基于声光磁力学方法对循环热冲击对花岗岩损伤演化及断裂模式分类影响的实验与理论研究

《Journal of Building Engineering》：Experimental and theoretical investigations on the effect of cyclic thermal shocking on damage evolution and fracture mode classification in granite based on acousto-optic-magnetic-mechanical method

　　•通过声学-光学-磁性-力学联合分析方法发现，循环热冲击会显著劣化北山花岗岩，其中水冷造成的损伤最为严重，且在600℃以上会出现裂隙网络。•随着温度和热循环次数的增加，抗拉强度会明显下降；根据基于声发射的RA-AF分析、核密度估计和k均值聚类结果，破坏模式从以拉伸为主转变为拉伸-剪切混合模式。•核磁共振T2谱和横向成像显示，快速冷却会促进微裂纹相互连接以及孔隙聚合形成的裂隙系统，而缓慢冷却则更能保持结构的完整性。•循环热载荷会加速损伤积累和微裂纹的连通性，增加声发射活动，并使b值向小尺度裂纹占比更高的方向变化。•通过整合声发射、数字图像相关技术、核磁共振和扫描电子显微镜等方法，可从微裂纹萌生到宏观破坏的多尺度层面展开研究，为高温岩石工程中的冷却策略优化提供实用指导。

引言
在地热能开发、核废料深地质处置以及地下煤层气化项目中，高温环境会对岩体的稳定性和完整性带来巨大挑战[1]、[2]、[3]、[4]。在这些应用中广泛使用的花岗岩，在高温和热循环作用下会经历复杂的物理和力学变化，包括矿物脱水、相变、微裂纹产生以及强度下降等现象[5]、[6]、[7]。在煤层气化过程中，反应器内的温度通常在700至900℃之间，有时甚至可高达1500℃。这种高温会通过热传导传递给周围的岩层，使其温度上升[8]、[9]、[10]。当气化过程结束后，岩体温度会逐渐恢复到初始状态（见图1）[11]、[12]。因此，了解此类条件下的岩石热力学行为对于确保相关工程结构的安全与长期稳定性至关重要[13]、[14]、[15]。

高温处理会显著改变岩石内部孔隙和裂隙结构的演化过程。在较高温度下，不同岩性的微观结构会呈现出不同的发育规律，最终导致其宏观力学性能和承载能力大幅下降[16]、[17]、[18]、[19]、[20]。包括抗拉强度、抗压强度、变形特性、断裂行为、孔隙演化、渗透率变化、蠕变特性以及动态性能在内的各类宏观物理力学参数都会受到严重影响[21]、[22]、[23]、[24]、[25]。现有研究一致表明，温度升高通常会导致孔隙度和渗透率显著上升，同时降低强度并改变变形行为[26]、[27]、[28]、[29]、[30]。然而，目前大多数研究主要关注高温处理对岩石性质的影响，却忽视了不同冷却策略以及多次热冲击循环所起的关键作用[31]、[32]、[33]、[34]、[35]。

岩石材料的热损伤程度不仅取决于峰值温度和暴露时间，还与后续的冷却机制密切相关[36]、[37]、[38]、[39]、[40]。快速冷却方法，如水淬，可模拟灭火操作或突然处于低温环境的情况，会在材料内部产生剧烈的温度梯度和高强度的热冲击应力。相比之下，逐步冷却方式（如空气冷却或炉内冷却）能使温度更均匀地趋于平衡，从而减少结构的突然变化[41]、[42]、[43]、[44]、[45]。不同的冷却方式会导致不同的微裂纹分布模式和孔隙结构演化，进而影响岩石的剩余力学性能。此外，实际使用中的岩石结构可能会经历多次热循环，这些累积效应会进一步加剧材料的劣化[46]、[47]、[48]、[49]、[50]。

在实际工程中，高温岩石往往还会在各种冷却条件下遭受反复的热冲击，比如自然空气冷却或快速水淬[46]、[47]、[48]、[49]、[50]。这些热冲击会显著改变岩石的形态和热损伤程度。例如，在沉积岩地层中进行的地下煤层气化项目中，地下水会通过受热砂岩中的孔隙-裂隙网络不断流动，从而引发突然的冷却冲击[51]、[52]。此外，在煤层气化作业过程中，为了降温和控制反应，还会反复注入水，这可能会促使周围岩石和上覆岩层中的裂隙发生成核、生长、聚合、分叉和桥接等现象[53]。这些微观结构的变化会显著改变岩石的水力传导性和力学性能，从而对气化和采矿作业带来潜在的安全风险[54]、[55]。另外，采矿过程中产生的气体可能会与含水层流体一起通过裂隙网络扩散，增加地质污染的风险[56]、[57]。因此，评估循环加热和水冷对周围岩石及上覆岩层力学行为的影响，对于防止地下煤层气化项目中的地面沉降和地下水污染具有重要意义[58]、[59]、[60]。

尽管以往的研究已经探讨了高温对岩石性质的影响，但循环热冲击和冷却方法共同作用对花岗岩裂隙机制及微观结构演化的影响仍缺乏充分了解[61]、[62]。声发射监测技术已被证明可用于识别裂纹的萌生和扩展过程[63]、[64]、[65]，而数字图像相关技术和核磁共振技术则为评估变形和孔隙结构变化提供了无损检测手段[66]、[67]、[68]、[69]、[70]。然而，目前尚未有研究综合运用这些技术来阐明循环热冲击作用下的裂隙模式分类规律[71]、[72]、[73]、[74]、[75]。因此，系统研究在循环高温处理和冷却条件下花岗岩的热损伤及孔隙结构演化，已成为一项亟待解决的科学问题。

为填补这一研究空白，本研究采用了声发射监测、数字图像相关技术和核磁共振技术相结合的多技术方法，旨在评估在不同温度和冷却条件下的单次及循环高温处理对北山花岗岩力学性能、声发射特征及微观结构变化的影响。通过运用RA–AF分析、核密度估计、k均值聚类、b值分析以及核磁共振成像等先进分析方法，我们试图对裂隙模式进行分类，并量化损伤的演化过程。期望通过这项研究能够提升对高温环境下岩石行为预测模型的准确性，为设计高温环境下的耐用工程结构提供依据。

部分内容摘录
两个声发射指标
本研究采用声发射监测技术来跟踪岩石试样的损伤发展过程。安装在试样表面的声发射传感器可以检测到由微裂纹活动产生的信号。在监测过程中，可同时获取包括振幅、能量、撞击次数、计数、持续时间以及上升时间在内的多种声发射参数[76]。其中，有两个特定的声发射参数——RA值（上升时间/振幅比值）和AF值（平均频率）——是从声发射波形中提取出来的。

试样制备
本研究中所使用的北山花岗岩取自中国高放废物甘肃北山新处置场的一个钻孔岩芯。通过X射线衍射技术分析了花岗岩粉末样品的矿物组成，结果表明该花岗岩主要由斜长石、石英、钾长石和黑云母等矿物构成。按照国际岩石力学学会的规定，北山花岗岩经过了相应的加工处理。

荷载-位移曲线
在对花岗岩试样进行不同温度和冷却条件下的单次高温处理及循环高温处理之后，又进行了巴西劈裂试验，以此获取在不同高温热冲击条件下的花岗岩试样的荷载-位移曲线，如图11所示。由于在800℃水中冷却后的试样在受到水冲击时会发生碎裂，因此无法用于巴西劈裂试验。

利用RA与AF分析判断裂纹机制
核密度估计是一种统计学中的非参数方法，通过核平滑技术来估算随机变量的概率密度函数。本研究便采用了核密度估计方法对花岗岩试样的声发射实验结果进行分类，具体结果如图所示。与传统声发射参数分析相比，核密度估计方法能更精准地识别出AF值中浓度较高的区域。

结论
通过对北山花岗岩在不同冷却条件下的单次及循环高温处理过程中的热力学和微观结构行为进行综合实验研究，得出以下结论：
(1)温度和冷却速率是决定花岗岩性能退化的关键因素。高温会导致质量损失、体积膨胀以及密度降低，而573℃以上的石英α–β相变则会加速微裂纹的产生。

作者贡献说明
赵彦林：撰写——审阅与编辑。王伟军：方法论、研究实施、概念构建。吴秋红：软件应用、数据整理。万文：验证、正式分析。连帅龙：撰写——初稿撰写。黄静静：可视化处理。

数据可用性说明
如需获取数据，可向通讯作者（[e-mail]）提出合理请求后获取。

利益冲突声明
作者声明在本研究中不存在任何利益冲突。

声明无利益冲突
作者声明在本研究中没有利益冲突。我们确认自己与此项研究无关，不存在任何可能构成利益冲突的商业或关联利益。

致谢
本研究得到了国家自然科学基金（项目编号：52274118、52574143和52274194）、湖南科技大学校级科研启动项目（E52454）、湖南省教育厅科学研究项目（24C0224）、湖南省教育厅重点项目（22A0337）以及湖南省自然科学基金（项目编号：2023JJ50232和2024JJ5151）的支持。

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