高温及干湿压处理后花岗岩的物理性质研究

薛 超

(河北大学建筑工程学院，河北 保定 071000)

1 概述

花岗岩是由石英、酸性斜长石和钾长石等多种矿物组成的一种结构致密，各向异性的不连续体，广泛分布于我国许多地区。工程中开采的花岗岩常深埋于地下深处，所处温度较高，许多工程面临着高温花岗岩的影响，如深部采矿工程，地热的开发与利用，高温核废料深埋等。同时，花岗岩在浸水饱和状态下物理性质的研究较少，本实验针对高温花岗岩的物理性质以及高温干湿压处理后花岗岩的抗压强度进行了分析和总结，希望可以为相关方面的研究提供一些理论依据。

目前，高温花岗岩自然冷却后物理性质的变化已经有了很多研究，并取得了一系列的实验成果。例如Yan Qin等[1]研究了从室温到1 000 ℃高温处理前后花岗岩的物理力学性质，以及高温对花岗岩外观和矿物形态的影响，结果表明：400 ℃，600 ℃和800 ℃是花岗岩物理力学性质三个不同阶段的特征温度。Weqiang Zhang等[2]研究了高温处理后花岗岩的波速和孔隙率。吴云等[3]通过对高温处理后的花岗岩进行单轴压缩试验，采用声发射检测岩石变形破坏过程，分析了波速等物理性质随温度的变化规律。田振兴等[4]通过模拟实际工况，对花岗岩进行加热淬火冷却循环处理，研究了花岗岩物理力学性质在高温疲劳处理后的变化。郤保平等[5]研究了青海共和花岗岩在600 ℃范围内的物理力学特性。孙强等[6]研究了高温处理后花岗岩的物理力学性质和相变，结果表明：花岗岩的物理力学性质随温度变化可划分为5个阶段，花岗岩中的石英会在573 ℃时由α相变为β相从而导致岩石内部微裂缝大量增加以及一系列物理性质的变化。解元等[7]研究了高温处理对花岗岩基本物理性质的影响。秦严[8]通过对花岗岩细观矿物的形态，基本物理性质以及力学性质的总结和研究，结果表明：花岗岩在不同温度段水分的损失程度及类别各有不同，花岗岩物理性质影响的关键温度与对力学性质影响的关键温度有相关联系。杜守继等[9]根据测得不同温度处理后花岗岩的波速计算了花岗岩的动力弹性模量，研究了其变化规律，结果表明：高温对花岗岩纵波速的变化比力学性质的变化影响更明显。罗生银等[10]研究了高温自然冷却及实时高温下花岗岩试样物理力学性质的变化情况，结果表明：自然冷却与实时高温处理后花岗岩的体积均会随着温度的升高而增大，质量随着温度的升高而降低。何爱林等[11]研究了不同温度处理后花岗岩的强度特性与破坏形式。徐小丽等[12]通过对不同温度，不同围压处理后的花岗岩试样进行三轴压缩试验,结果表明：岩样质量随着温度的升高而下降，600 ℃是影响花岗岩密度和体积的一个阈值。杜守继等[13]研究了不同高温处理后花岗岩密度、纵波波速和弹性模量的变化情况。姜广辉等[14]对经过不同温度处理后的花岗岩进行了质量、波速、渗透率的测量，结果表明：随着温度升高，花岗岩质量的减小主要与花岗岩内部不同形态水分的逸出相关。随着温度的升高,花岗岩的纵横波速均降低。

国内外学者主要选取了体积，质量，密度，波速，强度中的几个物理性质进行研究。本试验综合性的对高温处理后花岗岩基本物理性质进行了研究和总结，同时针对干湿压情况下花岗岩的抗压强度进行了对比性实验。

2 试样准备及实验方法

2.1 试样准备

本试验采用直径50 mm高度100 mm的圆柱形试样，共20个试样分为5组，每个温度为一组分别包含4个试件，根据干湿压处理的不同每组又分为2组，每组2个试件，每组分别加热到100 ℃，300 ℃，500 ℃，700 ℃，900 ℃。试样的平均密度为2.63 g/cm3，纵波波速范围4 293 m/s～4 925 m/s，平均波速为4 579.85 m/s，试样外观和质量无太大差异，均一性较好。

2.2 试验方法

1)高温加热试样：将经过编号的花岗岩试样置于SX-12-5.0箱式电阻马沸炉中，以5 ℃/min的速率加热到目标温度。为了充分加热岩石试样，在目标温度下保持恒温6 h，最后使试样在炉内冷却至室温。

2)基本物理性质测试：质量：用坩埚钳取出在马沸炉内冷却至室温的试样，竖直放于精确至0.001 g的台秤上，读取加热后试样质量。体积：用精确至0.02 mm的游标卡尺多次测得加热后试样的高度和直径，计算出相应体积取平均值。密度：用加热后试样的质量及体积的数据，求出加热后试样的密度。纵波波速：将加热后试样的两端涂抹凡士林(保证超声探头与岩样两端完全耦合，减小误差)，用ZBL-U5200非金属超声检测仪测得其纵波波速。

3)饱和并冷却：取出需要饱和处理的一半试样，采用ZK-270真空饱和缸，放入盛满室温冷水的饱和缸中进行热冲击冷却，并将饱和缸中气压抽至-0.1 MPa，浸泡8 h使试样充分饱和，直至缸中不再产生气泡。

4)单轴抗压强度的测量：分别将干压和湿压处理的试样通过WAW-3300微控电子万能试验机进行单轴压缩实验，压缩速率为6 mm/min，记录所得抗压强度。

3 试验及结果分析

3.1 高温处理后基本物理性质变化规律

高温作用会导致矿物晶粒的一系列物理化学反应，进而导致试样质量、体积、密度及波速的变化。

定义质量变化率Wm，体积变化率Wv，密度变化率Wρ，波速变化率Wc：

其中，v1为加热前花岗岩试样的体积；v2为加热后花岗岩试样的体积;m1为加热前花岗岩试样的质量；m2为加热后花岗岩试样的质量;ρ1为加热前花岗岩试样的密度；ρ2为加 热后花岗岩试样的密度;c1为加热前花岗岩试样的波速；c2为加热后花岗岩试样的波速。

如图1所示，质量变化率随着温度的升高整体上呈上升趋势，主要原因是花岗岩内部不同形态水分的损失，100 ℃ 以前花岗岩的质量损失率增加幅度较大，试样内部附着水大量损失，100 ℃～500 ℃质量损失幅度减小，试样内附着水在100 ℃已经丧失殆尽，此时试样质量主要是由于结合水和结构水的挥发而减小。500 ℃之后，质量损失率突然大幅度增加，表明试样内部发生剧烈的物理化学变化，矿物分解产生的结晶水开始大幅度损失。

如图2所示，体积变化率随着温度的升高整体上呈上升趋势。25 ℃～100 ℃体积增加幅度较大，100 ℃～500 ℃体积增长呈现水平状态，500 ℃之前试样体积的变化基本是由矿物晶粒受热膨胀引起,体积增长的不明显。500 ℃～900 ℃体积变化率呈现大幅度上升，近似呈直线增长，表明此时试样内部发生了剧烈的物理化学变化，主要原因是试样内的矿物成分发生熔融和相变，导致试样内部产生大量裂缝，晶体颗粒发生错位无法复原，加剧了试样内部空间状态的改变，体积大幅度增加。

如图3所示，密度变化率随着温度的升高整体上呈下降趋势，试样密度受体积和质量共同变化的影响。由图可以看出，100 ℃以前质量减小幅度较大，体积增加明显，所以密度也明显减小，100 ℃～300 ℃质量和体积的变化幅度均有所下降，因此密度变化幅度减小，300 ℃～500 ℃质量的增加幅度进一步减小，体积的增加幅度变大，所以密度下降幅度变大，500 ℃往后体积大幅度增加，质量大幅度减小，密度因此大幅度减小。

如图4所示，高温处理花岗岩的纵波波速随着温度的升高整体上呈下降趋势，与室温相比，经高温处理后纵波波速平均降幅分别为8.02%，28.56%，46.23%，73.80%，81.97%。花岗岩波速的下降随着温度的升高分为三个阶段，每个阶段波速的下降都近似呈直线型，室温至500 ℃波速的下降速率相对较慢，500 ℃～700 ℃波速的下降速率相对较快。700 ℃～900 ℃下降速率最慢，可见500 ℃和700 ℃是影响花岗岩波速的阈值。加热温度对花岗岩纵波波速的影响是由于高温使试样内部形成了较多的裂缝且裂缝增大，导致花岗岩结构发生一定程度的损伤，结果造成纵波波速的减小。试验结果表明，高温会导致花岗岩纵波波速的降低，500 ℃和700 ℃是影响花岗岩波速的两个阈值，500 ℃后花岗岩纵波波速下降幅度最大，700 ℃后下降幅度开始减小。

3.2 高温处理后单轴抗压强度变化规律

高温干湿压处理后试样的抗压强度见表1。

表1 高温干湿压处理后试样的抗压强度

干压：对高温加热并冷却处理后的花岗岩进行单轴压缩。

湿压：对高温加热并冷却后的花岗岩进行浸水饱和，将处理后的花岗岩进行单轴压缩。

干压处理：当温度加热到100 ℃～500 ℃之间时，试样的抗压强度并无明显变化。当温度超过500 ℃后试样的抗压强度大幅度下降。推测干压处理下，500 ℃是花岗岩抗压强度的一个阈值。

湿压处理：当温度加热到100 ℃～300 ℃之间时，试样的抗压强度并无明显变化。当温度超过300 ℃后试样的抗压强度大幅度下降。推测湿压处理下，300 ℃是影响花岗岩抗压强度的一个阈值。

干湿压比较：相同温度加热后，与干压处理相比，湿压处理后花岗岩的抗压强度更低，可见湿压处理会导致花岗岩抗压强度的下降，且影响更明显。

4 结论

本文对花岗岩物理力学性质随温度变化特征的实验进行了分析和总结,研究表明,花岗岩的质量、体积、密度、波速、抗压强度等性质在高温条件下会发生显著变化,其特征可归纳如下：

1)花岗岩试样的体积，质量，密度在加热到100 ℃时均有较大幅度的变化，主要原因是温度引起的物理变化的影响。当加热到100 ℃～500 ℃之间时三者的变化幅度均有所减小。500 ℃后花岗岩内部开始发生一系列的化学变化，此时剧烈的物理化学变化对花岗岩基本物理性质产生显著影响，由此可见500 ℃是影响花岗岩物理性质的一个阈值。2)500 ℃和700 ℃是影响花岗岩波速的两个阈值，500 ℃之前波速下降相对较慢，500 ℃～700 ℃波速下降最快，700 ℃往后波速下降最慢，温度对花岗岩波速的影响十分显著。3)500 ℃和300 ℃分别是干湿压处理下花岗岩抗压强度的阈值，达到相应温度后花岗岩抗压强度会有大幅度的降低，湿压处理花岗岩的抗压强度相比干压处理花岗岩的抗压强度更低，影响更明显。