高温大理岩力学特性研究现状

高温大理岩力学特性研究现状

宋黎

重庆交通大学 河海学院，重庆 400074

摘要：根据大理岩在高温下的受热性能，从大理岩的分类、高温大理岩的稳定性机制等几个角度，总结了目前国内外的一些典型研究结果，并提出了今后的研究方向。本文着重介绍了大理岩体在实时高温下的物理机械特性、不同冷却方式下的各种性质以及高温大理岩的各种特性。高温大理岩的稳定性是由其内部的构造变化引起的，而岩石成分的变化和颗粒间的结合是引起高温大理岩力学性能的突变。

关  键  词：温度；力学特性；破坏特征

1  概述

岩体是一种广泛分布在地表的自然媒质。长期的地质构造活动和赋存环境的改变，使岩体内的孔隙结构从细观到微观到宏观。从上古时代起，人们就逐渐了解和使用了石头，并对其进行了初步的研究。20世纪中叶以后，由于全球人口迅速增加，各国的城市化速度不断提高，人们对石头的使用也日益增多。同时，对岩体的热力学及其应用也有了较大的发展。

在采矿、能源、地质、土木工程等诸多行业中，都会出现高温岩层，这些岩体的强度和变形都会随着温度的升高而改变，从而影响到地热的开采、开采和开采，同时还会遇到高围压、高瓦斯等问题。当瓦斯爆炸、煤体自燃等安全问题出现时，煤体在高温、压力作用下，其内部结构将会发生很大的改变，并会带来安全风险。所以，岩石在高温下的物理性能和机械性能的研究

但是，近几年来，深入地球深部已成为一项重要的技术问题，在各种深部地下岩体工程中，例如：深部采矿、放射性核废料深层处理、干热岩地热开采等，都与温度超过200℃的岩体有关。因此，对岩石在高温下的物理和机械性能进行研究是十分必要的。当前，国内外有关高温花岗岩物理力学特性的研究主要集中在两方面：一是实时地分析高温环境下岩石的力学特性；二是研究了大理岩经不同温度冷却后的力学性能。主要内容有：高温大理岩在高温下的静压、声学、高温大理岩的各种性能和结构效应、高温大理岩遇水冷却后的物理力学特性及细观损伤、高温大理岩自然冷却下力学特性及裂隙分布等方面的研究。

2  高温大理岩研究现状

2.1  实时高温下大理岩力学研究

    在高温作用下，岩石在宏观上受热膨胀，内部水分蒸发，其质量、体积等指标均有较大的改变，其表面形貌也有较大的改变。在微观上，由于温度的影响，岩石中的矿物粒子也会膨胀，使岩石内部的温度产生压力，使原来的显微裂腺关闭。由于温度升高，温度持续升高，岩石中的微粒互相挤压，形成新的裂隙。岩体在高温作用下的物理机械性能在宏观和微观上的改变，必然会对其稳定性和安全性产生很大的影响。

2.2 常规方法下的高温大理岩力学特性研究现状

1988年，Sayers[1]对大理岩、大理岩进行了一系列的循环加热，对大理岩岩的温度进行了研究，并对大理岩的岩石进行了全600℃的加热，并对其进行了连续的循环加热。，得出，周期循环加热次冷却后，大理岩的强度降低尤为显著，大理岩的抗压强度降低大约50%左右，抗拉强度降低大约60%左石。

采用传统的方法对其进行物理和机械性能的研究，具有简单的实验理论和方法。由此得到的大理岩在各种情况下的物理机械性能，为以后进一步的研究工作提供了一定的基础和参考。它的试验方法和理论也可以用于以后的研究。

2.3  不同冷却条件下的大理岩冷却后性能劣化研究现状

高温自然冷却后岩石的力学和波动特性。 闫治国等[5]对高温后熔结凝灰岩、花岗岩及流纹状凝灰角砾岩的波动特性和力学特性进行了研究。陈国飞等对常温至800 ℃高温后的大理岩的力学特性进行了试验研究，并对高温后大理岩的破坏规律进行了探讨。王鹏等[14]对高温后的砂岩进行了超声波速测试和单轴压缩试验，分析了砂岩高温前、后的模量和波速特征，提出用压缩模量定义高温后砂 岩损伤因子的方法。戎虎仁等[ 通过力学测试、压汞和 SEM SEM等显微分析，探讨了温度对红砂岩力学性能、孔隙结构和微裂缝扩展的影响

结果表明，随着气温的升高，大理岩体的机械性能和波动性都会有较大的改变。大理岩被水冷却后，其峰值强度、弹性模量、纵波速度都随温度持续上升而减小；在400℃以下，衰减系数随温的增加而增加，而主频则逐渐减小，400℃以后，其衰减系数和频率不会单独增加或减少，温度将会发生转折点。

2.4  高温及其其他作用耦合的大理岩石力学性能研究现状

大理岩的地质环境很复杂，不单单是温度和水。而仅从上述几个方面进行分析，并不能提供充分的理论依据。此外，对高温大理岩在其它情况下的性质也进行了研究，例如：高应力、静水压力、蒸气等。

科学家[2]等研究高温高压状态下大理岩的切削破碎规律，，其力学行为受温度和应变速率的影响要比 受压力的影响大得多。在其他条件相同时，温度的增加会促进 Carrara 大理岩的变形，使得其稳定态强度和达到该强度所需的应变量均减小; 而应变速率的增加会使得试样的稳定 态蠕变滞后，也即达到稳定态所需的应变量会增大，相应的 稳定态强度也会增大。应变量的大小对应力-应变曲线的形状具有显著的影响。大理岩在在低温或高应变速率下的应力-应变曲线仍表现出较明显的应变硬化。

目前对高温大理岩的研究多集中于各种冷却状态下的性能恶化。

3  大理岩高温失稳机制

大理岩是一种具有区域性、非连续性、非均匀性的矿物结晶。大理岩的岩性在不同温度下有一定的变化，而其内部颗粒的结构变化导致了不同的应力断裂。大理岩脆性在较高的温度下逐渐降低，韧性增加，并随温度的增加而增加。200℃之前，大理岩的破坏模 式基本上是垂直劈裂破坏，周围很少存在横向的细工程力学小裂隙，内在高温下，部分孔洞结构具有承受变形、防止裂缝扩大的功能，同时，由于岩石中矿物微粒的受热膨胀，使大理岩中的原始裂隙逐渐关闭，裂缝数目减小，致密性增加，抗变形性能得到加强。在400~800℃以上，温度对大理岩的破坏形态有显著的影响，在其周边出现了大量的横向裂缝，这些裂缝分布不均匀，延性断裂的特征更为突出。与低温下光滑的断裂表面相比，高温后断裂表面变得粗糙，断裂处因摩擦而形成白色粉末。

4  结 论

高温大理岩的研究包括：实时高温下的各种性能研究、不同冷却条件下的性能恶化研究、高温及其他条件下的物理机械性能研究。近年来，针对高温花岗岩的声学力学性质的研究，已有不少成果；

温度对大理岩的强度有很大的影响。大理岩的断裂类型：不同的高温后，大理岩的断裂类型主要是轴向断裂，随着温度的上升，延性破坏作用明显，裂缝数量增加，且呈不规则分布。岩样力学性能减弱，岩石颗粒在高温下变粗糙，岩石内部出现微小裂缝

从八十年代起，对大理岩的研究已有很多，但由于试验设备和技术水平的限制，只能对其物理和力学性能进行测试。在岩土工程中，水岩力学、物理、化学等因素引起的岩土退化并非单一因素，而是同时或间歇地由两种或多种因素共同作用。多场耦合是当前需要重点研究的问题。

随着近几年地热能这种清洁能源的开发与利用，大理岩在水中的各种特性也得到了越来越多的关注，并将其作为未来的研究热点。此外，大理岩本身的微细观结构的变化对其物理力学性能的影响机理并未十分清楚与完备，如何定量表征大理岩细微观结构对其各项特性的影响，是亟待进行研究的问题。

参考文献(References)：

[1] Gene Simmons. Velocity of shear waves in rocks to 10 kilobars. 1964,69(06):1123-1130.

[2] Mohammad Rezaei, Pouya Koureh Davoodi, Iraj Najmoddini. Studying the correlation of rock properties with P-wave velocity index in dry and saturated conditions[J]. Journal of Applied Geophysics,2019,169:49-57