地热能源开发中花岗岩抗拉损伤试验研究.pdf

2023 年 10 月Oct.,2023doi：10.3969/j.issn.1672-9943.2023.05.009地热能源开发中花岗岩抗拉损伤试验研究（1.江苏建筑职业技术学院交通工程学院，江苏 徐州 221116；2.江苏建筑节能与建造技术协同创新中心，江苏 徐州 221116；3.贵州工程应用技术学院矿业工程学院，贵州 毕节 551700）摘要 为研究地热能源开发中花岗岩抗拉强度损伤规律，对250耀650 益范围内的高温花岗岩圆盘试样分别进行20次加热-水冷却处理，然后对处理后的试样进行巴西劈裂测试。研究获得了试样的抗拉强度劣化规律损伤变化曲线，建立了高温-水冷却冲击损伤DT值和处理次数N的关系方程。关键词 冷热反复作用；花岗岩；圆盘试样；巴西劈裂；抗拉损伤中图分类号 TU45文献标识码 A文章编号1672蛳9943（2023）05蛳0028蛳050引言随着地热能源和核废料储存技术的不断发展，高温岩石力学损伤已成为研究热点。众多研究人员围绕高温作用后花岗岩的力学特征参数开展了大量的研究工作，获得了一系列研究成果咱员暂。目前增强型地热系统（EGS）作为地热资源的开发模型得到了广泛认可，因此高温冷却后岩石的劣化特征已受到越来越多的研究人员关注。Zhang 等咱圆暂通过常规三轴压缩试验对经历 1 次高温水冷却后的花岗试样开展力学特征研究，发现温度和快速淬火对试样强度劣化均具有重要影响；Zhu 等咱猿暂对花岗岩标准试样进行了多次高温-水冷却处理，通过单轴压缩测试结果分析了试样强度和声发射损伤演化规律，并且利用声发射参数建立了试样热冲击损伤方程，依据 SEM 扫描结果分析试样内部结构劣化演变过程。由此可见，众多学者已经针对干热岩开采过程中花岗岩标准试样的力学特征开展了大量研究，但对于高温-水冷却反复作用后花岗岩圆盘试样在巴西劈裂试验中的力学损伤特征鲜有报道。因此，本文以花岗岩圆盘试样为研究对象，开展多次高温-水冷却反复作用的巴西劈裂试验，探讨加热温度（T）和冷热处理次数（N）对花岗岩抗拉性能损伤及试样破坏形态变化的影响。1试样制备及试验方案1.1试样加工本研究所采用的花岗岩试样采自中国福建泉州市境内。为了减少试样物理力学性质的离散性，获得有效力学参数变化规律，从同一块均质完整岩石上钻取试验所需试样。根据 XRD 射线衍射分析可知，该花岗岩的矿物成分主要是石英、长石、普通角闪石以及黑云母。4 种矿物成分的含量分别为60%、32%、5%和 3%，其衍射图谱如图 1 所示。试样的平均超声声速达到 2.79103m/s，表明该类岩石较为致密坚硬，内部孔隙率较小，无明显缺陷，平均密度为 2.81103kg/m3。图 1花岗岩试样的衍射图谱根据国际岩石力学学会（ISRM）的岩石力学试验要求，通过高压水射流切割、断面研磨、抛光等工序，将花岗岩圆盘试样加工成直径为 50 mm、厚度为 25 mm 的圆盘。花岗岩圆盘试样如图 2 所示。试样的厚径比为 0.5；为保证测试数据的有效性，每个工况加工 2 块试样，共加工 52 块试样用于拉伸力学测试试验。基金项目：徐州市前沿领先技术基础研究项目（KC21006）；江苏省建设系统科技项目（2020ZD31）；江苏高校“青蓝工程”优秀教学团队（苏教师函 2021 11 号）衍射角/（毅）1020304050607060%32%5%3%石英（Q）长石（F）普通角闪石（H）黑云母（B）3.52.82.11.40.70.0QQQQQQQQQBBFFFFFFH能 源 技 术 与 管 理Energy Technology and Management2023 年第 48 卷第 5 期Vol.48 No.5282023 年 10 月Oct.,2023朱栋，等地热能源开发中花岗岩抗拉损伤试验研究图 2花岗岩圆盘试样1.2试样处理及加载方案利用 MXQ1700 高温炉对花岗岩圆盘试样进行加热处理。该设备温控精度高、高温冲击小，最高温度可达 1 300。以 10/min 的升温速率将试样缓慢加热至设定温度。温度分别设定为 250、350、450、550、650，为保证试样整体均匀受热，加热至设定温度后进行恒温 2 h。恒温完成后，用坩埚钳将高温炉内岩样快速且稳定地放入盛有 20 冷水容器中，冷却过程中水的温度保持在 20 左右；从容器中取出完全冷却的试样并将其表面水渍擦拭干净，进行简单干燥，这样便完成第 1 个加热水冷却过程。将简单干燥后的花岗岩按照第 1 个加热冷却过程进行反复操作，处理次数设定为 5、10、15、20 次。由于巴西劈裂试验所需竖向荷载较小，所以为了保证足够的加载伺服精度，本次所有圆盘试样均在 MTS816 岩石试验机上进行。该试验机竖向加载荷载范围为 01 459 kN，竖向加载位移范围为 0100 mm。试样拉伸采用位移控制加载方式，位移控制速率设置为 0.1 mm/min。在加载过程中，利用声发射监测系统采集试样巴西劈裂过程中的声发射参数。2试验结果2.1抗拉强度分析图 3 分别给出了试样的抗拉强度与温度及冷热处理次数的关系。如图 3（a）所示，在 250450 的高温范围内，经过 1 次和 5 次冷热循环后的试样，其抗拉强度呈先下降后上升再下降趋势。以冷热处理 5 次后的试样为例，当温度从 250 上升到 350 时，试样的抗拉强度从 8.73 MPa 下降到5.03 MPa，降幅为 42.38%。当温度从 350 增加到450 时，抗拉强度从 5.03 MPa 增加到 6.45 MPa，增幅为 28.23%。这主要是由于试样内部矿物颗粒在高温加热时发生膨胀现象，减少了内部新裂纹的开度和数量，所以试样的抗拉强度出现增加现象。随着温度的继续升高，试样的抗拉强度继续下降。当温度上升到 650 时，抗拉强度从 6.45 MPa 下降到 4.04 MPa，降幅为 37.36%。原因是当温度达到一定程度时，热损伤导致试样内部裂纹持续增加，试样整体抗拉强度进一步减弱。（a）试样平均抗拉强度随温度变化规律（b）试样平均抗拉强度随处理次数变化规律图 3高温冷水循环后试样拉伸强度变化趋势花岗岩的抗拉强度在不同温度下随处理次数的变化如图 3（b）所示。处理次数对花岗岩试样的抗拉强度有很大影响，具体表现为花岗岩试样的抗拉强度随着处理次数的增加而下降。对于温度为250 和 350 的试样，在 110 次处理过程中，试样的抗拉强度变化不是特别明显；而在 1520 次处理后，对试样抗拉强度的影响就非常明显。当温度上升到 450650 时，110 次处理后试样的抗拉强度明显快速下降；而 1520 次处理后试样的抗拉强度逐渐趋于稳定下降。以加热温度 550 为例，经过 10 次冷热处理，试样的抗拉强度从 4.03 MPa下降到 2.27 MPa，降幅为 43.67%；在 1520 次处理过程中，拉伸强度从 2.27 MPa 下降到 1.81 MPa，降幅为 20.26%。2.2累计声发射变化特征图 4 为不同高温冷热循环作用后圆盘试样的累计声发射特征。由图 4 可以看出，随着温度的升高和冷热循环次数的增加，花岗岩圆盘试样在劈裂滓1滓1R=25 mmt/200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 700处理 1 次处理 5 次处理 10 次处理 15 次处理 20 次10864201086420处理次数/次10152005250 350 450 550 650 292023 年 10 月Oct.,2023过程中，累计声发射计数曲线整体呈现下降趋势。与 20 圆盘试样相比，经历 250 高温加热 1 次冷却后，累计声发射数没有明显变化。但经历 5 次冷热循环作用后，累计声发射数出现明显下降，由86.06102降至 57.30102，降幅达 33.42%。经历1020 次冷热循环后，累计声发射计数降幅呈现减小趋势，如图 4（a）和图 4（b）所示。试样在 450 经历 1 次水冷却后，累计声发射计数与 350 经历 1次水冷却后变化不大，这与该温度下花岗岩试样内部矿物颗粒膨胀导致裂隙内部孔隙闭合有关，变化如图 4（c）和图 4（d）所示。550 和 650 2 种高温状态下累计声发射计数出现大幅下降，如图 4（e）和图 4（f）所示。在 650 冷热循环次数达到 15 次后，试样的声发射为 0，表明该温度下经历 15 次冷热冲击后，试样发生韧性损伤，试样内部结构几乎完全破坏，释放的弹性能和累计声发射数大幅减少。（a）T=20（b）T=250（c）T=350（d）T=450（e）T=550（f）T=650 图 4高温冷热循环作用下试样累计声发射数随时间的变化2.3破坏特征分析在拉压混合作用下，高温-水冷却反复作用后，花岗岩圆盘试样经巴西劈裂后最终沿着加载方向将试样劈裂为 2 块，断裂面几乎都穿过圆心。试样中心主裂纹的开度和断口表面粗糙度明显受温度及冷热冲击处理次数的影响，相同温度下试样随着冷热冲击处理次数增多，裂隙开度逐渐增大；温度是影响断裂面形态的主控因素。当温度超过550 时，试样断口表面粗糙度随着冷热冲击处理次数增多逐渐增强，650 高温经历 20 次冷热冲击处理后试样内部承载结构已显著劣化，在较小的拉伸荷载作用下，随着位移的增大，试样由圆盘状转化为散体颗粒状。时间/s试样 1#试样 2#100806040200100120140204060800时间/s处理 1 次处理 5 次处理 10 次处理 15 次处理 20 次100806040200100120140160204060800时间/s处理 1 次处理 5 次处理 10 次处理 15 次处理 20 次35302520151050100 120 140 160 180 200204060800时间/s处理 1 次处理 5 次处理 10 次处理 15 次处理 20 次3020100100150200250050时间/s处理 1 次处理 5 次处理 10 次处理 15 次处理 20 次12108642010015020025030035050时间/s处理 1 次处理 5 次处理 10 次处理 15 次处理 20 次121086420100 120 140 160 180 200204060800能 源 技 术 与 管 理Energy Technology and Management2023 年第 48 卷第 5 期Vol.48 No.5302023 年 10 月Oct.,20233试样损伤分析试样在经过高温-水冷却反复作用处理后进行巴西劈裂测试，整个试验过程试样经历了冷热冲击和拉压机械 2 个损伤阶段。定量分析 2 个阶段损伤规律，对于分析高温和处理次数对花岗岩圆盘试样的力学特性影响具有重要意义。3.1拉压机械损伤试样在拉压混合作用下，岩石内部损伤演化是一个不确定的随机过程，可以利用 Weibull 分布理论确定试样某一个截面上的微元抗拉强度。其抗拉强度的分布密度函数可以用式（1）表示：覫（着）=m/琢着m-1exp（-着m/琢）（1）式中：覫（着）是冷热反复作用后的试样在巴西劈裂测试过程中内部某个截面的微元损伤率，m和琢均为常数，着为截面微元应变。研究表明，声发射参数变化特征可表征试样内部损伤规律。由此，当试样某个截面完全破坏时，此刻试样累计声发射计数为赘m，则当试样拉压至完全破坏时，其累计声发射计数赘为：=m乙覫（x）dx（2）将（1）式代入（2）式积分得：/m=1-exp（-着m/琢）（3）引入DM为试样在巴西劈裂过程中的拉压机械损伤值，则DM与试样内部截面微元破坏的概率密度存在着如下关系：DM=乙覫（x）dx=1-exp（-着m/琢）（4）比较式（3）、（4）得到拉压机械损伤为：DM=/m（5）依据试验测试过程中采集到的累计声发射参数，利用插值法绘制不同温度下经历反复冷热冲击处理后的拉压机械损伤曲线。试样机械损伤曲线如图 5 所示。（a）20（b）250（c）350（d）450（e）550（f）650 图 5试样机械损伤曲线1.00.80.60.40.20.0拉伸荷载/kN10 11 1201234567891.00.80.60.40.20.0拉伸荷载/kN101520051#2#处理 1 次处理 5 次处理 10 次处理 15 次处理 20 次1.00.80.60.40.20.0拉伸荷载/kN101202468处理 1 次处理 5 次处理 10 次处理 15 次处理 20 次1.00.80.60.40.20.0拉伸荷载/kN1012141602468处理 1 次处理 5 次处理 10 次处理 15 次处理 20 次1.00.80.60.40.20.0拉伸荷载/kN10121402468处理 1 次处理 5 次处理 10 次处理 15 次处理 20 次1.00.80.60.40.20.0拉伸荷载/kN10121416182002468处理 1 次处理 5 次处理 10 次处理 15 次处理 20 次能 源 技 术 与 管 理Energy Technology and Management2023 年第 48 卷第 5 期Vol.48 No.5312023 年 10 月Oct.,2023由图 5 可以看出，在初始拉伸荷载的作用下，花岗岩圆盘试样内部原生及新生微孔洞和微裂纹被逐渐压密，拉压机械损伤值DM较小；随后拉压机械损伤变量值DM出现小幅增大，主要是由于试样发生弹性变形引起的。这 2 个阶段的试样的拉压机械损伤受温度和高温-水冷却次数N影响较小。但在岩石非线性弹塑性破裂阶段，随着温度升高和高温-水冷却次数N增加，在同等应力条件下试样的拉压机械损伤逐渐增大，可见高温-水冷却冲击作用次数N和温度均对该阶段的试样拉压机械损伤产生显著影响。3.2高温-冷水冲击损伤为了定量分析冷热反复冲击作用对花岗岩圆盘试样冲击损伤，本文定义DT为试样的冷热冲击损伤因子。设定 20 花岗岩圆盘试样的冷热冲击损伤因子为 0，通过对设定温度下不同冷热冲击次数处理后试样的平均刚度作归一化处理，获得冷热冲击损伤因子DT的变化规律如图 6 所示。对损伤因子进行拟合，建立冷热循环冲击损伤因子DT与循环次数N的曲线方程，如表 1 所示。图 6冷热冲击损伤值 DT随冲击次数的变化拟合曲线表 1高温-水冷却反复冲击后损伤值 DT和处理次数 N 的拟合曲线方程温度/热冲击损伤拟合公式（N：处理次数）R2250DTDT=-0.294 1+0.237 11/（1+eN-14.91701/1.521 82）0.990 2350DTDT=0.279+0.066 63 N-0.007 01 N2+2.175 310-4N30.998 7450DTDT=0.625 64-0.475 48/（1+（N/6.452 41）2.41518）0.921 9550DTDT=0.546 1+0.025 13 N-6.228 9510-4N20.940 2650DTDT=0.919 4-0.349 62（1+（N/9.235 08）5.52228）0.967 5由图 6 可以看出，在同一高温下，试样冷热冲击式损伤因子DT值随着N的增加呈整体增大趋势；相同的冷热冲击次数下，温度越高DT值越大，当加热温度超过 350 后，冷热冲击损伤受处理次数影响越明显。深入分析发现，是由以下 2 方面原因造成的。一方面当试样在加热过程中表面结晶颗粒出现膨胀现象时，该现象会使试样表面产生拉伸热应力，当其超过材料本身抗拉强度后，材料会在表面产生拉伸裂纹；另一方面，在快速冷却过程中，试样与冷水接触外部区域矿物颗粒迅速收缩，其内部区域矿物颗粒由于高温处于膨胀状态，则在高低温的接触面产生剧烈的张拉现象，矿物连接结构遭到冷热冲击损伤。如此冷热冲击反复作用，冲击损伤深度逐渐增大，试样的冷热冲击损伤因子DT则逐渐增大。4结论（1）花岗岩圆盘试样在冷热反复冲击作用后，其声发射具有明显的冷热冲击效应，温度和冷热处理次数对试样声发射技术及振幅均具有重要作用。（2）当T在 250450 范围内，试样经历 1 次和 5 次处理后其抗拉强度随着升高呈先减小后增大再减小趋势。随着温度升高和冲击次数的增加，试样破坏断面由直线型向弧形、波浪形转化。当温度超过 550 时，试样断裂面颗粒感随着冷热冲击次数增多逐渐增强。650 高温经历 20 次冷热冲击后试样内部承载结构显著劣化，在较低的荷载和位移水平作用下，试样变形破坏成散状颗粒结构。（3）花岗岩圆盘试样的冷热冲击损伤和压缩机械损伤均随着温度升高和冷热冲击次数的增加而增大。参考文献1黄彦华，杨圣奇.高温后含孔花岗岩拉伸力学特性试验研究 J.中国矿业大学学报，2017，46（4）：783-790.2Zhang F,Zhao J,Hu D,et al.Laboratory Investigation onPhysical and Mechanical Properties of Granite After Heatingand Water-Cooling Treatment.Rock Mechanics&RockEngineering，51：677-694.3Zhu D,Jing H,Yin Q,et al.Mechanical Characteristics ofGranite After Heating and Water-Cooling Cycles.RockMechanics&Rock Engineering，53（4）：2015-2025.作者简介朱栋（1981-），男，副教授，博士，长期从事岩石力学方面教学和科研工作。收稿日期：2023-02-201.00.80.60.40.20.0高温-冷水循环作用数/次10152005250 350 450 550 650 能 源 技 术 与 管 理Energy Technology and Management2023 年第 48 卷第 5 期Vol.48 No.532