1、DOI:10.13379/j.issn.1003-8825.202208006开放科学（资源服务）标识码（OSID）高温作用后砂岩巴西劈裂声发射特征试验张 腾，雷泉龙，周 洋，王艳波，仲静文（南京市水利规划设计院股份有限公司，南京200022）摘要：为了研究温度对砂岩力学性质的影响规律，对 25500 区间内 5 种温度水平下的红色砂岩开展巴西劈裂试验。结果表明：根据抗拉强度变化情况将温度划分为 3 个区间（25200、200400、400500），高温处理后的红色砂岩抗拉强度受温度影响而发生劣化，抗拉强度随着温度升高先缓慢减小而后下降速度加快，200 是砂岩阈值温度；砂岩的劈裂破坏模式也由单
2、一主裂纹破坏变为主裂纹和伴生裂纹破坏；声发射特征表现出较为显著的阶段性特征，大致经历声发射活跃期、微弱期、平静期。温度导致岩石内部矿物成分、晶体间隔、晶间水状态和结合离子键发生改变，是导致岩石发生热损伤的重要因素。关键词：砂岩；高温作用；抗拉强度；热损伤；巴西劈裂试验；声发射特征中图分类号：P642文献标志码：A文章编号：1003 8825(2023)03 0121 06 0 引言温度是影响岩石力学性质的重要因素之一1-2，目前很多深地工程都受高温制约，如高放射性核废料处置、地热能开发、煤炭地下气化、科学钻探、地球深部实验室的建立、大深度地下空间开发等一系列工程。在高温环境影响下，岩石物理力学
3、性质会发生显著变化：内部裂隙结构重新排列、新的裂隙形成、原生裂隙扩展与贯通等3。在高温作用下，由于岩石矿物的晶型转变、重结晶作用、热熔作用、脱水效应、热应力作用等多种因素的影响4，岩石的力学性质会发生劣化甚至丧失抵抗能力。岩石的抗拉强度远小于抗压强度，约为抗压强度的十分之一5。目前，较多学者研究高温对岩石单轴抗压强度的影响，但对高温后岩石抗拉强度的变化规律研究较少，抗拉特性在岩土工程中的重要性不言而喻，在隧道、矿井巷道及硐室施工中有着重要作用，尤其涉及到围岩稳定性与拉应力时，抗拉强度的影响不容忽视6。当前研究岩石巴西劈裂的手段主要包括微观观测、数值模拟、理论研究等方法，声发射作为一种动态无损检
4、测方法，能够反映岩石在受到外部荷载下内部裂隙演化过程，已在岩石损伤研究中起到重要作用。有关高温影响下岩石的抗拉强度特性研究已取得一定进展。陈宇波等7认为砂岩在高温影响下物理力学特性的损伤程度越来越严重，其破裂方式也由脆性转化为延性；刘波等8研究了砂质泥岩在低温环境影响下劈裂强度的变化，发现在20、10 时劈裂强度分别减少了 37.47%、29.20%，并以声发射试验验证了岩石破坏的全过程；吴顺川等1研究了温度对花岗岩抗拉强度的影响，结合扫描电镜和声发射技术分析了力学性质变化的过程和原因，发现花岗岩在高温影响下抗拉强度下降；闵明等9进行了不同温度下北山花岗岩巴西劈裂声发射试验，随着温度升高北山花
5、岗岩形成的裂缝越来越多，当温度高于 400 时，花岗岩内部形成穿晶裂纹，导致抗拉强度整体呈下降趋势，声发射特征也表现出较强的阶段性；Wisetsaenl S、Sriapai T等10-11研究了盐岩加热后环向抗拉强度的变化规律，环向抗拉强度随着温度增加而减小；李小军等12基于声发射 b 值变化规律，对岩石的失稳破坏进行预测预报；袁瑞甫等13对 3 种岩石试样进行单轴直接拉伸声发射测试，分析岩石的直接拉伸力学性能及声发射活动规律。已有文献大都是对花岗岩、盐岩等进行研究，对于砂岩在高温处理后的特征，尤其是高温后抗拉强度声发射特征研究还较少。本文以砂岩为研究对象，进行高温处理后砂岩的巴西劈裂力学试验
6、，同时结合声发射技术分析岩石在加载过程中结构热损伤的变化情况，分析砂岩 收稿日期：2022 10 08作者简介：张腾（1990），男，安徽滁州人。工程师，硕士，主要从事水利勘察与设计工作。E-mail：。张 腾，等：高温作用后砂岩巴西劈裂声发射特征试验 121 力学性质和声发射特征随温度的变化规律，以期为砂岩在高温环境中的应用提供参考。1 高温作用后砂岩巴西劈裂声发射特征试验 1.1 试验材料试验用红色砂岩取自山东济南某煤矿，为一整块岩石。通过钻孔取芯、岩石切割等操作，加工成直径 50 mm，厚度 25 mm 的圆盘状试样，其平行度和垂直度符合国际岩石力学标准（1978）。由于砂岩取自同一位置
7、，可认为各个试样的非均质性所带来的试验误差能降至最低。根据 X 射线衍射试验结果，主要矿物成分包括石英、长石、方解石和白云石等。1.2 试验方案为探究高温作用后砂岩巴西劈裂声发射特征，开展巴西劈裂试验、声发射特征监测试验。制备5 组（25、200、300、400、500）岩样，每组3 个。15 个岩样均进行巴西劈裂试验，同步进行声发射监测试验。1.3 试验设备和试验方法除了室温 25 试样，其余 4 组岩样放置马弗炉内分别加热至预定的温度 200、300、400、500，为了防止加热过程中对砂岩产生热冲击，设置加热速度为 8/min，加热至相应温度等级后保持恒温 2 小时，然后在炉内自然冷却至
8、室温。加热后的砂岩试样，见图 1。图1加热后的砂岩试样 试验装置，见图 2。巴西劈裂试验采用的加载设备为 TAW-2000 微机控制电液伺服岩石三轴试验机。先将试样放入劈裂夹具内，再把劈裂夹具放入试验机的上、下承压板之间，使试样中心线和试验机的中心线在一条直线上；然后开动试验机，先以 2 kN 的荷载施加在试样上，使承压板、劈裂夹具和试样紧密接触；最后开始正式加载直到试样破坏。试 验 以 位 移 方 式 控 制 加 载，加 载 速 度0.05 mm/s。采用 AMSY-6 型声发射测试系统，通道数 4，频率范围 1.62.4 MHz，可自动记录声发射的事件数、能量、幅值等基本参数，同时可在线实
9、时显示声发射的波形。试样声发射信号采用单通道进行采集，声发射探头耦合在试样表面。在试样表面和探头上涂抹凡士林，利用橡胶带将探头固定在砂岩表面上，使探头紧密贴合试样表面。TAW-2000压力机岩样声发射数据采集界面声发射系统主机TAW-2000压力机岩样声发射数据采集界面声发射系统主机图2巴西劈裂试验加载装置和声发射测试装置 2 试验结果与分析 2.1 抗拉强度变化规律巴西劈裂试验是目前常用的测试岩石抗拉强度的试验方法之一，根据弹性力学的方法求解材料的抗拉强度14。t=2P/(DH)（1）t式中：为材料抗拉强度，MPa；P 为材料破坏时的最大荷载，N；D 为材料直径，m；H 为材料厚度，m。不同
10、温度作用后的砂岩抗拉强度，见表 1。砂岩抗拉强度随温度变化曲线，见图 3。当前期处理温度从 25 增加到 200，砂岩的平均抗拉强度从 12.49 MPa下降到 12.29 MPa，变化较小。当前期处理温度从 200 增加到 400，砂岩的平均抗拉强度从 12.29 MPa 下降到 6.26 MPa，下降了49.06%，该阶段砂岩的力学性质显著劣化。当前期处理温度从 400 增加到 500，试样的抗拉强度缓慢下降，试样处于力学性质恶化后的稳定期。表1不同温度作用后的砂岩抗拉强度温度/编号抗拉强度/MPa平均抗拉强度/MPa251-111.6912.491-214.231-311.552002-
11、115.9412.292-210.972-39.963003-17.549.623-211.643-39.684004-15.976.264-27.364-35.455005-14.716.015-25-37.30 路基工程 122 Subgrade Engineering2023 年第 3 期（总第 228 期）01002003004005005678910111213 缓慢下降阶段 缓慢下降阶段抗拉强度/MPa 快速下降阶段温度/图3砂岩抗拉强度随温度的变化曲线 2.2 宏观劈裂破坏特征岩石破环是内部裂隙发育、贯通的结果，其破坏方式和特征反映着岩石和岩体的受力状态。砂岩试样在不同温度作用后
12、的破坏特征，见图 4。在室温下，由于试样与垫块接触处产生应力集中，在该区域附近会产生软弱面或者节理，同时主裂面也是沿着该点汇聚贯通。200 以后，砂岩在受载后除了出现一条主裂纹以外，在试样的接触应力集中部位发育有平行于主裂纹的伴生裂纹，且随着前期处理温度的提高，其主裂纹的宽度和伴生裂纹的深度增大，说明温度是导致岩石破坏的主要因素之一。影响砂岩巴西劈裂特征的因素主要包括：温度、矿物成分及其结构等。砂岩是一种非均质、各相异性材料，试验砂岩包含石英、方解石、长石、白云石等多种矿物成分，各成分的热膨胀系数不同，如石英的热膨胀系数极小，长石的热膨胀系数较大，从而导致砂岩在经历高温处理后其内部产生热应力差
13、异，进而产生不同性质的裂纹。热应力经常出现在晶体颗粒之间的结合部位，当热应力积累到一定程度时，会沿着晶体之间的界面发生破坏形成微小裂纹，在受载情况下，微小裂纹发生扩展、贯通最后形成宏观裂纹，导致试样破坏。同时，在高温作用下砂岩内部会发生失水现象，在 25100 时砂岩内部自由水最先蒸发，在 100300 时弱结合水消失，在 400 左右时晶体水逃离15，失水后晶体间距增大、金属离子键断裂。随着温度的不断提高，砂岩的矿物成分和结构也会发生变化，如在较高前期温度作用时石英从-石英转化为-石英，晶体会产生一定程度的膨胀，这些都会导致岩石内部结构损伤程度加大。砂岩作为整体岩体的物理力学性质是由这些因素
14、综合导致，高温对砂岩巴西劈裂声发射特征的影响也是极其复杂的，众多因素此消彼长，共同控制着高温作用下砂岩的力学性质、破坏机理及声发射特征16。a 25 b 200 c 300 d 400 e 500 主裂纹主裂纹伴生裂纹伴生裂纹主裂纹伴生裂纹主裂纹伴生裂纹主裂纹图4砂岩巴西劈裂宏观破裂特征 砂岩的宏观破裂特征是微观结构和矿物成分作用的综合体现。杨礼宁等17通过扫描电镜对高温后的砂岩进行微观形貌特征观察，发现砂岩的孔隙和裂隙随着温度升高而增大。Lv C 等18也发现当温度在 800900 区间，砂岩内部的-石英变成-鳞石英，使得石英的体积增加了 16%，导致砂岩表面在加热后即出现宏观裂隙，抗拉强度
15、显著下降。2.3 砂岩的声发射特征室温条件下 25 时砂岩的声发射特征曲线，见图 5。每组 3 个试样的结果基本一致，选一个代表性试样进行说明。声发射初始应力水平阶段，在试样与压力机接触部位产生应力集中，会使试样局部区域产生微小破裂；随着应力不断增加，砂岩试样内部的一些微小裂隙或节理面会被压密，伴随着产生一些较小的声发射信号。当应力持续增加，声发射信号趋于稳定，表明试样原有的一些裂隙和孔隙被压密，没有新裂隙产生，表现为声发射振铃计数很少甚至没有。当应力水平达到峰值应力 90%以上时，声发射振铃计数急剧增加，此时砂岩内部所积蓄能量已超过了结构抵抗外力作用维持稳定所需的能力，随着应力增加至峰值应力
16、，砂岩内部原有裂纹不断扩展、贯通，新的裂隙快速产生、扩展、贯通，最终形成宏观裂纹而导致试样发生破坏，表现为存储的能量瞬间释放，试样瞬间断裂，应力水平直线骤降，声发射信号出现急剧变化。应力振铃计数累计振铃计数10020030040050005101520破坏变形阶段应力直线下降弹性变形阶段应力/MPa裂纹压密阶段02.06.00510时间/s累计振铃计数/104振铃计数/1034.0图525 时砂岩的声发射特征曲线张 腾，等：高温作用后砂岩巴西劈裂声发射特征试验 123 与其他岩石试样在受载情况时所产生的声发射信号特征不同的是，砂岩在弹性阶段所表现的声发射特征并不明显甚至没有，而是在砂岩产生破坏时声发射信号才有较为显著的变化；砂岩在受载过程中所产生的裂隙并没有经历孕育、萌生、扩展、贯通等较长的发展演化过程，而是在接近破坏的时候直接形成主裂纹。花岗岩在单轴破坏条件下弹性阶段所表现出来的声发射特征呈现出稀疏且间断、易于区分的特征19。砂岩与花岗岩所表现出来不同的声发射信号特征，可能是由于砂岩是沉积岩，花岗岩是喷发岩，与两种岩石的晶体结构、内部裂隙发育情况、应力历史等一系列因素有关20。2.4
