不同温度热处理后砂岩三点弯曲的断裂特性

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1、万方数据第31卷第2期2010年4月固体力学学报CHINESEJOURNALOFSOLIDMECHANICSV01．31No．2April2010不同温度热处理后砂岩三点弯曲的断裂特性’左建平1’2“谢和平2’3刘瑜杰2胡本2卢菁芳2(1中国矿业大学煤炭资源与安全开采国家重点实验室，北京，100083)(2中国矿业大学(北京)力学与建筑工程学院岩石力学与分形研究所，北京，100083)(3四川大学水利水电学院．成都．610065)摘要通过三点弯曲试验研究了不同温度影响下小尺度砂岩试件的断裂特性，证实温度的影响是明显

2、的．125℃是个临界温度点，此时不仅砂岩的平均断裂韧性达到最大值，而且这时砂岩的裂纹扩展模式也发生了根本性的变化，即低温(低于125℃)热处理后砂岩的断裂以沿颗粒断裂机制为主；而高温(大于125℃)热处理后的砂岩的断裂以破断颗粒和沿颗粒的混合断裂机制为主．在100℃一150℃的温度范围内，砂岩的力学特性变得不稳定。这可能是由于粘土物质内部部分吸附水及层间水的蒸发使得粘土物质孔隙结构发生了变化及力学行为变得不稳定所造成的．从125℃到600℃，砂岩的断裂韧性整体有下降趋势，有约50％的降幅，这不仅与温度影响了粘土物质

3、与矿物的胶结情况有关。也与高温处理后砂岩表面出现的热开裂有关，还与因矿物颗粒及粘土物质的热学性质差异导致冷却后存在的残余应力相关．关键词砂岩，温度，三点弯曲，临界温度，断裂韧性0引言很多岩土工程都涉及到岩石的断裂问题，如地震、边坡、采矿和地铁隧洞工程等，而岩石断裂韧度K的测试对于定量评价工程的安全及稳定性有着重要的意义．对于一些深部工程，人们似乎更关心温度对岩石变形破坏的影响，这也是目前大家所关注的课题之一．一些研究表明，多数宏观尺度岩石的强度随温度的升高而有所下降，而下降的趋势又与岩石的种类相关，其他因素，如湿度

4、、试件厚度、尺寸和围压等也都不同程度对岩石的变形破坏与断裂特性有影响¨“J．文献中的研究多集中于温度对宏观尺度岩石试件的影响卜8

5、。温度对岩石微细观破坏机理影响的研究还较少。而基于扫描电镜(SEM)原位观测受温度影响后岩石的裂纹扩展及对断裂韧性的评价就更为少见∽J．作者最近的研究表明，对受温度影响的细观尺度的砂岩而言，其力学特性与很多宏观尺度岩石试件的实验结果可能不一样[9。¨．这可能的原因有两个，一是岩样的不同，二是温度对不同尺度岩石影响的效果不同，对于宏观尺度的岩石，温度的影响可能被实验仪器的误差所屏蔽；而对于

6、小尺度试件，温度的影响能够充分体现．文献E11]通过单轴拉伸实验探讨了温度对小尺度砂岩断裂韧性的影响，本文将继续通过三点弯曲实验来探讨温度对细观尺度砂岩的断裂韧性的影响，并基于SEM对裂纹扩展及破坏机理做了探讨．有关三点弯曲实验已被诸多学者用于测试混凝土、岩石等脆性材料的断裂韧性【1214

7、．文献[12]用三点弯曲法测定了大理岩的断裂韧性，并探讨了加载速度、裂纹长度和裂纹几何性质对断裂韧性的影响．文献[13]通过模型和三点弯曲实验研究了混凝土断裂全过程及亚临界扩展的细观机制，并发现裂纹扩展具有分形性质．文献[14]

8、通过单边缺口圆棒三点弯曲试验(SENRBB)和半圆棒三点弯曲弯曲(SCB)试验研究了室温到200℃的Kimachi砂岩的断裂韧性，试验表明Kimachi砂岩的断裂韧性从室温到125℃变化不大，但高于125℃温度后，断裂韧性随着温度而升高，而200℃时I型断裂韧性较之室温的断裂韧性高出40％．在温度和围压的综合影响下断裂韧性也发生了相似的*国家重点基础研究发展计划(973)计划(2010CB732002)、教育部新世纪优秀人才支持计划(NCET—10—0726)、北京市优秀人才培养(20091-)0130010000

9、37)、国家自然科学基金(50639100，50834005)和中央高校基本科研业务费资助．2008—09—16收到第1稿，2009—04—21收到修改稿．**通讯作者．Tel：010—62331286。E—mail：巧p@cumtb．edu．CD_．万方数据·120·固体力学学报2010年第31卷变化，如围压7MPa时，砂岩的断裂韧性随着温度升到75℃时有所减少，而在75℃到100℃之间又有所提高．本文将通过三点弯曲实验研究受不同温度影响后砂岩的断裂韧性，并通过扫描电镜SEM实时在线观察其破坏过程，试图从细观角度

10、来解释温度对砂岩断裂机制的影响．1试件尺寸及试验介绍岩样取自平顶山煤业集团公司十矿，细粉砂岩，埋深一1150m[9]．颗粒粒径多在0．06mm一0．30mm之间．所有试件均取自同一大块岩样，朝同一方向切割加工而成，这是为了尽量避免或减少由于加工试件所引起的误差．试件外形尺寸参照SEM加载系统和断裂试验标准确定为25mm×10mm×5mm(L×B×W)，中间有