高溫處理后花崗巖氣體滲透率演變試驗研究

程歡 段志波

摘要：跨海隧道內發生火災時，圍巖在高溫作用下和遇水急劇冷卻過程中會產生大量的裂隙，這些裂隙會對圍巖周邊地下水滲透性產生影響。本文以高溫（200℃、400℃、600℃）處理后花崗巖為試驗對象，在自然冷卻和遇水冷卻兩種冷卻方式下，進行了一系列氣體滲透率試驗，試驗結果表明：孔隙率在600℃高溫處理后顯著增大;滲透率在200℃高溫處理后幾乎沒有變化，而在400℃和600℃下分別提高了1個和2個數量級達到10m和10m。通過SEM掃描電鏡對試樣內部裂隙發育發展情況進行觀察，印證了相關滲透率的演變規律。

關鍵詞：花崗巖;孔隙率;氣體滲透率;掃描電鏡

中圖分類號：U456文獻標識碼：A文章編號：1006—7973（2022）05-0158-03

跨海隧道內發生火災時，圍巖在高溫作用下會產生大量裂隙，導致周邊地下水侵入，在熱沖擊作用下進一步引發裂隙萌生和擴展，造成圍巖滲透性和力學性能劣化，進而影響隧道的安全運行。滲透率作為深部巖體一個重要參數，其與孔隙率和內部孔隙-裂隙結構息息相關。彭海旺等[1]和Hu等[2]對高溫水冷后花崗巖物理性質作了相關試驗研究，結果表明，花崗巖在經過高溫水冷處理后，其體表會有微裂紋出現，導致孔隙結構發生改變。靳佩樺等[3]以高溫急劇冷卻處理后花崗巖為實驗對象，進行了氣體滲透率測試，發現自然冷卻和遇水冷卻下滲透率變化的閾值溫度為400℃。本文旨在分析高溫處理后花崗巖氣體滲透率在不同冷卻方式下隨處理溫度的演變規律，并結合SEM電鏡掃描觀察其微觀孔隙- 裂隙結構。

1試樣制備及熱處理方法

花崗巖試樣采用TNX1200-30型馬弗爐進行高溫處理。加熱目標溫度分別為200、400、600℃，加熱速率設定為5℃/min，至預定溫度后恒溫2h。然后采用以下兩種不同方式冷卻：實驗室自然條件冷卻和投入25℃的水中急劇冷卻。其中字母A代表水中冷卻，字母B代表自然冷卻。圖1為不同溫度處理后花崗巖樣品外觀，可以觀察到試樣表面顏色隨著處理溫度的升高，從最初原始狀態的灰色到淡黃色，最后到灰白色的過程。

2試驗結果及其分析

2.1孔隙率

孔隙率的測量采用真空排水法。試樣放入真空器皿中進行水飽和，當24小時內質量變化小于0.01g時，視為該試樣已經處于飽水狀態，稱量試樣質量為Ms;將完全飽水狀態試樣放入105℃的干燥箱中干燥，24小時質量變化小于0.01g時視為試樣已經處于干燥狀態，稱量試樣質量為Md。用下面公式計算試樣的孔隙率：

式中：e是試樣的孔隙率，D和L分別是標準圓柱形試樣的直徑和高度，ρ為水的密度。

由圖2可看出，200℃處理后試樣孔隙率對比初始狀態略有下降，這是由于花崗巖內部結構隨溫度升高發生膨脹現象，導致孔隙率減小;200～400℃孔隙率隨溫度升高而逐漸增大，600℃時增大更加明顯，這是由于此處理溫度下花崗巖內部晶體結構發生變化，尤其是B-type，a-B類型晶體結構產生了較大破壞，導致裂縫的萌生和擴展。

2.2SEM掃描電鏡

為了進一步研究試樣內部裂隙發育情況，通過SEM掃描電鏡進行觀察。掃描電鏡型號為SU8020，圖3是兩種冷卻條件下花崗巖內部裂隙演化SEM圖像，可以看出，常溫狀態下花崗巖試樣內部微觀狀態良好，僅有少量裂隙;溫度達到200℃時，花崗巖內部的裂隙均出現一定程度的閉合;經過高溫400℃處理后，花崗巖試樣內部產生了許多溫度裂隙，并出現帶狀裂縫，而經過水冷后的裂縫寬度要明顯比自然冷卻條件下要寬;當溫度為600℃，可以觀察到裂隙大量增多，相互貫通形成網狀結構，顆粒化嚴重，且出現明顯的位錯。

2.3氣體滲透率

花崗巖在高溫處理后快速水冷過程中，內部會產生溫度裂隙[4-5]。氣體滲透率測試采用穩態法，氬氣作為流體介質，研究熱處理溫度、冷卻方式、圍壓和圍壓加-卸載對氣體滲透率的影響。試驗設備示意圖如圖4所示，先將干燥狀態試樣用黑色橡膠套密封置于圍壓室中，并進行氣密性檢測，用高壓伺服泵施加圍壓（加載速率控制在1MPa/min），此處采用圍壓為Pc=5、10、20、30MPa。使用注氣裝置，設定上游進氣端壓力P=1.5MPa，下游出氣端與大氣互通，待上游進氣端與下游出氣端達到穩定滲流狀態后開始實驗，用計算機記錄上游進氣端壓力降和相應的時間，根據達西定律，氣體滲透率K可以由下面公式計算：

式中：μ為氣體粘性系數;L為試樣高度;V1為儲氣罐體積;S為試樣截面面積;ΔP1為上游進氣壓經過Δt時間后的變化值;Pmoy為進氣壓的平均值，其中Pmoy=P1-ΔP/2，P為進氣壓初始值;P為標準大氣壓;Δt為測試時間;

逐級提高圍壓至30MPa，重復以上實驗，再逐級卸載圍壓并進行同樣實驗至5MPa，重復以上實驗。

前人大量研究表明，圍壓能在很大程度上影響花崗巖氣體滲透率差值。圖5為圍壓與花崗巖滲透率關系曲線，從圖中可以看出，隨著圍壓的增加，滲透率呈現減小的趨勢，同一溫度下，圍壓值越大，花崗巖內部孔隙微裂隙的發育越遲緩，進而影響了氬氣的流動通道，使得滲透率減小;滲透率隨著卸載量的增加而不斷增加，但同圍壓下相對于加載狀態時有一定的差值。對比圖5（a）和（b），400℃以后，高溫水冷下花崗巖的滲透率明顯高于室溫冷卻，這是因為高溫花崗巖在熱沖擊作用下，內部結構出現了劣化，致使其孔隙微裂隙增多，花崗巖滲透率提高;常溫下花崗巖平均滲透率為6.32×10m，25～200℃時的滲透率趨于平穩狀態，400℃和600℃下分別提高了1個和2個數量級達到10、10m。

圖6為熱處理溫度400℃、600℃的花崗巖在不同冷卻條件下滲透率隨圍壓變化曲線。可以看出，同溫度下，水中冷卻試樣滲透率明顯高于自然冷卻，而圍壓則起到了使內部裂隙閉合的作用;加載情況下，滲透率從10、10降至10、10m，卸載情況下，滲透率雖出現明顯的回升，但達不到初始加載水平。這說明圍壓對于花崗巖內部裂隙具有抑制作用，并且該作用效果不可逆。

圖7為圍壓5MPa下對應初始狀態的相對滲透率。可以明顯看出水冷狀態下氣體滲透率高于自然冷卻狀態，且均在200℃以后呈現明顯上升趨勢。

3結論

通過對高溫處理后的花崗巖進行孔隙率、氣體滲透率和SEM掃描電鏡實驗，可以得出以下結論：

（1）兩種不同冷卻下的花崗巖表現出相同的規律，都隨著溫度的升高，滲透率和孔隙率增大。

（2）圍壓抑制了花崗巖內部微裂隙的發育，滲透率隨著圍壓的增加而減小，并隨著卸載量的增加而增加，但相對于加載狀態時有一定的差值，反映了其內部孔隙微裂隙的可恢復程度。

（3）通過觀察SEM圖像可知，隨著溫度的增加，試樣內部孔隙-裂隙逐漸增多，溫度600℃時，巖石內部裂隙大量增多，形成網狀結構且顆粒化嚴重，水冷卻下的樣品劣化程度較自然冷卻更為明顯。

（4）高溫水冷條件下滲透率高于自然狀態冷卻，急劇冷卻過程為流體提供了良好的轉運通道，導致滲透率大幅度增加。

參考文獻：

[1]彭海旺，余莉.花崗巖多次高溫水冷熱沖擊后力學試驗[J].科學技術與工程，2021，21（13）：5432-5439.

[2]Hu J，Sun Q，Pan X.Variation of mechanical properties of granite after high-temperaturetreatmentJ]. Arabian Journal of Geosciences，2018，11（2）：43.

[3]靳佩樺，胡耀青，邵繼喜等.急劇冷卻后花崗巖物理力學及滲透性質試驗研究[J].巖石力學與工程學報，2018，37（11）：2556-2564.

[4]郤保平，吳陽春，王帥等.熱沖擊作用下花崗巖力學特性及其隨冷卻溫度演變規律試驗研究[J].巖土力學，2020，41（S1）：83-94.

[5]Duan Z，Skoczylas F. Experimental study of the permeability and poro-mechanical properties of thermally damaged granite. European Journal of Environmental and Civil Engineering，2021，25（5）：955-965.