高温水冷玄武岩微观机理及物理力学特性分析_何童.pdf

第 19 卷第 2 期地 下 空 间 与 工 程 学 报Vol192023 年 4 月Chinese Journal of Underground Space and EngineeringApr2023高温水冷玄武岩微观机理及物理力学特性分析何童1，徐泽辉2，杜光钢1，刘磊1(1昆明理工大学 国土资源工程学院，昆明 650093;2昆明理工大学 公共安全与应急管理学院，昆明 650093)摘要:为研究高温水冷对玄武岩物理力学特性的影响，对常温(25)和经历高温(100、300、450 和 600)水冷处理后的玄武岩试样开展物理测试试验、静态单轴压缩试验、X 衍射及电镜扫描试验，分析了高温水冷后试样的微观损伤机理以及试样物理力学特性与温度的相关性。结果表明:高温水冷并未改变玄武岩主要的矿物成分，但对其相对含量有所影响;温度梯度越大，热冲击导致的内部裂纹越多，当温度升至 600 时，微观结构出现韧窝破裂形式;随着温度的升高，试样逐渐由灰绿色转变为红色，质量损失率不断增大，纵波波速不断减小，应力应变曲线逐渐变平缓，峰值强度和弹性模量则呈劣化趋势，且劣化程度逐渐加剧;在高温水冷与荷载耦合作用下，试样总损伤变量演化曲线随温度的升高逐渐变缓，表明试样逐渐由脆性转变为塑性。关键词:玄武岩;高温水冷;微观损伤机理;物理力学特性;损伤演化中图分类号:TU451文献标识码:A文章编号:1673-0836(2023)02-0380-11Analysis of Microscopic Mechanism and Physico-Mechanical Propertiesof High Temperature-Water Cooled BasaltHe Tong1，Xu Zehui2，Du Guanggang1，Liu Lei1(1 Faculty of land resources engineering，Kunming University of Science and Technology，Kunming 650093，P China;2 Faculty of Public Security and Emergency Management，Kunming University of Scienceand Technology，Kunming 650093，P China)Abstract:In order to study the effect of high temperature-water cooling on the physical and mechanicalproperties of basalt，physical test，static uniaxial compression test，X-ray diffraction and electron microscopescanning test were carried out on basalt samples after water cooling at room temperature(25)and hightemperature(100，300，450 and 600)The micro damage mechanism of samples after high temperature-water cooling and the correlation between physical and mechanical properties of samples and temperature wereanalyzed The results show that high temperature-water cooling does not change the main mineral components ofbasalt，but has an effect on its relative content;The larger the temperature gradient is，the more internal cracksare caused by thermal shock When the temperature rises to 600，the dimple fracture appears in themicrostructure When the temperature is increase，the samples show the change from gray green to red，the enhancingof mass loss rate，the weakening of longitudinal wave velocity，the slowing down of stress-strain curve，thedeterioration trend of peak strength and elastic modulus，and the deterioration degree gradually intensifies;收稿日期:2022-09-28(修改稿)作者简介:何童(1996)，男，广东韶关人，硕士生，主要从事高温岩石力学研究。E-mail:ht1421831377 126com通讯作者:刘磊(1981)，男，安徽宿州人，博士，副教授，主要从事工程爆破与安全方面的教学和科研。E-mail:kgliulei kusteducn基金项目:国家自然科学基金(11862010)Under the coupling action of high temperature water cooling and load，the evolution curve of the total damage variableof the specimen gradually slows down with the increase of temperature，indicating that the specimen gradually changesfrom brittle to plasticKeywords:basalt;high temperature-water cooling;microscopic damage mechanism;physical and mechanicalproperties;damage evolution0引言已有研究表明，温度和水是影响岩石力学特性的重要因素1-2。在矿产资源开采、地热资源开发、煤炭地下气化、核废料处置和岩石地下洞室等实际工程中均涉及到高温和水对岩石力学特性影响的问题3-4。在一般情况下，高温和水冷作用会对岩石内部矿物、颗粒形状以及晶体结构产生影响，从而导致岩石宏观物理力学特性的变化。因此，研究高温水冷后岩石的微观损伤机理和物理力学特性对保证地下岩体工程的稳定性具有重要意义。目前，已有大量国内外学者对高温岩石的微观损伤机理及物理力学特性进行了研究。在国外，Sha 等人5 对高温花岗岩在缓慢冷却下的物理力学性能进行了试验研究，并从宏观和微观角度讨论了岩石的损伤机理。Zhao 等6 研究了高温后节理花岗岩的力学性质，结果表明，高温条件改变了花岗岩的力学特性，且当岩石温度高于 400 时，花岗岩的峰值应力则迅速降低。Zhu 等7 对不同温度处理后砂岩的物理力学特性进行了研究，研究表明，当温度超过 100 时波速下降明显;而当温度超过 500 时砂岩的强度和变形模量均呈现劣化趋势。在国内，赵怡晴等8 对不同温度处理后砂岩的微观结构及静态力学性质进行了研究，研究表明，温度的升高会对砂岩的微观结构和矿物成分造成影响，从而导致砂岩力学强度的变化。卢运虎等9 利用岩石测试系统、XD 和 SEM 微观仪器，研究了温度和围压对干热岩力学特性的影响，并分析了干热岩力学特性的微观损伤机理。张文等10 研究了高温下页岩的三轴静态力学特性，研究表明，高温会对页岩的三轴抗压强度造成劣化作用。邓申缘等11 利用 CT 扫描技术对不同温度处理后花岗岩的微观结构特征进行重构分析。平琦等12 对不同温度作用后砂岩的动态力学特性进行了试验研究。郤保平等13 研究了花岗岩的物理力学性质随温度的变化规律。以上学者们的研究为进一步探讨高温水冷后岩石的微观损伤机理及物理力学特性奠定了基础。朱振南等14 研究了花岗岩在高温水冷后的物理力学特性及微观结构特征，研究表明，随着温度的升高，岩样质量、密度和抗压强度均呈劣化趋势，而微观裂纹则逐渐增多。金爱兵等15 研究了高温水冷后砂岩力学性能和微观结构的变化规律。蔚立元等16 研究了高温水冷后花岗岩的动态力学特性随应变率变化的规律。虽然在高温岩石的微观损伤机理和物理力学特性方面已有较广泛的研究，但对于岩石在受到高温水冷和荷载共同作用后，其内部微观特征的变化对宏观物理力学特性影响机理的研究仍不够充分，有待进一步探讨，且学者们研究的对象大多为花岗岩或砂岩，对其他种类的岩石研究较少。在中国西南地区，地下资源丰富，地下构筑空间充足，玄武岩作为西南地区广泛分布的岩类之一，在地下岩体工程中普遍存在17。因此，本文以云南卡房矿山玄武岩为研究对象，通过开展不同温度水冷处理后的物理性质测试试验、静态单轴压缩试验和微观试验，在微观损伤机理分析的基础上，研究玄武岩的物理力学特性随温度变化的规律，为西南地区地下岩体工程稳定性的相关计算提供理论依据。1试验概况11试样制备试验所用岩样为云南个旧卡房矿山的玄武岩，且试验试样均取自均一性良好、无明显节理裂隙的同一岩块。根据工程岩体试验方法标准18，确定玄武岩试样尺寸为 50 mm100 mm，利用岩石取芯机、切割机和磨平机等设备，进行取芯、切割和打磨，且加工过程控制试样高度误差小于4 mm，直径误差小于03 mm，试样两端面的不平整度小于005 mm。另外，为保证试验的准确性，在试样加工处理完成后，应测定其质量与纵波波速，剔除性质差异较大的试样。制备完成的玄武岩试样如图1 所示。1832023 年第 2 期何童，等:高温水冷玄武岩微观机理及物理力学特性分析图 150100 mm 玄武岩试样Fig150100 mm basalt samples12试样高温水冷处理利用 KX-17B 箱式炉可对玄武岩试样进行高温加热，该设备炉膛尺寸为 300 mm(L)200mm(W)200(H)mm，最 高 加 热 温 度 可 达1 700，并可实现精准控温，如图 2 所示。图 2KX-17B 箱式炉Fig2KX-17B box furnace试验设定温度值分别为 100、300、450 和 600，并增加了一组常温(25)试样进行对比试验，共 5 种温度梯度。首先，将玄武岩试样均匀摆放在 KX-17B 箱式炉内，并设置 5 /min 的升温速度进行加热处理，到达设定温度值后保持恒温 1 h，使试样内外均匀受热;恒温结束后，使用坩埚钳将试样从炉中夹出，浸入盛有 25 自来水的器皿中充分冷却;随后，将完全冷却的试样取出并放入干燥箱中进行 105 烘干处理 24 h;待干燥结束后，将试样存放于密封袋中，以备下一步试验使用。图 3 为试样高温水冷示意图。13试验设备及方案静态单轴压缩试验中所使用的 HUT-106A 微机控制电液伺服万能试验机设备如图 4 所示。微观试验中所使用的 VEGA-3S-BH 钨灯丝扫描电镜(SEM)、X 射线荧光光谱仪(XF)和 X 射线衍射仪(XD)设备如图 5、6 和 7 所示。本文试验中的每一工况均进行 3 次独立重复试验，并选取最具统计学意义的数据进行分析，具体试验方案如下:图 3高温水冷示意图Fig3High temperature-water cooling chart图 4HUT-106A 试验机Fig4HUT-106A testingmachine图5VEGA-3S-BH 钨灯丝扫描电镜Fig5VEGA-3S-BH tungstenfilam