趙文博，鄧凱仁，徐彬洋

（中國礦業(yè)大學（北京）力學與建筑工程學院，北京 100083）

巖石材料是重要的工程材料之一。巖石在具體的應用過程中可能會遭受復雜的荷載效應，比如，巖石可能會遭受高溫等影響。世界各地每年頻繁發(fā)生火災事故，帶來巨大的人員傷亡和經(jīng)濟損失。那么，火災結束時建筑物是否仍然保持安全狀態(tài)，受到大火摧殘后建筑物內部是否還能繼續(xù)正常使用，是否可以采取修補、加固等防護措施使得整個建筑物恢復正常的使用功能呢？因此，有必要對巖石的高溫力學性能進行研究。

巖石由各種礦物質和多類巖漿狀顆粒構成，巖石內部的許多微細缺陷、微觀裂紋都會隨著其溫度的不斷升高而逐漸擴大和延伸，在一定范圍內表現(xiàn)為巖石受力特征和力學性能的變化，這都可能對巖石造成損傷或破壞。趙陽升等利用顯微CT（計算機斷層掃描）技術對25～500 ℃作用后的花崗巖熱破裂過程做了試驗研究，研究結果表明，200 ℃時花崗巖已經(jīng)出現(xiàn)極少微觀裂紋，200～300 ℃溫度范圍內裂紋逐漸擴展，部分裂紋搭接形成較大裂紋，裂紋長度增加10 倍左右，300～500 ℃溫度范圍內裂紋逐漸貫通并形成封閉多邊形，使花崗巖呈現(xiàn)糜棱狀的晶體顆粒結構體。楊濤等研究了高溫作用下花崗巖細觀特性，在1 250 ℃條件下花崗巖礦物的膠結成分發(fā)生熔融，而在冷卻過程中會產(chǎn)生孔洞，這是其孔隙率增加的主要原因。吳剛等采用光顯微鏡研究了高溫下花崗巖細觀結構，高溫下花崗巖細觀結構形態(tài)的變化主要體現(xiàn)在不同溫度下裂紋萌生及擴展度的不同。有研究針對地層中經(jīng)過一定時間的高溫處理后再次冷卻的花崗巖、砂巖的力學性質進行實證試驗，分析了地層中高溫處理后巖石的應力-應變曲線、峰值應力、峰值應變、彈性模量和泊松比等的變化，研究表明，大多數(shù)巖石強度隨溫度的升高有所下降，而下降的趨勢和巖石的種類有關。

1 試驗方案設計

試驗裝置采用CSS-44100 電子萬能試驗機，加載采取位移控制的方式，其加載速度一般為0.05 mm/min。采用的高溫加熱裝置是由山東省龍口市電爐廠制造的陶瓷纖維電阻爐。

試驗擬采用同一批次砂巖試件，標準圓柱體試件的尺寸為Φ50 mm×50 mm，試件個數(shù)為24 塊。本試驗設計4 種不同的試驗溫度，分別是室溫、200 ℃、400 ℃、600 ℃，分別用A、B、C、D 四個字母代表。

用陶瓷纖維電阻爐對試件進行加熱，使試件內外形成均勻的溫度場，加熱時間根據(jù)數(shù)值計算得到。每次試驗同時加熱6 塊砂巖試件，爐內達到試件指定的加熱溫度后將6 塊試件放入其中。將達到指定加熱條件的試件分成2 組，每組3 塊，待其自然冷卻至常溫后對其中一組進行單軸壓縮試驗，另一組進行靜態(tài)劈裂試驗。

2 試驗結果及分析

常溫狀態(tài)下，砂巖為暗灰色，加工好的試件表面較平整，其表面無特別的缺陷。經(jīng)200 ℃高溫加熱后，其表觀形態(tài)開始有微小的變化，巖石試件的表面顏色逐步地加深，試件體積無明顯變化；400 ℃時，巖石表觀顏色進一步加深，體積變化不明顯，總體而言，在400 ℃之前，試件主要呈暗灰色，隨著溫度的上升，其表面顏色開始逐步偏褐色，但體積變化較小，略微有所收縮。當溫度達到600 ℃時，砂巖的表觀形態(tài)特征變化較為明顯，主要體現(xiàn)在巖石的表面顏色開始由常溫狀態(tài)的暗灰色向褐色過渡，且表面存在裂紋，從外觀形態(tài)變化可以感覺到巖石內部熱損傷較為嚴重。試件的單軸壓縮試驗和靜態(tài)劈裂試驗結果分別如表1、表2所示。

表1 高溫后單軸壓縮試驗結果

表2 高溫后靜態(tài)劈裂試驗結果

由表1 可知，常溫至400 ℃，巖石的抗壓能力變化緩慢，總體趨勢是隨著溫度的升高，抗壓能力變化減小，但當加熱超過400 ℃后，砂巖抗壓強度急劇下滑。從整體來說，溫度越高，砂巖抗壓強度越小，在常溫至400 ℃范圍內，表現(xiàn)出較小的起伏，以400 ℃為轉折點，抗壓強度隨溫度上升有明顯降低。

由表2 可知，在靜態(tài)加載條件下，常溫至200 ℃，巖石的抗拉強度變化緩慢，總體趨勢是隨著溫度升高，抗拉強度有所減小，當加熱超過200 ℃后，砂巖抗拉強度有所上升，但溫度超過400 ℃后，其強度急劇下降。從整體來說，抗拉強度在室溫至400 ℃有一定波動，400～600 ℃急劇降低，以400 ℃為轉折點。

3 結論

本文主要利用單軸壓力試驗機對高溫處理后的砂巖分別進行單軸壓縮試驗和靜態(tài)劈裂試驗，探究了溫度對砂巖表觀形態(tài)的影響，研究了不同高溫處理下砂巖的靜態(tài)力學性能，分析了砂巖單軸抗壓強度及靜態(tài)抗拉強度隨溫度的變化規(guī)律。一是溫度對砂巖表觀形態(tài)有顯著影響。在常溫至400 ℃時，砂巖由暗灰色逐漸轉向褐色，特別是在400～600 ℃時顏色有明顯變化，且原本光滑平整的表面在600 ℃時出現(xiàn)裂紋，體積有輕微膨脹，可看出其熱損傷較強。二是溫度對砂巖的力學特性有顯著影響。隨著溫度上升，砂巖的單軸抗壓強度整體呈下降趨勢，400 ℃為一個轉折點，400～600 ℃下降幅度較大；從砂巖抗拉強度來說，隨著溫度的上升，常溫至400 ℃呈較小的波動變化，同樣400 ℃為轉折點，400～600 ℃有明顯下降?？紤]砂巖抗壓強度和抗拉強度的關系，考慮試件本身存在瑕疵及差異性，再參考相關文獻資料可得，砂巖強度在常溫至400 ℃波動變化且變化幅度較小，400 ℃為其一轉折點，抗壓強度和抗拉強度均在400～600 ℃下降幅度較大，呈明顯的下降趨勢。