热处理温度对受载花岗岩能量演化影响试验研究

隋智力，杨建明，李庆文*，孟媛，张巍，王征飞

(1.北京城市学院 城市建设学部， 北京 100083； 2.北京科技大学 土木与资源工程学院， 北京 100083；3.国家林业和草原局 林产工业规划设计院， 北京 100714)

0 引言

我国核电技术的迅速发展将产生大量的放射性废物，对人类生存环境安全构成极大威胁。针对高放废物的处置，国际上将深地处置作为高放废物的处置方法，各国选址考虑因素和选定的围岩环境均有不同[1]。我国确定甘肃北山作为处置库库址，以完整花岗岩岩体为处置环境开展深地处置研究[2]。所谓深地处置即把高放废物埋在距地表300～1 000 m的地质层中，围岩物理力学及多场耦合下长期稳定性是处置库安全稳定的最主要因素[3]。在核废料处置库运行过程中，处置库围岩面临着高地应力与高放射性温度的双重考验，花岗岩是多种矿物的集合体，其各种矿物的热膨胀系数和物理力学特性等差异较大，因此研究高温环境对花岗岩变形破坏特性，以及对高放废物处置库建设与运行等具有重要意义。然而，传统的力学方法与模型无法很好地将应力作用与温度效应统一表征与分析，能量理论体系因其能够全面反映复杂环境下岩石的受力、变形、损伤乃至破坏等特征正在逐渐被各国学者所重视[4]。

目前，国内外学者针对高温下岩石物理力学特性进行了大量研究并取得丰硕成果[5-16]。例如，JOHNSON等[5]对四种不同类型岩石进行高温处理，研究发现热应力使矿物颗粒间产生裂隙，波速随温度增加而减少； ZHANG等[6]研究大理岩在高温下渗透率变化规律，试验表明温度在327～427 ℃时渗透率显著增大；胡跃飞等[7]采用三轴加载试验机研究热应力和循环应力作用下花岗岩力学特性，研究发现花岗岩的单轴抗压强度发生显著变化；吴阳春等[8]通过单轴压缩和巴西劈裂试验研究高温与花岗岩力学性质间关系，结果表明400～600 ℃间存在花岗岩脆延转化的临界温度。CHEN等[9]对高温下花岗岩进行单轴加载试验。研究表明，随温度增加花岗岩峰值强度和弹性模量呈下降趋势，其中下降以400 ℃为拐点，当温度大于400 ℃时下降迅速。上述研究工作主要关注温度对岩石空隙率、峰值强度、变形破坏形态等物理力学特性的影响，而关于岩石变形过程中温度对花岗岩能量演化规律影响的研究较少。由于能量始终伴随着岩石变形破坏整个过程，从能量的角度出发研究温度对花岗岩特征能量演化，有利于揭示高放核废料处置库、地热开发等工程在建设或运营过程中岩爆等动力灾害发生机制，为项目设计和维护提供理论研究。因此，本文对花岗岩设计5种加热目标温度进行单轴加载试验，研究花岗岩能量积聚、能量耗散和能量释放的温度效应。

1 试验方案

1.1 试验设备与制样

试验加载系统采用北京科技大学TAW-2000微机伺服三轴试验机，如图1(a)所示。该试验机最大轴向加载量程为2 000 kN，最大围压可达60 MPa。试验时，在试样上安装横向和环向引伸计，测量范围为±2.5mm。试样加热采用北京科技大学管式高温炉，如图1(b)所示。该加热系统最高加热温度为1 000 ℃，升温速率为1 ℃/min，控制精度为±2 ℃。

(a) TAW-2000微机伺服加载试验机

(b) 管式高温炉

为了减小试验结果离散性，试验所用试样均取制同一均质花岗岩岩块。制取的试样尺寸为Φ30 mm×60 mm，试样加工参照国际岩石力学学会建议方法，即试样上下端面平整度为±0.05 mm，轴向垂直度偏差为±0.25°。试验中，共制备27个岩石试样，其中12个试样用于开展水饱和后试验，15个试样用于开展干燥状态下试验。岩石试样水饱和过程中，为了确保岩石试样达到完全饱和状态，要求岩石试样浸泡在清水中至少48 h，并在此基础上，额外浸泡5 h后，岩石试样质量变化不超过0.2 g，则证明岩石试样完全饱和。试验设计5个目标温度，分别为23、300、400、500 、600 ℃。以5 ℃/min的加热速率将试样加热至目标温度，之后在目标温度恒温加热1h，以确保试样加热的均匀性，最后以5 ℃/min的降温速率将目标温度降至常温。

1.2 岩石能量计算方法

图2 单轴加载下岩石应变能计算示意图

能量始终贯穿在岩体变形破坏全过程。岩石在变形过程中涉及能量种类较多，主要有外界输入能、弹性能、耗散能、声发射、热能及辐射能等。假设受载岩石系统能量守恒，则[17]：

U0=Ue+Ud，

(1)

式中，U0为外界输入总能量；Ue为积聚在岩体内的弹性应变能；Ud为耗散能量，主要用于裂纹表面能和裂纹尖端塑性能。

由于弹性应变能可逆，可以利用试样应力—应变曲线获取不同状态下各种特征能量演化，如图2所示。

在单轴加载作用下，外界输入总能量U0表达式为：

(2)

式中,σ1为轴向应力；ε1为轴向应变；σ1i为加载至i时刻的轴向应力；ε1i为加载至i时刻的轴向应变。对于i时刻弹性应变能Uei计算，采用峰值前弹性模量代替i时刻卸载模量[16]，表达式为:

(3)

2 不同温度下岩石特征能量演化分析

2.1 物理参量测量

图3 不同温度下试样波速

由于岩石内部赋存大量随机分布的微裂纹、孔洞等天然缺陷，使岩石在热应力作用下在缺陷附近产生裂纹。波速传播快慢对节理裂纹发育程度较为敏感，使其在岩石内产生不同程度的透反射效应，表现出明显的波速差异性。经测量，不同热应力下试样的波速随温度的变化如图3所示。从图3中可以看出，500 ℃为波速变化拐点，在目标温度不大于500 ℃时，波速随着温度的增加以近似恒定的速率下降，而在600 ℃时波速下降明显，表明存在临界损伤温度，在外界温度超过临界损伤温度时，试样内部裂纹迅速发展。从图3中还可以看出，在各个目标温度下饱水试样波速明显大于干燥试样波速，说明水分子充填了热损伤岩样微裂空隙，导致其波速增加。饱和水的存在会抑制岩体内部裂纹发育，而且在600 ℃时试样波速并没有出现明显的下降，即岩体内水分子含量会改变岩体临界损伤温度。

2.2 应力—应变曲线及破坏形态

图4 不同温度下应力应变曲线

通过测量波速的差异初步反映了不同温度热处理后的岩石损伤情况，并对比分析了饱和水的存在对于岩石热损伤的影响规律。为了更加准确的判断岩石不同温度热处理后的损伤情况，在热处理试验的基础上，开展了干燥热处理岩石试验的单轴加载试验，通过分析岩石峰值抗压强度，能量演化规律等进一步探究岩石热处理相应特性。图4为干燥花岗岩试件经不同温度加热后，进行单轴加载的应力应变响应。从图4中可以看出，不同温度下岩石变形演化相似，均经历压密阶段、线弹性阶段、塑性变形阶段和峰后破坏阶段。然而，温度越高，试样的峰前压密阶段和塑性变形阶段在应力—应变曲线上表现越显著，在峰后应力降低表现越不明显。这表明温度越高试件受到热应力越大，岩体内部裂隙越发育，使岩石表现出的塑性特征越强。从试件峰值强度值变化发现，常温下试样峰值强度为166.29 MPa，在经过300～600 ℃的热处理之后，岩样的峰值强度衰减为原来的0.97、0.95、0.90、0.62倍，通过峰值强度的衰减规律可知，在500～600 ℃之间存在明显的损伤临界温度。

试件在单轴压缩下的破坏形态如图5所示。从图5可以看出，随温度增加，试件破坏形态从单一宏观剪切破坏面、多个破坏面到最后散碎化逐渐演化，说明热应力诱发岩石内部裂隙发育程度直接影响岩石在压缩条件下的最终破坏形态。

(a) 23 ℃

(b) 300 ℃

(c) 400 ℃

(d) 500 ℃

(e) 600 ℃

2.3 特征能量演化的温度效应

图6为干燥花岗岩试样经不同温度处理后，受单轴压缩变形过程中特征能量随应变的演化曲线。

(a) 23 ℃

(b) 300 ℃

(c) 400 ℃

(d) 500 ℃

(d) 600 ℃

从图6中可以看出，试样能量特征曲线均可分为峰前阶段和峰后阶段。岩石试样在峰前弹性阶段、峰前塑性阶段和峰后阶段表现出不同的能量特征。这主要是因为在峰前阶段，应变能表现为应变能积聚，输入机械能和弹性应变能随应变增加而增长的速度逐渐加快。在峰前塑性阶段，随试件内部裂隙发育程度的增加，耗散能所占的比例逐渐增大，说明岩石试件内部裂隙越发育，破坏时用于裂隙发育和贯通所消耗的能量也会越大。在强度峰值至峰后破坏阶段，弹性应变能量迅速减小而耗散能快速增加，变化梯度随温度增加逐渐变缓，尤其在600 ℃峰后表现出一定延性，说明热应力诱发岩石损伤极大地降低了花岗岩的脆性。

3 结语

通过对饱水和干燥的花岗岩试样进行热处理研究，并针对干燥热处理后的岩石试样开展单轴压缩试验，系统的分析了热处理后的岩石损伤状态、物理参数、力学强度特征和特征能量演化的温度效应，得出如下主要结论：

① 从超声波波速测试试验结果可知，随着热处理温度的增加，花岗岩试样的热损伤程度也在逐渐增加，在常温至500 ℃的热处理后，干燥花岗岩的波速以恒定的速率下降，而在600 ℃时峰值强度显著下降，说明干燥花岗岩在500～600 ℃间存在临界损伤温度，在外界温度超过临界损伤温度时，试样内部裂纹迅速发展。

② 通过对比分析干燥花岗岩和饱和水花岗岩的波速测试试验结果可知，在相同热处理温度下，饱和花岗岩试样波速明显大于干燥花岗岩波速。经500 ℃和600 ℃处理的花岗岩试件波速，干燥试样波速降幅值也明显大于饱和试样，这表明岩石孔隙内部所含的水会对岩石的热损伤起到一定的抑制作用。

③ 由干燥热处理的岩石单轴加载试验分析可知，温度越高试件的破坏变形值越大，在加载过程中岩石表现出塑性特征越强。常温下试样峰值强度为166.29MPa，在经过300～600 ℃的热处理之后，岩样的峰值强度分别衰减为原来的0.97、0.95、0.90和0.62倍，通过峰值强度的衰减规律可知，在500～600 ℃之间存在明显的损伤临界温度，这也与波速测试结果相吻合。

④ 经不同温度处理的花岗岩，在峰前阶段弹性能占输入机械能比例超过90 %，其主要表现为能量的积聚，从峰前的塑性阶段开始到峰后阶段，能量的耗散值在快速增加，表明岩石从损伤向着宏观破坏发展的过程中所消耗的能量也越来越多，并且随着热处理温度的增加耗散能所占全部能量的比例也在不断增加。