代聪

摘要：本文对高温处理后的花岗岩试样进行分阶段降温处理，并对处理后的试样进行巴西劈裂试验。试验结果表明：经历高温处理后，花岗岩试样抗拉强度大幅减小;塑性变形增大，弹性阶段减小，温度对花岗岩的抗拉强度有着严重的劣化作用。

Abstract： In this paper， the granite samples after heating treatment were cooled in stages， and the treated samples were subjected to the Brazilian split test. The test results show that the tensile strength of the granite sample is greatly reduced after heating treatment; the plastic deformation is increased， the elastic stage is reduced， and the temperature has a serious deterioration effect on the tensile strength of the granite.

关键词：热处理;分阶段降温;抗拉强度

Key words： heat treatment;cooling in stages;tensile strength

中图分类号：TU458+.1                                   文献标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2020）24-0193-02

0  引言

高温岩体地热资源（又称干热岩，HRD）是指温度在150～650℃之间的岩体中的热能，蕴藏在地壳深部高温岩体中的可再生绿色资源。地热能源由于其清洁性和空间分布的广泛性，已经成为位居水力、生物质能之后的第三大可再生能源。现阶段干热岩地热资源专指埋深较浅，温度较高，具有开发经济价值的热岩体，保守估计地壳中干热岩（3～10km深处）所蕴含的能量相当于全球石油、天然气和煤炭储量的30倍[1]。

近年来，国内外学者分别从不同的角度和层次，研究温度对岩土材料的物理力学特性的影响，取得了丰硕的理论成果。早在1978年，国际岩石力学学会（ISRM）就以规范的形式确定了通过室内试验获得岩石单轴抗拉强度的方法直接拉伸试验和巴西劈裂试验并给出了相应的制样要求和计算公式。由于直接拉伸得到抗拉强度实现较为困难，所以一般采用间接拉伸法，主要以巴西劈裂为主。刘天宇等[2]采用最基本的垫条加载方式提出垫条加载下抗拉强度的修正公式，消除加载速率和厚径比对抗拉强度的影响。蒋伟[3]通过四种不同岩石的抗压和抗拉试验对比分析，分析理论计算与数值模拟之间的差异。支乐鹏[4]研究了不同温度处理后花岗岩超声波特性并分析了不同温度对花岗岩抗拉特型的影响。除了常规的巴西劈裂试验研究，许多学者结合实际工程情况，也进行了许多非常规的巴西劈裂试验。如Zhou[5]将3DP技术运用于岩石的巴西劈裂试验，对比分析3DP材料生成的试样与原岩试样巴西劈裂破坏机制与理论分析。为3DP技术运用于岩石力学研究领域打下了基础。Tavallali[6-8]研究了巴西劈裂试验条件下层状和试样形状对试样强度和试样断裂形态的影响。大量学者对花岗岩的抗拉强度进行了大量的试验研究，但不同产地的试样的物理力学性质都有一定的区别。

为了研究温度对花岗岩抗拉力学性能的影响，本文采用分阶段降温的方式对高温处理过的花岗岩进行降温处理。利用巴西劈裂试验测得不同温度处理后的花岗岩抗拉强度。并分析不同温度对花岗岩抗拉性能的影响。为我国干热岩的开采提供一定的科学依据和技术支持。

1  试验准备

试样所用花岗岩采自湖南省岳阳市汩罗市川山坪镇栗山屋。常温下样品成灰白色。将试样按照国际岩石力学规范加工成直径50mm，高度25mm的圆盘状。天然密度为2.670g/cm3。孔隙率为0.997%。测得试样在常温下的平均抗拉强度为10.2MPa。

本试验利用高温马弗炉设备TNX1200-30对试样进行不同温度的热处理。为减小热冲击效应对试样产生的影响，设置升温速率为5℃/min;加热至目标温度600℃后恒温2h，使得试样内部受热均匀;待试样恒温完成后进行降温处理，设置降温速率为1℃/min使试样均匀降温，消除因降温速率产生的温度应力对试样内部结构的影响。温度每降低100℃恒温2h，保证试样在降温过程中内外受热均匀，直至降到室温为止。其降温示意图如图1所示。

2  实验结果及分析

本次试验利用岩石的三轴试验系统进行花岗岩圆盘巴西劈裂试验，为减小应力集中对试验结果的影响，劈裂夹具采用弧形夹具，如图2所示。试验加载方式采用流量加载方式，设置加载速率为2ml/min，直到试样破坏。记录试样破坏时的轴向压力并通过公式（1）计算峰值抗拉强度。

图3显示了分阶段降温方式处理后花岗岩的巴西劈裂压缩应力-应变曲线，图中可以明显看出花岗岩的抗拉强度随温度的升高而降低。常温下花岗岩的抗拉强度为10.2MPa;600℃时，抗拉强度降为2.38MPa。巴西劈裂压缩应力应变曲线和单轴压缩试验的应力-应变曲线都经历了四个阶段，分别为压密阶段、弹性变形阶段、微破裂稳定发展阶段、非稳定破坏发展阶段。岩石为多孔隙介质，在试验加载的初期阶段岩石内部大量原生裂隙和孔隙被压密实，在图3应力-应变曲线中表现为上凹型阶段。在弹性阶段，花岗岩的力学变形属于弹性变形，应力应变成正比关系，在应力-应变曲线中表现为直線阶段。经过压密阶段和弹性阶段的变形，花岗岩的内部密实度达到一定的稳定状态，随着轴向压力的继续加载，花岗岩内部稳定性被打破，由弹性阶段向着非稳定破坏阶段发展，应力-应变曲线由直线型向着上凸型转变，即花岗岩内部达到非稳定破坏阶段。在这一阶段，花岗岩试样内部开始产生次生裂纹，被压密的原生裂纹也开始扩展，裂纹之间相互贯穿，试样内部矿物质成分开始破坏，整体结构发生破坏。随着轴向荷载的增加，轴压强度逐渐达到稳定，而花岗岩变形继续增大，达到典型的塑性变形阶段，最终在花岗岩圆盘试样中心处产生裂纹发生劈裂破坏。

3  結论

文章以高温加热后和分阶段降温方式处理后的花岗岩试样为研究对象，利用岩石三轴系统开展了巴西劈裂试验，分析了温度对花岗岩抗拉强度的影响规律，其主要结论如下：

①经历高温处理后，花岗岩试样抗拉强度大幅减小;

②高温处理后的花岗岩试样，塑性变形增大，弹性阶段减小，温度对花岗岩的抗拉强度有着严重的劣化作用。

另外，由于岩石结构的复杂性，试验过程中可能会出现数据的离散性，不能排除岩样个体差异对试验结果的干扰，因此本文的结论还需要更多试验进行论证。

参考文献：

[1]许天福，张延军，曾昭发，等.增强型地热系统（干热岩）开发技术进展[J].科技导报，2012，30（32）：42-45.

[2]刘天宇，万文，王亚，等.巴西劈裂试验对岩石抗拉强度影响因素研究[J].矿业工程研究，2016，31（04）：1-7.

[3]蒋伟.不同岩石抗拉与抗压实验对比研究[D].南京大学， 2014.

[4]支乐鹏，许金余，刘志群，等.高温后花岗岩巴西劈裂抗拉实验及超声特性研究[J].岩土力学，2012，33（S1）：61-66.

[5]Tao Zhou， Zhu Jianbo. An Experimental Investigation of Tensile Fracturing Behavior of Natural and Artificial Rocks in Static and Dynamic Brazilian Disc Tests[J]. Procedia Engineering， 2017， 191： 992-998.

[6]Abbass Tavallali， Vervoort André. Behaviour of layered sandstone under Brazilian test conditions： Layer orientation and shape effects[J]. Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering， 2013， 5（5）： 366-377.

[7]Zeinab Aliabadian， Zhao Gao-Feng， Russell Adrian-R. Crack development in transversely isotropic sandstone discs subjected to Brazilian tests observed using digital image correlation[J]. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences， 2019， 119： 211-221.

[8]Abbass Tavallali， Vervoort André. Effect of layer orientation on the failure of layered sandstone under Brazilian test conditions[J]. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences， 2010， 47（2）： 313-322.