溫度對常見巖石力學特性的影響規律

鐘玄++張愷寧++管棋隆

摘 要：本文對砂泥巖和石灰巖在常溫及經歷100℃～800℃溫度作用后的力學特性進行試驗研究，考察了三種巖石在加溫后的峰值應力、應變、彈性模量隨溫度的變化特征，并對其高溫劣化機制制作了探討。研究結果表明：砂巖在常溫～200℃內，峰值應力、應變呈下降趨勢，彈性模量變化不大，而在200℃～600℃內，峰值應力、應變呈上升趨勢，彈性模量變化不大，在T>600℃后，峰值應力與彈性模量都急劇下降，峰值應變略微上升；泥巖峰值應力、應變和彈性模量在常溫～400℃內都呈上升趨勢，在400℃～700℃內下降，而在T>700℃后又回升；石灰巖的峰值應力、應變和彈性模量在常溫～200℃內，隨溫度的升高緩緩下降，在200℃～600℃內變化不大，當T>600℃后，峰值應力與彈性模量都急劇下降，峰值應變急劇上升。溫度引起的熱應力作用、礦物組分和微結構變化導致砂巖力學性質發生改變與高溫劣化。

關鍵詞：高溫作用；力學特征；砂泥巖；石灰巖；彈性模量；礦物成分

中圖分類號：TD84 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2017）02-0154-03

1 引言

高溫環境下的巖石工程問題，已成為巖石力學發展的新方向。國內外學者對此展開了大量的研究，并已取得相應的研究成果。張連英等采用電液伺服材料力學試驗系統對常溫～800℃高溫作用下大理巖、石灰巖、砂巖的力學性能進行了研究，考察了三種巖石的全應力-應變曲線，給出了其峰值強度、峰值應變、彈性模量E隨溫度的變化特征；李明等人利用MTS652.02高溫爐與φ50mm分離式霍普金森壓桿（SHPB）試驗系統，對800℃加熱后的砂巖試樣進行單軸沖擊壓縮試驗，分析了17.904～62.600s-1應變率范圍內砂巖動力特性的變化規律；秦本東等利用自行研制的巖石加溫裝置和MT-150C巖石力學試驗機，對石灰巖和砂巖試樣高溫后的力學特性進行了試驗研究；諶倫建等人采用偏光顯微鏡、掃描電鏡及巖石力學試驗系統等儀器設備研究了煤層頂板砂巖在常溫到1200℃范圍內的力學特性和破壞機理；查文華等利用RMT-150B巖石力學試驗系統和GD-65/150高低溫環境箱，對經歷不同溫度后煤系泥巖的力學特性進行試驗研究，分析不同溫度下煤系泥巖的應力-應變全過程曲線、峰值應力、峰值應變、彈性模量、變形模量以及泊松比受溫度的影響；劉瑞雪等人利用MTS810電液伺服材料試驗系統以及高溫爐MTS652.02，在常溫（25℃）～800℃條件下對泥巖試件進行了單軸壓縮實驗，分析了溫度對泥巖的應力-應變曲線、彈性模量、峰值應力及峰值應變的影響。但在已有的研究中，有關高溫下砂泥巖和石灰巖巖石力學性質的對比研究和作用機理研究鮮為少見。

本文研究了溫度分別為20℃、100℃、200℃、400℃、600℃、700℃、800℃七種溫度循環后，砂泥巖和石灰巖試樣的峰值應力、峰值應變與彈性模量的變化情況，并對溫度引起的熱應力作用、礦物組分和微觀結構變化導致砂泥巖和石灰巖力學性質發生改變與高溫劣化進行了具體探討。

2 實驗設備與實驗方法

2.1 實驗原料

實驗中制備所使用的巖樣見表1。所用的實驗儀器主要包括：JA1103型電子天平，其最大稱重1100g，最小稱重0.001g、S-2000N型掃描電鏡，掃描電壓20kV、MTS系統公司生產的MTS 810材料測試系統該機配有高溫環境爐MTS 653.04，其溫度控制范圍為100℃～1400℃，精度±1℃，升溫速度100℃/min，達到最高溫度時間小于15min。

2.2 實驗過程與方法

試驗過程如下：

（1）試驗前，對所有巖樣進行編號，量測各巖樣的質量和幾何尺寸；

（2）對各類巖石按溫度段分組，每組4個巖樣，若某組試驗數據離散則增加測試巖樣數量；

（3）對高溫后破壞的巖樣，在加溫后自然冷卻至室溫下進行幾何尺寸和質量量測；

（4）在室溫（20℃）及不同溫度下對所有巖樣進行單軸壓縮全過程破壞試驗；

（5）選擇不同溫度下的部分破壞巖樣進行掃描電鏡觀測；

（6）記錄測試過程并對試驗結果進行整理、分析。高溫下單軸壓縮試驗采用位移控制模式，變形速率均為0.003 mm/s。

3 實驗結果與分析

分析砂泥巖及石灰巖單軸壓縮試驗中保存的軸向荷載、軸向位移數據，可以得到溫度作用下泥巖單軸壓縮試驗的全應力-應變曲線，利用應力-應變曲線上達到峰值應力前的近似直線段，可以得出泥巖切線彈性模量E，同時獲得泥巖試樣的峰值強度。

3.1 溫度作用下巖石峰值應力與應變的變化特征

高溫作用下砂泥巖和石灰巖的峰值應力隨溫度的變化情況如圖1所示。從圖中可以看出，隨溫度的升高，砂巖的峰值應力經歷了先降低再升高再降低的過程，600℃時到達峰值應力200MPa，且波動幅度較小，泥巖的峰值應力經歷了先增加后降低的過程，400℃時達到峰值應力250MPa，漲幅波動大，石灰巖的峰值應力在20℃～700℃保持基本在100MPa，700℃后劇烈降低。

高溫作用下砂泥巖和石灰巖的峰值應變隨溫度的變化情況如圖2所示。從圖中可以看出，隨溫度的升高，砂巖的峰值應力經歷了先降低后增加的過程，200℃時達到最小應變7.256×10^-3，泥巖的峰值應力經歷了先增加后降低再增加的過程，室溫時為最小應變6.456×10^-3，石灰巖的峰值應力在600℃前基本在7×10^-3左右小幅度波動，隨后劇烈增加。

經過分析，我們得到以下結論：

（1）溫度在20℃～200℃內，由于砂巖內的礦物顆粒變形的調整過程，會使巖石內部產生少量裂縫，致使峰值應力與應變均有所下降，在此階段溫度對砂巖的力學性能具有削弱作用；在200℃～600℃時，由于砂巖部分礦物發生熱熔效應，導致砂巖內部一些裂縫愈合，裂縫數量開始呈下降趨勢，使得砂巖的峰值應力與應變有所回升，強度增加；但溫度高于600℃后，砂巖內部礦物組成發生轉化，開始脫水、結晶，發生一系列復雜的化學反應，使得原始內部結構被破壞，導致整體強度降低。

（2）溫度在20℃～400℃時，泥巖的峰值應力呈明顯上升趨勢，可見此階段高溫對泥巖強度的提高起著顯著的作用，一般情況在泥巖中都存在著大量水和氣體，通過溫度的升高，氣體和水分揮發而降低了巖石顆粒之間的潤滑作用，從而使泥巖試樣的峰值應力與應變提高，增強了巖石強度；在400℃～700℃時，此階段由于高溫作用，大大破壞了泥巖試樣的內部結構，使礦物部分熔化導致強度降低，失去承載能力；當溫度高于700℃后，泥巖結構已經完全損壞，其強度變化基本保持不變。

（3）溫度在20℃～700℃時，石灰巖的峰值應力與應變基本保持不變，此階段石灰巖內生物化石與礦物成分CaCO3雖然分解但對分解量相對較少，對石灰巖強度的影響不大；但在溫度高于700℃后，礦物成分發生化學反應，在加熱過程中分解生成了CaO等氧化物，導致礦物表面不斷被腐蝕破壞，導致整體強度急劇下降。

3.2 溫度作用下巖石彈性模量的變化特征

圖3所示為砂泥巖與石灰巖的彈性模量隨溫度的變化關系曲線，圖中可以看出，砂巖與石灰巖在600℃內彈性模量緩慢下降，600℃后降低的幅度增加，泥巖在400℃內彈性模量增大，400℃到達最大彈性模量23.94GPa，而后就會不斷降低。

經過分析，我們得到如下結論：

（1）高溫時，砂巖與石灰巖礦物顆粒熱膨脹系數不同導致顆粒之間產生拉應力或者壓應力，當熱應力超過顆粒之間接觸力時，就會產生裂紋，裂紋擴展加寬后，巖石變形增大，導致平均彈性模量逐漸降低。

（2）泥巖在400℃內時，高溫會脫去礦物之間的結晶水分，減少礦物間的間距，從而增大彈性模量；而在溫度高于400℃后，水分已經基本脫完，其作用機理與砂巖相似，導致其彈性模量迅速降低。

4 結語

（1）隨著溫度的升高，砂巖內礦物成分會產生裂縫，隨后發生熱熔效應，導致裂縫愈合，使裂縫數量減少，當溫度過高時，其內部礦物結構就會發生轉化，原有結構被破壞，導致整體強度降低。

（2）溫度在較低情況下的變化對石灰巖的影響較小，只能使堅固的CaCO3礦物少量分解，但當溫度高于某極限溫度700℃后，CaCO3礦物會分解成CaO礦物，導致巖石表面不斷被破壞腐蝕，導致整體強度急劇下降。

（3）泥巖中含有大量的水分和氣體，當溫度上升時，其水分會揮發掉，使巖石強度略有增加，但隨著水分的揮發完畢，高溫就會熔化泥巖的內部結構，導致整體強度降低。

（4）吸附水的脫失、礦物晶體的轉變、結晶作用等都是影響砂巖力學性質與高溫劣化的根本原因。

參考文獻

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