I I CHNOLOGY EXPLORATION | 科技探索I高温加热-水冷却循环作用对花岗岩的物理力学特性影响 李亚博翟宇星张恩华彭志鹏杨其要
(东北大学资源与土木工程学院，辽宁沈阳100819)
摘要：以高温加热-水冷却循环试验为基础，探究循环次数和加热温度对岩样物理力学性质的影响规律。研究表明：随着循环 周期的增加，岩石物理性质发生显著变化，且首次加热对岩样体枳、质量和声速产生的影响较其他次加热更为显著。600°C是岩样物理力学性质发生明显改变阈值。随着加热温度的升高，在同一温度下，单轴压缩峰值应变随加热次数的增加而增大。蠕变与单轴压缩试验中，加热温度超过600°C，岩样应力应变曲线出现明显屈服平台。 关键词：循环菏载：高温花岗岩：水冷却；蠕变文献标识码:A中图分类号:P619
文章编号：2096-4137 (2021) 08-67-04 D0I ： 10.13535/jki.10-1507/n.2021.08.26
Influence of high temperature heating - water cooling cycle on physical and mechanical properties of granite LI Yabo, ZHAI Yuxing, ZHANG Enhua, PENG Zhipeng, YANG Qiyao
(School of Resources and Civil Engineering, Northeastern University, Shenyang, 110819, China)
Abstract:Based on the high temperature heating - water cooling cycle test, the influence of cycle number and heating temperature on the physical and mechanical properties of rock samples was explored. The results show that the rock physical properties change significantly with the increase of the cycle period, and the influence of the first heating on the volume, mass and sound velocity of the rock sample is always the greatest compared with other secondary heating. 600°C is the threshold of significant change of physical and mechanical properties of rock samples. With the increase of heating temperature, the variation trend of uniaxial compression peak strain is different with the increase of heating times at the same temperature, and even decreases gradually at 800°C. In creep and uniaxial compression tests, when the heating temperature exceeds 600°C, the stress-strain curves of rock samples show an obvious yield platform.
Keywords:cyclic loading; high temperature granite; water cooling; creep 地热资源作为新型能源，近年来受到人们广泛关注。开
采地热资源就必须要考虑岩石在高温条件下遇到钻井液后
的物理和力学性质。近年来，高温花岗岩遇水冷却之后的性
质受到国内外学者地广泛关注。郤保平等通过对600°C内
高温状态花岗岩遇水冷却后力学特性试验研宄，对花岗岩体
遇水热破裂劣化机制进行了探讨：朱振南等通过物理力学特
性试验和ESM图像，探宄了高温花岗岩遇水冷却后物理力
学特性随温度变化的规律；杨凯等通过渗透性试验对比研宄
了不同温度的花岗岩在遇水冷却之后的物理和力学性质的
变化规律；Song等通过实验研究了高温花岗岩在自然冷却、
水冷却和液氮冷却下的物理力学性能变化。然而，对花岗岩
循环高温-快速冷却之后的物理特性研究尚不多见。鉴于此，
本文以试验为基础，更进一步探宄高温加热-水冷却循环对
花岗岩物理力学特性的影响。
1试验方案和试验设备
1.1岩样制备和岩样特征
试验用岩石采自辽宁锦州某矿区，灰白，具有较
强均匀性，岩样平均密度为2.614g/cm3。加工制备成高为
100mm、直径50m m的圆柱形试样。试验前先将岩样干燥
处理，并用超声波探测仪进行筛选，确保其内部裂隙状况差
距不大。1.2试验方案
试验岩样温度设置为25、200、400、600、800°C»
25°C选用3块岩石作为参照，其余温度各选9块岩样，分 为A、B、C3组，每组3块。以2°C/min速度加热到目标温度，并保持4h。加热完成后，立即放入水中冷却至室温，随后 在干燥箱内以105°C干燥24h，取出后在干燥处冷却至室温。
具体试验步骤以200°C为例，如表1所示。
表1200°C岩样加热-冷却试验过程
200o C A 组(循环1次）200o C B 组
(循环2次）
200o C C 组
(循环3次）
测量其物理参数测量其物理参数测量其物理参数
加热到200°C加热到200°C加热到200°C
冷却4h并干燥冷却4h并干燥冷却4h并干燥
测量其物理参数加热到200°C加热到200°C
冷却4h并干燥冷却4h并干燥
测量其物理参数加热到200°C
冷却4h并干燥
测量其物理参数记录上述物理参数（体积、质量、超声波声速）后，将所有岩样进行单轴压缩试验，加载方式为变形控制0.003mm/s〇
再取相同数量岩样重复上述循环加热冷却步骤，进行蠕 变试验。加载过程以200°C为例，加载方式为负荷控制，初
2021年第8期》中«高新科技6Y
科■技探索|T E C H N O L O G Y E X P L O R A T I O N
图1不同温度与不同循环次数下岩样应力-应变曲线
级加载为抗压强度（抗压强度预先根据试验得出）的30% (57MPa)，其余分别按抗压强度的50% (95MPa)、70% (133MPa)、80% (152MPa)、90%(171MPa)每级稳压 〇.5h，加载速率始终保持为0.1kN/s (0.051MPa/s)，加载和 稳压交替进行。
2试验结果
2. 1物理性质
2.1.1岩样体积变化
以400°C为例（单位：cm3)，如表2所示。
表2 400°C岩样体积-加热次数表
未加热加热1次加热2次加热3次
200.36203.02204.58205.90重钙粉生产设备
随着加热次数增加，400°C下岩样体积呈现明显的增长趋势，且第一次加热对岩样体积的增加作用最为显著。值得 注意，其他温度条件下体积变化与此完全类似。且600°C与800°C的岩样在不同加热次数下体积增量几近相同。
2.1.2岩样质量变化
以400°C为例（单位：g)，如表3所示。
表3 400°C岩样质量-加热次数表
未加热加热1次加热2次加热3次
522.13521.57521.50521.47
由表3可知，400°C下岩样质量随着加热次数的增加都 在相应减少，但首次加热对于其减少量贡献最为显著。值 得注意，其他温度条件下岩样质量变化与此完全类似。且 600°C与800°C的岩样在不同加热次数下质量减少量几近相同。
68»中国高新科技2021年第8
期
T E C H N O L O G Y E X P L O R A T I O N|科技探索
时间/S
图2蠕变岩样应力应变曲线加热平台
图3端变时间应变曲线
2. 1.3岩样声速变化
以400°C为例（单位：m/s)，如表4所示。
表4 400°C岩样声速-加热次数表
未加热加热1次加热2次加热3次
4486.002472.672176.502115.00
随着加热次数的增加，岩样声速呈降低趋势。值得注意 的是，在每个温度条件下，总是第1次加热对岩样声速的降 低贡献最大。同样，600°C与800°C的岩样在不同加热次 数下声速降低量几近相同。凯膜过滤技术
2.2力学性质
由图1可知，同一温度条件下，岩样单轴抗压强度随加 热次数的增加而减小，峰值应变随加热次数的增加而增大。
随着温度升高，岩样出现“屈服平台”（即具有延性）的条件越不严苛，200°C的岩样在3种加热条件下进行单轴 抗压试验时都未出现延性，而在800°C时，岩样在3种加热 条件下进行试验时都出现了延性。由此可得，同一加热条件 下，岩样温度越高，在单轴抗压试验中越容易出现延性行为。
由图2可知，常温和200°C的岩样加载到单轴抗压强度 的90%才发生破坏，而400、600和800°C的岩样达到单轴 抗压强度的80%即发生破坏。还可看出，曲线有明显的分组。
由图3可知，温度越高，破坏时应变越大，而应力越小；温度越高，压缩阶段的曲线越长，并且600°C和800°C有 明显的屈服平台。
3结果与分析
3.1物理数据分析
从试验中岩样体积、质量、声速变化可以知道，温度较 低时，其内部裂隙较少，裂隙发育不饱和，因
此第一次的循 环和后续的循环对裂隙发展产生的影响相差不大，而随着 温度的升高，岩石内部产生的裂隙越多，而且裂隙会扩展、加宽和贯通，裂隙发育逐渐饱和，因此温度较高时，第一次 的循环和后续的循环对裂隙发展产生的影响相差很大。岩石 内部声速传播的快慢跟裂隙发展有直接的关系，由于裂隙张 裂、扩展会产生波速的降低效应。
温度较低时，第1次循环使岩石内附着水汽化逸出并且 未完全逸出，后两次循环继续使附着水逸出，导致质量减少 量相差不大。温度较高时，第1次使附着水、结合水和结构 水大部分汽化逸出，第2次使附着水、结合水和结构水完全 汽化逸出，导致质量不变。600°C是一个阈值温度，符合靳 佩桦等得出的结论。
3.2力学数据分析
根据单轴试验数据，单轴抗压强度随加热次数的增加而 减小，同一温度下，随加热次数的增加岩样应力-应变曲线 趋于平缓，说明岩样的延性特征更加明显。岩石内部的裂隙 是影响其抗压强度的重要因素之一，随着岩样内部裂隙长度 密度的增加，其屈服强度越来越小，裂隙长度密度的增加也 会使岩石破坏第一个阶段裂纹压密阶段变长，每一次循环都 会使内部裂隙进一步发育，而导致强度降低，压密阶段变长，使岩样的延性特征更加明显。在600°C和800°C时，出现 明显的屈服平台，说明温度越高，延性表现越明显。
由蠕变试验结果，图2中曲线有明显的分组，原因是其 内部裂隙的发育程度影响了花岗岩的破坏强度，同时蠕变试 验的破坏强度都小于其单轴抗压强度，说明稳压阶段时，虽 然应变几乎不变，但是内部裂隙在不断发展，从而导致蠕变 破坏时抗压强度降低。
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4结语
加热温度的改变和加热次数的改变，会使岩石物理性质
发生显著变化，而且首次加热对岩样体积、质量和声速产生
的影响较其他次加热来说总是最大的。600°C是岩样性质的
阈值温度，当岩样温度超过600°C时，其物理力学性质变化
近似相同。同一温度条件下，单轴抗压强度随加热次数的增
加而减小，峰值应变随加热次数的增加而增大，温度越高，
岩样延性表现得越明显。600°C和800°C得岩样在蠕变试验
中出现明显屈服平台，且应力应变曲线形状与其他温度下的
图线出现明显不同。
猪食槽基金项目：东北大学大学生创新创业训练计划项目“基于干
热岩地热开发的高温花岗遇水冷却的物理力学特性的研究”（项目
汽车尾气处理装置图编号：200071)。
作者简介：李亚博（1999-)，男，河南周口人，东北大学
资源与土木工程学院，研究方向：土木工程。
通信作者：翟宇星（1999-)，男，山西阳泉人，东北大字资
源与土木工程学院，研究方向：土木工程。
参考文献
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(责任编辑：周羿廷）
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施工路段，半幅车辆通行时要做好限速处理，避免路面振动 影响到摊铺或碾压质量。②及时返工不合格部位，提髙工作 质量，根据当地气温，确定是否采用胶轮进行碾压。③随着 水分蒸发，微表处强度不断增加，颜变黑，待混合料黏聚 力大于2.0N_m后可恢复交通。
2.5进行质量验收
该环节工作包括2个阶段：①完成摊铺施工后，待行车 碾压7d后，检查初始质量，包括外观、纵、横向接缝、构 造深度、渗水系数、厚度等内容，做好初始记录工作。②微 表处施工结束1〜2个月后，再
次进行质量验收，评估内容 为处理后路面的稳定性情况，查看集料飞散情况、微表处破 损情况，同时再次校验构造深度、平整度、厚度等，对比数 据信息后综合评估微表处技术应用效果。
3结语
综上所述，公路沥青路面投入使用后，由于车辆荷载、自然气候、路基质量等因素影响，沥青路面会出现一些常见病害，如裂缝、麻面、车辙、坑槽等，不仅影响了公路运营
舒适性，同时也增加了车辆的安全风险。预防性养护的关键
是在道路技术状况衰减初期，应用预防性养护措施，以最小
成本最大限度地延缓路况退化。微表处技术可改善原路面的
平整度和封水效果，降低坑槽、裂缝、沉陷等公路病害发生
机率，微表处技术的应用有效提高了沥青路面的耐久性，延
长了沥青路面的使用寿命，降低了沥青路面全寿命周期的养
护费用，具有较好的经济和社会效益。
作者简介：张小兵（1974-)，男，甘肃成县人，甘肃省定
西公路局高级工程师，研究方向：工程管理、公路养护管理和应急
抢险指挥。
参考文献
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(责任编辑：孙兰兰）
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