溫度循環荷載下花崗巖微裂隙演化試驗

王濤, 于海洋, 王輝, 張妹珠, 郝鵬靈, 樊愛彬, 魏志鵬

(1.中國石油大學(北京)油氣資源與探測國家重點實驗室, 北京 102249; 2. 中海油田服務股份有限公司油田生產研究院,天津 300459; 3.武漢大學科學技術發展研究院, 武漢 430072)

隨著經濟的發展,中國對于核能和地下能源的需求量日益增加。二氧化碳氣體的地下儲存,高放核廢料的深埋處理,地熱能源的開發利用;深部隧洞的挖掘施工等,都涉及高溫下巖石性能劣化問題。在各類巖石中花崗巖以石英、鉀長石、鈉長石、云母為主要成巖礦物,其滲透率低、致密、強度高,是地下工程和地熱能源以及儲存核廢料的理想巖體[1]。高放核廢料衰變過程,會與周圍固體物質中的水分發生水合作用,產生的大量熱量使圍巖的溫度升高[2]。在火災、火山側翼穩定等工程實例中,高溫環境會使圍巖發生劣化和熱開裂,造成嚴重的災害[3]。而且高溫對某些巖石的力學行為有很大影響[4]。花崗巖受熱后水冷卻,“壓-拉”應力作用使其裂縫逐漸擴大,最終引起熱剝落,使得巖體的穩定性進一步下降[5]。對于溫度循環作用下花崗巖等巖體的物理力學性能,也有不少學者進行了相關的研究。謝晉勇等[6]對花崗巖在高溫-快速冷卻循環處理后的力學性能和聲發射現象進行試驗研究,發現在相同溫度下,隨循環次數增加,其單軸抗壓強度減小,峰值應變增大,塑性特征更加明顯。田振興等[7]對花崗巖在高溫-淬火循環作用下的物理力學特性進行了分析,發現花崗巖抗拉強度、抗壓強度、彈性模量都隨循環次數的增加呈下降趨勢,但變化幅度很小,在10%以內。Zuo等[8]對經高溫(25～300 ℃)處理的砂巖進行了試驗觀測,結果表明:在高溫條件下,礦物顆粒邊界首先出現“粒間微裂紋”,然后是 “粒內微裂紋”。Zhu等[9]利用掃描電鏡觀察了不同熱處理后巖樣的細觀結構。研究發現,在200 ℃以下,巖樣內沒有出現明顯的微裂隙,礦物結晶失水是引起損傷的主要原因;隨著溫度的上升,開始出現了一些細小的裂隙,微裂隙的數量、開度、連通性都會增加,從而使晶體結構受到破壞,使礦物顆粒之間的黏結作用減弱。Zhang等[10]對花崗巖高溫及水冷循環下的細觀結構進行了研究,發現礦物的不均勻膨脹和循環熱沖擊是巖石劣化的主要原因,經過一定次數的循環后,彈性模量的衰減和孔隙空間的增大阻止了花崗巖損傷的加劇。Jansen等[11]通過模擬室內熱破裂試驗,發現相鄰礦物顆粒的熱膨脹系數不匹配會引起熱致裂紋,溫度梯度引起的熱應力過大,也會引起微裂紋。張志鎮等[12]對不同溫度下的花崗巖進行了孔隙特征研究,結果表明:微裂紋數量與受熱溫度成正比,孔隙分布呈現出較好的分形統計特性。戴俊等[13]研究了微波照射花崗巖的損傷演化過程以及探討微波照射過的花崗巖進行單軸壓縮后花崗巖應力-應變關系,得到考慮多因素作用的花崗巖損傷演化方程和花崗巖損傷本構模型。張凱等[14]開展了循環高溫(400 ℃和600 ℃)冷卻后花崗巖的氣體滲透率試驗,探討溫度、循環次數、冷卻方式、圍壓對花崗巖內部流體傳輸的影響,隨著循環次數增加,溫度越高,巖樣劣化越明顯,高溫淬火普遍比自然冷卻劣化嚴重。張曦等[15]建立了孔壁穩定性數值模型,分析了孔壁失穩的發展規律及其影響因素。研究結果表明,孔壁周圍土體由于卸載應力達到臨界狀態是發生塌孔的主要原因,塌孔發展速度隨時間逐漸變緩,最終塌孔形態趨于土拱形式。Shao等[16]研究了不同粒徑的花崗巖在水冷和自然冷卻下的細觀結構變化。然而,高低溫下花崗巖的物理力學性能、微裂隙演變規律以及宏觀物理力學性能劣化的微觀機理等方面的研究還存在著一些不足,如不同峰值溫度、熱循環條件下花崗巖微細觀尺度裂隙演變的規律研究仍較少。在各種溫度下,穿晶裂隙、沿晶裂隙的形成條件及特性,目前還沒有一個比較完整、清晰的結論。

現通過試驗探究在高溫下花崗巖宏觀力學性能劣化的微觀機理,探討熱循環次數、峰值溫度遞增、風化程度對花崗巖微裂隙衍生和擴展的影響。

1 實驗方案

選出5組基本礦物組成相近的花崗巖薄片,以減少花崗巖礦物組成及含量對高溫熱循環過程中裂隙衍生擴展及力學性質的影響。將用于高溫熱循環的樣品按照C1～ C5 依次命名,其中數字1～5表示溫度循環次數。另設置一組中風化花崗巖樣品C6,來對比研究新鮮和中風化花崗巖在高溫循環過程中微裂隙演變的不同。風化花崗巖光薄片由山東日照的中風化花崗巖試樣加工打磨而成。主要樣品分組和測量測試方案如表1所示。加熱循環模式對應的溫度路徑如圖1所示。

圖1 高溫熱循環次數影響研究中加熱循環模式Fig.1 Heating cycle pattern in the study on the influence of the number of high-temperature thermal cycles

表1 樣本列表和測試條件

實驗裝置為Hysitron T1950 Triboindentor納米壓痕試驗儀與Axio Observer 7 m光學顯微鏡倒置顯微鏡,如圖2所示。通過納米壓痕實驗對花崗巖在高溫處理前后的微觀力學性質進行分析對比,使用光學顯微鏡倒置顯微鏡,對花崗巖表面礦物組成和分布進行識別,并采用工業級600萬像素攝像機進行顯微攝像,與計算機及圖像處理軟件相結合,處理、分析得到的圖像。

圖2 實驗裝置圖Fig.2 Experimental apparatus

圖3為本次試驗的主要流程。首先將樣品經過倒置顯微鏡的偏光鏡觀察,確定樣品大致礦物分布。針對熱循環處理中循環次數對花崗巖微裂隙演變的影響研究,分別不同樣品進行200、400、500、600 ℃等關鍵溫度下的熱循環處理。每個循環溫度進行10 次循環,升溫速率為20 ℃/min,每個循環在循環溫度下保持10 min,然后降溫至25 ℃,降溫速率為20 ℃/min,整個過程通過高溫加熱臺的正置顯微鏡實時原位觀察樣品表面變化。在循環溫度下熱循環處理10 次,觀察樣品前后的變化,以此來分析高溫循環對花崗巖微裂隙演變的影響規律。在每個循環溫度下進行完10 次循環后,在11 次循環中,采用相同的升溫速率升溫至峰值溫度800 ℃,來進一步對比分析熱循環次數和峰值溫度對花崗巖微裂隙衍生擴展的影響程度大小。

圖3 實驗流程圖Fig.3 Experimental flow chart

2 實驗結果分析

2.1 溫度循環次數對花崗巖微裂隙演變的影響

分別對循環溫度為200、400、500、600 ℃等溫度下的花崗巖表面微裂隙衍生情況進行分析,并在循環10次后將溫度升至800 ℃。以600 ℃為例,如圖4所示,是花崗巖在升溫至600 ℃經歷前后10次循環下的巖樣表面細觀結構圖及試驗前的光學顯微圖。

圖4 600 ℃高溫循環光學顯微對比圖Fig.4 Optical microscopy comparison at 600 ℃

如圖4所示,第一次升溫過程對花崗巖表面微裂隙的衍生效果最為顯著,后續循環過程對裂隙的衍生擴展效果不明顯,僅觀察到隨著循環次數的增多,樣品在微裂隙附近有顆粒的剝落,同時大開度裂隙的開度有進一步的增加,但是沒有任何新生裂隙的產生。

對不同循環次數后的花崗巖微裂隙的最大平均開度和最大開度進行統計分析,各個循環溫度下的微裂隙的最大平均開度和最大開度隨循環次數的變化數據,如表2所示。從表2可以看出,在400 ℃下,隨著循環次數的增加,花崗巖表面最大裂隙從循環前的0 μm 增加至1次循環后的3.23 μm增加了11.45%,5 次循環后為3.60 μm,到10次循環時為3.67 μm,5～10次循環僅增加1.94%,考慮誤差允許范圍內可以認為裂隙開度基本不增加。而在500 ℃下,0～1次循環,增加了301.75%。1～5次循環增加了15.87%,5～10次循環,增加了6.78%。在600 ℃下,0～1次循環,增加了426.90%。1～5次增加了39.27%。5～10次增加了9.21%。由此可以看出,花崗巖表面微裂隙開度主要是第一次熱循環所起到的作用最大;花崗巖在等峰值溫度循環過程中,隨著循環次數的增加,微裂隙的最大開度有一定增加,且循環次數越多,增加效果不斷減弱;相同循環次數下,循環溫度越高,裂隙開度的增加也相應越明顯。不斷減弱;相同循環次數下,循環溫度越高,裂隙開度的增加也相應越明顯。而根據幾組樣品在第11次循環中升溫至800 ℃下的裂隙最大平均開度和裂隙最大開度可以看出,在升溫至800 ℃時,花崗巖裂隙最大開度都會劇烈增加,相較于循環次數的影響,峰值溫度對花崗巖微裂隙的衍生中開度的衡量影響更大。且等峰值溫度的循環溫度越高,再升到相同溫度800 ℃時,對應的裂隙開度也更大,說明等峰值溫度的熱循環峰值溫度的提升,對后續升溫過程中花崗巖微裂隙的進一步擴展有促進作用。

表2 循環溫度400、500、600 ℃下微裂隙開度隨循環次數的變化數據

2.2 峰值溫度遞增對花崗巖微裂隙演變的影響

對經歷100 次循環后的花崗巖樣品C5進行逐梯度變溫循環的循環試驗,升溫模式為MCDT。首先對樣品升溫至400 ℃,升溫速率為100 ℃/min,在400 ℃保持10 min,后快速降溫至常溫25 ℃,整個過程通過高溫加熱臺的正置顯微鏡實時原位觀察樣品表面變化,此為一個高溫熱循環過程。在400 ℃峰值溫度下進行高溫循環100 次,在第101～109 循環次時,峰值溫度依次增加至420、440、460、480、500、520、540、560、800 ℃,升溫速率、降溫速率、峰值溫度恒溫時間保持一致。基于樣品C5的表面細觀結構圖,粗略估算觀察區域花崗巖種石英含量占比Cq=33.277%。溫度路徑如圖5所示。

圖5 峰值溫度遞增的高溫循環的溫度路徑圖Fig.5 Temperature path diagram of high temperature cycle with increasing peak temperature

基于各峰值溫度下花崗巖細觀光學顯微圖,繪制其裂隙網絡圖,圖6分別是花崗巖在循環峰值溫度為400、440、480、520、560、800 ℃下的裂隙網絡圖。從圖6可以看出,隨著峰值溫度的遞增,花崗巖表面微裂隙在400～560 ℃大幅增加,而在560 ℃以后,一直到800 ℃,微裂隙增加緩慢,峰值溫度遞增的熱循環對花崗巖微裂隙的衍生具有加速效果。

為進一步證明該加速效果,對各峰值溫度下花崗巖微裂隙面密度進行測量統計,得到花崗巖在峰值溫度遞增的高溫循環下各峰值溫度的微裂隙面密度的數據。同時,根據花崗巖在20～900 ℃高溫作用下微裂隙面密度隨溫度、石英含量的演變的擬合公式為

(1)

式(1)中:t為循環溫度;ρ為時間裂隙面密度;T0、p為擬合系數。

計算等峰值溫度循環下同溫度下擬合得到的裂隙面密度數據。在Cq=33.277%時,擬合系數T0=531.58,p=0.006 74,峰值溫度遞增的熱循環、等峰值溫度熱循環下裂隙面密度隨溫度的演化規律,如圖7所示。

圖7 峰值溫度遞增與常規高溫擬合裂隙面密度隨溫度的演變規律Fig.7 Evolution law of the fracture surface density with the increase of peak temperature and conventional high temperature fitting

在峰值溫度遞增的高溫循環下,從溫度400 ℃到500 ℃,裂隙面密度增大了115.43%,已經達到了花崗巖微裂隙突變的情況。而在常規高溫下微裂隙面密度會突變的500～600 ℃下,峰值溫度遞增下的花崗巖微裂隙面密度只增加了不到28.57%,說明花崗巖在峰值溫度遞增的高溫循環下,加速了微裂隙的衍生。峰值溫度遞增的高溫循環過程,逐步遞增循環溫度,花崗巖裂隙突變溫度從530 ℃降低到440 ℃左右,也體現出此加速效果。

2.3 風化程度對花崗巖熱循環微裂隙演變的影響

對高溫400 ℃下循環10 次、800 ℃下循環1 次的中風化花崗巖表面微裂隙的最大平均開度和最大開度進行測量表征,如表3所示。為了進一步對比新鮮與中風化花崗巖在高溫熱循環下裂隙開度演化的不同之處,將樣品C2 和C6 中裂隙最大平均開度與循環次數的關系繪制對比折線圖,使樣品除了風化程度不同外,其余高溫進程操作均一致,如圖8所示。

圖8 中風化、新鮮花崗巖裂隙最大平均開度隨循環次數演變規律Fig.8 Evolution of the maximum mean fracture opening of moderately weathered and fresh granite with the number of cycles

表3 中風化花崗巖微裂隙開度隨循環次數的變化數據

在400 ℃下,隨著循環次數的增加,中風化花崗巖表面最大裂隙從循環前的2.84 μm 增加至1 次循環后的3.26 μm,增加了14.79%;5 次循環后為3.90 μm,相對于1 次循環后每次平均增加了4.91%。而新鮮花崗巖C2,在完全相同的高溫處理進程下,隨著循環次數的增加,中風化花崗巖表面最大裂隙從循環前的0 μm 增加至1 次循環后的3.26 μm,增加幅度遠大于中風化花崗巖。同樣的,在第11 次循環,提升峰值溫度到800 ℃時,中風化花崗巖裂隙最大平均開度從4.06 μm 增加至6.31 μm,增加幅度為55.42%;而新鮮花崗巖C2 裂隙最大平均開度從2.92 μm 增加至9.51 μm,增加幅度為225.68%,是中風化花崗巖的4 倍左右。由此可以看出,中風化花崗巖在高溫及熱循環下,相對于新鮮花崗巖,微裂隙衍生擴展程度明顯減小,很難形成復雜的裂隙網絡和大開度的裂隙。隨著花崗巖的風化程度的增加,高溫及熱循環對巖石材料的裂隙演變影響減小,裂隙網絡復雜程度、裂隙開度也隨風化程度減小。

3 結論

利用高溫加熱臺對花崗巖進行了高溫循環研究,峰值溫度為200、400、500、600 ℃,并利用光學顯微鏡原位實時觀察其在高溫循環下的細觀結構變化,來探究熱循環下,循環次數、風化程度對花崗巖微裂隙衍生和擴展的影響。通過峰值溫度遞增的熱循環處理,峰值溫度依次為400、420、440、460、480、500、520、540、560、800 ℃,研究峰值溫度遞增的熱循環工藝是否會加速花崗巖微裂隙衍生。得出如下結論。

(1)在等峰值溫度熱循環下,循環次數對花崗巖微裂隙的衍生的影響不明顯,隨著循環次數的增加,不會出現新生裂隙,裂隙開度有一定增大,且增大幅度不斷減緩。對比熱循環次數、峰值溫度的影響,在高溫作用下花崗巖微裂隙演變的關鍵影響因素是峰值溫度,其對花崗巖最終形成的裂隙網絡具有決定性作用。

(2)在熱循環作用下,裂隙開度隨循環次數增加的增大幅度與溫度呈正相關,等峰值溫度熱循環后加熱到統一800 ℃溫度下的裂隙開度也與循環峰值溫度成正相關。

(3)峰值溫度遞增的熱循環顯著促進了花崗巖表面微裂隙的衍生,該工藝會明顯降低花崗巖微裂隙演變的突變溫度,從而使花崗巖相較于普通高溫處理更早產生復雜裂隙網絡,但對最終形成的裂隙網絡的復雜度沒有太大的影響。

(4)在高溫及熱循環下,相較于新鮮花崗巖,中風化花崗巖微裂隙衍生擴展程度顯著降低,難以形成復雜、大開度的裂隙網絡。