高溫循環加卸載作用下砂巖力學性能弱化及超聲規律研究

張銀行 ，羅吉安 ，何 俊 ，汪亮亮

（1.安徽理工大學 土木建筑學院，安徽 淮南 232001；2.安徽理工大學 力學與光電物理學院，安徽 淮南 232001）

隨著國家建設對煤氣需求量的迅猛增加，在獲取煤氣時不可缺少的會對煤氣頂層巖石進行研究[1]。在對礦石開采與瓦斯抽取時，除了受內部氣體壓力外、也有地應力和不同采動應力往復作用，容易使巖石產生累積損傷。如大型機械開采、挖掘機作業等活動，會對作業面附近巖石產生荷載，這種外力可以視為對巖石循環加卸載過程[2]。同時，煤炭氣化過程時，周圍巖石會經受高溫作用[3-4]。因此，地下工程開采避不開巖石在高溫作用下的討論。

目前，不少學者開展了巖石分級循環加卸載力學特性研究，砂巖通過分級循環，得出破壞形態屬于脆性破壞[5]，并且也有因不同的冷卻條件對巖石力學參數、破碎狀況產生影響[6-7]。同時，高溫也會使巖石力學性能出現不同狀況的損傷，且溫度升高也出現了力學性能衰退等現象[8-9]。秦本東等[10]通過研究高溫后的石灰巖與砂巖得出抗壓強度弱化等現象；JING Xudong 等[11]、WANG Dong等[12]指出了隨溫度升高孔隙結構變化加重與破壞形態發展較大等情況；宋勇軍等[13]通過分析干濕循環作用下砂巖劣化趨勢，得出此巖石單軸抗壓強度的劣化速率隨孔隙的增長不斷減慢等規律；王暢等[14]分析了巖石在浸水作用下的各種力學性能，得出了劣化度與浸水次數之間的變化規律。為此，本研究根據邢其君[15]、袁秋霜等[16]；利用超聲波對混凝土、巖石進行的內部損傷檢測；也根據GE Zhenlong 等[17]、GE Shaokun 等[18]得出的巖石表面的粗糙度隨溫度、循環次數的增加而變大與溫度在400 ℃以上時，熱損傷增加量變大等現象；結合ZHANG PING 等[19]指出的高溫對砂巖孔隙結構和力學性質的影響規律；得出用聲速變化來分析描述破壞后巖石內部損傷與破碎形態發展的創意。

試驗基于地面反復的采動應力[20-21]對巖石累積損傷變形的影響，開展了高溫情況下砂巖循環加卸載力學分析，從砂巖的聲速傳播、弱化系數、劣化度等巖性衰退進行剖析。

1 巖石試件試驗

1）巖石試件。試驗所采用的巖石取自深部煤礦砂巖，該砂巖試塊具有良好的完整性和均勻性，對試樣斷面進行取心、切割、磨平和拋光，將砂巖加工成?50 mm×100 mm 的標準試件，砂巖試件兩端非平行誤差控制在0.02 mm 以內，直徑誤差小于0.3 mm。加工成多組標準巖石試件滿足試驗要求。

2）試件加熱處理。試件用腔體為圓形的KSL-1200 高溫電爐對巖石進行加熱，溫度設為25、200、400、600、800 ℃ 5 個等級，然后對巖樣進行編號，把砂巖均勻放入電爐，加熱速率設為5 ℃/min，在達到預定溫度恒溫2 h 后拿出，使巖石自然冷卻至室溫后以便進行后續的單軸循環加卸載試驗。

3）加卸載試驗。通過長春機械科學院有限公司生產的DDL-200 電子蠕變持久試驗機進行循環分級加卸載試驗，試驗系統有多種功能，如開環、變形和位移等，試驗采用了0.5 N?mm-2/S 的加載速率，試驗在加載過程中可以自動記錄時間、軸向載荷與位移等數據。同時，采用MC-6310 非金屬超聲檢測儀對破壞后巖石進行檢測，使接發裝置分別緊靠巖石兩端，通過對不同溫度下破壞后的波速變化分析，可以得出巖石密實和空洞的情況，從而知內部損傷變化。

2 循環加卸載下的力學特性

25、200、400、600、800 ℃循環加卸載試樣的全應力-應變曲線如圖1。

圖1 全應力—應變曲線圖Fig.1 Full stress-strain curves

由圖1 可知：分析得出25～400 ℃曲線有部分重疊，25～200 ℃重疊部分多、變化趨勢差別不大，200～400 ℃重疊少且試件有較大破壞，即此溫度段巖石受熱使各種性能損傷程度加大，說明在400 ℃以下白砂巖內部脫水與顆粒腐化程度小，巖石顆粒的膨脹與受熱變形使密實內部損傷破壞不顯著；400～800 ℃巖石顆粒內部間隙增大、結合水與巖石受熱易融顆粒丟失嚴重，使巖石緊密性與抗壓性能衰退、應變增量變大。應變在400 ℃以下增加量穩定，400 ℃后的增加量變大，在800 ℃時滯回環減少嚴重，巖石已進入破壞中后期。

由圖1 可知：試樣經歷壓密、彈性、屈服、破壞4 個時期。在初始階段時曲線為凹型，從25～800 ℃初始壓密階段不斷增大，在25～200 ℃增加較緩，200～800 ℃增加量較大，說明溫度越高白砂巖內部微裂隙越多，高溫損傷衰退越嚴重裂隙閉合時間越長；彈性變形階段應力和應變呈線性關系，該階段隨著溫度升高斜率逐漸降低，在400～800 ℃降低較為顯著；屈服階段是巖石破壞之前的階段存在較短，隨后進入破壞階段：巖石破壞階段在200 ℃以下應力降低不明顯，在200 ℃后隨溫度升高，應力明顯降低。

2.1 巖石在不同溫度下抗壓強度變化

彈性模量—溫度曲線圖如圖2。

圖2 彈性模量—溫度曲線圖Fig.2 Elastic modulus temperature curve

從圖2 中可知：25 ℃彈性模量最小值大于200 ℃的最大值，在200～800 ℃之間彈性模量最大值的差值逐漸減小，且彈性模量平均值依次降幅分別為30.5%、26%、26.4%、23.9%，說明200 ℃前巖石彈性衰變最為嚴重，在200 ℃后彈性變形穩定衰退。

用圖2 表示抵抗變形能力可知：溫度越高抵抗變形能力越弱，內部受到的力越大，脆性變形程度更深，從而彈性模量破壞更為嚴重。

2.2 巖石在不同溫度下變形衰退分析

每次分級點應變循環圖與平均應變如圖3 和圖4。

圖3 每次循環應變—溫度曲線圖Fig.3 Strain temperature curves for each cycle

圖4 平均應變—溫度曲線圖Fig.4 Average strain temperature curve

由圖3 可知：在每個溫度應變初期產生的變形量較大，而后每次循環應變穩定增加且在各溫度破壞前應變也逐漸增大，即得出加卸載期間塑性應變增量受循環次數影響小，但破壞前應變增量受溫度影響較大；由于受熱使巖石內部礦物顆粒間隙增大，循環初期到壓密階段形變較大，當軸向應力緩慢卸載時，彈性變形略有所回升而內部顆粒間隙、滑移變形和受熱腐化物等壓縮產生的彈性變形難以復原，從而知巖石隨著溫度升高應變呈線性增加且在初期產生的塑性變形增量大。

巖石再經過反復循環加卸載后，內部顆粒間隙、孔隙及礦物骨架被壓縮致密，塑性增量變小至穩定，巖石在循環末期已接近無塑性、沒有壓縮緩沖區，所以，試件破碎嚴重和應變最大。

殘余應變隨溫度變化如圖5 和圖6，殘余應變是第N次循環軸向荷載達到最小對應的應變值。

圖5 殘余應變循環—溫度曲線圖Fig.5 Residual strain cyclic temperature curves

圖6 平均殘余應變—溫度曲線圖Fig.6 Average residual strain temperature curve

由圖5 可知：5 種不同溫度下殘余應變都呈上升趨勢且溫度越高初期殘余應變差越大，隨著循環的進行使巖石內部損傷逐步積累；各溫度從循環初期到破壞前形成了穩定的殘余應變差。圖6由于巖石受高溫侵蝕使巖石天然孔隙增大、顆粒膠狀物質融化，使軸向壓縮對巖石塑性變形造成不可逆損傷且溫度越高衰退性質越嚴重，即殘余應變呈線性增加且400 ℃為殘余應變關鍵點。

2.3 巖石在不同溫度下損傷變化

巖石隨溫度升高會產生熱損傷，不可避免的會產生微觀裂紋，因此，應變也會發生變化，用應變作為損傷變量來描述溫度對巖石的裂紋影響，由式（1）Lemaitre 損傷模型變形可知：

式中：D（ε）為 損傷值； εT為在溫度T處砂巖應變；ε0為常溫應變。

損傷模型變形計算損傷值—溫度曲線如圖7。

圖7 損傷值—溫度曲線圖Fig.7 Damage value temperature curves

由圖7 可知：整體應變損傷值隨溫度升高而增加且破碎形態也變大，同溫度下破壞前1 次殘余應變損傷>峰值應變損傷，說明載荷在壓縮到最大值時相對破壞前卸載對巖石破碎起到固定作用；殘余應變平均值損傷>分級點應變平均值損傷，每次循環荷載達到最大值時相對前1 次卸載有固定巖石變形的作用。

3 溫度對軟化系數與劣化度的影響

對巖石在高溫后抗壓強度分析，用劣化度與弱化系數來觀察巖石發展趨勢。劣化度是受磨損、腐蝕、老化的影響導致運行巖石偏離良好方向；軟化系數為不同溫度下或第N次循環下的抗壓強度與初始抗壓強度的比值。弱化系數與劣化度計算公式為：

式中：ω為軟化系數；R為抗壓強度；R0為初始抗壓強度；ξ為劣化度；E為彈性模量；E0為初始彈性模量。

軟化系數—加載次數曲線圖如圖8，軟化系數—卸載次數曲線圖如圖9。

圖8 軟化系數—加載次數曲線圖Fig.8 Softening coefficient and loading times curves

圖9 軟化系數—卸載次數曲線圖Fig.9 Softening coefficient and unloading times curves

由圖8 可知：在破壞末期加載下25～200 ℃階段軟化系數有顯著的非均勻降幅，降幅為39.29%；200～800 ℃分為2 段：200～400 ℃破壞末期加載軟化系數下降緩慢，降幅為24.8%，是由于結合水與膠狀物下降速度快即軟化系數在200 ℃前有較大改變，200～400 ℃難溶顆粒開始緩慢分解即軟化系數降幅小；400～800 ℃降幅依次為33.76%、53.93%，因為400 ℃后巖石內部顆粒脫水嚴重且礦物顆粒與膠狀物在高溫下分解，使內部顆粒摩擦系數減小，同時難融物也開始分解腐化，從而降幅增大、抗壓強度減弱。即得隨著循環次數增多，巖石軟化系數增大并且隨著溫度升高軟化系數變小，說明軟化系數越大抗壓強度越好，且巖石在200 ℃時內部已衰變嚴重，在400 ℃后受高溫的影響，難融物質逐漸腐化，即下降變快，從而200、400 ℃為重要節點。

由圖9 可知：由于溫度升高時巖石塑性、彈性破壞嚴重，在卸載力時很難恢復原狀，即力卸載到最小值用時短，所取平均值較大，從而用公式計算的軟化系數也較大，即溫度越高軟化系數在卸載時越大；25～200 ℃曲線接近，200～400 ℃曲線中間差距略大，400～800 ℃差距不明顯，說明在200 ℃以下巖石含水性受溫度影響小，400 ℃時巖石脫水完全且受熱易融物基本消失，巖石在耐熱顆粒下保持少量塑性，即在壓力作用下會有所變形。

劣化度—加載次數曲線圖如圖10，劣化度—卸載次數曲線圖如圖11。

圖10 劣化度—加載次數曲線圖Fig.10 Deterioration degree and loading times curves

圖11 劣化度—卸載次數曲線圖Fig.11 Degradation degree and unloading times curves

由圖10 可知：隨著循環次數增加，即劣化度先升高后降低且溫度越高劣化度越小；巖石在每次加載后使巖石變形加深，部分物質沒有恢復原狀，從而導致塑性變形增加、彈性模量累積變大與劣化度也上升。巖石在加載末期破碎、彈性模量由極限最大轉向衰減，即劣化度減小；溫度升高使巖石在荷載作用后無法恢復原狀和彈性模量逐漸損傷，從而導致劣化度隨溫度升高而減小；在25 ℃～200 ℃～400 ℃劣化度末期降幅分別為38.88%、69.96%，400 ℃～600 ℃～800 ℃降幅量相差不大分別為29.42%、35.45%，即得巖石在25～400 ℃溫度段結合水與膠狀物減量最大，隨之彈性模量也有大幅下降，但隨溫度升高劣化度逐漸趨于0。

由圖11 可知：在卸載期應力平均值隨著溫度升高而變大且在每次卸載后平均彈性模量較初始有很大的差異，即用公式算得劣化度升高；25 ℃～200 ℃～400 ℃劣化度增量逐漸變大，末期增幅分別為148.32%、171.54%；400 ℃～600 ℃～800 ℃降幅分別為20.3%、41.31%；即得隨卸載次數增加與溫度上升，劣化度隨之升高且在加載末期上升量減小，從劣化度卸載分析知600 ℃是巖石1 個關鍵點。

4 高溫循環破壞下巖石內部衰變與破碎形態發展

縱波波速隨溫度變化的關系如圖12。

圖12 縱波波速—溫度變化曲線圖Fig.12 Sound velocity temperature variation curve

通過圖12 可知：破壞后巖石空洞與不密實的狀態，利用聲波在固體、氣體傳播速度的不同來判斷巖石破壞情況；不密實與空洞是由于破壞后形成的松散狀以及遭受高溫侵蝕后巖石內部顆粒脫落、腐化使骨架孔隙變大等造成的“蜂窩”狀形態；縱波波速隨溫度升高而下降，這是因為巖石受高溫脫水腐化后形成類“沙粒”物質在壓縮破壞和收集后無法組成原狀，使巖石骨架形成大的孔隙，波速在巖石密實區大；相反，在空洞與缺陷區通過空氣或沿著裂縫邊緣傳播，即傳播路程增大、測得波速降低和聲時變長。在25～200 ℃溫度段波速相差不大，但極差較大，400～800 ℃波速相差較大且極差較小，由于在200 ℃以下巖石內部裂縫破壞不均勻，即聲速大小不一，內部波速小部分裂縫缺陷多，相反破壞程度淺；高于200 ℃巖石受熱腐蝕嚴重且均勻，以致縱波波速與極差減小。

高溫破壞后的巖石形態如圖13。

圖13 破壞后形態圖Fig.13 Morphological pictures after damage

由圖13 可知：在25 ℃巖石表面呈劈裂破壞，破裂面裂紋較少、碎塊較均勻，即波速傳播用時短、波速快（波速遵循傳播速度：固體、氣體、液體依次變小原則）；200 ℃破碎裂紋增多且規則，在巖樣表面有脫落、端面處有錐形，巖石內部碎塊凸起不均勻且波速降低、用時變長；400 ℃巖石出現剪切破壞、裂紋較豐富與外表面脫落加重，巖石內部斷面凹凸不規則加重、碎塊變多，波速傳播更加緩慢；600～800 ℃巖石拉剪破壞更加嚴重，外表面剝落面積更大且不規則、裂紋更多，破碎形狀完全扭曲且內部碎塊小而多、斷面層形狀各異，并且波速傳播時更加艱難，傳播距離更長、聲時更大。從而得隨溫度升高巖石裂紋發育逐漸繁瑣、破碎加重和損傷程度變深。

5 結 語

1）巖石在不同溫度侵蝕下，隨著溫度升高巖石內部顆粒腐化嚴重、彈性模量近直線衰退明顯；峰值應變、殘余應變隨著溫度升高塑性與內部形狀破碎嚴重，應變整體增大且400 ℃后應變增加量大，即400 ℃為巖石臨界點。

2）巖石加載軟化系數隨溫度與循環次數增加而降低，且在破壞前抗壓強度增量大，使得軟化系數增量也變大；卸載軟化系數由于巖石塑性部分破壞無法恢復原狀，從而卸載力下降快、抗壓強度平均值小，即溫度越高軟化系數越小，200～400 ℃卸載軟化系數中間差大，即200 ℃為臨界點；巖石加載劣化度隨溫度升高值越小、衰變越嚴重，同時隨循環次數不斷增加，巖石彈性模量破壞也越嚴重，從而使劣化度先增加后減小。

3）隨溫度升高巖石內部顆粒物脫落量越多與波速越小，在25～200 ℃巖石呈劈裂破壞，受熱不均勻、波速極差大，400～800 ℃巖石呈剪切破壞，內部受熱脫水嚴重使巖粒腐化，巖屑脫落較多，受熱均勻、波速極值小。巖石在200 ℃前斷裂面較硬，200 ℃后巖心受熱嚴重，斷裂面有大量的類“沙粒”腐化物，即巖石硬度隨溫度升高而衰退。

4）巖石在最高溫度達到800 ℃后進行分級循環加卸載，通過隨溫度升高的損傷值、軟化系數、劣化度、波速變化等分析，可以得出不同分級點荷載對巖石的損傷程度與隨荷載增大巖石累積損傷的變化規律。同時，由巖石在荷載疊加破壞后的形態變化與波速特征可得出溫度對巖石破碎特征的影響。