高温作用下花岗岩的脆延性转化温度点

徐小丽，高 峰，张志镇

(1.南通大学建筑工程学院，江苏南通 226019;2.中国矿业大学深部岩土力学与地下工程国家重点实验室，江苏徐州 221008)

处理高温环境中或高温作用下的岩石工程问题是岩石力学的新课题。高放射性核废料的地层深埋处置、地热资源开发等工程地质环境均可能产生一定的高温，这就需要考虑岩石在高温作用下或高温作用冷却后的物理力学性质［1-9］。20世纪70年代以来，人们研究了温度对岩石材料力学性质的影响，取得了丰硕成果。Brede［10］研究了温度对材料韧脆转变的影响，发现韧脆转变温度随着位移加载率的升高而升高;Alshayea等［11］利用声发射来考察加热时岩石的损伤过程，测量了Westerly花岗岩在20～50℃时的断裂韧性;周永胜等［12］对不同温压条件下居庸关花岗岩脆塑性转化与失稳形式进行了试验研究，结果表明当温度小于300℃时花岗岩为脆性破裂，大于800℃时为塑性变形，在300～600℃时为半脆性破裂和碎裂流动，在600～800℃时为半脆性流动;桑祖南等［13］进行了辉长岩脆塑性转化及其影响因素的高温高压试验研究，认为辉长岩的脆塑性转化温度为700～900℃，主要影响因素为温度、围压和应变速率;左建平等［14］通过岛津全数字液压高温疲劳试验系统，实时观察不同温度下北山花岗岩的热开裂过程，获得北山花岗岩的热开裂临界温度为68～88℃。

由于花岗岩具有致密、强度高、渗透性小等特点，其热破裂温度点以及脆延性转化温度点较高，但国内外研究的加载温度大多在800℃以内，不能得到有效的脆延性转化温度点，影响了花岗岩脆延性转换机制的研究［15-17］。本文对实时高温作用下和高温作用冷却后的花岗岩试件进行单轴受压破坏试验，并利用扫描电镜技术(SEM)对不同温度作用下花岗岩断口的微观破坏特性进行分析，研究其微观破坏力学机理，分别运用力学理论和微观理论分析花岗岩在高温作用下力学性能劣化及发生脆延性转化的重要原因，为今后正确分析岩石破坏和建立力学模型提供依据。

1 试验概况

1.1 高温力学试验

试验所用的花岗岩岩样为圆柱体，直径25 mm，高50 mm，岩样平均单轴抗压强度为191.9 MPa。高温力学试验主要分为实时高温作用下以及高温作用冷却后两种情况下岩石的单轴压缩试验。

实时高温作用岩石单轴压缩试验采用中国矿业大学深部岩土力学与地下工程国家重点实验室的MTS810电液伺服试验系统以及与之配套的高温炉MTS652.02。试验以3块岩样为1组，共有12组，以2℃/s的升温速率分别升温至25℃、75℃、100℃、125℃、300℃、400℃、550℃、600℃、800℃ 和 850℃，每组岩样加热后保持恒温20 min，确保岩样内外受热均匀。在均匀温度场中采用电液伺服位移控制方式对岩样实施加载，直至岩样破坏为止，位移加载速率为0.0015 mm/s。加载过程中利用TeststarII控制程序按预定的要求完成试验过程，同时记录相关物理量的值，如轴向载荷、轴向位移、轴向应力及应变等，试验系统如图1所示。

高温作用冷却后岩石单轴压缩试验采用MTS815.02电液伺服试验系统。试验以3块岩样为1组，共有15组。由25℃分别升温至50℃、100℃、200℃、300℃、400℃、500℃、600℃、700℃、800℃、900℃、1000℃、1100℃和 1200 ℃，共13 个温度点，保持恒温20min后自然冷却至常温状态。将降温后的岩样进行单轴压缩试验，试验过程中测量岩石的荷载、变形及时间等参数，试验系统如图2所示。

图1 MTS810电液伺服试验系统

图2 MTS815.02电液伺服试验系统

1.2 扫描电镜试验

采用S250MKⅢ扫描电子显微镜进行扫描电镜试验，其技术指标为:分辨率60Å，放大倍数20万倍，加速电压40 kV。主要附件有AN10000能谱仪和WDX-2A波谱仪。试验主要对岩样断口进行微结构形态和脆延性特征进行观测，分别对25℃、100℃、200℃、300℃、500℃、800℃、1000℃ 和1200℃共8个温度点的岩样断口进行扫描试验，每个温度点各用1块试样，共8块试样。

2 试验结果与分析

2.1 实时高温作用下试验结果与分析

温度是影响岩石材料脆延性断裂的一个十分重要的因素，当温度低于脆延性转化温度点时，岩石发生脆性断裂，否则发生延性断裂。花岗岩属于致密岩样，张连英［18］认为当轴向应力达到峰值应力的80%时，岩样开始屈服，此时的应变为屈服应变。将岩石破坏应变与屈服时应变的比值定义为岩石的延性系数，对于完全脆性材料，延性系数可达1.25。试验得到的实时高温作用下花岗岩的屈服应变与破坏应变随温度的变化规律分别如图3和图4所示。

图3 实时高温作用下屈服应变随温度的变化

图4 实时高温作用下破坏应变随温度的变化

由图3可知，各个温度点岩样的屈服应变离散性较大，25℃时岩样的屈服应变平均值为0.473×10-2，100℃ 时为 0.996 × 10-2，200℃ 为 0.720 ×10-2，此后随着温度的升高，屈服应变平均值呈上升趋势，500℃时达到最大值1.173×10-2，是25℃时的2.48倍，随后又有所下降，850℃时为0.810×10-2。由图4可以看出，花岗岩的破坏应变与屈服应变的变化规律相似，整个升温过程中岩样屈服应变和破坏应变随温度变化的规律不明显，所以由屈服应变和破坏应变来判断岩样的脆延性转化不是很合理。

实时高温作用下花岗岩延性系数随温度的变化如图5所示，轴向应力-应变关系曲线如图6所示。由图5可以看出，实时高温作用下，在800℃之前花岗岩的延性系数无明显变化，其平均值为1.25左右，体现了脆性破坏特性;温度升高到850℃时，延性系数迅速增大到1.547，是25℃时的1.25倍，体现了延性破坏特性，延性系数与温度的拟合曲线呈指数增长关系。由图6可以看出，实时高温作用下花岗岩不同温度点的应力-应变关系曲线极其相似，塑性变形过程相对较短，当应力达到峰值时，岩样迅速破裂，呈脆性破坏;温度升高，直线段的斜率降低，表明弹性模量随着温度的升高而降低;温度超过550℃以后，应力峰值明显减小，轴向应变呈现增大的趋势，主要是因为岩样的脆性减弱而延性增强，但仍属脆性破断。从热力学的角度分析，当温度升高时，岩石晶体质点的热运动增强，质点间的结合力相对减弱，质点容易位移，故延性增强而脆性减弱。由图5和图6可以推断花岗岩脆延性转化温度点大约在800℃。

图5 实时高温作用下延性系数随温度的变化

图6 实时高温作用下轴向应力-应变关系曲线

2.2 高温作用冷却后试验结果与分析

试验得到的高温作用冷却后花岗岩屈服应变与破坏应变随温度的变化规律分别如图7和图8所示。

图7 高温作用冷却后屈服应变随温度的变化

图8 高温作用冷却后破坏应变随温度的变化

由图7可知，高温作用冷却后，花岗岩的屈服应变平均值在25～1000℃之间总体呈现增大趋势，在1000℃时达到0.833×10-2，是25℃时的1.76倍。随着温度的不断升高，屈服应变有所下降，在1200℃时减小至0.634×10-2，是25℃时的1.34倍。由图8可以看出，花岗岩破坏应变与屈服应变的变化规律相似。

高温作用冷却后花岗岩延性系数随温度的变化规律如图9所示，轴向应力-应变关系曲线如图10所示。由图9可以看出，高温作用冷却后，随着温度的不断升高，花岗岩延性系数总体呈现先减小后增大的趋势，拟合曲线呈多项式关系。在800℃时，延性系数为最小值1.177，是25℃时的95.38%;在1200℃时达到最大值1.424，是25℃时的1.15倍。由图10可以看出，在常温下花岗岩从压密阶段过渡到线弹性阶段的应变很小，弱化阶段不明显;随着温度的升高，压密阶段所占的应变逐渐增大，线弹性阶段所占的应变区间逐渐减小，温度达到800℃以后，压密阶段的应变占了应力峰值前应变的大部分;弱化阶段也具有了明显的应力-应变平滑过渡段。在800℃之前，岩样破坏形式表现为强烈的脆性破坏特征，超过800℃，应力-应变曲线趋于平缓，破坏形式具有塑性剪切破坏的特点。由此可以推断，花岗岩脆延性转化温度点在800℃左右，这与实时高温作用下的结论相吻合。

图9 高温作用冷却后延性系数随温度的变化

图10 高温作用冷却后轴向应力-应变关系曲线

3 花岗岩破坏特性分析

花岗岩属于典型的脆性岩石，在常温和低温下显示典型的脆性破坏，当温度超过800℃时，破坏形式开始由脆性向延性转化，不同温度作用下花岗岩断口的微观破坏形态如图11所示。

岩石是由多种矿物组成的天然材料，这些成分基本上由不同尺寸的晶体颗粒构成，在力学和热学性质等方面，各种矿物一般都表现为各向异性，因此对岩样的加热往往会在其内部产生一个三维拉应力状态，加热产生的拉应力极易在岩石内部形成沿晶和穿晶断裂，由本次扫描电镜的试验观察结果可知，当热处理温度低于200℃时，沿晶断裂是主要的热开裂形式，随着热处理温度的继续升高，穿晶裂纹明显增多，此外，微空洞和较大的沿晶裂纹可能会成为新的热开裂损伤源。不同温度作用下花岗岩断口的宏观与微观特破坏性对比如表1所示。

图11 不同温度作用下花岗岩断口的微观破坏形态

表1 不同温度作用下花岗岩断口的宏观与微观破坏特性对比

由表1和图11可知，当温度低于800℃时，花岗岩的断裂为张拉脆性断裂，属于一种低能量吸收断裂形式，这种断裂的裂纹萌生临界应力通常大于或等于裂纹扩展的临界应力，因此一般由1个主裂纹高速扩展，有时还诱导产生二次裂纹，最终断裂。由于沿解理而开裂所消耗的应变能最小，故断裂形式多表现为穿晶解理断裂和沿晶脆性断裂，宏观破坏方式为突发失稳。

当温度达到800℃时，断裂面表现为既有穿晶裂纹又存在剪切滑移带的混合断裂特征，破坏机理为张拉破坏与剪切破坏共存，破坏方式由脆性向塑性转化，矿物晶体的晶型发生转变，宏观破坏方式表现为准突发失稳，这表明花岗岩在800℃后岩样强度突然降低，呈现出明显的塑性行为，由此可以推断花岗岩脆延性转化温度在800℃左右，这与上述的结论相一致。

当温度继续升高，岩样断裂前发生明显的塑性变形，达到1200℃时断口出现许多韧窝和微孔穴，并出现热熔融，破坏机理为剪切破坏，属于一种高能量断裂，通常其裂纹扩展的临界应力大于裂纹萌生的临界应力，裂纹扩展时仍有一定程度的塑性变形，宏观破坏方式为渐进失稳。由扫描电镜观察发现，花岗岩中的有机物在加热过程中以气态和液态形式析出，存在大量的气孔。显然，有机物的析出必然在岩石中形成或存在析出通道，如果加热过程中岩石的矿物晶体破裂形成微裂隙，这些微裂隙可能就是有机物析出的通道，同时，有机物的析出又可能加剧微裂隙的扩展和岩石的破坏，这也导致花岗岩在1200℃时承载能力急剧下降。

4 结论

a．实时高温作用下，随着温度的不断升高，花岗岩的屈服应变先增大、后减小，然后再增大、再减小，延性系数与温度的拟合曲线呈指数增长关系，花岗岩脆延性化换温度点在800℃左右。

b．高温作用冷却后，随着温度的不断升高，花岗岩延性系数总体呈现先减小后增大趋势，其与温度的拟合曲线呈多项式关系，花岗岩脆延性转换温度点在800℃左右，这与实时高温作用下的结论相吻合。

c．当温度低于800℃时，花岗岩断裂面平整，显示冰糖状、河流状花样，具有明显的沿晶、穿晶裂纹，是典型的脆性破坏，断裂机理为张拉破坏;当温度高于800℃时，断裂面表现为既有穿晶裂纹又存在剪切滑移带的混合断裂特征，破坏方式由脆性向延性转化，由此可以推断花岗岩脆延性转化温度在800℃左右。

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