吳 剛，翟松韜，王 宇

（1. 上海交通大學(xué) 海洋水下工程科學(xué)研究院，上海 200231；2. 上海交通大學(xué) 土木工程系，上海 200240；3. 英國(guó)索爾福特大學(xué) 計(jì)算、科學(xué)及工程學(xué)院工程研究中心，曼徹斯特，美國(guó)）

1 引 言

花崗巖作為儲(chǔ)存核廢料的理想材質(zhì)，具有滲透性小、致密、強(qiáng)度高等一系列優(yōu)點(diǎn)，常作為能源儲(chǔ)存及高放射性核廢料的永久處置場(chǎng)所?；◢弾r受高溫作用后細(xì)觀結(jié)構(gòu)及其物理力學(xué)性質(zhì)將發(fā)生改變，因此開(kāi)展高溫下花崗巖物理力學(xué)性能的研究具有理論意義及工程實(shí)用價(jià)值。

近些年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)高溫作用下花崗巖的物理力學(xué)特性進(jìn)行了大量研究，取得了許多有價(jià)值的研究成果。杜守繼等[1]對(duì)經(jīng)歷不同高溫后花崗巖的力學(xué)性能進(jìn)行了研究，分析了高溫后花崗巖的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)、峰值應(yīng)力、峰值應(yīng)變、彈性模量和泊松比等的變化規(guī)律。徐小麗等[2]對(duì)常溫～1 300 ℃高溫作用下花崗巖的應(yīng)力-應(yīng)變特性及其經(jīng)歷不同溫度加熱處理的物相特征進(jìn)行了分析，將力學(xué)試結(jié)果和衍射試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析。邱一平等[3]測(cè)量了河南某地 25塊花崗巖樣品其加溫前后彈性縱波波速，進(jìn)行了單軸壓縮應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)^(guò)程試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了花崗巖的塑性應(yīng)變主要與偏斜應(yīng)力產(chǎn)生的形狀改變比能有關(guān)，而與體積改變比能的關(guān)系不大。郤保平等[4]采用自主研制的20 MN伺服控制高溫高壓巖體三軸試驗(yàn)機(jī)對(duì)φ200 mm×400 mm的花崗巖體內(nèi)含φ40 mm 的鉆孔在 600 ℃以?xún)?nèi)及6 000 m埋深靜水壓力下鉆孔圍巖的熱彈性變形進(jìn)行深入的試驗(yàn)研究。張志鎮(zhèn)等[5]通過(guò)實(shí)時(shí)高溫（常溫～850 ℃）加載和高溫后（常溫～1 200 ℃）冷卻再加載兩種情況下的單軸壓縮試驗(yàn)和斷口電鏡掃描試驗(yàn)，對(duì)不同高溫下花崗巖的力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了研究，分析了兩種情況下單軸抗壓強(qiáng)度、彈性模量、縱波波速、剪切滑移應(yīng)變等隨溫度的變化規(guī)律，并研究了熱力耦合效應(yīng)。陳有亮等[6]采用液壓伺服試驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)經(jīng)歷不同高溫后花崗巖的力學(xué)性能進(jìn)行試驗(yàn)研究，分析了高溫對(duì)花崗巖峰值應(yīng)力、峰值應(yīng)變、彈性模量、應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)等力學(xué)性能的影響。萬(wàn)志軍等[7]采用20 MN伺服控制高溫高壓巖體三軸試驗(yàn)機(jī)系統(tǒng)地研究了大尺寸花崗巖試樣在高溫三軸應(yīng)力下的熱變形、破壞特征及其熱學(xué)和力學(xué)參數(shù)隨溫度的變化特征。武晉文等[8]通過(guò)試驗(yàn)研究了中高溫（400 ℃以下）花崗巖在三軸壓力狀態(tài)下聲發(fā)射的變化規(guī)律，指出花崗巖熱破裂的聲發(fā)射現(xiàn)象可分為 5個(gè)階段。He等[9]在室內(nèi)真三軸卸荷狀態(tài)下對(duì)石灰?guī)r巖爆過(guò)程的聲發(fā)射特性進(jìn)行了研究。Zhang等[10]基于單軸壓縮試驗(yàn)，詳細(xì)分析了巖石的聲發(fā)射特性與時(shí)間、應(yīng)力水平以及力學(xué)性質(zhì)之間的關(guān)系。在巖石的細(xì)觀特性研究方面，Nomikos等[11]對(duì)兩種希臘大理巖進(jìn)行了抗彎承載試驗(yàn)，通過(guò)加載過(guò)程中的聲發(fā)射監(jiān)測(cè)對(duì)巖石的細(xì)觀損傷進(jìn)行了詳細(xì)分析。諶倫建等[12]采用偏光顯微鏡、掃描電鏡及巖石力學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng)研究了鶴壁砂巖在常溫～1 200 ℃范圍內(nèi)的力學(xué)特性和細(xì)觀破壞機(jī)理，指出巖石細(xì)觀結(jié)構(gòu)在高溫下的變化對(duì)其力學(xué)特性有著顯著影響。左建平等[13]通過(guò)掃描電鏡實(shí)時(shí)在線(xiàn)觀察和研究了不同溫度作用下平頂山砂巖的熱開(kāi)裂現(xiàn)象，觀察到砂巖表面微缺陷發(fā)生閉合的全過(guò)程及在冷卻過(guò)程也有微裂紋形成等現(xiàn)象。李道偉等[14]采用掃描電鏡對(duì)各溫度下大理巖斷口進(jìn)行掃描及相關(guān)分析，并對(duì)微裂隙的長(zhǎng)度、方位角、間距等參數(shù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，建立了大理巖細(xì)觀結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)在不同溫度下的分布概型。徐小麗等[15]利用 MTS815液壓伺服試驗(yàn)系統(tǒng)及 93l0型微孔結(jié)構(gòu)分析儀對(duì)花崗巖在溫度作用下（常溫～1 300 ℃）的宏觀力學(xué)性質(zhì)及微孔隙結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行了較為系統(tǒng)地研究。倪驍慧等[16]對(duì)經(jīng)歷20～600 ℃五種溫度循環(huán)后的大理巖試樣的宏觀力學(xué)性質(zhì)及其細(xì)觀損傷特征進(jìn)行了研究。趙陽(yáng)升等[17]采用高精度顯微CT試驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)花崗巖在常溫～500 ℃高溫下進(jìn)行的三維細(xì)觀破裂顯微觀測(cè)，揭示出花崗巖晶體顆粒尺寸為100～300 μm的不規(guī)則空間結(jié)構(gòu)體。GASC等[18]通過(guò)試驗(yàn)對(duì)蛇紋巖進(jìn)行 X射線(xiàn)衍射及聲發(fā)射檢測(cè)，分析了巖石在高溫高壓下的結(jié)構(gòu)相變和礦物反應(yīng)。

雖然國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)高溫作用下花崗巖的強(qiáng)度、變形及聲發(fā)射特性的研究成果較多，但將高溫下花崗巖的細(xì)觀結(jié)構(gòu)與其強(qiáng)度及聲發(fā)射結(jié)合起來(lái)的研究鮮為少見(jiàn)。本次通過(guò)對(duì)臨沂花崗巖進(jìn)行高溫實(shí)時(shí)細(xì)觀試驗(yàn)、高溫單軸壓縮試驗(yàn)及聲發(fā)射監(jiān)測(cè)，研究了室溫～1 400 ℃實(shí)時(shí)高溫下花崗巖的細(xì)觀結(jié)構(gòu)變化特性以及高溫下花崗巖的強(qiáng)度、聲發(fā)射與細(xì)觀形態(tài)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，進(jìn)而揭示高溫下花崗巖的變形與破壞機(jī)理，為相關(guān)巖石工程實(shí)踐提供借鑒。

2 試驗(yàn)概況

試驗(yàn)所用巖樣為山東臨沂花崗巖，其主要成分為長(zhǎng)石，有部分閃石、石英和少量其他礦物?；◢弾r的平均密度為 2.92 g/cm3。高溫細(xì)觀試驗(yàn)巖樣是按一級(jí)精度加工的光片（剖光）。單軸壓縮試樣為加工成φ20 mm×45 mm 的圓柱體，其表面完整、致密、無(wú)宏觀裂隙和氣孔。

高溫下單軸壓縮試驗(yàn)使用美國(guó) MTS系統(tǒng)公司生產(chǎn)的 MTS810材料測(cè)試系統(tǒng)及其配套的MTS653.04高溫環(huán)境爐，聲發(fā)射試驗(yàn)使用沈陽(yáng)計(jì)算機(jī)技術(shù)研究設(shè)計(jì)院研制的AE21C聲發(fā)射檢測(cè)系統(tǒng)。

圖1 萊卡DM4500P顯微鏡及其配套測(cè)試系統(tǒng)Fig.1 LEICA DM4500P microscope and its supporting test system

本次進(jìn)行了高溫細(xì)觀試驗(yàn)和高溫壓縮及其聲發(fā)射試驗(yàn)，過(guò)程與方法如下。

（1）高溫細(xì)觀試驗(yàn)

① 將花崗巖光片試樣置于LEICA DM4500P偏光顯微鏡配套的高溫?zé)崤_(tái)上，同時(shí)啟動(dòng)儀器開(kāi)始加溫。

②為獲取足夠多并且準(zhǔn)確的細(xì)觀結(jié)構(gòu)形態(tài)的數(shù)據(jù)，利用顯微鏡在室溫～1 400℃升溫過(guò)程中對(duì)巖樣的細(xì)觀結(jié)構(gòu)形態(tài)進(jìn)行即時(shí)觀測(cè)并拍照，注意試樣加溫及數(shù)據(jù)采集的同步化。

③從已記錄的圖像數(shù)據(jù)中選取不同溫度下清晰度較高的圖像進(jìn)行比較分析。

（2）高溫壓縮及其聲發(fā)射試驗(yàn)

其試驗(yàn)過(guò)程與方法同文獻(xiàn)[19]。

3 花崗巖高溫試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 花崗巖高溫實(shí)時(shí)細(xì)觀試驗(yàn)結(jié)果

圖2為利用偏光顯微鏡所得到的室溫～1 400 ℃不同溫度下山東臨沂花崗巖試樣的細(xì)觀結(jié)構(gòu)形態(tài)。從圖中可以看出，從室溫～100 ℃、100～200 ℃、200～300 ℃和300～400 ℃四個(gè)溫度范圍內(nèi)，隨著溫度的升高，巖樣內(nèi)部微裂紋、孔洞的缺陷的萌生和擴(kuò)展并不明顯，表明花崗巖對(duì)400 ℃前的溫度并不敏感；當(dāng)溫度范圍為400～500 ℃和500～600 ℃時(shí)，視野區(qū)域內(nèi)細(xì)小裂紋開(kāi)始增多，孔隙、裂隙明顯增大；當(dāng)溫度為600～700 ℃和700～800 ℃時(shí)，巖樣內(nèi)部的孔隙、裂隙等損傷繼續(xù)增大，但增長(zhǎng)速度較之前幅度變緩。當(dāng)溫度超過(guò)800 ℃時(shí)，裂紋的數(shù)量增多，寬度變寬，并由于巖石內(nèi)部礦物顆粒的熱膨脹各向異性，顆粒內(nèi)部萌生的熱裂紋顯著增多，這種情況一直持續(xù)到1 200 ℃。究其原因主要有以下兩方面：（1）在高溫作用下，巖樣內(nèi)部的原生裂隙進(jìn)一步發(fā)育；（2）高溫也導(dǎo)致新生微熱裂紋的生成，且在溫度的作用下熱裂紋有擴(kuò)展、貫通、匯合成宏觀熱裂紋的趨勢(shì)。

當(dāng)溫度超過(guò)1 200 ℃時(shí)，巖樣內(nèi)部出現(xiàn)重結(jié)晶現(xiàn)象，熱裂紋越來(lái)越不明顯，局部地方出現(xiàn)熱裂紋的閉合現(xiàn)象，尤其是在1 300～1 400 ℃范圍內(nèi)，視野區(qū)域內(nèi)很難觀測(cè)到微裂紋、孔隙及微裂隙等缺陷，部分區(qū)域甚至開(kāi)始變質(zhì)，并出現(xiàn)密度較高為礦物結(jié)核。這可能是由于溫度過(guò)高導(dǎo)致花崗巖內(nèi)部的部分礦物發(fā)生了熱熔效應(yīng)所致。

3.2 高溫下花崗巖的強(qiáng)度、聲發(fā)射與細(xì)觀形態(tài)特征

圖3為山東臨沂花崗巖的平均峰值應(yīng)力與溫度的變化關(guān)系，圖4為花崗巖的平均聲發(fā)射振鈴累計(jì)數(shù)與溫度的關(guān)系。將圖 3、4與圖 2（a）～2（h）相比較可知，當(dāng)溫度加溫至400 ℃時(shí)，觀察到巖樣內(nèi)部裂紋萌生并不顯著，有小孔隙和小裂紋開(kāi)始出現(xiàn)。觀測(cè) 200～400 ℃時(shí)花崗巖的峰值應(yīng)力及聲發(fā)射振鈴累計(jì)數(shù)的變化可以發(fā)現(xiàn)，花崗巖的平均峰值應(yīng)力下降，而聲發(fā)射累計(jì)數(shù)上升，但幅度都不大，表明巖樣對(duì)此溫度范圍并不敏感，裂紋萌生發(fā)展速度較緩。

隨著溫度的升高，400～600 ℃時(shí)視野區(qū)域內(nèi)細(xì)小裂紋開(kāi)始增多，孔隙、裂隙明顯增大，熱開(kāi)裂裂紋不斷擴(kuò)展、匯合以及貫通，同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)，花崗巖的峰值應(yīng)力出現(xiàn)大幅下降且其聲發(fā)射振鈴累計(jì)數(shù)發(fā)生急劇增加的現(xiàn)象；當(dāng)溫度范圍為 600～800 ℃時(shí)，隨著裂紋增長(zhǎng)速度的變緩，峰值應(yīng)力的下降及聲發(fā)射累計(jì)數(shù)的上升也開(kāi)始變緩。這說(shuō)明花崗巖內(nèi)部的裂紋網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)展與聲發(fā)射特征相對(duì)應(yīng)。

圖2 加溫過(guò)程中花崗巖的細(xì)觀形態(tài)Fig.2 Mesoscopic morphology of granite in the heating process

圖3 花崗巖平均峰值應(yīng)力與溫度的關(guān)系Fig.3 Relationship between average peak stress and temperature of granite at different temperatures

圖4 花崗巖平均聲發(fā)射振鈴累計(jì)數(shù)與溫度的關(guān)系Fig.4 Relationship between average ringing cumulative number and temperature of granite at different temperatures

由以上分析可知，山東臨沂花崗巖的力學(xué)特性、聲發(fā)射特征與巖樣內(nèi)部裂紋網(wǎng)絡(luò)的形成具有相對(duì)應(yīng)的關(guān)系。

4 結(jié) 論

（1）高溫下花崗巖細(xì)觀結(jié)構(gòu)形態(tài)的變化隨溫度有所不同，主要體現(xiàn)在不同溫度下裂紋萌生及擴(kuò)展速度的不同。

（2）加溫過(guò)程中總體上花崗巖隨溫度的升高其內(nèi)部形成的裂紋越多，內(nèi)部損傷越嚴(yán)重，釋放的能量越高，單軸壓縮下聲發(fā)射活動(dòng)越頻繁。

（3）花崗巖的力學(xué)特性及聲發(fā)射特征與巖樣內(nèi)部裂紋網(wǎng)絡(luò)的形成具有對(duì)應(yīng)的關(guān)系，裂紋擴(kuò)展緩慢則其峰值應(yīng)力曲線(xiàn)和振鈴累計(jì)數(shù)曲線(xiàn)走勢(shì)平穩(wěn)，裂紋網(wǎng)絡(luò)急劇擴(kuò)展則峰值應(yīng)力曲線(xiàn)和振鈴累計(jì)數(shù)曲線(xiàn)出現(xiàn)拐點(diǎn)而發(fā)生突變。

[1] 杜守繼, 劉華, 職洪濤, 等. 高溫后花崗巖力學(xué)性能的試驗(yàn)研究[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào), 2004, 23(14): 2359－2364.DU Shou-ji, LIU Hua, ZHI Hong-tao, et al. Testing study on mechanical properties of post-high-temperature granite[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2004, 23(14): 2359－2364.

[2] 徐小麗, 高峰, 高亞楠, 等. 高溫后花崗巖力學(xué)性質(zhì)變化及結(jié)構(gòu)效應(yīng)研究[J]. 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 2008, 37(3):402－406.XU Xiao-li, GAO Feng, GAO Ya-nan, et al. Effect of high temperatures on the mechanical characteristics and crystal structure of granite[J]. Journal of China University of Mining and Technology, 2008, 37(3): 402－406.

[3] 邱一平, 林卓英. 花崗巖樣品高溫后損傷的試驗(yàn)研究[J].巖土力學(xué), 2006, 27(6): 1005－1010.QIU Yi-ping, LIN Zhuo-ying. Testing study on damage of granite samples after high temperature[J]. Rock and Soil Mechanics, 2006, 27(6):1005－1010.

[4] 郤保平, 趙陽(yáng)升. 高溫高壓下花崗巖中鉆孔圍巖的熱物理及力學(xué)特性試驗(yàn)研究[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào), 2010,29(6):1246－1253.XI Bao-ping, ZHAO Yang-sheng. Experimental study of thermophysico-mechanical property of drilling surrounding rock in granite under high temperature and high pressure[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2010, 29(6): 1246－1253.

[5] 張志鎮(zhèn), 高峰, 徐小麗. 花崗巖力學(xué)特性的溫度效應(yīng)試驗(yàn)研究[J]. 巖土力學(xué), 2011, 32(8): 2346－2352.ZHANG Zhi-zhen, GAO Feng, XU Xiao-li. Experimental study of temperature effect of mechanical properties of granite[J]. Rock and Soil Mechanics, 2011, 32(8): 2346－2352.

[6] 陳有亮, 邵偉, 周有成. 高溫作用后花崗巖力學(xué)性能試驗(yàn)研究[J]. 力學(xué)季刊, 2011, 32(3): 397－404.CHEN You-liang, SHAO Wei, ZHOU You-cheng.Experimental study on mechanical properties of granite after high temperature[J]. Chinese Quarterly of Mechanics, 2011, 32(3):397－404.

[7] 萬(wàn)志軍, 趙陽(yáng)升, 董付科, 等. 高溫及三軸應(yīng)力下花崗巖體力學(xué)特性的試驗(yàn)研究[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2008, 27(1): 72－77.WAN Zhi-jun, ZHAO Yang-sheng, DONG Fu-ke, et al.Experimental study on mechanical characteristics of granite under high temperatures and triaxial stresses[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2008, 27(1): 72－77.

[8] 武晉文, 趙陽(yáng)升, 萬(wàn)志軍, 等. 中高溫三軸應(yīng)力下魯灰花崗巖熱破裂聲發(fā)射特征的試驗(yàn)研究[J]. 巖土力學(xué),2009, 30(11): 3331－3336.WU Jin-wen, ZHAO Yang-sheng, WAN Zhi-jun, et al.Experimental study of acoustic emission characteristics of granite thermal cracking under middle-high temperature and triaxial stress[J]. Rock and Soil Mechanics, 2009,30(11): 3331－3336.

[9] HE M C, MIAO J L, FENG J L. Rock burst process of limestone and its acoustic emission characteristics under true-triaxial unloading conditions[J]. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, 2010,47(2): 286－298.

[10] ZHANG Ji-liang, LI Chang-hong. Study on acoustic emission and failure modes of rock in uniaxial compression test[C]// Trans Tech Publications. Germany:[s. n.], 2011: 1393－1400.

[11] NOMIKOS P P, KATSIKOGIANNI P, SAKKAS K M,et al. Acoustic emission during flexural loading of two Greek marbles[C]//Taylor & Francis-Balkema. Netherlands:[s. n.], 2010: 95－98.

[12] 諶倫建, 吳忠, 秦本東, 等. 煤層頂板砂巖在高溫下的力學(xué)特性及破壞機(jī)理[J]. 重慶大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2005, 28(5): 123－126.CHEN Lun-jian, WU Zhong, QIN Ben-dong, et al.Mechanical characteristics and cracking mechanism of coal roof sandstone under high temperature[J]. Journal of Chongqing University(Natural Science), 2005, 28(5):123－126.

[13] 左建平, 謝和平, 周宏偉, 等. 不同溫度作用下砂巖熱開(kāi)裂的試驗(yàn)研究[J]. 地球物理學(xué)報(bào), 2007, 50(4): 1150－1155.ZUO Jian-ping, XIE He-ping, ZHOU Hong-wei, et al.Experimental research on thermal cracking of sandstone under different temperatures[J]. Chinese Journal of Geophysics, 2007, 50(4): 1150－1155.

[14] 李道偉, 朱珍德, 蔣志堅(jiān), 等. 溫度對(duì)大理巖力學(xué)性質(zhì)影響的細(xì)觀研究[J]. 河海大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2008,36(3): 375－378.LI Dao-wei, ZHU Zhen-de, JIANG Zhi-jian, et al.Microstructural investigation of mechanical characteristics of marbles under different temperatures[J].Journal of Hohai University(Natural Science), 2008,36(3): 375－378.

[15] 徐小麗, 高峰, 沈曉明, 等. 高溫后花崗巖力學(xué)性質(zhì)及微孔隙結(jié)構(gòu)特征研究[J]. 巖土力學(xué), 2010, 36(6): 1752－1758.XU Xiao-li, GAO Feng, SHEN Xiao-ming, et al.Research on mechanical characteristics and micropore structure of granite under high-temperature[J]. Rock and Soil Mechanics, 2010, 36(6): 1752－1758.

[16] 倪驍慧, 李曉娟, 朱珍德.不同溫度循環(huán)作用后大理巖細(xì)觀損傷特征的定量研究[J]. 煤炭學(xué)報(bào), 2011, 36(2):248－254.NI Xiao-hui, LI Xiao-juan, ZHU Zhen-de. Quantitative test on meso-damage characteristics of marble after different temperatures[J]. Journal of China Coal Society,2011, 36(2): 248－254.

[17] 趙陽(yáng)升, 孟巧榮, 康天合, 等. 顯微 CT試驗(yàn)技術(shù)與花崗巖熱破裂特征的細(xì)觀研究[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2008, 27(1): 28－34.ZHAO Yang-sheng, MENG Qiao-rong, KANG Tian-he,et al. Micro-CT experimental technology and mesoinvestigation on thermal fracturing characteristics of granite[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2008, 27(1): 28－34.

[18] GASC J, SCHUBNE A, BRUNET F, et al. Simultaneous acoustic emissions monitoring and synchrotron X-ray diffraction at high pressure and temperature: Calibration and application to serpentinite dehydration[J]. Physics of the Earth and Planetary Interiors, 2011, 189(3): 121－133.

[19] 翟松韜, 吳剛, 張淵, 等. 高溫作用下花崗巖的聲發(fā)射特征研究. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào), 2013, 32(1): 126－134.ZHAI Song-tao, WU Gang, ZHANG Yuan, et al.Mechanical characteristics of salt rock subjected to uniaxial compression and high temperature[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2013,32(1): 126－134.