岩石高温力学性能

花岗岩高温力学性能

国内外学者对岩石在常温、高温高压下的各种物理力学性能进行了研究。Alm等考察了花岗岩受到不同温度热处理后的力学性质，并对花岗岩在温度作用下微破裂过程进行了讨论；张静华等对花岗岩弹性模量的温度效应和临界应力强度因子随温度的变化进行了研究；寇绍全等系统地研究了经过热处理的Stripa花岗岩的力学特性，得到了工程中需要的基本力学参数；林睦曾等研究了岩石的弹性模量随温度升高而变化的情况；Oda等研究了在温度作用下岩石的基本力学性质；Lau研究了较低围压下花岗岩的弹性模量、泊松比、抗压强度随温度的变化规律以及破坏准则；许锡昌等通过试验，初步研究了花岗岩在单轴压缩状态下主要力学参数随温度（20～600℃）的变化规律；朱合华等通过单轴压缩试验，对不同高温后熔结凝灰岩、花岗岩及流纹状凝灰角砾岩的力学性质进行了研究，分析比较3种岩石峰值应力、峰值应变及弹性模量随温度的变化规律，并研究了峰值应力与纵波波速、峰值应变与纵波波速的关系。

1.高温下花岗岩力学行为研究

张志镇在《花岗岩力学特性的温度效应试验研究研究》一文中以花岗岩（采自山东省兖州矿区济二井，主要成分为长石，以含钙钠长石为主，有部分钾长石，同时含有部分伊利石、辉石和少量其他矿物。加工成直径为25mm，高为50mm的圆柱体）为研究对象，在进行实时高温作用下（常温～850℃）单轴压缩试验。得到的应力－应变曲线亦大致经历4个阶段：压密阶段、线弹性阶段、弱化阶段和破坏阶段。由图1可以看出，实时高温作用下花岗岩的应力-应变曲线形状几乎一致，非弹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，峰值明显减小，轴向应变呈现出增大的趋势，主要是因为岩样的脆性减弱而延性增强。从热-力学的角度，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，故塑性增强而强度降低。

图1实时高温作用下花岗岩轴向应力-应变曲线单轴抗压强度的变化规律，从图2可以看出，花岗岩各温度段单轴抗压强度具有较大的离散性，这是由于岩石自身的结构差异所致。实时高温作用下，强度呈逐渐降低的趋势，在800℃时峰值强度由常温时的191.90MPa降低至62.17MPa，降幅达到67.6%。

图2实时高温作用下花岗岩峰值强度与温度的关系弹性模量的变化规律，实时高温作用下花岗岩力学性质衰减得较快，弹性模量由常温时的38.37GPa降低至7.22GPa，降幅达81.2%。而冷却后加载，在800℃时弹性模量没有明显下降，仍为25.12GPa，因为降温又恢复了花岗岩的脆性，只有当岩样中出现脆塑性转变后岩样力学性质才突然变化，这说明实时高温作用下岩样的力学性能劣化呈连续变化，而加温后降温其力学行为呈突变状态，与结构中相变密切相关。

图3实时高温作用下花岗岩弹性模量与温度的关系剪切滑移应变的变化规律，在应力-应变曲线峰值点后一般会出现一定的扰动，在应力变化不大但有下降趋势的情况下应变有一定增长，一般认为，这是岩石内部的薄弱面受到一定荷载作用后产生剪切滑移所致，把这部分应变称为剪切滑移应变，可用来表征材料的塑性特征。得到两种情况下随温度的变化趋势如图4所示。实时高温作用下在800 ℃之前，剪切滑移应变很小，且变化不明显，800℃以后逐渐增大，表现出显著的塑性。

图4实时高温作用下剪切滑移应变与温度的关系600℃之前，岩样破坏形式表现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。随温度的升高，花岗岩由强烈脆性过渡到半延性，破坏形式也由强烈脆性拉裂转变成拉剪破坏。实时高温情况下，在800℃之前，剪切滑移应变很小，且变化不明显，800℃以后逐渐增大；表明800℃为花岗岩相变点，发生脆塑性转变。在实时高温加载作用下，单轴抗压强度和弹性模量随着温度升高而发生连续的衰减劣化。