热冲击对花岗岩动态断裂行为的影响研究

doi:10.11872/j.issn.1005-2518.2023.05.036

摘要/Abstract

摘要：

为了研究热冲击对加热花岗岩的影响，使用3种冷却方法来提供不同的冷却速率，对花岗岩试样施加不同程度的热冲击作用。通过分离式霍普金森压杆（SHPB）系统对热冲击处理后的花岗岩半圆盘中心直裂纹三点弯曲（NSCB）试样进行冲击断裂试验，并利用高速摄像机记录了试样的断裂模式。试验结果表明：随着试样温度和冷却速率的提升，试样的干密度和纵波波速显著下降，试样的孔隙率加大。试样的断裂韧度变化及破坏模式表明热冲击作用使花岗岩试样受到冲击力时抗裂纹扩展的能力下降，尤其在冲击载荷的加载率高于130 GPa·m^0.5/s时下降尤为明显。

关键词: 热冲击, 花岗岩, Ⅰ型动态断裂韧度, NSCB, 冷却方法, 断裂模式, SHPB系统

Abstract:

In engineering operations such as geothermal development and utilization in high-temperature rock formations，underground coal gasification，multiple oil extractions，underground disposal of high-level radioactive waste，and protection and restoration of important buildings after fires，rocks often experience thermal shock due to drastic temperature changes.Thermal shock refers to the phenomenon where an object undergoes a large amount of heat exchange in a short time due to rapid heating or cooling，resulting in the generation of thermal shock stress within the object.To investigate the impact of thermal shock on the dynamic fracture behavior of high-temperature granite，the granite was heated to three different temperature levels of 100，300，600 ℃，followed by cooling using three different methods of furnace cooling，air cooling，and water cooling to provide different cooling rates，resulting in varying degrees of thermal shock within the granite samples.The notched semi-circular bend （NSCB） specimens of the granite samples subjected to thermal shock treatment were tested using a split Hopkinson pressure bar （SHPB） system for dynamic fracture behavior.The fracture pattern of the specimens was recorded using a high-speed camera.The results show that with the increase in specimen temperature and cooling rate，the dry density and longitudinal wave velocity of the specimens decrease significantly，and the porosity increase.Under thermal shock，the dynamic fracture toughness value of the specimens decreased significantly.At the same loading rate level，the dynamic fracture toughness value of the water-cooled specimens is lower than that of the air-cooled specimens，indicating that the crack propagation resistance of rock materials decrease when subjected to dynamic impact.Furthermore，at loading rates higher than 130 GPa·m^0.5/s，the effect of thermal shock on fracture toughness is more pronounced.By analyzing the relationship between dynamic fracture toughness and loading rate，a power law function with a good fitting degree is obtained，revealing the impact of thermal shock on dynamic fracture toughness.Therefore，this study provides valuable reference for the stability of rock formations in cooling treatment projects involving high-temperature rocks，contributing to the design and management of engineering operations such as geothermal development and utilization，underground coal gasification，multiple oil extractions，underground disposal of high-level radioactive waste，and protection and restoration of important buildings after fires.

Key words: thermal shock, granite, mode I dynamic fracture toughness, NSCB, cooling method, fracture patterns, SHPB system

中图分类号:

TD315

王卫华, 李凯, 黄瑞新. 热冲击对花岗岩动态断裂行为的影响研究[J]. 黄金科学技术, 2023, 31(5): 752-762.

Weihua WANG, Kai LI, Ruixin HUANG. Study on the Effect of Thermal Shock on Dynamic Fracture Behavior of Granite[J]. Gold Science and Technology, 2023, 31(5): 752-762.

图/表 17

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参考文献 0

	Cheng Zepeng， Xi Baoping， Yang Xinxin，et al，2021.Experimental study on the evolution of granite permeability under thermal shock［J］.Journal of Taiyuan University of Technology，52（2）：198-203.
	Dong Shuo， Sha Song， Meng Shiqian，et al，2021.Experimental study on mechanical properties of three types of high temperature rocks under liquid nitrogen cooling［J］.Journal of Northeastern University（Natural Science Edition），42（11）：1591-1599.
	Hall K， Thorn C E，2014.Thermal fatigue and thermal shock in bedrock：An attempt to unravel the geomorphic processes and products ［J］.Geomorphology，206：1-13.
	Kuruppu M D， Obara Y， Ayatoliahi M R，et al，2014.ISRM-suggested method for determining the mode I static fracture toughness using semi-circular bend specimen［J］.Rock Mechanics and Rock Engineering，47：267-274.
	Li Q， Yin T， Li X，et al，2019a.Effects of rapid cooling treatment on heated sandstone：A comparison between water and liquid nitrogen cooling［J］.Bulletin of Engineering Geology and the Environment，79：313-327.
	Li X， Huang S， Yin T，et al，2021a.Dynamic properties of thermal shock treated sandstone subjected to coupled dynamic and static loads［J］.Mining and Minerals，11：160-161.
	Li X， Huang S， Yin T，et al，2021b.Experimental investigation on the energy properties and failure process of thermal shock treated sandstone subjected to coupled dynamic and static loads［J］.Minerals，12（1）：25.
	Li X， Li B J， Li X B，et al，2020.Thermal shock effects on the mechanical behavior of granite exposed to dynamic loading ［J］.Archives of Civil and Mechanical Engineering，20（3）.
	Li X， Zhang Z， Chen W，et al，2019b.Mode I and mode II granite fractures after distinct thermal shock treatments［J］.Journal of Materials in Civil Engineering，31（4）：06019001.
	Shu R， Yin T， Li X，2019.Effect of heating rate on the dynamic compressive properties of granite［J］.Geofluids，（5）：1-12.
	Ulusay R，2015.The ISRM Suggested Methods for Rock Characterization，Testing and Monitoring：2007-2014 Bulletin of Engineering Geology and the Environment，74：1499-1500.
	Wang Peng， Chen Youliang， Zhou Xuelian，et al，2013.Effect of rapid cooling in water on high temperature residual mechanical properties of granite［J］.Journal of Water Resources and Water Engineering，24：54-57，63.
	Xi Baoping， Zhao Yangsheng，2010.Experimental study on mechanical properties of granite after water cooling at high temperature within 600°C［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，29（5）：892-898.
	Xin Guoxu， Xi Baoping， Yang Xinxin，et al，2022.Experimental study on the evolution of mechanical properties of high-temperature granite under different cooling modes［J］.Journal of Taiyuan University of Technology： 1-7.［2023-10-23］..
	Xu Songlin， Xi Daoying， Tang Zhiping，et al，2007.A preliminary study on rock thermal shock research［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，192（Supp.1）：3468-3472.
	Yao W， Xia K，2019.Dynamic notched semi-circle bend （NSCB） method for measuring fracture properties of rocks：Fundamentals and applications［J］.Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering，11：1066-1093.
	Yin T B， Shu R H， Li X B，et al，2016.Comparison of mechanical properties in high temperature and thermal treatment granite［J］.Transactions of Nonferrous Metals Society of China，26：1926-1937.
	Yin T， Li X， Cao W，et al，2015.Effects of thermal treatment on tensile strength of laurentian granite using brazilian test［J］.Rock Mechanics and Rock Engineering，48：2213-2223.
	Zhang S， Wang L， Gao M，2020.Experimental and numerical study of the influence of prefabricated crack width on the fracture toughness of NSCB specimens［J］.Rock Mechanics and Rock Engineering，53：5133-5154.
	Zhang Shengsheng， Zhang Lei， Tian Chengcheng，et al，2019.Geological characteristics and development potential of hot dry rocks in Qinghai Gonghe basin［J］.Journal of Geomechanics，25（4）：501-508.
	Zhou Z， Cai X， Ma D，et al，2019.Water saturation effects on dynamic fracture behavior of sandstone［J］.International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences，114：46-61.
	成泽鹏，郤保平，杨欣欣，等，2021.热冲击作用下花岗岩渗透性演变规律试验研究［J］.太原理工大学学报，52（2）：198-203.
	董硕，沙松，蒙世仟，等，2021.液氮冷却作用下三类高温岩石力学性能试验研究［J］.东北大学学报（自然科学版），42（11）：1591-1599.
	王朋，陈有亮，周雪莲，等，2013.水中快速冷却对花岗岩高温残余力学性能的影响［J］.水资源与水工程学报，24（3）：54-57，63.
	郤保平，赵阳升，2010.600℃内高温状态花岗岩遇水冷却后力学特性试验研究［J］.岩石力学与工程学报，29（5）：892-898.
	辛国旭，郤保平，杨欣欣，等，2022.不同冷却模式下高温花岗岩力学特性演变规律试验研究［J］.太原理工大学学报，1-7.［2023-10-23］..
	徐松林，席道瑛，唐志平，等，2007.岩石热冲击研究初探［J］.岩石力学与工程学报，192（增1）：3468-3472.
	张盛生，张磊，田成成，等，2019.青海共和盆地干热岩赋存地质特征及开发潜力［J］.地质力学学报，25（4）：501-508.

相关文章 15

[1]	胡文萱, 宋明春, 李杰, 董磊磊, 赵润芊, 张亮亮, 李健, 白天慧. 胶东金矿成矿物质来源：来自与金成矿有关地质单元金含量的约束[J]. 黄金科学技术, 2024, 32(5): 781-797.
[2]	周晓萍, 宋明春, 刘向东, 闫春明, 胡兆君, 苏海岗, 胡秉谦, 周宜康. 胶东三山岛金矿床巨斑花岗岩的形成时代、成因及对金成矿的启示[J]. 黄金科学技术, 2024, 32(5): 813-829.
[3]	刘风龙, 王加恩, 刘远栋, 孙大亥, 程海燕, 胡艳华, 黄雯, 王振, 潘少军. 浙江衢州九华山侵入岩年代学和地球化学特征[J]. 黄金科学技术, 2024, 32(1): 31-40.
[4]	李利, 王国光, 李海立, 肖惠良, 陈乐柱. 赣南印支期白石钨（铜）矿床成矿岩体地球化学特征及地质意义[J]. 黄金科学技术, 2023, 31(5): 736-751.
[5]	魏生云,王建国,郭学忠,邢佳. 柴北缘夏日达乌铌钽矿区花岗岩地球化学特征及地质意义[J]. 黄金科学技术, 2023, 31(3): 408-422.
[6]	曹振梁,刘学龙,李守奎,刘思晗,李方兰,周博文. 滇西北燕山期含矿花岗岩与全球埃达克岩地球化学特征对比[J]. 黄金科学技术, 2023, 31(1): 15-25.
[7]	谢金玲,林彬,祁婧,邓世林,何亮,张晓旭. 花岗岩型铷矿研究进展及青藏高原铷矿找矿方向[J]. 黄金科学技术, 2023, 31(1): 26-36.
[8]	周盛全, 王瑞, 田诺成, 李栋伟. 冲击荷载作用下热处理花岗岩动态力学特性研究[J]. 黄金科学技术, 2022, 30(2): 222-232.
[9]	冼源宏,詹华思,李健唐. 广东怀集地区矽卡岩型铁多金属矿床同位素地球化学特征及其地质意义[J]. 黄金科学技术, 2021, 29(6): 805-816.
[10]	范晓冬,李响,陶明,尹土兵,李夕兵. 不同热冲击过程花岗岩I型和Ⅱ型断裂特性研究[J]. 黄金科学技术, 2021, 29(6): 834-842.
[11]	李柏锦,李响,王彦,尹土兵,李夕兵. 温度冲击对花岗岩动态拉伸力学性能的影响[J]. 黄金科学技术, 2021, 29(4): 545-554.
[12]	胡建华,董喆喆,马少维,秦亚光,徐晓,代转. 应力—渗流耦合作用下损伤岩石渗流特性[J]. 黄金科学技术, 2021, 29(3): 355-363.
[13]	陈静,胡继春,逯永卓,卢世银,王树林,徐贝贝. 东昆仑小灶火地区钼矿化正长花岗岩年代学、地球化学特征及其地质意义[J]. 黄金科学技术, 2018, 26(4): 465-472.
[14]	侯江龙，李建康，王登红，陈振宇，代鸿章，刘丽君. 四川甲基卡锂矿区花岗岩体中黑云母的地球化学特征及其地质意义[J]. 黄金科学技术, 2017, 25(6): 1-8.
[15]	高帅，曾庆栋，于昌明，邢宝山，荆林海，叶杰，范宏瑞，杨奎锋. 遥感及综合物探方法用于山东招远南部隐伏成矿侵入体的空间定位[J]. 黄金科学技术, 2017, 25(5): 1-10.

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参数	数值	参数	数值
杆径/mm	50	弹性模量/GPa	240
入射杆长度/mm	2 000	泊松比	0.28
吸收杆长度/mm	500	纵波波速/（m·s^-1）	5 400
投射杆长度/mm	1 500	杆密度/（kg·m^-3）	7 800

温度 /℃	炉内冷却		空气冷却		水冷却
温度 /℃	ρ_s	σ	ρ_a	σ	ρ_w	σ
100	3.185	0.0024	3.181	0.0025	3.174	0.0020
300	3.163	0.0046	3.161	0.0053	3.149	0.0018
600	3.125	0.0018	3.114	0.0012	3.101	0.0050

温度 /℃	炉内冷却		空气冷却		水冷却
温度 /℃	V_s	σ	V_a	σ	V_w	σ
100	3 333.43	18.14	3 356.31	45.05	3 167.25	65.46
300	2 793.42	56.80	2 618.81	51.70	2 493.01	57.04
600	1 395.57	17.66	1 338.28	42.94	1 278.82	7.08

温度/℃	炉内冷却		空气冷却		水冷却
温度/℃	P_s	σ	P_a	σ	P_w	σ
100	1.34	0.04	1.37	0.13	1.89	0.19
300	1.47	0.08	1.52	0.24	1.92	0.08
600	1.89	0.08	1.66	0.08	2.23	0.16

冷却方式	温度/℃	a	b	R²
未处理	25	0.369	0.628	0.969
炉内冷却	100	0.259	0.982	0.964
	300	0.463	0.515	0.932
	600	0.182	0.701	0.886
空气冷却	100	0.485	0.941	0.977
	300	0.129	0.759	0.949
	600	0.454	0.479	0.827
水冷却	100	0.270	0.636	0.883
	300	0.265	0.613	0.908
	600	0.123	0.713	0.971