温度循环作用对岩石破坏影响的细观实验研究

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1、http://www.paper.edu.cn温度循环作用对岩石破坏影响的细观实验研究112李道伟，朱珍德，蒋志坚1.河海大学岩土工程研究所江苏南京(210098)2深圳市水利规划设计院广东深圳(518036)Email:way.li@163.com摘要：本文以大理岩为研究对象，通过不同温度下和不同循环次数下大理岩的单轴压缩实验，得到了岩石的基本力学性质参数及其变化规律。应用扫描电镜对岩石试样做细观结构实验，得到SEM图像，在图像处理、分析的基础上，得到了微裂隙的数目、面积、长度等参数。对得到的数据统计分析，可以看出

2、，微裂隙细观结构参数的变化规律和岩石的基本力学性质的变化规律具有相似性。最后探讨了产生这种结果的原因。关键词：温度循环，大理岩，细观结构，微裂隙中国分类号：TU451．引言温度是影响岩石性能的主要因素之一，国际岩石力学界近年来已经把温度作为影响岩石[1]力学性质的一个重要因素加以考虑。岩石在温度作用下的热变形特性等细观和宏观力学行[2]为均有特殊表现。温度对岩石力学性质的影响与岩石矿物性质和内部结构有关，温度变化会影响岩石矿物成分和岩石的晶格，因此岩石在温度和载荷作用下其损伤细观破坏机理和常[3,4][5,6]温下有

3、较大区别。Houper等考察了花岗岩受不同温度热处理后的某些力学性质。许锡[7]昌通过对花岗岩在20℃～600℃范围内基本力学性质的研究，探讨了弹性力学模量、单轴抗压强度以及泊松比随温度的变化规律。本文主要是对经历数次温度循环的大理岩进行SEM观测研究，目的是获取经历温度循环后大理岩中微裂隙的长度、方位角和间距等微结构参数信息的数据，并与一次加温后的相关数据比较，得出温度循环在细观尺度上对岩石破坏的影响。2．试验材料与步骤2.1试样制备和试验仪器实验样品采用锦屏二级水电站工程区的大理岩，该岩石的矿物成分主要是方解石和

4、少量镁榄石和磁铁矿，呈白色夹杂少量褐色杂质。试样按照国际岩石力学学会建议的方法和岩石力学试样规范，加工呈直径50mm,长为100mm的圆柱体。结合试验目的，每一类别分为4组（20℃、100℃、300℃、450℃、600℃），每一温度级别(20℃除外)按高温循环次数分为2组（一次单调升温，10次循环），每组5个试样，共45个。加温设备采用SX2－4－10箱式电阻炉，单轴压缩试验采用RMT－150B型多功能全自动刚性岩石伺服试验机。采用JSM－5610LV/NORAN－VANTAGE型SEM试验机获取断本课题得到国家自然

5、科学基金（NO.50479021，NO.50674040）资助。作者简介：李道伟（1984—）,男，山东济宁人，硕士。主要从事防灾减灾及防护工程方面的研究。1http://www.paper.edu.cn口细观结构图像。2.2温度循环作用下岩石力学性质变化对试样做单轴压缩试验，得到不同温度和循环次数条件下岩石的弹性模量、峰值强度、峰值应变如表1：表1单轴试验结果Tab1theresultofuniaxialcompressiontest循环次温度/℃弹性模量E/GPa峰值强度σmax/MPa峰值应变εmax/10-3

6、数20120.684.034.87121.0584.644.631001021.7884.544.16112.3264.175.863001011.0969.776.0719.6456.047.55450108.5353.638.6115.6147.249.4600103.2229.039.63从表中可以看出，无论循环次数是多少，大理岩的阈值温度都在100℃左右，超过100℃。随着温度升高，大理岩的弹性模量和峰值强度均降低，而峰值应变有所增大。同一温度下，10次循环的弹性模量和峰值强度低于一次单调升温，峰值应变大于一

7、次单调升温。图1（a）、(b)形象的说明了这一规律。图1（a）一次单调升温岩石力学性质随温度的变化曲线（b）10次循环岩石力学性质随温度的变化曲线Fig1(a)therock’smechanicalpropertycurveofdirectheating-up(b)therock’smechanicalpropertycurveof10timescirculateheating-up2.3.细观结构试验[8]用扫描电镜得到大量细观结构图片，（如图2）采用渠文平编制的图像处理程序进行图2http://www.paper

8、.edu.cn片处理（图3），得到岩石微裂隙的数量、面积、周长、方位角等参数。图2大理岩SEM图Fig2SEMpictureofmarble图3大理岩微裂隙生长图Fig3microcrackgrowthpictureofmarble3.细观试验结果分析得到的石微裂隙的数量、面积、周长、方位角等细观结构参数如表2：表2大理岩细观结构参数Tab2m