朱要亮，俞 縉，高海東，李 剛，周先齊，鄭小青

（1. 華僑大學(xué)福建省隧道與城市地下空間工程技術(shù)研究中心，福建 廈門 361021；2. 福建江夏學(xué)院工程學(xué)院，福建 福州 350108；3. 中鐵十八局集團(tuán)有限公司，天津 300222）

在高放廢物地質(zhì)處置、地?zé)釒r石的開發(fā)與利用、隧道、洞庫、涵洞等經(jīng)受火災(zāi)后修復(fù)等工程中，都涉及到高溫巖石問題。該類工程除了承受常規(guī)靜荷載外，也可能面臨地震、爆炸、武器沖擊以及車輛荷載等多種動(dòng)力荷載作用[1]。這需要我們加深對高溫前后巖石靜力學(xué)與動(dòng)力學(xué)性能的了解，為此國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量的研究。在靜力學(xué)方面，徐小麗等[2]、Chen 等[3]、Liu 等[4]、Dwivedi 等[5]研究了不同溫度熱處理后，花崗巖單軸壓縮下物理力學(xué)性質(zhì)。蔡燕燕等[6]研究了高溫后花崗巖在卸荷路徑下的力學(xué)性質(zhì)。在動(dòng)力學(xué)方面，劉石等[7]、李明等[8]、陳騰飛等[9]、尹土兵等[10-11]分別對高溫后大理巖和砂巖進(jìn)行了沖擊動(dòng)力實(shí)驗(yàn)，獲得了巖石高溫后動(dòng)力學(xué)性能參數(shù)。劉石等[12]、支樂鵬等[13]對經(jīng)溫度處理后的花崗巖進(jìn)行了波動(dòng)特性與動(dòng)力特性的研究。盧志堂等[14]探討了應(yīng)變率對不同溫度下花崗巖動(dòng)力學(xué)參數(shù)的影響。

雖然以上實(shí)驗(yàn)研究考慮了溫度對巖石的影響，但主要是對高溫巖石自然冷卻后再進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。然而在實(shí)際工程中往往會(huì)出現(xiàn)高溫巖石遇水冷卻的情形，如對于遭受火災(zāi)的隧道、洞庫等地下工程，采取噴水滅火；高溫巖石施工過程中利用鉆井液或泥漿對巖石冷卻；高地溫地質(zhì)條件下先借助水冷卻再開挖修建隧道等等。水的急劇冷卻將導(dǎo)致圍巖溫度迅速降低，勢必產(chǎn)生熱破裂，這顯然不利于圍巖的穩(wěn)定性。該問題在近幾年逐漸受到重視，黃真萍等[15-16]對高溫大理巖、石灰?guī)r遇水冷卻后的力學(xué)、聲學(xué)以及波動(dòng)性能進(jìn)行了研究；郤保平等[17]發(fā)現(xiàn)600 ℃以內(nèi)花崗巖遇水冷卻后，其單軸抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度以及彈性模量均隨著溫度增大而減??；朱振南等[18]研究了500 ℃內(nèi)高溫花崗巖遇水冷卻后的物理力學(xué)特性；梁銘等[19]通過實(shí)驗(yàn)得到花崗巖經(jīng)自然冷卻與遇水冷卻后的溫度和孔隙率變化曲線。以上研究主要是從靜力學(xué)角度討論水冷卻對高溫巖石的影響，然而經(jīng)水冷卻后的高溫巖石在后期仍面臨著地震、爆炸、施工振動(dòng)等動(dòng)力影響，所以從巖體工程的安全性、可靠性、耐久性等角度出發(fā)，必須了解高溫巖石經(jīng)水冷卻后的動(dòng)力學(xué)性能。但目前只有翟越等[20]研究了高溫混凝土遇水冷卻后的動(dòng)力學(xué)性能，對巖石材料的實(shí)驗(yàn)研究尚未見報(bào)道。鑒于此，本文中選擇洞庫、隧道工程中常見的花崗巖，對其加熱至預(yù)定溫度后，采取水冷卻，隨后進(jìn)行波速測試、核磁共振掃描、分離式霍普金森壓桿沖擊實(shí)驗(yàn)和掃描電鏡觀測，深入研究水冷卻對高溫巖石的細(xì)觀結(jié)構(gòu)損傷及動(dòng)態(tài)力學(xué)性能影響，并與自然冷卻結(jié)果對比，得到一些有益成果，為高溫后巖體工程的研究提供借鑒與參考。

1 巖樣制備及實(shí)驗(yàn)方案

1.1 巖樣制備

巖樣取自湖南岳陽完整花崗巖大樣，巖石狀態(tài)較好，致密無裂紋。根據(jù)國際巖石實(shí)驗(yàn)試樣尺寸的標(biāo)準(zhǔn)，按照2∶1 比例，切割加工成直徑50 mm、高25 mm 的圓柱體，并對其兩端進(jìn)行仔細(xì)打磨，保證其表面平整度在0.02 mm 以內(nèi)。加熱前試樣平均密度2.61 g/cm3，縱波波速在3 859～4 074 m/s 之間，試樣均勻性與一致性較好。

1.2 巖樣處理與實(shí)驗(yàn)方案

為了研究高溫花崗巖經(jīng)水冷卻后的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能，設(shè)定5 組溫度條件：25 ℃（常溫）、200 ℃、400 ℃、600 ℃和800 ℃。作為對比，加熱后巖石分別采取浸水冷卻與自然冷卻兩種方式，每組溫度每種冷卻方式各3 塊試樣（常溫組3 塊），共計(jì)27 塊。

采用ZBL-U510 非金屬超聲檢測儀對高溫前后試樣進(jìn)行波速測試，獲得波速變化值。根據(jù)編號(hào)將每組6 塊試樣同時(shí)放入型號(hào)為SX2-2.5-12N 的箱式電阻爐內(nèi)加熱到預(yù)定溫度并恒溫2 h 后，取出3 塊試樣放入預(yù)先注滿水的容積為20 L 的鐵皮水桶中進(jìn)行浸水冷卻。由于600 ℃與800 ℃時(shí)，巖石溫度較高，為保證冷卻效果，將高溫巖石放入水桶中后，隨即再往桶中注入水，將升溫后的熱水置換出來，以保證水冷卻效果，余下3 塊留在電阻爐中自然冷卻。對冷卻后的巖石試樣采用MesoMR23?060H?I 型核磁共振成像分析儀進(jìn)行核磁孔隙度測試，隨后進(jìn)行動(dòng)力沖擊實(shí)驗(yàn)，最后對沖擊破碎后的試樣進(jìn)行掃描電鏡觀測，分析溫度、冷卻方式與動(dòng)力沖擊耦合作用下花崗巖損傷特征。由于本次實(shí)驗(yàn)不考慮應(yīng)變率效應(yīng)，為保證沖擊速度一致，系統(tǒng)氣壓統(tǒng)一設(shè)為0.4 MPa，每次實(shí)驗(yàn)前用直尺將子彈送至同一位置，最終獲得每組沖擊速率平均值為6.25～6.57 m/s。為獲得可靠的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，根據(jù)前人研究，采用波形整形技術(shù)，在入射桿端部黏貼紫銅波形整形器，并在試樣與桿件接觸部位涂抹凡士林以減小摩擦。圖1 為實(shí)驗(yàn)獲的得典型SHPB 實(shí)驗(yàn)應(yīng)力波形。

圖 1 高溫花崗巖典型SHPB 應(yīng)力波形Fig. 1 Typical SHPB stress waveforms for high-temperature granite specimens

從圖1 中可以看出入射波緩慢上升，應(yīng)力波在傳播過程中無明顯震蕩，表明較好滿足應(yīng)力波一維傳播假設(shè)。

2 超聲波及孔隙度結(jié)果分析

在測試前，先用游標(biāo)卡尺測量出各個(gè)試樣的高度，并在其表面涂抹凡士林作為耦合劑，隨后在主機(jī)界面輸入高度尺寸，即可直接讀取波速結(jié)果，每個(gè)試樣讀取6 個(gè)點(diǎn)。

2.1 超聲波形圖分析

根據(jù)超聲波形圖實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)25～400 ℃熱損傷較小，超聲波形狀基本相似，僅幅值大小不同，800 ℃時(shí)高溫引起損傷已經(jīng)很大，冷卻方式影響不明顯，故限于篇幅，此處只列出部分超聲波形圖。

從圖2 中可以看出，從室溫到600 ℃自然冷卻，隨著溫度升高，超聲波幅降低，超聲波形比較規(guī)則，波峰間距均衡，表明此時(shí)花崗巖內(nèi)部雖然產(chǎn)生新的損傷，但巖樣仍能維持一定均勻性。600 ℃花崗巖經(jīng)水冷卻后超聲波形不規(guī)則，隨著溫度升高到800 ℃，超聲波形更加凌亂，表明巖石內(nèi)部萌生更多孔隙，試樣均勻性變差，聲波傳播到裂隙部位將進(jìn)行多次反射、折射等，使超聲波形變得凌亂。

圖 2 高溫花崗巖不同溫度后縱波波形圖Fig. 2 Longitudinal waveforms of granite sample exposed to different temperatures

2.2 波速變化分析

超聲波在穿過不同介質(zhì)時(shí)，波速會(huì)發(fā)生變化，若內(nèi)部存在裂縫、空洞等缺陷則超聲波速會(huì)降低。圖3 所示為巖石高溫前后超聲波速對比情況，圖中數(shù)值為三個(gè)試樣均值。

從圖3 中可以看出，隨著溫度升高，水冷卻處理后的高溫花崗巖超聲波速分別下降到初始超聲波速平均值的88%、81%、68%和29%，整體表現(xiàn)為非線性下降趨勢。從圖中還可以發(fā)現(xiàn)高溫花崗巖經(jīng)水冷卻后的超聲波速均比自然冷卻后低，在600 ℃時(shí)超聲波速差達(dá)到最大值(344 m/s)，而在800 ℃時(shí)超聲波速差最小，僅為36 m/s。分析原因是水冷卻使花崗巖表面溫度急劇下降，試樣內(nèi)部將形成較大溫度梯度，從而產(chǎn)生二次溫度應(yīng)力引起更大熱損傷，加劇高溫花崗巖的劣化。但在800 ℃時(shí)，由于花崗巖內(nèi)部礦物在高溫作用下已經(jīng)充分膨脹，產(chǎn)生較多微孔隙或原生孔隙進(jìn)一步擴(kuò)大、貫通，使得力學(xué)性能大幅降低。水冷卻雖能進(jìn)一步引起巖石力學(xué)性能劣化，但空間不大，故二者差異不明顯。

圖 3 高溫前后縱波波速均值對比Fig. 3 Comparison of average longitudinal wave velocity before and after exposure to high temperature

2.3 孔隙度

由于巖石結(jié)構(gòu)的骨架不會(huì)產(chǎn)生核磁信號(hào)，故需要先對巖樣進(jìn)行飽和處理，讓水浸入巖石內(nèi)部，利用水的原子核被極化產(chǎn)生的橫向磁化矢量衰減時(shí)間（即 T2弛豫時(shí)間）與飽和巖樣孔隙體積存在的對應(yīng)關(guān)系，通過對 T2譜總面積進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)刻度轉(zhuǎn)換，從而計(jì)算出巖石的孔隙度和孔徑分布。所以，核磁共振檢測得到的孔隙度實(shí)質(zhì)上是巖樣內(nèi)部的孔隙與裂隙之和，孔隙度的變化也可反應(yīng)巖樣內(nèi)裂隙的變化情況，二者具有一致性[21-23]，故接下來均從孔隙角度進(jìn)行討論。表1 為對應(yīng)的 T2譜面積，圖4 所示為4 個(gè)溫度等級(jí)下，高溫花崗巖冷卻后孔徑分布圖，從中可以看出：

表 1 核磁共振T2 譜面積Table 1 T2 spectrum area of NMR

（1）原始巖樣的 T2譜曲線僅有一譜峰，對應(yīng)孔徑大小為0.01 μm 左右，表明原始巖樣中的孔隙以小孔徑孔隙為主，大孔徑孔隙為輔。高溫花崗巖經(jīng)水冷卻處理后， T2譜 面積隨著溫度增大而增大， T2譜曲線出現(xiàn)兩個(gè)譜峰，第一個(gè)譜峰對應(yīng)孔徑仍然為0.01 μm 左右，第二個(gè)譜峰對應(yīng)孔徑則隨著溫度增加而變大，在800 ℃時(shí)最大孔徑達(dá)到16 μm。表明溫度引起熱損傷，使得試樣孔徑擴(kuò)張，孔徑大小與孔隙數(shù)量增加。

（2）小孔徑孔隙數(shù)量隨著溫度增大呈現(xiàn)先減少后增多的變化規(guī)律。在200 ℃時(shí)冷卻后的試樣內(nèi)小孔徑孔隙數(shù)量大小關(guān)系為：自然冷卻＜水冷卻＜原始巖樣，在其他溫度條件下則為：原始巖樣＜自然冷卻＜水冷卻。這是因?yàn)樵?00 ℃時(shí)溫度對巖石的主要影響是使其所含礦物體積發(fā)生膨脹，從而使試樣內(nèi)原生微孔隙閉合，導(dǎo)致小孔隙減少。而水冷卻加速了高溫巖石冷卻，減少了礦物膨脹時(shí)間，所以此時(shí)小孔徑孔隙數(shù)量大于自然冷卻。當(dāng)溫度升高到400 ℃后，礦物間不均勻熱膨脹趨于顯著，由此引起的溫度應(yīng)力將會(huì)超過巖石強(qiáng)度極限，因而萌生出比原始巖樣更多的小孔徑孔隙。

（3）水冷卻后試樣大孔徑尺寸和數(shù)量隨著加熱溫度的增大而增大，且均大于同等溫度條件下自然冷卻的結(jié)果，兩者之間差異隨著溫度增大而增大，但800 ℃時(shí)水冷卻與自然冷卻后試樣的大孔徑基本相同。這是因?yàn)殡S著溫度升高，試樣內(nèi)微孔隙不斷發(fā)展、貫通形成大孔隙。水的急劇冷卻產(chǎn)生顯著的溫度梯度，因而在巖樣內(nèi)產(chǎn)生二次溫度應(yīng)力，誘發(fā)出更多孔隙。這種急劇冷卻效果與溫度直接相關(guān)，溫度越高效果越明顯。當(dāng)溫度達(dá)到800 ℃時(shí)，由于加熱到預(yù)定溫度后保溫2 h，故孔隙得到充分發(fā)展，水的急劇冷卻主要起到萌生孔隙的作用，所以在裂隙數(shù)量上明顯多于自然冷卻，而孔徑大小基本不變。

3 SHPB 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 應(yīng)力應(yīng)變特征

圖5 所示為高溫花崗巖采用水冷卻后的動(dòng)態(tài)應(yīng)力應(yīng)變曲線，作為對比同步給出自然冷卻后的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。從中可以看出，采用水冷卻處理后，隨著溫度的增大，花崗巖動(dòng)態(tài)峰值應(yīng)力減小，動(dòng)態(tài)峰值應(yīng)變增加。與自然冷卻結(jié)果對比可發(fā)現(xiàn)，在各個(gè)溫度條件下，水冷卻后花崗巖的動(dòng)態(tài)峰值應(yīng)力均小于自然冷卻，應(yīng)力應(yīng)變曲線峰后應(yīng)力跌落迅速，表現(xiàn)出一定脆性破壞特征。

從圖5 中還可以發(fā)現(xiàn)，自然冷卻后花崗巖應(yīng)力應(yīng)變曲線在低于200 ℃時(shí)壓密段不明顯，隨著溫度繼續(xù)升高，壓密段越加明顯。這主要是因?yàn)楫?dāng)溫度不高時(shí)，不同礦物質(zhì)熱膨脹系數(shù)引起礦物間不均勻熱膨脹變形較小，此時(shí)溫度主要引起花崗巖內(nèi)部空氣以及部分礦物質(zhì)膨脹，使得一些初始微裂縫閉合，提高試樣的密實(shí)性。而隨著溫度繼續(xù)升高，礦物間不均勻膨脹越加顯著，由此產(chǎn)生的熱應(yīng)力超過花崗巖抗拉強(qiáng)度時(shí)則會(huì)誘發(fā)新裂縫，導(dǎo)致內(nèi)部孔隙增多，且礦物內(nèi)結(jié)晶水的逃逸也使得礦物的晶格結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞而造成內(nèi)部缺陷增大并聯(lián)通，所以表現(xiàn)出明顯的壓密段。采用水冷卻的應(yīng)力應(yīng)變曲線不管在何種溫度條件下，均表現(xiàn)較強(qiáng)的壓密段。分析其原因是水冷卻使高溫巖石表面溫度急劇下降，產(chǎn)生顯著溫度梯度，相比較自然冷卻而言則會(huì)引起額外的熱應(yīng)力，加劇巖石的損傷，產(chǎn)生更多的孔隙（核磁掃描結(jié)果可證明這一點(diǎn)）。所以水冷卻花崗巖最終表現(xiàn)出來為相對低的動(dòng)態(tài)峰值應(yīng)力和顯著的壓密段。

3.2 動(dòng)態(tài)峰值應(yīng)力與動(dòng)態(tài)峰值應(yīng)變

圖6 所示為高溫花崗巖經(jīng)水冷卻后動(dòng)態(tài)峰值應(yīng)力 σVW隨溫度變化，以及與自然冷卻結(jié)果 σVN對比情況。通過對數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，發(fā)現(xiàn)兩種方式冷卻后花崗巖的動(dòng)態(tài)峰值應(yīng)力均隨著溫度增大而呈線性下降趨勢，且水冷卻后動(dòng)態(tài)峰值應(yīng)力下降速度相對更為劇烈。

從圖6 中還可以發(fā)現(xiàn)，與自然冷卻結(jié)果相比，各個(gè)溫度條件下高溫花崗巖經(jīng)水冷卻后的動(dòng)態(tài)峰值應(yīng)力均低于自然冷卻的結(jié)果，從200 ℃到800 ℃，強(qiáng)度分別降低29、20、42、10 MPa，降低幅度達(dá)到了13.4%、10.2%、24.1%、11.9%。由此可見，水冷卻處理對高溫花崗巖的峰值應(yīng)力具有明顯的劣化作用，會(huì)進(jìn)一步降低花崗巖的強(qiáng)度。這也可以解釋部分巖質(zhì)工程在火災(zāi)過程中未倒塌破壞，但經(jīng)射水滅火降溫后發(fā)生倒塌的現(xiàn)象。

圖 6 花崗巖動(dòng)態(tài)峰值應(yīng)力Fig. 6 Dynamic peak stress of granite

圖7 所示為花崗巖動(dòng)態(tài)峰值應(yīng)變與溫度關(guān)系。從中可以看到經(jīng)水冷卻后的高溫花崗巖動(dòng)態(tài)峰值應(yīng)變隨著溫度升高而增大。與自然冷卻結(jié)果對比可以發(fā)現(xiàn)在200 ℃時(shí)水冷卻結(jié)果大于自然冷卻，隨后則小于自然冷卻。這是因?yàn)樗鋮s對高溫巖石有兩方面影響：一是擴(kuò)大溫度差，產(chǎn)生溫度應(yīng)力，加速孔隙萌生與發(fā)展；二是具有冷淬作用提高試樣硬度。前者導(dǎo)致花崗巖致密程度降低，在沖擊荷載作用下，動(dòng)態(tài)峰值應(yīng)變顯著增大，而后者則會(huì)降低花崗巖塑性變形能力，引起動(dòng)態(tài)峰值應(yīng)變減小，二者綜合作用使得水冷卻后花崗巖峰值應(yīng)變表現(xiàn)出與自然冷卻不同的規(guī)律。冷淬作用跟溫度有密切關(guān)系，在200 ℃時(shí)冷淬作用不顯著，此時(shí)水冷卻的影響主要體現(xiàn)在引發(fā)溫度應(yīng)力，加速孔隙萌生，起到劣化巖石的作用，所以動(dòng)態(tài)峰值應(yīng)變大于自然冷卻。而從400 ℃開始，水的冷淬作用愈加顯著，在一定程度上提高了巖樣的硬度，降低了塑性變形能力，故在沖擊荷載作用下表現(xiàn)出較自然冷卻小的動(dòng)態(tài)峰值應(yīng)變。

3.3 彈性模量

由于高溫后巖石動(dòng)態(tài)應(yīng)力應(yīng)變曲線均存在一定長度壓密段，所以為保證結(jié)果具有對比性，本文中采用彈性模量EC[7]，即選取應(yīng)力應(yīng)變曲線上升段應(yīng)力為40%和60%峰值應(yīng)力的兩點(diǎn)連線的斜率，結(jié)果如圖8 所示。

從圖中發(fā)現(xiàn)水冷卻后花崗巖彈性模量ECW先增大后減小，整體上呈非線性下降趨勢，擬合結(jié)果如下：

同時(shí)還可以看到從400 ℃開始，采用水冷卻處理的花崗巖的彈性模量大于自然冷卻后的結(jié)果ECN，其原因與前文所述相同，是因?yàn)樗睦浯阕饔锰岣吡嘶◢弾r硬度。

圖 7 花崗巖動(dòng)態(tài)峰值應(yīng)變Fig. 7 Dynamic peak strain of granite

圖 8 彈性模量隨溫度變化曲線Fig. 8 Variation of dynamic elastic modulus EC with temperature

4 沖擊破壞形態(tài)及損傷機(jī)理

4.1 沖擊破壞形態(tài)

圖9 所示為高溫花崗巖經(jīng)兩種方式冷卻、沖擊后的破壞形態(tài)對比圖（編號(hào)第1 個(gè)數(shù)字表示冷卻方式（1：自然冷卻、2：水冷卻），第2 個(gè)數(shù)字表示溫度等級(jí)、第3 個(gè)數(shù)字表示塊號(hào)）。從圖中可以看出花崗巖沖擊破壞程度隨溫度的增大而劇烈，由室溫時(shí)的塊狀逐步變成800 ℃時(shí)的粉末狀。在200～400 ℃，試樣破壞均表現(xiàn)出軸向劈裂現(xiàn)象，隨著溫度的升高，試樣周邊破壞加劇，水冷卻方式對高溫花崗巖破壞形態(tài)影響不明顯。但在600 ℃時(shí)，水冷卻后花崗巖出現(xiàn)了軸向破裂面，四周破裂以塊為主，而自然冷卻軸向破裂面不明顯，外圍破壞出現(xiàn)較多粉末。800 ℃時(shí)自然冷卻的花崗巖粉碎更為徹底，水冷卻則存在相當(dāng)數(shù)量的大顆粒狀碎塊，通過測量發(fā)現(xiàn)自然冷卻最大顆粒尺寸（長×寬×深）為：2.1 cm×1.2 cm×0.8 cm；水冷卻最大顆粒尺寸：2.5 cm×1.4 cm×1.2 cm。

4.2 水冷卻熱損傷機(jī)理

花崗巖內(nèi)部含有石英（8.1×10?6K?1）、斜長石（3.5×10?6K?1）、方解石（13.1×10?6K?1）等多種礦物，熱膨脹系數(shù)存在顯著差異，當(dāng)溫度達(dá)到一定閾值時(shí)，礦物間將發(fā)生不均勻熱膨脹。石英在573 ℃會(huì)發(fā)生從α相 到 β相位移型相變，在此過程中石英體積將增大5%[24]，進(jìn)而導(dǎo)致試樣內(nèi)裂紋增多。礦物不均勻膨脹與石英相變綜合作用引起微觀層面上晶粒面滑移，產(chǎn)生微裂縫。同時(shí)巖石內(nèi)部原有孔隙進(jìn)一步發(fā)育、貫通導(dǎo)致動(dòng)態(tài)力學(xué)性能下降。

圖 9 花崗巖沖擊破壞形態(tài)Fig. 9 Failure forms of granite under different temperatures and different cooling methods

此外，將高溫巖石試樣視作整體，采用不同冷卻方式，則會(huì)得到不同溫度場與溫度梯度，由此引起的不協(xié)調(diào)變形將產(chǎn)生二次溫度應(yīng)力。為從理論上探討水冷卻對高溫巖石損傷機(jī)理，將巖樣內(nèi)部溫度應(yīng)力的力學(xué)模型分為熱膨脹應(yīng)力與二次溫度應(yīng)力兩部分。把巖石試樣劃分成若干個(gè)有限區(qū)域，并假設(shè)每個(gè)區(qū)域內(nèi)僅有兩種礦物，則各區(qū)域溫度應(yīng)力計(jì)算如下：

其中礦物間不均勻變形所引起的熱膨脹應(yīng)力[17]：

水冷卻引起的二次溫度應(yīng)力：

式中： αij、 α1、 α2為 ij 區(qū)域內(nèi)巖石、礦物1 和2 的熱膨脹系數(shù)； Eij、 E1、 E2為 ij區(qū)域內(nèi)巖石、礦物1 和2 的彈性模量； νij為 ij 區(qū)域內(nèi)材料的泊松比； ?T1ij為 ij 區(qū)域從室溫加熱到某溫度的溫差； ?T2ij為 ij區(qū)域與相鄰區(qū)域的的溫度梯度。

由式（3）～（5）可知，礦物間不均勻膨脹變形所引起的溫度應(yīng)力將使試樣內(nèi)部萌生孔隙，而水冷卻引起的二次溫度應(yīng)力則進(jìn)一步導(dǎo)致已有孔隙尖端應(yīng)力集中，有利于裂紋的擴(kuò)展，導(dǎo)致巖石內(nèi)部的破壞更加嚴(yán)重。同時(shí)水的入侵又削弱礦物顆粒間的聯(lián)系，引起力學(xué)性能的進(jìn)一步降低，所以水冷卻后高溫花崗巖無論在孔隙數(shù)量與孔隙孔徑尺寸上均比自然冷卻的大。核磁共振掃描結(jié)果即可驗(yàn)證這一結(jié)論。圖10 所示為高溫花崗巖經(jīng)兩種方式冷卻后核磁共振掃描孔隙率分布偽彩圖，紅色表示孔隙。由于低于400 ℃的孔隙率值較小，從圖上看差異不明顯，故限于篇幅僅給出600 ℃與800 ℃結(jié)果。從中可以直觀看出水冷卻后花崗巖孔隙數(shù)量明顯多于自然冷卻，這表明水冷卻會(huì)加速高溫巖石力學(xué)性能的劣化。

由式（5）可知，二次溫度應(yīng)力大小主要受溫度梯度的影響。因巖石導(dǎo)熱性能較差，當(dāng)高溫巖石遇水冷卻，水的溫度并不能快速傳遞到試樣內(nèi)部，所以整個(gè)冷卻過程為非穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)。為直觀對比冷卻方式的影響，采用ABAQUS 軟件，模擬高溫花崗巖溫度分布情況。由于高溫物體冷卻實(shí)質(zhì)上是與外界換熱過程，受熱換系數(shù)的控制，水與巖石接觸時(shí)熱換系數(shù)從幾千到上萬不等[25]（本文取兩個(gè)值作為對比），而自然環(huán)境則一般為幾十。故花崗巖相關(guān)參數(shù)取為：導(dǎo)熱系數(shù)3.0 W/(m·K)，試樣溫度600 ℃，比熱635 J/(kg·℃)，熱換系數(shù) αH：水冷卻1 000 W/(m2·K)和100 W/(m2·K)，自然冷卻25 W/(m2·K)。根據(jù)路徑提取溫度結(jié)果見圖11。

圖 10 花崗巖樣品成像偽彩圖Fig. 10 pseudo-color image of granite sample

從圖11 中可以看出，高溫巖石經(jīng)水冷卻后，試樣表面溫度急劇降低，尤其在表面與側(cè)面交點(diǎn)A 處，溫度降低最快，故此處產(chǎn)生的溫度梯度最大，從而將產(chǎn)生最大二次溫度應(yīng)力，且為拉應(yīng)力[25]。由于巖石的抗拉強(qiáng)度較低，所以水冷卻高溫花崗巖，當(dāng)溫度差引起的拉應(yīng)力足夠大時(shí)，花崗巖表面將產(chǎn)生裂縫。在實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，從600 ℃開始，高溫花崗巖經(jīng)水冷卻后，率先在邊緣出現(xiàn)肉眼可見裂縫，隨著溫度升高裂縫逐步向中心發(fā)展，且邊緣出現(xiàn)巖樣脫落現(xiàn)象，如圖12 所示。

圖 11 溫度模擬結(jié)果Fig. 11 Simulation results for temperature

圖 12 水冷卻花崗巖表面裂縫Fig. 12 Surface cracks in granite specimen after water cooling

4.3 沖擊破壞微觀裂縫形態(tài)

對沖擊破碎后的回收試樣進(jìn)行掃描電鏡分析，探討溫度、冷卻方式以及沖擊荷載耦合作用下對裂縫發(fā)展的影響，限于篇幅僅展示部分圖片。

從圖13 中可以看出，花崗巖經(jīng)200 ℃處理后，裂紋小且短。隨著溫度升高到400 ℃，裂紋沿著一個(gè)主方向延長，四周伴隨從裂紋并向著主裂紋匯集。在600 ℃和800 ℃時(shí)，通過對比可以發(fā)現(xiàn)自然冷卻后的斷面呈蜂窩狀，凌亂無規(guī)則，周邊伴隨小碎塊，水冷卻后的斷面則相對整齊，主要是因?yàn)闇囟葢?yīng)力作用使得巖石內(nèi)部已經(jīng)萌生大量裂紋，故在沖擊荷載作用下，裂紋迅速擴(kuò)展貫通形成裂縫。而水的冷淬作用在一定程度上提高了表層花崗巖硬度，在沖擊荷載作用下，具有一定脆性破碎特征，從而獲得相對規(guī)則的破裂斷面。

5 結(jié) 論

（1）高溫花崗巖，不論采用自然冷卻還是水冷卻，與常溫時(shí)對比，其波速均呈現(xiàn)非線性下降趨勢。采用水冷卻花崗巖，在各個(gè)溫度等級(jí)其縱波波速均低于自然冷卻。最大縱波波速差異在600 ℃時(shí)出現(xiàn)，大小為344 m/s，最小縱波波速差異則發(fā)生在800 ℃時(shí)，高溫巖石經(jīng)水冷卻后縱波波速僅比自然冷卻后縱波波速低36 m/s。

（2）核磁共振掃描結(jié)果顯示，經(jīng)溫度作用后，花崗巖巖樣內(nèi) T2譜曲線均出現(xiàn)兩個(gè)峰值。小孔徑孔隙在200 ℃時(shí)最小，小于原始巖樣。水冷卻處理后的高溫花崗巖試樣大孔隙的孔徑大小與數(shù)量均隨著溫度增大而增大，且大孔隙的孔徑大小與數(shù)量均比自然冷卻后巖樣大。

（3）隨著溫度升高，水冷卻后花崗巖動(dòng)態(tài)峰值應(yīng)力減小，峰值應(yīng)變增大，彈性模量先增大后減小。水的急劇降溫誘發(fā)更多的孔隙，使得水冷卻高溫花崗巖應(yīng)力應(yīng)變曲線上壓密段比自然冷卻的要顯著。水的冷淬作用降低了花崗巖強(qiáng)度、提高了其硬度，因而水冷卻后花崗巖的峰值應(yīng)力與應(yīng)變小于自然冷卻，而彈性模量大于自然冷卻。

（4）溫度大小和冷卻方式對高溫花崗巖沖擊破碎形態(tài)以及斷面形態(tài)有一定影響，自然冷卻后花崗巖沖擊破碎以粉末和小顆粒碎塊為主，而水冷卻則含有一定數(shù)量的大顆粒碎塊。從600 ℃開始自然冷卻后花崗巖沖擊斷面呈不規(guī)則蜂窩狀，而水冷卻后沖擊斷面則相對平整。