基于微觀機理的高溫后大理巖動態(tài)力學特性分析

摘要：為研究溫度對大理巖動態(tài)力學特性的影響，對常溫（25 ℃）及高溫（200 ℃、400 ℃、600 ℃和800 ℃）后的大理巖試樣開展SHPB試驗、XRD和SEM微觀試驗，探究了高溫后大理巖動態(tài)力學特性與溫度的關(guān)系及微觀損傷機理。結(jié)果表明：高溫后大理巖的動態(tài)壓縮應力-應變曲線分為彈性、屈服、破壞3個階段；大理巖的峰值應力及破壞特征均存在明顯的溫度效應，即隨溫度的升高，大理巖的峰值應力逐漸下降，破碎程度加劇；大理巖的動態(tài)力學特性與其礦物組分及晶體結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，200 ℃～600 ℃時，微缺陷增多，且白云石發(fā)生了熱分解轉(zhuǎn)化，在800 ℃時，礦物分解生成CO2氣體和氫氧化鈣，且晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生熔融破壞，內(nèi)部損傷嚴重，塑性增強，從而導致宏觀力學特性的大幅下降。

關(guān)鍵詞：深部開采；大理巖；高溫作用；微觀損傷機理；動態(tài)力學特性；動態(tài)壓縮試驗

中圖分類號：TU451 TD315 文章編號：1001-1277（2024）07-0011-06

文獻標志碼：Adoi：10.11792/hj20240703

引 言

隨著淺部資源的日益枯竭，深部開采已成為國內(nèi)外礦產(chǎn)資源開發(fā)與利用的必然趨勢［1］，但隨著開采深度的增加，深部巖石所處的地質(zhì)條件日益復雜化，深部巖體工程處于高地應力、高地溫、高水壓及動荷載擾動的特殊地質(zhì)力學環(huán)境［2］，導致深部巖石不僅要承受不同溫度的作用，而且還受到不同種類動荷載的侵擾。因此，深部巖石問題已成為學者們的研究重點［3-4］。與淺部巖石相比，深部巖石力學特性及其工程響應有著明顯的不同，深部巖體開挖過程中易引發(fā)工程災害問題，所需要的開挖技術(shù)條件更加復雜。所以進行深部巖石高溫后動態(tài)力學特性及微觀機理的研究具有重要意義。

目前，國內(nèi)外學者在高溫后巖石的靜態(tài)力學特性及物理性質(zhì)方面的研究較多。例如：SHA等［5］研究了高溫后花崗巖的物理力學性能。ZHU等［6］對不同溫度處理后砂巖的物理力學特性進行了研究，發(fā)現(xiàn)當溫度大于500 ℃時，砂巖的變形模量及強度均呈現(xiàn)下降趨勢。賈蓬等［7］研究了高溫水冷后花崗巖的物理力學特性，隨著溫度的升高，花崗巖單軸抗壓強度逐漸降低，而峰值應變不斷增大。吳陽春等［8］探究了溫度對高溫后花崗巖物理力學特性的影響。隨著深部巖體工程的進行，有學者已開始利用分離式霍普金森壓桿測試技術(shù)對高溫后巖石的動態(tài)力學特性展開研究。例如：YANG等［9］研究了高溫后砂巖的動態(tài)力學特性，并分析了溫度與砂巖峰值應力及動態(tài)彈性模量的關(guān)系。WANG等［10］分析了溫度及應變率與花崗巖動態(tài)力學特性的關(guān)系。平琦等［11］研究了溫度與高溫循環(huán)次數(shù)對砂巖動態(tài)力學特性的影響。蔚立元等［12］對高溫水冷后的花崗巖進行了動態(tài)單軸壓縮試驗，并分析討論了溫度和應變率對花崗巖動力特性的影響。顧超等［13］利用分離式霍普金森壓桿系統(tǒng)對高溫后2種層理砂巖進行了動態(tài)壓縮試驗，結(jié)果表明高溫后層理砂巖的動態(tài)力學特性受沖擊速度、溫度及各向異性的共同影響。朱晶晶等［14］通過動態(tài)壓縮試驗，探究了應變率與動態(tài)抗壓強度和單位體積吸收能的關(guān)系。

綜上所述，以往學者們的研究主要從宏觀角度去分析溫度對巖石動態(tài)力學特性的影響，而從微觀角度深入探究動荷載與溫度耦合作用后巖石內(nèi)部礦物組分及微觀結(jié)構(gòu)變化對巖石動態(tài)力學特性的影響較少，且學者們的研究對象主要為花崗巖和砂巖，對高溫后大理巖的研究仍不夠充分。因此，本文選用大理巖作為研究對象，對高溫后大理巖的動態(tài)壓縮力學特性及微觀損傷機理進行分析研究，為深部巖體工程的建設(shè)提供參考依據(jù)。

1 試驗概況

1.1 試樣制備

本次試驗所用大理巖試樣均取自云南省東南部的卡房礦山，呈灰色，均一性良好，表面無明顯裂紋。根據(jù)國際巖石力學學會（ISRM）的標準［15］，利用巖石取芯機、切割機和磨平機等設(shè)備將大理巖加工制備成長徑比為0.8的試樣，即φ50 mm×40 mm大理巖圓柱試樣（如圖1所示）。為減小試驗誤差，提高試驗準確性，試樣磨平后兩端面的不平整度應控制在±0.04 mm，高度與直徑的誤差應控制在±0.2 mm。

1.2 試樣高溫處理

采用XH7L-12型箱式電阻爐對制備完成的大理巖試樣進行高溫處理，該設(shè)備爐膛采用陶瓷纖維材料制成，最高加熱溫度可達1 200 ℃，控溫精度為±1 ℃。

為了研究不同溫度對大理巖力學性能的影響，將試樣處理溫度設(shè)為常溫（25 ℃）、200 ℃、400 ℃、600 ℃、800 ℃5組，且每個溫度等級的試樣至少控制在3個。首先，將箱式電阻爐的升溫速率設(shè)置為10 ℃/min對試樣進行加熱處理，當試樣達到預定溫度值后恒溫保持3 h，使試樣均勻受熱；其次，恒溫結(jié)束后，關(guān)閉箱式電阻爐電源，打開爐門使試樣在爐膛中自然冷卻至室溫；最后，將經(jīng)歷不同溫度處理的試樣存放于密封袋中，以備后續(xù)SHPB試驗和微觀試驗使用。

1.3 試驗設(shè)備及SHPB基本原理

本文大理巖SHPB試驗均使用昆明理工大學國土資源工程學院φ75 mm分離式霍普金森壓桿試驗系統(tǒng)，該設(shè)備主要由加載驅(qū)動裝置、應力傳遞裝置和測試系統(tǒng)3個部分組成。加載驅(qū)動裝置包括氮氣瓶、高壓氣儲存室、壓強控制器等；應力傳遞裝置包括紡錘形子彈、入射桿、透射桿、吸能桿等；測試系統(tǒng)則包括速度測試系統(tǒng)、應變測試系統(tǒng)等。入射桿和透射桿的相關(guān)物理參數(shù)：長為2 m，密度為7 794 kg/m 彈性模量為211 GPa，縱波波速為5 189 m/s，泊松比為0.285。微觀試驗中采用JSM-6510鎢絲掃描電鏡（SEM）和X射線衍射儀（XRD）。

巖石SHPB試驗均基于2個基本原理，即一維應力假設(shè)理論和應力均勻性假設(shè)理論［16-17］。在試驗過程中，入射桿上的應變片1和透射桿上的應變片2將反射波和透射波采集記錄到超動態(tài)應變儀中，形成應力脈沖波的時間歷程曲線，利用二波法［18］對試驗數(shù)據(jù)進行處理，可得巖石試樣的平均應力σst、平均應變εst和平均應變率st。

式中：εT（t）和εR（t）分別為t時刻的透射應變和反射應變；E0、A0和C0分別為桿件的彈性模量（MPa）、橫截面面積（mm2）和波速（m/s）；As、ls和hs分別為巖石試樣的橫截面積（mm2）、長度（m）和高度（m）。

動態(tài)應力平衡是試驗數(shù)據(jù)有效性的前提條件，因此選取大理巖SHPB試驗過程中的代表性數(shù)據(jù)進行應力平衡檢驗，如圖2所示。從圖2可以看出，入射波與反射波疊加的曲線與透射波曲線幾乎重合，表明SHPB試驗過程中巖石試樣滿足動態(tài)應力平衡條件。

1.4 試驗方案

為研究高溫對大理巖動態(tài)壓縮力學特性的影響，本文將每組動態(tài)壓縮試驗中的沖擊速度定為14.5 m/s，即在每次試驗前固定紡錘形子彈的位置，使得子彈在同一沖擊氣壓下可獲得相同的沖擊速度。大理巖的研究溫度共設(shè)置5組，即常溫（25 ℃）、200 ℃、400 ℃、600 ℃、800 ℃。因此，本文動態(tài)壓縮試驗共分為5組，且為保證數(shù)據(jù)的準確性，每組需進行3次獨立重復試驗，并從中選取最具統(tǒng)計學意義的數(shù)據(jù)進行分析。最后，利用X射線衍射儀對不同溫度處理后大理巖的礦物組分進行測試，SEM電鏡掃描儀對每組沖擊壓縮破壞后的斷口進行微觀結(jié)構(gòu)觀察試驗。

2 SHPB試驗結(jié)果及分析

2.1 應力-應變曲線

不同溫度作用后大理巖動態(tài)壓縮典型的應力-應變曲線如圖3所示。從圖3可以看出，大理巖的動態(tài)壓縮應力-應變曲線大致可分為彈性、屈服、破壞3個階段。

在彈性變形階段，試樣在25 ℃～400 ℃階段曲線斜率變化較小；而當溫度達到600 ℃～800 ℃后，試樣由于受到高溫作用，內(nèi)部微裂紋逐漸擴展發(fā)育，使得其抵抗變形的能力下降，曲線斜率發(fā)生較大下降。在屈服階段，作用溫度不同，曲線應力的變化趨勢也不同，即隨著溫度的升高，曲線應力的增大速率逐漸變緩，曲線塑性屈服平臺越顯著。在破壞階段，當應力達到峰值時，25 ℃試樣迅速破壞，峰后曲線呈快速下降趨勢；而隨著溫度的升高，峰后曲線逐漸變緩，表明試樣塑性逐漸增強。綜上，隨著溫度的升高，大理巖動態(tài)壓縮應力-應變曲線逐漸變緩，塑性逐漸增強。

2.2 峰值應力及破壞特征

不同溫度作用后大理巖的基本物理力學參數(shù)如表1所示。根據(jù)表1，利用一次函數(shù)對不同溫度作用后試樣的峰值應力進行擬合，可分析得出大理巖峰值應力隨溫度的變化，結(jié)果如圖4所示。

從圖4可以看出：與25 ℃溫度作用后試樣的峰值應力相比，200 ℃、400 ℃、600 ℃、800 ℃溫度作用后試樣的峰值應力分別下降了6.2 ％、16.9 ％、40.8 ％、76.9 ％。隨著溫度的升高，大理巖的峰值應力逐漸下降，且下降幅度不斷增大，在800 ℃時峰值應力下降幅度達到最大，表明此時試樣受高溫影響損傷嚴重，這主要是由于高溫作用后，大理巖內(nèi)部礦物受熱膨脹產(chǎn)生熱應力，使得裂紋裂隙逐漸萌生發(fā)育，而作用溫度越高，內(nèi)部分子熱運動越劇烈，內(nèi)部微缺陷越多，從而導致試樣在800 ℃時峰值應力達到最低值。

巖石的破壞是巖石內(nèi)部微裂隙相互擴展貫通的結(jié)果［19］，為表征不同溫度作用后大理巖的受力狀態(tài)，對大理巖的沖擊破壞特征進行觀察，結(jié)果如圖5所示。從圖5可以看出：在沖擊速度相同的情況下，大理巖沖擊破壞后的碎屑隨溫度的升高而增多，其主要原因為高溫作用后，大理巖內(nèi)部的水分蒸發(fā)，礦物成分及含量發(fā)生改變，導致其內(nèi)聚力逐漸變小，使得試樣破碎后的碎塊尺寸由粗粒向細粒變化，試樣破碎程度加劇。

3 微觀試驗結(jié)果及分析

3.1 XRD試驗

為研究不同溫度作用后大理巖的礦物成分及相對含量，對大理巖試樣進行了XRD試驗，隨后利用Jade軟件對試驗數(shù)據(jù)進行分析處理，可分別得到不同溫度（25" ℃、200 ℃、400 ℃、600 ℃、800 ℃）作用后大理巖的成分分析譜圖和主要礦物種類及相對含量，結(jié)果如圖6、表2所示。

從圖6和表2可以看出：大理巖主要礦物成分為白云石和方解石，且白云石相對含量最高。在通常情況下，白云石的硬度均大于方解石，所以白云石相對含量越高，大理巖的強度則越大，而當方解石相對含量升高，且白云石相對含量下降時，大理巖的強度則減小。在25 ℃～200 ℃時，巖石內(nèi)部的水分由于溫度的升高而蒸發(fā)，部分白云石發(fā)生分解，并生成方解石；200 ℃之后，白云石熱分解作用隨溫度的升高更加劇烈，方解石相對含量逐漸上升；當溫度達到800 ℃時，方解石也出現(xiàn)了熱分解作用，分解劇烈程度大于白云石，使得方解石和白云石相對含量分別呈現(xiàn)降低和升高趨勢，但方解石和白云石實際含量均因熱分解而降低，且礦物在分解過程中產(chǎn)生了CO2氣體與氫氧化鈣，導致大理巖體積膨脹，內(nèi)部顆粒疏松，使大理巖整體強度降低。因此，當溫度達到800 ℃時，大理巖內(nèi)部礦物成分和含量發(fā)生變化，其抵抗沖擊荷載的能力降至最低。

3.2 SEM電鏡掃描試驗

高溫作用后，由于巖石內(nèi)部礦物顆粒之間的熱膨脹系數(shù)不同，其受熱后會發(fā)生體積膨脹，從而導致巖石表面出現(xiàn)熱開裂裂紋［20］。本次試驗中，大理巖試樣斷口產(chǎn)生是由于高溫和外部沖擊荷載耦合作用，為探究高溫沖擊對巖石微觀形貌的影響，可利用SEM電鏡掃描技術(shù)觀察高溫沖擊后大理巖的斷口形貌特征，結(jié)果如圖7所示。

高溫作用后，由于巖石內(nèi)部礦物對溫度的敏感程度不同，其內(nèi)部顆粒間的晶體結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)差異性。從圖7可以看出：在200 ℃前，試樣的斷口形狀為臺階狀，整體結(jié)構(gòu)較完整，無明顯裂紋，局部存在微孔隙；200 ℃～400 ℃時，試樣表面出現(xiàn)裂紋，但裂紋寬度較小，斷口整體呈現(xiàn)三角坑狀，說明晶體結(jié)構(gòu)開始受到一定的損傷和發(fā)生了脆性破壞；600 ℃時，溫度升高使得大理巖試樣內(nèi)部晶體結(jié)構(gòu)的破壞特征發(fā)生變化，局部區(qū)域發(fā)生了塑性破壞，已經(jīng)出現(xiàn)典型的塑性破壞-韌窩凹坑［21］（如圖7-e）所示）;當溫度達到800 ℃時，試樣斷口裂紋裂隙逐漸擴展貫通，裂紋數(shù)量增多且寬度增大，晶體結(jié)構(gòu)表面變得粗糙，受溫度與沖擊荷載的影響，試樣晶體結(jié)構(gòu)的破壞特征主要為塑性破壞，此時試樣的塑性較強，與宏觀力學試驗結(jié)論一致。

綜上可知，在較低溫度（lt;200 ℃）時，大理巖試樣斷口整體結(jié)構(gòu)較完整，無明顯變化，局部呈現(xiàn)微孔隙微裂紋；200 ℃后，隨著溫度升高，裂紋裂隙逐漸增多;600 ℃時，試樣內(nèi)部晶體結(jié)構(gòu)局部區(qū)域發(fā)生了塑性破壞；而800 ℃時，晶體表面變得粗糙，晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生熔融破壞，內(nèi)部損傷嚴重，使得試樣力學強度降至最低，與宏觀試驗結(jié)論一致。

4 宏-微觀參數(shù)響應特征分析

隨著溫度的升高，巖石內(nèi)部礦物受熱會發(fā)生分解、相變和化學鍵斷裂的物理化學反應，且裂紋裂隙逐漸擴展貫通，內(nèi)部微缺陷逐漸增多，使得巖石損傷嚴重，在沖擊荷載的作用下最終發(fā)生破壞。根據(jù)上述大理巖宏觀與微觀試驗的相關(guān)結(jié)論，將不同溫度作用后大理巖宏-微觀參數(shù)的響應特征分成了階段Ⅰ（25 ℃～200 ℃）、階段Ⅱ（200 ℃～600 ℃）、階段Ⅲ（600 ℃～800 ℃）3個階段，并進行了分析。

在階段I中，大理巖的微觀結(jié)構(gòu)特征無明顯變化，局部出現(xiàn)微裂紋孔隙，而該溫度區(qū)間大理巖的宏觀力學特性變化也較小，具體表現(xiàn)為動態(tài)抗壓強度與密度損失率小幅度下降。在階段Ⅱ中，溫度的升高使得大理巖試樣內(nèi)部晶體結(jié)構(gòu)的破壞特征發(fā)生變化，局部區(qū)域發(fā)生了塑性破壞，且裂紋數(shù)量和寬度增加；白云石則出現(xiàn)熱分解，使得方解石相對含量逐漸增加。綜合分析，在階段Ⅱ巖石熱損傷加劇，宏觀力學特性降低（縱波波速和動態(tài)抗壓強度下降），這主要是由于巖石裂紋裂隙逐漸擴展貫通，微缺陷增多，且內(nèi)部礦物發(fā)生了熱分解轉(zhuǎn)化。在階段Ⅲ中，600 ℃時試樣內(nèi)部晶體結(jié)構(gòu)局部區(qū)域發(fā)生了塑性破壞，而在800 ℃時，晶體表面變得粗糙，晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生熔融破壞，內(nèi)部損傷進一步加劇；此階段方解石也出現(xiàn)了熱分解作用，同時產(chǎn)生CO2氣體與氫氧化鈣，導致大理巖體積膨脹，內(nèi)部顆粒疏松；晶體結(jié)構(gòu)的損傷與礦物的變化共同導致了大理巖的宏觀力學特性下降至最低值。綜上所述，大理巖的高溫-動荷載破壞機理主要為微裂紋、裂隙及孔隙的萌生、擴展與貫通，微缺陷隨溫度的升高而增多，以及巖石內(nèi)部礦物的分解與轉(zhuǎn)化。大理巖微觀參數(shù)與宏觀參數(shù)變化趨勢的一致，印證了微觀反映宏觀的宏-微觀關(guān)系。

5 結(jié) 論

對常溫和經(jīng)歷高溫（200 ℃、400 ℃、600 ℃和800 ℃）后的大理巖進行了動態(tài)沖擊壓縮試驗和微觀XRD、SEM試驗。探究了高溫后大理巖的動態(tài)壓縮力學特性及微觀損傷機理。主要結(jié)論如下：

1）高溫后大理巖的動態(tài)壓縮應力-應變曲線可分為彈性、屈服、破壞3個階段，且隨著溫度的升高，大理巖應力-應變曲線逐漸變緩，塑性逐漸增強。

2）大理巖的峰值應力及破壞特征均存在明顯的溫度效應。隨著溫度的升高，大理巖的峰值應力逐漸下降，且下降幅度不斷增大；隨著溫度的升高，大理巖破碎后的碎塊尺寸逐漸減小，破碎程度加劇。

3）大理巖的力學性質(zhì)與其礦物成分及相對含量密切相關(guān)，200 ℃～600 ℃時，白云石相對含量逐漸減少，方解石則不斷增加，使得大理巖強度降低；800 ℃時，礦物分解生成CO2氣體和氫氧化鈣，使得大理巖體積膨脹，顆粒疏松，強度大幅下降。

4）高溫會造成大理巖顆粒間晶體結(jié)構(gòu)上的差異，200 ℃后，隨著溫度的升高，裂紋數(shù)量增多；600 ℃時局部區(qū)域發(fā)生了塑性破壞；而當溫度達到800 ℃時晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生熔融破壞，內(nèi)部損傷嚴重，發(fā)生了塑性破壞。

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Analysis of the dynamic mechanical properties of marble after high-temperature exposure based on microscopic mechanisms

Song Shixing

Abstract：To study the effect of temperature on the dynamic mechanical properties of marble，dynamic compression tests，XRD，and SEM microscopic tests were conducted on marble samples at room temperature （25 ℃） and after exposure to high temperatures （200 ℃，400 ℃，600 ℃，and 800 ℃）.The relationship between the dynamic mechanical properties of marble and temperature，as well as the microscopic damage mechanisms，were explored.The results show that the dynamic compressive stress-strain curves of marble after high-temperature exposure can be divided into 3 stages：elastic，yield，and failure.The peak stress and failure characteristics of marble exhibit a significant temperature effect：as the temperature increases，the peak stress of marble gradually decreases，and the degree of fragmentation intensifies.The dynamic mechanical properties of marble are closely related to its mineral composition and crystal structure.Between 200 ℃ and 600 ℃，micro-defects increase，and dolomite undergoes thermal decomposition and transformation.At 800 ℃，mineral decomposition produces CO2 gas and calcium hydroxide，and the crystal structure undergoes melting damage，leading to severe internal damage and increased plasticity，resulting in a substantial decline in macroscopic mechanical properties.

Keywords：deep mining;marble;high-temperature effect;microscopic damage mechanism;dynamic mechanical property;dynamic compression test

收稿日期：2024-01-05； 修回日期：2024-03-01

基金項目：國家自然科學基金項目（11862010）

作者簡介：宋世興（1977—），男，高級工程師，從事施工技術(shù)及企業(yè)管理工作；E-mail：ht1421831377@126.com