随着化石燃料越来越难以获得，地热资源因其清洁高效且能量蕴藏巨大的特点已成为“双碳”背景下节能减排的重要能源之一。截至2019年底，我国在浅层地源热泵供能方面已居全球首位[1-2],对深层地热资源进行开发是及早实现“双碳”目标[3-4]的重要途径。

深层地热资源的利用不同于浅层地热，通常在开发前期以及利用阶段热储层面临温度场降升变化。在岩体赋存环境上，具有高温、高地应力、高渗透压的特点，导致深层岩体在物理力学性质方面有别于低温浅层岩体。基于以上工程背景，部分学者对温度循环作用后的花岗岩物理力学性质劣化机理进行了相关研究。INADA等[5]对花岗岩进行了15～100 ℃循环热处理，发现花岗岩抗压强度、抗拉强度、弹性模量随热处理次数增加呈减小趋势，且下降比率也随之减小。KIM等[6]采用缓慢升温再用风扇进行快速冷却的方式对花岗岩进行了25～100 ℃循环热处理，发现热处理后的花岗岩存在波速降低、孔隙度增大、抗拉强度减小的演变行为。RONG等[7]采用缓慢升温、空气中缓慢冷却的方式对大理岩、花岗岩进行了25～600 ℃循环热处理，研究表明，随着热处理次数的增加，P波波速、峰值应力、弹性模量呈减小趋势，峰值应变和最大体积应变呈增大趋势。LI等[8]采用相同方式对花岗岩进行了25～650 ℃循环热处理，发现花岗岩物理力学性质劣化主要发生在前20次循环。FENG等[9]研究了缓慢加热 - 遇水冷却循环方式对花岗岩抗拉强度的影响。YIN等[10]进行了单轴压缩、声发射(AE)、电镜扫描、XRD试验，以探究循环加热 - 遇水冷却方式对花岗岩试样损伤的影响。GE等[11]通过AE数据研究了花岗岩试样在重复加热和冷却循环后的损伤特征。

开展温度循环下花岗岩的物理力学性质演化特征研究是地热领域的重要研究方向。目前多采用室温- 高温 - 室温的循环热处理方式，考虑循环次数、冷却方式对花岗岩物理力学演化特征的影响，然而对于不同热处理循环方式(如一定温度区间循环条件)对花岗岩相关性质的影响研究较少，因此有必要进行细化研究。一般循环热处理方式下花岗岩相关性质的劣化主要发生在前6次循环，但目前研究对于前几次的循环试验规律的呈现相对较少，此外涉及循环热处理对花岗岩损伤破坏机理的研究相对较少。

为揭示花岗岩在300～150 ℃高温循环后，其物理力学特性的演变规律，本文对经过不同热处理次数的花岗岩试件开展巴西劈裂试验，期间采用声发射监测其破坏过程的声学特征，并在热处理前、后对试件的基本物理性质(密度、自然吸水率、纵波波速等)进行测定，以期补充典型干热花岗岩在一定温度区间(热储温度 - 停采温度)内循环热处理后，其物理力学演变特征，进而为干热岩开发过程中储层抗拉强度弱化行为提供室内试验数据支撑。

1、试验方案

1.1 试件制备

花岗岩取自河南驻马店，按照国际岩石力学岩样制备标准，采用原位改性采矿教育部重点实验室岩样加工设备，经取芯、切割、打磨制成Φ50 mm×25 mm巴西圆盘试件，经电热鼓风干燥箱进行40 ℃干燥处理6 h, 如图1所示。

图1 巴西圆盘试件

1.2 试验仪器

采用马弗炉对制备好的试件进行不同循环次数的热处理试验，马弗炉加热速率为5 ℃/min, 冷却速率为2.5 ℃/min。采用HF-F型智能超声P⋅S波综合测试仪测定热处理前后试件的纵波波速，具体测试步骤如下：将试件两端涂上耦合剂固定在机械夹持器上，施加固定轴压0.4 MPa; 在波速测量系统内，设置好试件相关尺寸参数(如长度等)及声发射参数等信息并保存；开始纵波波速测量时，调整衰减量，直至波速稳定且首声幅度为4 V以上时确定纵波波速值。

采用TSE105D微机控制电子万能试验机和巴西劈裂夹具(见图2)进行抗拉强度测试试验，位移加载精度为0.004 mm/s, 加载期间同步进行声发射信号采集。

图2 TSE105D微机控制电子万能试验机及声发射装置

1.3 试验过程

测定热处理前、后的巴西圆盘试件的密度、自然吸水率及纵波波速；采用马弗炉对7组共21个巴西圆盘试件进行300～150 ℃温度范围内不同程度循环热处理(热处理次数不同);利用相关试验机对8组共24个巴西圆盘试件进行巴西劈裂试验，并对其抗拉强度及声发射数据进行分析。具体试验步骤如下。

(1) 将24个巴西圆盘试件分成8组，其中室温组编号为1、2、3,升降温(室温-300 ℃-室温)组编号为4、5、6,第1次循环热处理编号为7、8、9……依次至第6次循环热处理编号22、23、24,循环热处理流程如图3所示。

(2) 采用电子天平及游标卡尺测量每个试件的质量m0、直径及厚度，以计算其密度ρ。

(3) 将试件放入室温水中，浸泡12 h后，用湿毛巾擦拭后测量其质量m1,根据公式

计算其初始自然吸水率ω0。

(4) 将试件放入电热鼓风干燥箱中干燥处理6h,然后测定热处理前的纵波波速。

(5) 将7组试件(编号：4～24)按顺序依次放入马弗炉中，按照预定加热速率将试件从室温升至300 ℃,并保温3h,使试件受热均匀。将升降温(室温-300 ℃-室温)热处理试件(编号：4、5、6)取出并自然冷却至室温，并将马弗炉温度调至150 ℃,使剩余试件在马弗炉内缓慢冷却至150 ℃并保温3 h; 再次将温度升至300 ℃并保温3 h, 将第1次循环热处理试件取出(编号：7、8、9)并自然冷却至室温。依次类推，依次完成第2～6次循环热处理。具体热处理流程及试件取出时间点如图3所示。

图3 循环热处理流程

(6) 按照分组编号，测量热处理完毕的试件质量m2,重复步骤(3),测量热处理后试件吸水后的质量m3,并根据公式

计算其热处理后自然吸水率ω1。

(7) 再次利用电热鼓风干燥箱对试件进行干燥处理6 h, 随后进行纵波波速测定。

(8) 将8组试件按照分组编号依次进行巴西劈裂试验并记录声发射数据。

2、试验结果及分析

2.1 温度循环对花岗岩基本物理性质的影响

为了更好地分析300～150 ℃循环热处理对花岗岩物理性质变化特征的影响，将经历升降温处理(室温-300 ℃-室温)过程的试件作为正对照组，室温即不做任何温度处理的试件作为空白对照组，进行平行试验。热处理前后巴西圆盘试件相关物理力学参数见表1。

表1 试验前后试件的物理力学参数

2.1.1 自然吸水率变化特征

图4为不同热处理前后试件吸水率变化曲线。由图4可知，花岗岩平均热处理后自然吸水率ω1较初始自然吸水率ω0呈显著性增大趋势，且吸水率变化量随循环次数整体呈增大趋势。升降温处理下吸水率变化量达0.29%,与之相比，第1～6次循环热处理下花岗岩吸水率变化量在0.25%～0.35%区间内波动，说明花岗岩巴西圆盘试件在300～150 ℃区间循环热处理后的吸水率变化量相对较小，一定温度区间循环热处理带来的影响小于一次大范围温度热处理。

热处理后吸水率增加，其实质与花岗岩经历不同温度处理后发生热破裂及水分损失有关，其中室温至100 ℃、100 ～300 ℃区间分别是花岗岩附着水、结合水汽化逸散温度范围。经过升降温处理后，花岗岩巴西圆盘试件中的附着水及结合水随之逸出，多次300～150 ℃循环热处理，花岗岩热破裂增多，产生一定的微裂纹，与升降温处理相比，第1～6次热处理后吸水率变化量呈现局部小幅度上升的趋势。

图4 不同热处理前后试件吸水率变化曲线

2.1.2 纵波波速变化特征

岩石纵波波速常用于定量分析岩石的损伤程度，图5为不同热处理前后试件纵波波速变化曲线。

图5 不同热处理前后试件纵波波速变化曲线

由图5可知，热处理后，花岗岩纵波波速呈现不同程度的衰减，21个巴西圆盘试件平均初始纵波波速由4 961.49～5 194.14 m/s降至3 778.62～4 055.13 m/s。升降温处理后纵波波速衰减最大，达1 231.4 m/s, 第1～6次循环热处理纵波波速衰减量在1 132.3～1 199.6 m/s范围内小幅度波动。这说明升降温热处理方式对花岗岩微观结构损伤更大，经过300～150 ℃区间循环热处理后，反而在一定程度上减轻了岩石损伤，体现在其波速变化量略小于升降温方式。

2.2 温度循环对花岗岩抗拉强度的影响

2.2.1 抗拉强度演化特征

图6为不同热处理前后花岗岩抗拉强度变化曲线。由图6可知，随着热处理次数增多，抗拉强度整体呈指数型减小趋势，其中升降温方式下，首次出现“波谷”现象，花岗岩抗拉强度最低，为13.21 MPa; 第1～6次循环热处理中，花岗岩平均抗拉强度相较于正对照组(升降温)略有回升趋势，且随着热处理次数增多，平均抗拉强度由14.49 MPa(第1次)缓慢降低至13.44 MPa(第6次)。

图6 不同热处理前后试件抗拉强度变化曲线

从试件热处理前后波速变化量变化曲线可以很好地解释“波谷”现象的出现，升降温方式下，波速衰减量最大，微观角度上，损伤最显著，进而宏观力学上抗拉强度弱化明显，出现波谷。第1～6次循环热处理中，抗拉强度回升再缓慢降低，可能与300～150 ℃循环热处理阶段产生的较多细裂纹，会“钝化”由室温升至300 ℃过程中产生的“较大裂纹”尖端效应，以及会抑制后续降至室温过程中产生单一“较大裂纹”有关。相关研究[12-15]指出，微裂纹可以钝化宏裂纹尖端，增加其断裂韧性，进而提高抗拉强度。在KIM 等[6]的研究中也出现类似随热循环次数增加，花岗岩抗拉强度及断裂韧度增大的试验结果。在此处，波速及自然吸水率变化在一定程度上印证了上述原因的合理性。首先，由图4可知，循环热处理的吸水率变化量相较于升降温方式呈增大趋势，说明后续循环热处理次数增多依然会引起微裂纹的产生以提供更多的储水空间，但细裂纹“钝化”方式的存在，使得因局部“较大裂纹”缺陷引发的应力集中程度减小，致使第1次循环下的抗拉强度较升降温方式明显回升，随后出现的逐次弱化、缓慢降低的结果，这与前人研究[15]趋势大体相同。其次，由图5可知，第1～6次循环热处理花岗岩波速衰减量及波速损伤变量小于升降温方式，显著损伤效应减弱，导致抗拉强度回升，说明细裂纹“钝化”机制可能在一定程度上减弱了单一“较大裂纹”的波速衰减效应。

2.2.2 声发射演化特征

声发射(AE)技术通过监测岩石裂纹产生及扩展过程中的能量释放现象，从而实现对试件加载过程中的动态无损监测[16]。为了反映花岗岩巴西劈裂过程中声发射的演化特征，采用声发射仪器监测其加载至破坏过程中的振铃数及累计能量变化情况。选取不同热处理方式下的代表性试件声发射特征及破坏后的裂缝形态进行分析，如图7所示。

图7 不同热处理下巴西劈裂试件声发射特征

与室温状态相比，经过热处理后的花岗岩，其峰值荷载呈不同程度的减小趋势，且荷载曲线过峰值后表现为明显的断崖式减小，即明显的脆性破坏形式。这表明6次循环热处理后，巴西劈裂试件破坏形式并未发生明显的转变，与室温相比，循环热处理岩样荷载加载时间呈减小趋势。声发射特征方面，加载过程中AE累计能量、振铃数峰值和峰值荷载具有很好的一致性，即在峰值荷载前出现累计能量突变，说明巴西劈裂过程中储存的能量主要集中于破坏瞬间释放；在峰值荷载附近，振铃数激增，说明巴西圆盘试件张拉破坏下裂纹形成及扩展过程中伴随大量的声发射事件。图7(a)室温试件与热处理试件相比，除生成主要张拉贯穿裂缝外，圆盘中心及受压点附近增加诸多微裂纹，破裂严重，随着热处理次数增多，试件除主裂缝外，次裂纹相对减少且单一，主要分布在试件受压点附近。

2.3 温度循环对花岗岩损伤特性的影响

天然岩石存在孔裂隙结构，导致其呈现非均质特性，在外部环境(应力、温度等)的作用下，相关力学性质呈现一定的弱化特征。赵明阶等[17]利用超声波在此类介质中不同的传播特征，提出用波速表征岩石损伤程度的定量分析方法，即利用纵波波速的差异程度定义波速损伤变量D,损伤变量在一定程度上反映岩石宏观力学的劣化特性。

式中：VP为外部环境作用后的岩石波速，m/s;V0为岩石初始波速，m/s。

图8为不同热处理下试件损伤变量及AE累计能量变化曲线。与空白对照组(室温)相比，热处理后花岗岩平均波速损伤变量在0.391～0.426范围内呈波动性降低趋势，波速损伤变量与花岗岩平均抗拉强度(σt)呈负相关，即D越大，σt越小。

第1～6次循环热处理花岗岩与正对照组(升降温)相比，损伤变量出现不同程度的降低，即：先经历一定温度区间内循环热处理后，再降至室温引起的花岗岩力学损伤小于直接降至室温的热处理方式。

为进一步分析花岗岩破坏过程中能量释放规律，对同组花岗岩巴西劈裂破坏过程中的声发射累计能量及其平均值进行分析。由图8可知，不同热处理的花岗岩破坏时平均释放的累计能量和波速损伤变量与热处理的变化趋势相反，说明二者存在一定的联系，且监测岩石破坏过程的AE累计能量能一定程度反映岩石损伤程度。低损伤程度下，AE累计能量更高，其机理在于花岗岩发生脆性破坏时，瞬间释放的能量更高，而热处理后花岗岩趋于塑性弱化，进而出现抗拉强度降低、加载曲线前期压缩阶段明显的现象(见图7),塑性变形消耗部分能量，导致破坏时AE累计能量相应降低；利用AE累计能量特征反映的花岗岩受热处理后损伤特征与前人研究的岩石波速损伤特性结论吻合。

图8 不同热处理下试件损伤变量及 AE累计能量变化曲线

3、结论

通过开展300～150 ℃循环热处理前后花岗岩物理性质测定及巴西劈裂试验，得到了花岗岩自然吸水率、纵波波速和抗拉强度演变规律并分析其热损伤特性，主要研究结论如下。

(1) 花岗岩经历室温-300 ℃-室温热处理和300～150 ℃循环热处理后，自然吸水率增大，其变化量在0.25%～0.35%范围波动；纵波波速降低，且衰减量维持在1 132.3～1 199.6 m/s, 其中，室温-300 ℃-室温处理方式下，纵波波速衰减量最大，达1 231.4 m/s。

(2) 随着热处理次数增多，花岗岩抗拉强度整体呈指数型减小趋势，室温-300 ℃-室温热处理方式下，花岗岩抗拉强度最低，降至13.21 MPa; 第1～6次循环热处理中，花岗岩平均抗拉强度相较于正对照组(室温-300 ℃-室温)略有回升趋势，且随着热处理次数增多，平均抗拉强度由14.49 MPa(第1次)逐次降低至13.44 MPa(第6次)。

(3) 与室温相比，循环热处理后花岗岩加载至破坏所用时间呈减小趋势，且峰值荷载前出现声发射累计能量突变及振铃数峰值现象。

(4) 花岗岩经过300～150 ℃循环热处理后，破坏时监测的声发射累计能量和波速损伤变量与循环次数的变化趋势相反，说明二者存在一定的联系，且AE累计能量在一定程度上也能反映热处理后花岗岩损伤程度。

基金资助:山西省基础研究计划面上项目(202203021211166); 山西省回国留学人员科研资助项目(2022-057); 山西省留学人员科技活动择优资助项目(20230009); 山西省研究生教育创新计划资助项目(2022Y268);

文章来源:赵文艳,黄长松,陈跃都,等.区间温度循环作用后花岗岩抗拉强度演化特征试验研究[J].矿业研究与开发,2024,44(08):23-30.