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1、精品论文大集合高温作用后花岗岩力学特性及声发射特性的试验研究1季明 1，高峰 1，徐小丽 21. 中国矿业大学理学院，江苏徐州（221008）2. 南通大学建筑工程学院，江苏南通（226019）E-mail: 摘要：对高温作用后（常温1300）花岗岩试件单轴受压破坏全过程进行了试验研究， 得到了岩石破坏全过程的力学特征和声发射特征。试验结果表明：在 600以前，温度对花 岗岩的密度影响不明显，超过 600后花岗岩密度减小的幅度增大；花岗岩力学性质在200600的温度区间内出现了一个随温度升高强度不降反增的异常现象，在 850之后，岩样强度突然降低，呈现出明显的塑性行为和峰后行为，在 850温度
2、点附近，花岗岩出现了脆塑性转变的相变行为；岩样承受 1200高温作用后，呈现出塑性破坏特征，声发射信号强度降低，持续时间增长，尤其在峰值强度之后，试件的残余塑性变形仍释放出较密集的声发射信号，随着岩样所受温度的升高，出现明显声发射信号的时间点有所推迟；在600之前，由于温度造成的热损伤变化没有明显的规律，600之后，热损伤逐渐增强，1200岩样已基本失去了承载能力；基于损伤理论，推导了温度、声发射参数与岩石本构方程之间的联系。关键词：花岗岩；高温作用；力学性质；声发射；热损伤1. 引言在高放射性核废料的深地层处置、石油的三次开采、煤层瓦斯的安全抽放和综合利用、 石油及天然气的地下贮存、地热资源
3、开发等工程中，都需要考虑岩石在高温下的物理力学 性质1。迄今为止，国内外研究者对岩石在高温下的宏观力学性能进行了比较多的研究，但 一般加载温度都在 800以内 2-4。在岩石力学研究中，一个十分重要的问题就是岩石破坏机理。岩石的声发射，它与岩石内部缺陷的演化与繁衍直接相关，反映了岩石损伤的程度。目前，国内外学者对受压岩石破坏全过程声发射特征进行了较全面的实验研究，但在温度 作用后的岩石声发射试验至今仍未有报道，仍未建立声发射参数、温度与力学参数之间的 联系5-6。为了研究上述问题，本文对高温作用后花岗岩试件单轴受压破坏全过程进行了试验研 究，得到了高温作用后岩石破坏全过程的力学特征和声发射特征
4、，分析了花岗岩在高温作 用后强度及变形等力学性质的变化规律和原因，并推导了温度、声发射参数与岩石本构关 系之间的联系。2. 试验条件及方法2.1 试验设备与常温下岩石力学声发射试验不同，高温下需要解决两个问题：（1）温度的施加；（2） 试验加载控制系统和声发射监测系统。对于温度的施加，采用与 MTS810 电液伺服材料试验系统配套的高温炉 MTS652.02 来 实现，该高温炉整体高度为 220mm，热区域高度为 185mm，热区域宽度和深度都为 62.5mm， 标距长度 50mm，施加的温度范围为常温1400；试验加载设备采用 MTS815 电液伺服1 本课题得到 973 国家重点基础研究发
5、展规划项目 “灾害环境下重大工程安全性的基础研究”（2002CB412705）的资助。- 1 -材料试验系统；声发射监测采用由美国声学物理公司生产的 PCI-2 声发射仪。2.2 高温作用后花岗岩单轴压缩试验和声发射试验本试验共有 45 个试样，按每 3 个分为一组，然后以 2/s 的升温速率分别升温至 50，100，200，300，400，500，600，700，800，900，1000，1100，1200，1300，恒温 20min 后自然冷却至常温。在单轴压缩状态下，进行全应力应变试验，试验过程中测量岩石在 变形破坏全过程中的声发射信号、载荷、变形及时间等参数。3. 试验结果与分析3.1
6、 花岗岩高温前后密度分析加温前后密度试验采用水利水电工程岩石试验规程中规定的量积法，即首先测出每 个试件的直径和高度，并计算体积，然后用天平称重，最后计算出各试件的密度。将所有试 件密度作归一化处理，得到高温前后岩石试件相对密度的变化情况如图 1 所示。1.011.000.99 00.98 / 0.97200180160轴向应力/MPa140120100252005008000.960.950.940200400 6008001000120080601000401200200温度T/大理岩相对密度与温度的关系0.0000.0030.0060.0090.0120.0150.018轴向应变 图 1
7、 花岗岩相对密度与温度的关系图 2 高温作用冷却后花岗岩轴向应力应变曲线Fig.1T/0-T curves of all tested granitesFig.2 -curves of granite after-high-temperature试验结果表明，在 600以前温度对花岗岩的密度影响不明显，此后，随加热温度的升 高，密度减小的幅度增大，在经历 1200高温后，花岗岩的密度比常温降低了 5.5%。高温 作用下花岗岩密度下降的主要原因一方面是由于岩石的温度变形，在宏观上表现为试件直径 和高度有所增加，导致试件体积变大；另一方面，加热过程中岩体内部水分的散失，以及一 部分微小粉末细屑的脱
8、落，使得试件的质量有所降低， 密度减小。3.2 花岗岩高温作用后应力应变曲线由于每组岩石的全应力应变具有相近的分布形式，本文列出若干试样的应力应变曲 线，如上图 2 所示。由图 2 可见：（1）在经历高温作用后，随着温度的升高，花岗岩的脆性减弱，延性增强，峰值强度降低，在 850左右之前，尽管岩石脆性降低，强度和弹模变小，但是变化不大， 但在 850之后，岩样强度突然降低，呈现出明显的塑性行为和峰后行为，这表明在 850 温度点附近，花岗岩出现了脆塑性转变的相变行为；（2）岩样在 800以下呈脆性或半脆性 剪切破裂；在高于 800后则显示出明显的塑性变形；1200时以晶体塑性变形为主，样品 出
9、现部分熔融，呈延性流动状态；当加温到 1300时处于完全熔融状态。高温作用后，在 800左右强度没有明显下降，仍达 160Mpa 左右，因为降温又恢复了花岗岩的脆性，只有当岩样中出现脆塑性转变后强度才突然下降，加温后降温其力学行为呈突变状态，与结构中相变密切相关。3.3 高温作用后峰值强度和弹性模量随温度的变化试验所得花岗岩在高温作用后峰值强度和弹性模量随温度变化如图 3 和图 4 所示。220200180单轴抗压强度 / MPa160Data: E_C Model: ParabolaEquation: y = A + B*x + C*x245Weighting:y No weighting4
10、0Chi2/DoF = 1418.35575R2 = 0.445363035A 117.1963 13.85811B 0.20489 0.05887C -0.00022 0.00005Data: E_E Model: ParabolaEquation: y = A + B*x + C*x2Weighting:y No weightingChi2/DoF = 46.16805R2 = 0.64019A 22.78724 2.50024B 0.038880.01062C -0.00005 8.9495E-6C14012025=117.1963+0.204890.00022220E=22.78724
11、+0.03888T-0.00005T210080604020平均值 拟合值 散点值0 200 400 6008001000 1200温度T/15弹性模量E / GPa105平均值 拟合值0散点值-50200 400600800 1000 1200温度T/图 3 高温作用后花岗岩强度与温度的关系图 4 高温作用后花岗岩弹性模量与温度的关系Fig.3 Relation between strength and temperature after-high-temperatureFig.4Relation between Youngs modulus and temperature in-high-
12、temperature从图 3 可以看出，花岗岩各温度段单轴抗压强度具有较大的离散性，这是由于岩石自身的结构差异所致。上图中，圆点为岩石各温度段对应的强度平均值，实线为按最小二乘法计 算的回归曲线，回归曲线总体上表现为二次抛物线型。在高温作用后，从整体上看，在 800 以前，温度对花岗岩强度的影响规律不明显；当温度高于 850时，回归曲线斜率变陡，强 度随温度升高急剧下降；1200高温下的花岗岩基本失去了承载能力。由图 4 可知，弹性模量随温度变化总体上随着作用温度升高而降低，其变化规律与单轴抗压强度随温度的变化规律相一致。在高温作用后，花岗岩在 200600的温度区间内出现了一个随温度升高强
13、度不降 反增的异常现象，这种现象已被大多数实验所证实。主要原因是高温导致岩样内水分蒸发， 脆性增强，强度增大。3.4 高温作用后花岗岩在不同温度下的声发射特征本文选取了 25、400、800和 1200时花岗岩声发射振铃计数率及声发射能率与 时间的关系曲线，如图 58 所示。从中可以得知，40000声发 射振铃计数率3000020000声发 射振铃计数率 声发 射能率3000025000声发 射能率20000150005000040000声发 射振铃计数率30000声发 射振铃计数率 声发 射能率40000声发 射能率30000100001000050002000010000200001000000000
