水作為降溫媒介，為避免含水率的影響，對高溫遇水冷卻前后的巖石采用相同的干燥方式進行干燥。綜上所述，本文中高溫遇水冷卻石灰巖特性的變化是水熱及化學作用耦合的結果，但實質上主要是溫度作用的結果。

溫度會對巖石內部的礦物成分產生影響。隨溫度升高，巖石中的水分會逐漸逸出，依次為吸附水、膠體水、結晶水、結構水，甚至會出現巖石中礦物成分的分解等變化；吸附水和膠體水會在常溫~100 ℃內逸出，而結晶水則在100~600 ℃時逸出，最高溫度不超過600 ℃；結構水會在600~1 000 ℃內逸出，結晶水逸出會導致巖石礦物晶體被破壞和重建，而結構水逸出會導致礦物晶體結構被完全破壞而形成新的物相，這些變化會引起巖石內部結構的變化以及新的微裂隙和孔隙生成，但這種影響主要是溫度終點即溫度界限所致，升溫速率與降溫速率影響較小。

由于巖石中礦物組成不同，當溫度升高或者降低時，會引起巖石中礦物顆粒邊界的熱膨脹或冷縮不一致，礦物顆粒之間或者礦物顆粒內部產生拉、壓應 力[17]，從而使巖石內部產生微裂紋，這種影響主要受升溫和降溫速率的影響。因為升溫或者降溫速率越大，巖石中礦物顆粒之間或者礦物顆粒內部的不協調變形將更加強化，從而使巖石中的微裂紋擴展更加嚴重，數量也更多。

當高溫石灰巖遇水急劇冷卻時，必然會使巖石內部產生熱沖擊作用，從而形成熱破裂[18]。溫度越高，形成的溫差越大，降溫速率也越大，對巖石熱沖擊作用越強，巖石內部的破壞也就越嚴重，致使巖石中孔隙和微裂隙數量增加越多，微裂隙擴展程度更大，水的浸入相應也會增加。水對巖石起到破壞與強度弱化作用，這嚴重削弱了巖石的力學性能。高溫遇水冷卻后巖石的孔隙率變化印證了這一結論。因此，部分巖質建筑物和工程在火災發生時并未倒塌，但在消防射水降溫后，會發生倒塌。

在本次試驗中，在常溫至500 ℃時，由于不同礦物中的結晶水與晶格聯系的牢固程度不同，逸出溫度并不完全一樣，致使隨著溫度不斷升高，結晶水逐步逸出，并有固定的溫度與之對應[19]，巖石的內部結構破壞程度、內部孔隙和微裂隙數量均會隨著結晶水的逐漸逸出而增加；降溫時，溫度越高，受到的熱沖擊作用越強。綜合上述因素可知：常溫至500 ℃遇水冷卻時，溫度越高，巖石的受到的削弱程度越大，從而導致石灰巖的峰值強度和彈性模量、峰值應變、變形模量等呈現單調的遞增或遞減趨勢。

在600~700 ℃，當石灰巖遇水冷卻時，熱沖擊作用和降溫速率更大，對巖石內部結構破壞作用增大。但同時石灰巖中的結構水開始逸出，會引起礦物晶體結構完全破壞而形成新的物相，遇水冷卻時，巖石中的礦物可能在水和高溫的作用下，發生重結晶作用，這些變化可能會對巖石起到一定的增強作用。在這些因素的影響下，石灰巖的峰值強度、峰值應變、彈性模量和變形模量在500 ℃以后并未單調遞減而是出現高溫拐點。

由于本文的研究僅針對于該種石灰巖，所以研究結果僅適用同類型的石灰巖，并不能推廣運用于其他種類巖石。

4 結論

1) 不同高溫作用遇水冷卻后，石灰巖的外觀形態出現了變化。當低于300 ℃時，顏色無明顯變化，400~600 ℃之間呈淺灰色，700 ℃時呈灰白色。這說明在實際工程中可以根據高溫遇水冷卻后石灰巖的顏色，大致判斷出巖石經歷的溫度作用所處的范圍，從而為后期巖石的力學參數的評估提供一定的指導。

2) 經歷不同高溫作用并遇水冷卻干燥后，石灰巖的力學性質有明顯的變化。常溫至700 ℃時石灰巖均呈現脆性破壞；隨溫度升高，石灰巖的峰值強度整體上呈減小趨勢；由常溫升至500 ℃時，峰值應變單調增加，彈性模量和變形模量單調遞減；高于500 ℃時，隨溫度升高，峰值應變先減小再增大，彈性模量和變形模量先增大再減小。

3) 石灰巖的峰值強度、峰值應變和彈性模量及變形模量在500 ℃前后的變化趨勢不同，500 ℃可能是高溫遇水冷卻時石灰巖力學性質變化的閥值溫度。對高溫遇水冷卻的石灰巖力學性質進行評價時，應注意閥值溫度。

4) 經歷高溫遇水冷卻干燥后，石灰巖巖樣的動、靜相對彈性模量變化規律相似；隨溫度變化，干燥后石灰巖的動、靜彈性模量之間、縱橫波波速與峰值強度及彈性模量之間均呈對數函數關系，相關性較好。建議在實際工程中將動彈性模量、縱橫波波速等聲學參數作為評價高溫遇水冷卻巖石的峰值強度和彈性模量的重要指標。對巖質建筑物特別是古巖質建筑物經歷高溫作用遇水冷卻后，建議利用聲波測試方法進行力學參數的估測和研究。

[1] 王鵬, 許金余, 劉石, 等.熱損傷砂巖力學與超聲時頻特性研究[J]. 巖石力學與工程學報, 2014, 33(9): 1897?1904. WANG Peng, XU Jinyu, LIU Shi, et al. Mechanical properties and ultrasonic time-frequency characteristics of thermally damaged sandstone[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2014, 33(9): 1897?1904.

[2] 支樂鵬, 許金余, 劉志群, 等. 高溫后花崗巖沖擊破壞行為及波動特性研究[J]. 巖石力學與工程學報, 2013, 32(1): 135?142. ZHI Lepeng, XU Jinyu, LIU Shi, et al. Research on impacting failure behavior and fluctuation characteristics of granite exposed to high temperature[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2013, 32(1): 135?142.

[3] 邱一平, 林卓英. 花崗巖樣品高溫后損傷的試驗研究[J]. 巖土力學, 2006, 27(6): 1005?1010. QIU Yiping, LIN Zhuoying. Testing study on damage of granite samples after high temperature[J]. Rock and Soil Mechanics, 2006, 27(6): 1005?1010.

[4] 席道瑛, 謝端, 易良坤, 等. 溫度對巖石模量和波速的影響[J]. 巖石力學與工程學報, 1998, 17(增): 802?807. XI Daoying, XIE Duan, YI Liangkun, et al. Effects of temperature on rock’s modulus and wave velocity[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 1998, 17(Suppl): 802?807.

[5] 徐小麗, 高峰, 高亞楠, 等. 高溫后花崗巖力學性質變化及結構效應研究[J]. 中國礦業大學學報, 2008, 37(3): 402?406. XU Xiaoli, GAO Feng, GAO Yanan, et al. Effect of high temperatures on the mechanical characteristics an crystal structure of granite[J]. Journal of China University of Mining & Technology, 2008, 37(3): 402?406.

[6] 張志鎮, 高峰, 徐小麗. 花崗巖力學特性的溫度效應試驗研究[J]. 巖土力學, 2011, 32(8): 2346?2352. ZHANG Zhizhen, GAO Feng, XU Xiaoli. Experimental study of temperature effect of mechanical properties of granite[J]. Rock and Soil Mechanics, 2011, 32(8): 2346?2352.

[7] 孫強, 張志鎮, 薛雷, 等. 巖石高溫相變與物理力學性質變化[J]. 巖石力學與工程學報, 2013, 32(5): 935?942. SUN Qiang, ZHANG Zhizhen, XUE Lei, et al. Physico-mechanical properties variation of rock with phase transformation under high temperature[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2013, 32(2): 935?942.

[8] 查文華, 宋新龍, 武藤飛. 不同溫度條件下煤系砂質泥巖力學特征試驗研究[J]. 巖石力學與工程學報, 2014, 33(4): 809?816. ZHA Wenhua, SONG Xinlong, WU Tengfei. Experimental study of mechanical characteristics of coal-serial sand mudstone at different temperatures[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2014, 33(4): 809?816.

[9] 蘇海健, 靖洪文, 趙洪輝, 等. 高溫處理后紅砂巖抗拉強度及其尺寸效應研究[J]. 巖石力學與工程學報, 2015, 34(增1): 2879?2887. SU Haijian, JING Hongwen, ZHAO Honghui, et al. Study on tensile strength an size effect of red sand stone after high temperature treatment[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2015, 34(Supp1): 2879?2887.

[10] 陳仲候, 王興泰, 杜世行, 等. 工程與環境物探教程[M]. 北京: 地質出版社, 1993: 62?68. CHEN Zhonghou, WANG Xingtai, DU Shihang, et al. Course of engineering and environmental exploration geophysics[M]. Beijing: Geological Publishing House, 1993: 62?68.

[11] 郤保平, 趙陽升. 600 ℃內高溫狀態花崗巖遇水冷卻后力學特性試驗研究[J]. 巖石力學與工程學報, 2010, 29(5): 892?898. XI Baoping, ZHAO Yangsheng. Experimental research on mechanical properties of water-cooled granite under high temperatures within 600 ℃[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2010, 29(5): 892?898.

[12] 趙洪寶, 諶倫建. 石灰巖熱膨脹特性試驗研究[J]. 巖土力學, 2011, 32(6): 1725?1730. ZHAO Hongbao, CHEN Lunjian. Experimental study of thermal expansion property of limestone[J]. Rock and Soil Mechanics, 2011, 32(6): 1725?1730.

[13] 仵彥卿. 巖石孔隙率隨地層深度變化規律研究[J]. 西安理工大學學報, 2000, 16(1): 6?8. WU Yanqing. Research on the law of porosity of rock with depth[J]. Journal of Xi’an University of Technology, 2000, 16(1): 6?8.

[14] 孟召平, 張吉昌, TIEDEMANN J. 煤系巖石物理力學參數與聲波速度之間的關系[J]. 地球物理學報, 2006, 49(5): 1505?1510. MENG Zhaoping, ZHANG Jichang, TIEDEMANN J. Relationship between physical and mechanical parameters and acoustic wave velocity of coal measure rocks[J]. Chinese Journal of Geophysics, 2006, 49(5): 1505?1510.

[15] KAHRAMAN S. Evaluation of simple methods for assessing the uniaxial compressive strength of rock[J]. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, 2001, 38(7): 981?994.

[16] HUDSON J A, HARRISON J P. 工程巖石力學[M]. 馮夏庭, 李小春, 焦玉勇, 等譯. 北京: 科學出版社, 2009: 64?67. HUDSON J A, HARRISON J P. Engineering rock mechanics[M]. FENG Xiating, LI Xiaochun, JIAO Yuyong, et al, tran. Beijing: Science Press, 2009: 64?67.

[17] 吳剛, 邢愛國, 張磊. 砂巖高溫后的力學特性[J]. 巖石力學與工程學報, 2007, 26(10): 2110?2116. WU Gang, XING Aiguo, ZHANG Lei. Mechanical characteristics of sandstone after high temperatures[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2007, 26(10): 2110?2116.

[18] 林睦曾. 巖石熱物理學及其工程應用[M]. 重慶: 重慶大學出版社, 1991: 142?145. LIN Muzeng. Thermal physics of rock and its application[M]. Chongqing: Chongqing University Press, 1991: 142?145.

[19] 唐洪明. 礦物巖石學[M]. 北京: 石油工業出版社, 2007: 67?69. TANG Hongming. Mineralogy and petrology[M]. Beijing: Petroleum Industry Press, 2007: 67?69.

(編輯 陳燦華)

Mechanical and acoustic characteristics of high temperature limestone with water cooling treatment

HUANG Zhenping1, ZHANG Yi1, SUN Yankun2, LIU Chengyu1, WU Weida1

(1. College of Environmental and Resources, Fuzhou University, Fuzhou 350108, China;2. Fujian Provincial Universities Engineering Research Center of Geological Engineering, Fuzhou 350116, China3. Institute of Rock and Soil Mechanics, Chinese Academy of Sciences, Wuhan 430071, China)

The axial direction compression and acoustic wave tests were carried out for different high temperature limestones with water cooling treatment. Both the changes of superficial morphology and mechanical properties and the relationship between the mechanical and acoustic characteristics were studied and analyzed. The results show that with the increase of temperature, the appearance color of the water cooling limestone fades gradually. When the temperature reaches 700 ℃, the appearance color of the water cooling limestone changes to hoar. The peak stress has a decreasing trend on the whole. When the temperature changes from room temperature to 500 ℃, the peak strain gradually increases, and the elastic and deformation modulus gradually reduces. When the temperature is more than 500 ℃, the peak strain decreases first and then increases, and the elastic and deformation modulus increase firstly and then decrease. With the increase of temperature, the relationships among the peak stress and the wave velocity, the elastic modulus and the wave velocity demonstrate good correlations.

high temperature rock; peak stress; elastic modulus; longitudinal wave velocity; shear wave velocity

10.11817/j.issn.1672-7207.2016.12.029

TU458

A

1672?7207(2016)12?4181?09

2016?02?02；

2016?04?20

國家自然科學基金資助項目(41272300)(Project(41272300) supported by the National Natural Science Foundation of China)

黃真萍，碩士，副教授，從事巖土工程波動勘測技術研究；E-mail：zhphuang@126.com