高温花岗岩在水淬作用下的物理力学劣化及微观损伤演变

《Results in Engineering》：Evolution of physico-mechanical degradation and microscale damage in high-temperature granite subjected to water quenching

本研究系统对比了自然冷却与水淬两种冷却方式下，25℃至1200℃温度范围内热损伤花岗岩的力学性能与微观结构演化。发现水淬在600℃前显著加剧裂纹扩展与矿物分解，导致抗压强度下降49.5%；而1000℃以上高温熔融重构使材料出现强度异常恢复现象。AE监测显示水淬组在400-800℃间能量衰减速率提高23.55%，且裂纹网络形成提前200℃。微观分析表明水淬加速了白云母分解（速率提升33.8%）和钾长石向微斜长石转变，而1200℃时熔融石英占比达71.3%，形成玻璃相填充裂纹。研究揭示了温度梯度与冷却速率对岩石损伤的耦合作用机制，为深部高温工程稳定性设计提供了关键阈值（600℃/1000℃）和理论依据。

　　这项研究探讨了高温损坏花岗岩在水淬冷却过程中的稳定性退化问题，这在深部地质工程应用中是一个关键挑战。通过系统比较花岗岩在25°C至1200°C不同温度下的机械响应，分别在自然冷却和水淬冷却条件下，研究了热-水耦合对岩石退化机制的协同效应。为了分析水淬冷却对花岗岩机械性能和矿物学特征的影响，采用了多种多尺度表征技术，包括声发射（AE）监测、X射线衍射（XRD）以及偏光显微镜等。研究的主要发现包括：水淬冷却显著加剧了高温损坏花岗岩的退化。在600°C时，水淬冷却样品的单轴抗压强度（UCS）和弹性模量急剧下降，分别减少了49.5%和47.1%，比自然冷却组提前约200°C达到类似的退化水平。当温度超过1000°C时，花岗岩进入熔融诱导的相变阶段，水淬冷却样品的UCS稳定在17.08–19.51 MPa之间，伴随着P波速度和弹性模量的异常反弹。声发射监测表明，在400–800°C范围内，水淬冷却样品的能量衰减率加快了23.55%。此外，水淬冷却导致花岗岩塑性变形阶段显著延长，表现为环形计数的延迟峰值。微尺度退化机制主要由加速的裂纹网络传播、黑云母分解以及微斜长石从单斜晶系向三斜晶系结构的转变主导，这些机制共同加剧了宏观机械退化。超过1000°C后，矿物再构成为控制宏观机械行为的主要因素。这些发现为深部岩石工程项目的安全设计和施工提供了重要的理论指导。

研究的背景源于深部矿产资源开采、增强地热系统（EGS）和地下工程的快速发展，这些工程导致岩石质量暴露在高温地质环境中。统计数据显示，深部矿井的地热梯度可达3–5°C/100米，而在一些构造活跃区域还观察到了异常的地热分布。在高温条件下，岩石中的矿物晶体因热膨胀不匹配、晶格畸变和相变而发生显著的物理和机械性能退化。在工程实践中，岩石与流体（包括水、液氮或液化天然气）之间常发生快速热交换。例如，EGS中的水力压裂、地下液化天然气储存以及火灾后的隧道冷却都涉及急剧的温度变化。热损伤与快速冷却的耦合深刻改变了岩石损伤演化的机制。其中，水淬冷却是最高频的热处理方式。因此，系统研究高温岩石在水淬冷却下的宏观响应和微观机制至关重要。这项研究不仅具有重要的理论价值，还对深部高温地下工程的设计和稳定性控制具有工程意义。

研究材料选用中国山东省济宁市一家采石场获取的粗粒花岗岩。为确保样品的均质性，所有样品均从一个单一的大母岩块中提取，母岩块的初始尺寸为1000 mm × 500 mm × 300 mm，且无可见裂纹或结构缺陷。该母岩块通过线切割技术加工成标准圆柱形样品，最终样品尺寸为Φ50 mm × 100 mm。所有样品均按照国际岩石力学与岩石工程学会（ISRM）推荐的标准进行加工，包括端面平整度≤0.05 mm、轴向垂直度偏差≤0.25°以及尺寸公差≤0.3 mm。

实验采用多尺度测试框架，以研究高温循环处理后的花岗岩样品的物理、机械和微观结构特性。实验分为三个阶段：首先，进行物理性能测试，包括质量、几何尺寸和密度等参数的测定；其次，进行机械性能测试，包括单轴压缩试验和声发射监测；最后，进行微观结构分析，包括X射线荧光（XRF）、X射线衍射（XRD）和偏光显微镜观察。实验结果显示，花岗岩的物理和机械性能在高温处理后表现出显著的温度敏感性。当加热温度低于400°C时，物理性能的变化相对稳定，主要是由于矿物晶格膨胀和结合水的脱附。当温度在400°C至800°C之间时，物理参数表现出明显的温度敏感性，水淬冷却组的性能退化速度比自然冷却组更快。当温度超过800°C时，水淬冷却组的体积变化率和密度损失率显著增加，这与快速冷却引起的热冲击和应力集中有关。当温度达到1200°C时，水淬冷却组的体积变化率增加到9.02%，而自然冷却组仅为7.96%。这种差异可能与高温熔融过程有关，该过程对岩石的结构重新组织起主导作用。

研究还通过多种技术手段分析了高温处理对花岗岩微观结构的影响。声发射监测显示，在400–800°C范围内，水淬冷却样品的能量衰减率比自然冷却样品快23.55%。这表明水淬冷却加速了岩石内部弹性能量的释放。此外，环形计数的延迟峰值表明，水淬冷却显著延长了花岗岩的塑性变形阶段。微观结构分析揭示，水淬冷却促进了裂纹网络的形成，导致岩石的机械性能退化加剧。在1000°C以上，矿物再构成为控制岩石宏观机械性能的关键因素。这些发现不仅深化了对高温岩石在不同冷却路径下行为的理解，也为深部高温地下工程的热保护设计提供了重要的理论支持。

研究通过对比不同冷却方式下花岗岩的性能变化，发现水淬冷却对岩石的退化过程有显著影响。在较低温度（25°C至400°C）范围内，水淬冷却组的P波速度和单轴抗压强度的退化率比自然冷却组高23.6%和17.6%。这表明，水淬冷却在低温度阶段对岩石的损伤积累具有增强作用。在400°C至600°C的温度区间，水淬冷却组的弹性模量退化率比自然冷却组高20.7%，这与石英的α-β相变和热冲击应力有关。在800°C时，水淬冷却组的塑性变形率（εp）达到2.24%，而自然冷却组仅为1.96%。这表明，水淬冷却显著提升了花岗岩的塑性变形能力。在1000°C至1200°C的高温区间，水淬冷却组的P波速度和弹性模量出现异常反弹，而自然冷却组的UCS在1200°C时仍保持稳定，表明高温熔融过程对岩石的性能恢复起主导作用。

研究还发现，水淬冷却组的综合损伤因子（D*）在600°C以下的温度区间表现出更高的损伤积累率，而在600°C以上，两组之间的差异逐渐缩小。这表明，600°C是一个关键的温度点，标志着损伤机制的转变。在600°C时，水淬冷却组的损伤因子达到70.92%，而自然冷却组为60.65%。这说明，水淬冷却显著增强了岩石的损伤积累效应。然而，当温度超过800°C时，两组之间的差异缩小到2.78%，表明高温熔融过程对岩石的结构重组起主导作用。

此外，研究还探讨了水淬冷却对岩石裂纹传播和声发射特性的影响。在400°C至800°C的温度区间，水淬冷却组的声发射能量衰减率比自然冷却组快23.55%，表明热-水耦合促进了弹性能量的快速释放。在1200°C时，水淬冷却组的P波速度和弹性模量出现反弹，而自然冷却组的UCS仍然保持较低水平。这表明，高温熔融过程对岩石的性能恢复具有重要意义。

研究还发现，水淬冷却对花岗岩的矿物学特性有显著影响。在600°C时，水淬冷却组的黑云母分解率比自然冷却组高33.8%，表明快速冷却加速了层状硅酸盐的退化。在1000°C时，水淬冷却组的微斜长石向三斜晶系结构的转变促进了裂纹的传播，导致岩石的机械性能退化。当温度超过1000°C时，花岗岩进入熔融阶段，所有长石矿物完全熔化，形成玻璃相，其含量超过70%。这表明，高温熔融过程对岩石的最终强度演化起主导作用。

研究还分析了水淬冷却对岩石机械性能的预测模型。通过实验数据，拟合了单轴抗压强度（UCS）、塑性变形率（εp）和弹性模量（E）与加热温度之间的关系。拟合模型显示，UCS在25°C至1200°C的温度范围内呈现出显著的退化趋势，而εp和E则在不同温度区间表现出不同的变化模式。这些模型为预测高温水淬岩石的性能变化提供了理论依据。

研究的结论表明，水淬冷却显著加剧了高温损坏花岗岩的退化。600°C是热-水耦合下岩石损伤机制转变的关键温度点。在600°C时，水淬冷却组的UCS和弹性模量退化率显著高于自然冷却组。此外，水淬冷却在高温区间（1000°C以上）促进了岩石的熔融和再构，导致性能的异常恢复。这些发现为深部高温地下工程的热保护设计提供了重要的理论支持，同时也为极端热环境下的安全管理提供了科学指导。