高溫對花崗巖細觀及宏觀力學斷裂特性的影響

周磊，董玉清，朱哲明，高維廷，楊正艷，王興開

(1. 四川大學建筑與環境學院災變力學與工程防災四川省重點實驗室，四川成都，610065；2. 成都理工大學地質災害防治與地質環境保護國家重點實驗室，四川成都，610059；3. 紹興文理學院浙江省巖石力學與地質災害重點實驗室，浙江紹興，312000)

近年來，隨著深埋高放射性核廢料的處理、煤炭地下氣化以及地熱資源的開采等趨于常態化，高溫地質環境對深部巖石的影響越來越嚴重；同時，深部硐室工程經常會遭受突發性高溫環境影響(如火災、瓦斯爆炸)，故深部高溫巖石力學問題已成為目前巖石力學領域的重點研究問題之一[1-4]。在大多數地下巖土工程中，裂紋、節理及斷層等缺陷因素是評價其穩定性的關鍵因素之一，且這些因素將對巖石內部裂紋的萌生與貫通等破碎行為產生極大的影響[5-7]，因此，在考慮裂紋影響的前提下，對高溫處理后裂隙巖石的斷裂力學性質進行研究就變得更為重要。

國內外學者對高溫巖石力學特性進行了一系列研究[8-10]。陳宇龍等[11]對不同產地的石灰巖進行了高溫處理，然后對體積密度、彈性模量、抗壓強度、抗拉強度等力學性質參數進行了分析。FAN等[12]研究了熱效應對花崗巖內部微觀性能的影響，利用X 射線計算機斷層掃描技術和三維圖像重建技術觀察了孔隙體積變化規律，討論了熱效應對非均質系數與各向異性系數的影響規律。KONG等[13]研究了高溫處理后砂巖變形破裂過程中的電磁輻射特征和力學性能，發現電磁輻射信號強度隨載荷的增加而增大。侯迪等[14]研究了高溫處理對孔隙率、P波波速、裂紋孕育的影響，分析了高溫處理與圍壓組合作用下大理巖的強度變化與變形特征的演變規律。

基于斷裂力學原理，國內外學者也對高溫裂隙巖石的斷裂力學參數進行了研究[15-17]。FUNATSU等[18]研究了溫度為0～250 ℃時砂巖材料I/II 復合型斷裂韌度的變化規律，并分析了圍壓載荷對其斷裂韌度的影響機制。左建平等[19]研究了花崗巖在高溫處理后其斷裂特性的演化規律，指出裂紋擴展主要受應力集中、多種礦物力學行為及它們之間的黏結力影響。FENG等[20]采用半圓形彎曲試樣研究了高溫處理對砂巖I/II復合型和純II型斷裂韌度的影響，結果表明溫度超過500 ℃將顯著影響裂紋的起裂與擴展行為。

近年來，盡管人們針對高溫巖石的力學性質開展了大量的試驗與理論研究，但這些研究主要集中于完整巖石的單軸壓縮試驗或三軸壓縮試驗[21-22]。對于高溫處理后裂隙巖石的試驗與理論研究還難以滿足工程要求，故有必要對高溫巖石的斷裂力學特性進行深入分析與研究。本文對高溫處理后的直切槽式巴西圓盤試樣的斷裂力學性質進行試驗研究，對裂紋的斷裂韌度進行計算，隨后分別從細觀與宏觀角度分析高溫對巖石斷裂力學性質的影響，以期得到高溫巖石斷裂特性的變化規律，為深部高溫環境地質資源開采與施工提供一定的理論基礎與試驗數據支撐。

1 試驗設計

1.1 試驗試樣

本文選擇直切槽式巴西圓盤試樣(cracked straight-through Brazilian disc, CSTBD)進行不同溫度下的高溫處理試驗研究，試件半徑R=50 mm，厚度B=30 mm，裂紋長度2a=50 mm，裂紋長度的一半與半徑的比值α=a/R=0.5，試件尺寸示意圖如圖1(a)所示。

選擇河南信陽花崗巖作為原材料進行試樣制備，通過X射線衍射儀(XRD)分析高溫處理試件可知，該花崗巖材料主要由鈉長石、石英、微斜長石組成，這3 種礦物成分質量分數分別為56.0%，23.7%與20.3%，如圖2 所示。該巖石材料顆粒均勻，結構穩定，可以用于定量分析高溫對花崗巖材料礦物成分的影響規律。

該花崗巖材料的力學參數如下：密度ρ=2 641 kg/m3，彈性模量E=60.69 GPa，泊松比μ=0.23，單軸抗壓強度σU=82.44 MPa，單軸抗拉強度σT=6.43 MPa，縱波波速CL=4 802 m/s。

分別選擇常溫(23 ℃)，100，200，300，400，500，600和700 ℃作為目標溫度，設置8組高溫處理試驗(當溫度為700 ℃以上時，CSTBD試樣容易在裂紋尖端產生熱損傷宏觀裂縫，靜態斷裂韌度極低，故未進行700 ℃以上試驗)，隨后采用馬弗爐XMT-8000 進行3 h 高溫處理，加熱速率設置為10 ℃/min，溫度上升曲線如圖3所示。高溫處理后試樣在高溫爐內冷卻至室溫，以防止冷卻過程中熱沖擊效應對試樣造成更大的熱損傷。在每組溫度下制作3個試樣，中心直裂紋的加工采用高壓水刀沖切形成，這樣能夠充分保證直槽切割裂紋的貫穿深度與標注尺寸一致，裂縫寬度為1 mm。試件四周采用中等粗糙度砂輪進行機械拋光打磨處理，使得試件尺寸誤差在±0.5 mm范圍內。

1.2 試驗加載

本文采用電液伺服壓力機(30T)作為試驗加載系統，如圖4所示。在試驗加載過程中，搭配工業相機攝影系統對加載過程中裂紋的孕育與萌生進行實時觀測，隨后對高溫處理后的花崗巖斷裂過程進行分析。加載前，在加載壓頭上涂抹少量的凡士林作為潤滑劑，減少摩擦對試驗測試結果的影響，并在CSTBD 試件上下兩端放置2 根直徑為1 mm 的細鋼絲，使得試件加載接近于線載荷加載[23-24]。根據前期巴西圓盤試驗測試結果，設置加載速率為0.1 mm/min。在試驗加載過程中，計算機自動記錄試驗過程的載荷-位移曲線，工業相機自動記錄整個靜態斷裂過程。試驗加載系統示意圖如圖5 所示。隨后，根據加載過程中的載荷-位移曲線得到CSTBD 試件的靜態斷裂韌度等斷裂力學參數。

由圖5 可以看出，經過不同高溫處理的CSTBD 試件從明顯的脆性斷裂特征向延性斷裂特征轉變。尤其當溫度高于500 ℃時，試件無明顯的峰值破壞載荷，這是因為高溫使得巖石內部產生較大的孔隙率與熱損傷微裂縫，試件受到加載時，存在初始壓密實階段，表明高溫處理對花崗巖內部結晶體會起到一定的損傷作用，且內部孔隙率與細觀裂縫數會增加。

2 試驗結果

2.1 花崗巖試件表觀顏色與縱波波速的變化規律

花崗巖試件物理外觀顏色與表觀裂縫變化如圖6所示。圖6中，紅色線條表示花崗巖表面形成的表觀裂縫。由圖6可以看出，經過不同高溫處理后的花崗巖材料表觀顏色發生了明顯改變，由低溫階段的芝麻白逐漸變成了高溫階段的虎皮紅；當溫度超過400 ℃時，能夠很清晰地看到表面上的某些巖石礦物成分明顯發生了改變，并且顏色逐漸變為虎皮黃，說明高溫處理改變了花崗巖材料的巖石礦物成分，致使礦物成分顏色發生了改變。由圖6還可見：當高溫處理溫度達到300 ℃時，花崗巖開始出現明顯的表觀裂縫，且隨著溫度不斷升高，表觀裂縫數也逐漸增多。

為了進一步分析高溫對花崗巖材料力學損傷特性的影響規律，采用與波速相關的損傷因子D對花崗巖縱波波速的衰減規律進行計算。采用直徑×長度為50 mm×100 mm 的圓柱體花崗巖試件分別在23～700 ℃進行處理。隨后，采用RSM-SY5(T)非金屬聲波檢測儀對高溫處理前后的花崗巖材料的超聲波波速進行測試。將每組高溫處理試件的測試數據進行統計分析，可以得到花崗巖縱波波速的衰減規律。

研究表明，縱波波速與巖石損傷密切相關，縱波波速與熱損傷因子的關系可表示為[25-26]

式中：D為損傷因子；ρ0和ρ1分別為花崗巖試件熱處理前、后的密度；c0和c1分別為花崗巖試件熱處理前、后的縱波波速。

隨后根據式(1)可以計算得到不同高溫處理下花崗巖材料的損傷因子與縱波波速的關系，如圖7所示。從圖7可以看出，隨著溫度升高，花崗巖縱波波速逐漸降低，且在600 ℃時急劇下降；而隨著加熱溫度逐漸升高，花崗巖材料的損傷程度逐漸增大；在600 ℃時，損傷因子D急劇升高，衰減幅度達到最大，為27.61%；而當溫度達到700 ℃時，損傷因子達到0.875，說明此時花崗巖已經幾乎完全損傷，物理材料性質也完全改變。

2.2 宏觀斷裂面與靜態斷裂過程分析

圖8 所示為不同溫度下試件破壞形態。從圖8可以看出，花崗巖試件的破壞形態均表現出純I型拉伸斷裂特征，這表明高溫處理不會明顯改變CSTBD 花崗巖試件的破壞特征，但不同溫度下試件裂紋擴展路徑具有明顯不同的特征，如圖9 所示。從圖9可以看出，高溫處理溫度越高，擴展路徑中越容易形成細小的花崗巖材料顆粒。這是由于高溫損傷會導致材料內部形成密集的熱損傷細觀裂縫結構，晶體間的黏結力降低，最終在裂紋擴展過程中形成不同尺寸的細小花崗巖材料顆粒。

采用工業相機對CSTBD 的整個宏觀斷裂過程進行全程記錄分析，并對裂紋尖端區域擴展特征進行局部放大，如圖10 所示。從圖10 可以看出：當高溫處理溫度較低時，試件靜態斷裂過程呈現出明顯的脆性破壞特征，且破壞時間較短，貫穿裂縫瞬間形成且呈明顯的直線特性；當高溫處理溫度達到400 ℃和700 ℃時，靜態斷裂過程相對較長，呈現明顯的延性破壞特征，形成貫穿裂縫需要相對較長的時間且貫穿裂紋的軌跡較為曲折，這是由于內部熱損傷裂縫造成晶體結構破壞，高溫巖石加載階段中的壓密階段持續時間較長，故測試過程中高溫花崗巖試件的整體加載時間比低溫試件的加載時間長。

2.3 靜力學斷裂韌度計算

基于斷裂力學理論，對CSTBD 試樣的I 型斷裂韌度進行計算，根據CSTBD 試樣的尺寸要求，可以推算得到其I 型與II 型斷裂韌度的理論計算公式[27-28]：

式中：KIC為I 型斷裂韌度；KIIC為II 型斷裂韌度；Pmax為試驗測試最大載荷；R為CSTBD 試樣半徑；a為CSTBD 試樣中裂紋長度的一半；t為CSTBD試樣厚度。

隨后將試驗測試最大載荷Pmax代入式(2)，可以得到高溫處理后試件I 型斷裂韌度。對所得I 型斷裂韌度進行曲線擬合，結果如圖11 所示。從圖11 可以看出，花崗巖材料的靜力學斷裂韌度隨著高溫處理溫度的升高而逐漸減小，表現出明顯的線性衰減演變特征；在600 ℃時，其斷裂韌度下降最快，相對于常溫狀態下的斷裂韌度下降了76.3%，而當處理溫度達到700 ℃時，斷裂韌度下降了78.7%，這與其他學者得到的高溫處理后巴西圓盤試樣抗拉強度的衰減趨勢類似[11,29]。

2.4 細觀損傷特性分析

為了分析高溫處理對花崗巖材料內部礦物成分的影響作用，采用X射線衍射儀(XRD)對花崗巖試件的礦物成分進行定量分析。經700 ℃高溫處理后的礦物成分分析結果如圖12所示。從圖12可以看出：試件中鈉長石的質量分數為38.6%，石英質量分數為23.6%，微斜長石質量分數為37.8%，與常溫環境下未經過高溫處理的花崗巖礦物成分明顯不同(見圖2)。對每組溫度試樣的礦物成分進行定量分析，礦物成分隨溫度的變化如圖13 所示。從圖13 可以看出，高溫處理過程致使鈉長石質量分數逐漸降低，石英與微斜長石質量分數整體呈增大趨勢，鈉長石質量分數減小，直接影響了花崗巖的靜態斷裂韌度。

細觀斷裂面分析是指對材料破壞后遺留的關于破壞過程的斷裂信息進行分析，比如斷裂能量釋放率、細觀裂縫分布形式，研究細觀斷裂面可以追溯斷裂產生的機理，發現材料細觀的結構組成和缺陷。經過近年來的快速發展，材料的斷口分析已成為研究材料科學與斷裂力學的一種重要手段[30]。本文對圖9所示花崗巖不同高溫斷裂面進行切片處理，隨后借助于FEI Inspect F50(FSEM)進行電鏡掃描分析，結果如圖14所示。

從圖14 可以看出：在常溫(23 ℃)下(見圖14(a))，晶體表面光滑，膠結良好，無明顯的熱損傷裂縫，結構整體較為穩定，晶體呈現解理狀斷裂形態；試件經300 ℃高溫處理后(見圖14(d))，晶體間出現明顯縫隙，并且出現微小裂縫，說明此時高溫處理已經促使巖石內部晶體之間發生改變；試件經400 ℃高溫處理后(圖14(e))，裂紋已經開始貫通，形成多條微裂縫，在外力作用下很可能會瞬間產生聚集現象；試件經700 ℃高溫處理后(圖14(h))，能夠明顯看到內部裂縫貫穿整個斷裂面，形成貫通裂縫，裂紋的數量也明顯增加，晶體之間的膠結狀態進一步被削弱，晶體結構發生了明顯破壞，最終在宏觀上表現為靜態斷裂韌度降低。

為了進一步分析CSTBD 試件斷裂表面的損傷機理，采用分形維數對花崗巖斷裂面粗糙度進行表征。細觀分形維數計算方法包括周長-面積關系法、剖面位形法、冪律普法、自仿射分形法、盒維數法和Hausdroff 維數法等[30-31]，可以利用MATLAB 程序進行計算。本文選擇盒維數法計算得到分形維數，并與花崗巖靜態斷裂韌度的變化趨勢進行對比分析。

盒維數分形法的計算原理如下：在現有的反二值圖像上有大量長度為δ的閉合盒子，這些封閉的盒子排列整齊，不互相堆積重疊。對含黑色內容物的箱子進行盒子數計數，總計為N(δ)。當標尺δ趨于無窮小時，所得極限值即為該圖像的分形維數Ds：

但在分形維數計算過程中，標尺δ只能夠到達一定程度的有限值，故通常采用最小二乘法進行數據擬合，得到如式(6)所示表達式，然后根據截距確定分形維數。

根據上述分形維數計算原理，采用MATLAB程序計算反二值圖像的分形維數。從電子顯微鏡掃描得到的斷裂面圖片經過MATLAB 處理后，得到反二值圖像如圖15所示。由圖15可見：該圖像由一系列像素點組成，且可以看作是m×m的像素點矩陣，其內部為孿晶斷裂形式。以1個黑色像素點為1個封閉盒子標尺，選擇512像素×512像素的區域進行分析，計算包含不同尺度黑色像素盒子的數量，得到log2N(δ)與log2(1/δ)之間的對應關系，從而得到不同高溫處理后試件裂紋斷裂面的分形維數與靜態斷裂韌度之間的關系，如圖16所示。

根據分形維數理論分析結果可知，分形維數越大，試件斷裂面越復雜，沿晶斷裂面占比可能越大，宏觀上，單位面積上產生裂縫斷裂面所消耗的能量越大，壓裂破壞所需要的能量也越大。但從圖16 可以看出，經700 ℃高溫處理試件的分形維數為1.809 8，在常溫(23 ℃)下試件的分形維數為1.769 5。造成這種現象的主要原因是花崗巖經過高溫處理后，沿晶斷裂經過熱損傷已經產生，致使內部產生許多細觀裂縫且連接貫通，最終在宏觀上表現為靜態斷裂韌度降低。從圖16 還可以發現，花崗巖的靜態斷裂韌度與分形維數呈反比，主要是由于在低溫下，花崗巖晶體之間黏結較密實，破壞形式主要是穿晶斷裂破壞，而經過高溫處理的花崗巖晶體間會產生熱損傷微裂縫，故高溫處理后的細觀斷裂面較粗糙，以沿晶斷裂為主，導致其分形維數較大。

3 結論

1)隨著處理溫度升高，花崗巖的基本物理性質與力學性質發生了很大改變。當溫度超過400 ℃時，花崗巖的表觀顏色發生了明顯改變，但堆積密度變化較小，其中花崗巖礦物成分中鈉長石質量分數逐漸變小。

2)花崗巖的縱波波速隨著溫度升高逐漸降低，當溫度達到700 ℃時，縱波波速最小，此時，損傷因子達0.875。

3)隨著溫度升高，花崗巖靜態斷裂韌度呈現線性衰減特征，且逐漸從典型脆性破壞向延性破壞轉變。當高溫處理溫度為700 ℃時，花崗巖平均靜態斷裂韌度為0.176 7 MPa·m1/2，僅為常溫狀態下的21.3%。

4)花崗巖微觀斷裂面的熱損傷細觀裂縫數隨著溫度升高而逐漸變多，分形維數逐漸增大，表明溫度越高，斷裂面的裂縫越大，沿晶斷裂越多，而沿晶斷裂所需的能量較小，宏觀表現為靜態斷裂韌度降低。