高温处理后花岗岩力学性能演化特征论文_李刚

摘要：花岗岩在高温作用下的力学性能日益成为重要的研究课题，然而已有研究中得出的结论并不一致。通过对一系列不同花岗岩在不同温度处理条件下的实验结果进行对比分析，对其单轴压缩强度及弹性模量的演化规律进行整理分类，并基于归一化分析，给出了可以适用于不同种类花岗岩的单轴强度及弹性模量随温度变化的演化方程。

关键词：花岗岩；温度；单轴强度；弹性模量；演化

引言：

花岗岩的力学性能如何随作用温度发生演化，在近些年来日益成为一个重要的研究方向。一方面，干热岩中地热能的开发，不可避免地需要弄清楚高温作用下花岗岩的力学特性[1]；另一方面，高放废物的深部地质处置一般选择在完整的花岗岩岩体中，由于高放废物会释放出大量的热量，花岗岩围岩在温度作用下的力学性能会对核素的安全处置产生关键的影响[2]；再一方面，考虑到地下工程中可能发生的火灾，其围岩的稳定性也需要考虑温度的影响[3]。

针对花岗岩在温度作用下的力学性能，目前已有不少研究。一般是将加工好的花岗岩样品按照一定的速率加热到设计的温度后，恒温一定的时间使样品充分受热，然后使之自然冷却至室温，再然后利用温度处理过的样品进行力学实验。根据实验结果，不少研究得到了在不同的温度处理条件下，花岗岩的强度及变形性能的变化特征。但是这些研究多针对单一的样品进行研究，不同的文献对所选用的花岗岩样品得出来的结果并不一致[1-5]。所以，有必要通过一系列从不同区域采集的花岗岩样品的实验结果进行对比分析，从而弄清楚不同温度处理条件下，花岗岩的力学性能演化到底有哪些类型的特征，并寻求一个可以统一描述花岗岩力学性能演化的方程。

本文基于已经公开发表的六种花岗岩的实验结果[1-5]，对其在不同处理温度条件下的单轴压缩强度及弹性模量值进行对比分析，从而分别对单轴强度及弹性模量的演化趋势进行分析并归类。更进一步，基于归一化处理，给出可以适用于不同花岗岩的单轴强度及弹性模量随温度变化的演化方程。

1 花岗岩样品及实验条件

本文研究所使用的六种花岗岩样品的基本特征列于表1。可以看出这些花岗岩样品来自我国的不同区域，具有不同的矿物特征，样品的密度在2.53～2.67 g/cm3范围，皆按照规程加工成高径比为2：1的圆柱形试件。

六种花岗岩样品的实验条件列于表2。可见进行高温处理时的方法一致，只是具体的参数有所差异：先按一定速率加温至目标温度（3～10 ℃/min，其中文献[1]中的加温速率非常慢，疑应为3～5 ℃/min），然后恒温2～6 h使试件充分受热，之后再自然冷却至室温。温度处理之后，对样品进行单轴压缩实验。

表1 六种花岗岩样品的基本特征

表2 六种花岗岩样品的实验条件

2 高温处理后花岗岩单轴压缩强度演化特征

将这六种花岗岩在不同温度处理后得到的单轴压缩强度整理在图1中。可见不同种类的花岗岩在常温条件下的单轴强度有较大差异（81.7～187.5 MPa）。从总体上来看，随处理温度升高，花岗岩的单轴强度在两个区间范围内表现出不同的变化趋势。从常温至400°C，花岗岩的单轴强度变化不太明显，在400～1000 °C范围内则表现出较明显的强度下降。

具体看来，这六种花岗岩的单轴强度随处理温度升高的变化趋势主要有如下几种特征：

（1）从常温至200°C（或者250°C）单轴强度升高，此后更高的温度范围内单轴强度明显下降。以共和花岗岩和北山坑探花岗岩为典型代表（本文样品命名基于原始文献实验样品的采样位置）；

（2）从常温至400°C单轴强度先升高后降低，但变化幅度不显著。此后更高的温度范围内单轴强度明显下降。以北山深钻花岗岩、焦作73#及77#花岗岩为典型代表；

（3）从常温至400°C单轴强度略有降低，此后更高的温度范围内单轴强度明显下降。以宁波花岗岩为典型代表。

由于各种花岗岩在常温条件下的单轴强度差异较大，所以图1中不同温度处理过的花岗岩单轴强度值分布也较离散。为了对花岗岩单轴强度随温度变化的演化进行更好的分析，本文将各种花岗岩在不同温度条件下的单轴强度值进行了归一化处理：即将不同条件下每一个单轴强度值除以相对应种类样品在常温条件下的单轴强度值。其中，如果某种样品在同样温度条件下样品个数多于1，则对其在同样温度条件下得到的单轴强度求平均值，然后进行归一化处理。归一化处理后的结果见图2。

图1 不同花岗岩在不同处理温度条件下的单轴压缩强度（基于[1-5]）

图2 不同花岗岩在不同处理温度条件下归一化的单轴压缩强度（基于[1-5]）

图2中不同样品的归一化单轴强度的不同演化规律与图1中得到的不同演化规律是一致的。经过数据对比分析，发现虽然各种花岗岩的强度演化规律有所不同，但可以用统一的数学方程来对其分别进行拟合：

（1）

式（1）中，为归一化单轴强度；和分别控制归一化单轴强度从略微升降到明显下降的界限值及对应的界限温度；和分别控制归一化单轴强度的渐近值及临近对应渐近值的拐点温度；为实验设置的常温温度。

不同花岗岩的拟合曲线见图2。各种花岗岩对应的拟合参数见表3。所有花岗岩的实验数据放在一起也近似可以利用式（1）进行拟合，拟合参数也列于表3。

表3 不同花岗岩的归一化单轴压缩强度演化方程拟合参数

3 高温处理后花岗岩弹性模量演化特征

类似前述分析思路，将不同花岗岩在不同温度处理后得到的弹性模量整理于图3。可见不同花岗岩在常温条件下的弹性模量也有较大差异（13.9～41.7 GPa）。从总体上来看，随处理温度升高，可看到其弹性模量也在两个区间范围内表现出不同的变化趋势。在常温至400 °C范围内，弹性模量变化相对不太明显，在400-1000 °C的范围内则明显下降。

具体看来，不同花岗岩的弹性模量随处理温度升高也表现出几种主要的演化特征：

（1）从常温至400 °C弹性模量略有升高，此后更高的温度范围内弹性模量明显下降。以焦作73#及77#花岗岩为典型代表；

（2）从常温至400 °C弹性模量基本无明显变化，此后更高的温度范围内弹性模量明显下降。以宁波花岗岩为典型代表；

（3）从常温至250 °C（或400 °C）弹性模量略有降低，此后更高的温度范围内弹性模量明显下降。以共和花岗岩和北山坑探花岗岩为典型代表。

同样基于数据离散的考虑，本文将各种花岗岩在不同处理温度条件下的弹性模量值进行了归一化处理。若某种样品在同样温度条件下样品个数多于1，则对其在同样温度条件下的弹性模量求平均值，然后进行归一化处理。归一化处理后的结果见图4。

图3 不同花岗岩在不同处理温度条件下的弹性模量（基于[1-5]）

图4 不同花岗岩在不同处理温度条件下的归一化弹性模量（基于[1-5]）

类似地，虽然各种花岗岩的弹性模量变化规律有所不同，但可以用统一的数学方程来对其分别进行拟合：

（2）

式（2）中，为归一化的弹性模量；和分别控制归一化弹性模量从略微升降到明显下降的界限值及对应的界限温度；和分别控制归一化弹性模量的渐近值及临近对应渐近值的拐点温度；为实验设置的常温温度。

不同花岗岩的拟合曲线见图4。各种花岗岩对应的拟合参数见表4。所有花岗岩的实验数据放在一起也近似可以利用该式进行拟合，拟合参数也列于表4。

表4 不同花岗岩的归一化弹性模量演化方程拟合参数

结论：

基于取于不同区域的花岗岩样品，在不同的温度处理后得到的单轴压缩强度及弹性模量，进行对比分析，对花岗岩受到温度处理后表现出的力学性能演化趋势进行了范围划分，基于总体数据可见界限温度约为400 °C。并对不同的单轴强度及弹性模量演化特征进行了分类。基于归一化的数据分析，分别提出了花岗岩归一化单轴强度和弹性模量随温度变化的演化方程，方程适用于具有不同演化类型的花岗岩。

花岗岩力学性能在高温作用下的不同演化特征，应该与其矿物组分有关。另外，本文所分析的花岗岩样品都是在受到高温处理并自然冷却之后进行力学实验，在高温的同时进行力学实验得到的力学性质同样值得重视。这些方面将是下一步研究的主要内容。

参考文献：

[1]吴阳春，郤保平，王磊，牛新明，王帅，赵阳升.高温后花岗岩的物理力学特性试验研究[J].中南大学学报（自然科学版），2020，51（01）：193-203.

[2]李二兵，王永超，陈亮，刘阳，谭跃虎，段建立，濮仕坤，王健.北山花岗岩热损伤力学特性试验研究[J].中国矿业大学学报，2018，47（04）：735-741+779.

[3]陈有亮，邵伟，周有成.高温作用后花岗岩力学性能试验研究[J].力学季刊，2011，32（03）：397-402.

[4]杜守继，刘华，职洪涛，陈浩华.高温后花岗岩力学性能的试验研究[J].岩石力学与工程学报，2004（14）：2359-2364.

[5]胡少华，章光，张淼，姜秀玲，陈益峰.热处理北山花岗岩变形特性试验与损伤力学分析[J].岩土力学，2016，37（12）：3427-3436+3454.

论文作者:李刚

论文发表刊物:《基层建设》2019年第32期

论文发表时间:2020/4/7

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