楊禮寧， 姜振泉， 張衛(wèi)強(qiáng)， 耿濟(jì)世

(中國礦業(yè)大學(xué) 資源與地球科學(xué)學(xué)院，江蘇 徐州 221116)

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高溫作用后砂巖力學(xué)性質(zhì)研究①

楊禮寧， 姜振泉， 張衛(wèi)強(qiáng)， 耿濟(jì)世

(中國礦業(yè)大學(xué) 資源與地球科學(xué)學(xué)院，江蘇 徐州 221116)

摘要：對(duì)臨沂市莒南縣砂巖進(jìn)行經(jīng)歷25～850 ℃高溫作用后的力學(xué)試驗(yàn)。結(jié)合掃描電鏡技術(shù)對(duì)高溫作用后砂巖試樣的物理力學(xué)性質(zhì)和微觀結(jié)構(gòu)的變化規(guī)律進(jìn)行觀察。研究表明：砂巖的峰值強(qiáng)度在25～400 ℃間存在一定的波動(dòng)，但整體上變化不大；在400 ℃以后，試樣的峰值強(qiáng)度開始迅速下降；砂巖試樣的變形位移總體上隨處理溫度升高而增大，在400 ℃以前變化不大，當(dāng)溫度高于400 ℃后峰值強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的位移迅速增加。掃描電鏡圖片顯示當(dāng)加熱溫度越高時(shí)砂巖微觀孔隙越多，特別是在500 ℃時(shí)，部分顆粒膠結(jié)物已經(jīng)遭受破壞。

關(guān)鍵詞：砂巖； 峰值強(qiáng)度； 變形位移； 掃描電鏡； 高溫

0引言

隨著煤礦資源的深部開采、核廢料的深埋處置、地?zé)豳Y源的開發(fā)以及大都市圈深度地下空間開發(fā)利用的迅速發(fā)展，巖石在高溫作用下或高溫作用后的物理力學(xué)性質(zhì)[1-2]、深部巖石力學(xué)等問題成為巖土工程的熱點(diǎn)之一。

近些年許多學(xué)者對(duì)高溫作用下的巖石力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了多方面的研究。吳揚(yáng)科[3]對(duì)不同溫度作用后的砂巖試樣進(jìn)行了劈裂試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)粗砂巖的單軸抗拉強(qiáng)度隨著溫度的增加先增大，后減小。汪然等[4]通過溫度循環(huán)作用后的大理巖單軸壓縮試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)隨溫度升高，其變形特征表現(xiàn)為塑性變形明顯，彈性模量降低，峰值應(yīng)變?cè)龃?；吳忠等[5]對(duì)煤層頂板砂巖的試驗(yàn)結(jié)果也符合這一規(guī)律。吳剛等[6]對(duì)焦作砂巖在經(jīng)歷高溫作用后的力學(xué)特性進(jìn)行試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)溫度引起的熱應(yīng)力作用、礦物成分和微結(jié)構(gòu)變化導(dǎo)致砂巖力學(xué)性質(zhì)發(fā)生改變與高溫作用后的巖石承載力劣化。諶倫建等[7-8]采用掃描電鏡、偏光顯微鏡和熱分析儀等方法得出砂巖在高溫作用下微觀結(jié)構(gòu)變化是礦物晶體轉(zhuǎn)化、體積膨脹等產(chǎn)生的熱應(yīng)力和有機(jī)物析出與遷移的共同結(jié)果，得出巖石微觀結(jié)構(gòu)在高溫變化下的變化對(duì)巖石力學(xué)特性有顯著影響。蘇承東等[9]研究高溫作用后的高空隙度粗砂巖，發(fā)現(xiàn)溫度增高既可以增強(qiáng)巖石的承載能力和抗變形能力，也可以減弱這兩種能力。左建平等[10-11]研究不同溫度作用下平頂山砂巖的熱開裂，得出砂巖的熱開裂主要與礦物成分的熱力學(xué)性質(zhì)有關(guān)，受礦物顆粒形狀的影響較大。張淵等[12]通過試驗(yàn)得出了在不同溫度條件下長石砂巖孔隙率隨溫度變化的規(guī)律。繆阿麗等[13]通過對(duì)比大量的巖石試樣的巖石高速摩擦試驗(yàn)，簡述了水熱作用下巖石和斷層泥的高速摩擦性狀。

本文對(duì)不同高溫作用下的砂巖試樣進(jìn)行力學(xué)試驗(yàn)并用掃描電鏡觀察其微觀結(jié)構(gòu)變化，分析高溫作用后砂巖試樣的力學(xué)性質(zhì)，以期為今后的工程提供參考依據(jù)。

1試驗(yàn)概況

試驗(yàn)所用高溫爐為CTM500灰分揮發(fā)分測(cè)定儀(馬弗爐)。此設(shè)備具有恒溫區(qū)的識(shí)別與控制技術(shù)，控溫范圍最高能達(dá)到1 000 ℃。試驗(yàn)加載裝置由巖石力學(xué)試驗(yàn)加載系統(tǒng)液壓伺服剛性壓力試驗(yàn)機(jī)組成(圖1)。試驗(yàn)過程中在試驗(yàn)機(jī)上對(duì)砂巖試樣進(jìn)行單軸加載。

圖1　電液伺服壓力試驗(yàn)機(jī)Fig.1　Electro-hydraulic servo pressure testing machine

采自山東省臨沂市莒南縣的巖石試樣在天然狀態(tài)下呈暗紅色，質(zhì)地均勻，表面無紋理，常溫平均密度為2.42 g/cm3。將試樣切割成為高度和直徑分別為100 mm和50 mm的標(biāo)準(zhǔn)圓柱體，然后對(duì)其進(jìn)行高溫作用。在溫度作用低于150 ℃時(shí)選取烘箱對(duì)砂巖進(jìn)行加溫，達(dá)到試驗(yàn)溫度后在烘箱內(nèi)保持恒溫30分鐘，取出試樣自然冷卻至常溫后對(duì)其進(jìn)行力學(xué)試驗(yàn)。加溫超過150 ℃時(shí)采用馬弗爐對(duì)試樣進(jìn)行加溫，達(dá)到試驗(yàn)溫度后在爐內(nèi)保溫30分鐘，試樣自然冷卻至常溫后進(jìn)行壓力加載試驗(yàn)。

2試驗(yàn)結(jié)果分析

砂巖在高溫條件下的應(yīng)力-位移曲線以及峰值強(qiáng)度與溫度的關(guān)系如圖2、3所示。25～100 ℃間由于砂巖內(nèi)結(jié)合水的蒸發(fā)，砂巖試樣的峰值強(qiáng)度有小幅度增強(qiáng)，從單軸砂巖聲發(fā)射試驗(yàn)中可以準(zhǔn)確地反映這一過程[14]。在100～200 ℃，砂巖的顆粒逐漸發(fā)生變形，砂巖試樣中的部分孔隙閉合，這一壓密過程的宏觀表現(xiàn)即為試樣的峰值強(qiáng)度降低。200～400 ℃間砂巖試樣的峰值強(qiáng)度先下降后上升，并在400 ℃時(shí)升至最大值82.76 MPa。在這一溫度區(qū)間中，砂巖中的部分礦物發(fā)生了重結(jié)晶，所以試樣中的孔隙和裂隙發(fā)生改變。400 ℃以后砂巖試樣的峰值強(qiáng)度急劇下降，表明巖石塑性增強(qiáng)，非線性階段逐漸增大。峰值強(qiáng)度在500 ℃處降至最低點(diǎn)，并隨著溫度繼續(xù)上升，砂巖式樣的峰值強(qiáng)度有了小幅度的上升。由于在400 ℃以后砂巖中的礦物發(fā)生了多種的變化，包括礦物脫水、相變、重結(jié)晶等，改變了礦物之間的膠結(jié)結(jié)構(gòu)，在宏觀上表現(xiàn)為砂巖峰值強(qiáng)度的嚴(yán)重劣化。

圖2　砂巖應(yīng)力-位移關(guān)系曲線Fig.2　Stress-displacement curve of sandstone

圖3　不同溫度下峰值強(qiáng)度變化曲線Fig.3　Peak strength curves at different temperatures

從圖4可以觀察出變形位移在不同高溫作用下的變化規(guī)律。從100～400 ℃，砂巖試樣在高溫態(tài)下的變形位移緩步增長，400 ℃時(shí)變形位移達(dá)到1.39 mm，是100 ℃時(shí)的2.3倍；500 ℃以后試樣的變形位移急劇增大；600 ℃以后的變形位移增長近似為線性增長，850 ℃時(shí)的變形位移達(dá)到了4.32 mm，是常溫下試樣變形的5倍。

圖4　變形位移隨溫度變化曲線Fig.4　Displacement curves at different temperatures

通過掃描電鏡技術(shù)(SEM)對(duì)不同溫度作用下的砂巖試樣進(jìn)行微觀形貌特征觀察。在工作電壓為30 kV的掃描電鏡圖片中可以看到巖石孔隙和裂隙的變化過程與巖石斷裂的各個(gè)階段。從掃描電鏡照片(圖5)可以看到，砂巖試樣的孔隙率隨著溫度升高而增大，特別是當(dāng)溫度增加到500 ℃以上時(shí)，砂巖試樣的孔隙和裂隙變得非常密集；當(dāng)溫度升高到600 ℃甚至更高時(shí)，孔隙裂隙空間比常溫狀態(tài)下試樣的孔隙大許多，礦物膠結(jié)處發(fā)生巨大改變，膠結(jié)物開始消失。

圖5　掃描電鏡圖片F(xiàn)ig.5　 SEM images

3結(jié)論

通過試驗(yàn)研究不同溫度作用下砂巖試樣的峰值強(qiáng)度與對(duì)應(yīng)的變形位移，根據(jù)不同溫度下的測(cè)試結(jié)果(25～850 ℃)以及掃描電鏡觀察，得到以下結(jié)論

(1) 25～400 ℃這一階段，巖石的峰值強(qiáng)度產(chǎn)生波動(dòng)，但整體上變化不大；400 ℃以后巖石峰值強(qiáng)度急劇下降；700 ℃以后巖石已經(jīng)進(jìn)入了塑性變形階段。

(2) 100～200 ℃這一階段，峰值強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的變形位移緩慢增加。200～ 400 ℃這一階段，峰值強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的變形位移則是先增加后減小，相對(duì)于峰值強(qiáng)度的急劇變化，變形位移的變化是微小的。400～500 ℃，峰值強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的變形位移先上升后減小，位移的變化略有滯后。在500 ℃以后，巖石的變形位移呈線性特征急劇增大，這也驗(yàn)證了巖石試樣已經(jīng)進(jìn)入塑性狀態(tài)。

(3) 掃描電鏡圖像結(jié)果表明當(dāng)加熱溫度越高時(shí)砂巖微觀孔隙越多，巖石試樣在500 ℃時(shí)，孔隙和裂隙急劇增多，部分膠結(jié)顆粒物已經(jīng)消失。

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Mechanical Properties of Sandstone after High Temperature

YANG Li-ning, JIANG Zhen-quan, ZHANG Wei-qiang, GENG Ji-shi

(SchoolofResourcesandEarthScience,ChinaUniversityofMiningandTechnology,Xuzhou,Jiangsu221116,China)

Abstract：In this study, we conducted a number of mechanical experiments on sandstone samples from Junan County, Linyi City, in order to investigate the mechanical properties of the sandstone samples after being subjected to high temperatures, ranging from 25 ℃ to 850 ℃. We plotted the peak strength and deformation displacement curves of the sandstone samples, based on the results of the uniaxial stress experiments under different temperatures. We observed the changes and differences in the sample microstructures after different temperatures using scanning electron microscope (SEM) technology. The results of the sandstone samples' uniaxial stress tests are as follows: (1) At temperatures between 25 ℃ and 400℃, the peak strength of the sandstone samples appears to fluctuate, but the overall strength changes only slightly. This means that the samples share the same mechanical properties, and the strength of the samples under these temperatures is steady. (2) When the temperature is higher than 400 ℃, the peak strength of the sandstone samples begins to decline rapidly. (3) With increasing temperature, the overall deformation displacement of the sandstone samples increases as well, growing very slowly, but increasingly, when the temperature is higher than 400 ℃. In addition, the SEM images show that the pores and fissures of the sandstone samples sharply increase when temperature reaches 400 ℃. Cement particles in the samples begin to disappear when the temperature reaches 500 ℃. The study shows that the macroscopic mechanical properties of sandstone change radically at high temperatures.

Key words：sandstone; peak strength; deformation displacement; SEM; high temperature

DOI:10.3969/j.issn.1000-0844.2016.02.0299

中圖分類號(hào):P315

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào):1000-0844(2016)02-0299-04

作者簡介：楊禮寧(1992-)，男，山東榮成人，在讀碩士生，從事工程地質(zhì)、巖土工程學(xué)習(xí)研究工作。E-mail: yangln@126.com。

基金項(xiàng)目：國家973項(xiàng)目(2013CB036003)；國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41102201)

收稿日期:①2015-03-31