温度冲击对花岗岩动态拉伸力学性能的影响

doi:10.11872/j.issn.1005-2518.2021.04.156

温度冲击对花岗岩动态拉伸力学性能的影响

李柏锦^,¹, 李响¹^,², 王彦^,³, 尹土兵¹, 李夕兵¹

1.中南大学资源与安全工程学院，湖南长沙 410083

2.中山大学土木工程学院，广东珠海 519082

3.中南大学机电工程学院，湖南长沙 410012

Effect of Thermal Shock on the Dynamic Tensile Mechanical Behavior of Granite

LI Baijin^,¹, LI Xiang¹^,², WANG Yan^,³, YIN Tubing¹, LI Xibing¹

1.School of Resources and Safety Engineering，Central South University，Changsha 410083，Hunan，China

2.School of Civil Engineering，Sun Yat-sen University，Zhuhai 519082，Guangdong，China

3.School of Mechanical and Electrical Engineering，Central South University，Changsha 410012，Hunan，China

通讯作者: 王彦（1986-），女，四川成都人，副教授，从事仿真和优化、微结构制造等研究工作。wangyancumt@163.com

收稿日期: 2020-08-31 修回日期: 2020-12-30 网络出版日期: 2021-10-08

基金资助:

国家自然科学基金项目“深部资源开采诱发岩体动力灾害机理与防控方法研究”.  41630642
“开采扰动下深部工程结构的动态响应机理”.  11972378
“深部高温高应力岩石动态断裂特征及微观破裂机理”.  51774325

Received: 2020-08-31 Revised: 2020-12-30 Online: 2021-10-08

作者简介 About authors

李柏锦（1996-），男，云南昆明人，硕士研究生，从事岩石力学研究工作877195718@qq.com , E-mail：877195718@qq.com

摘要

在特定情况下，岩体工程中的岩石会经历温度快速变化（温度冲击），因此研究温度冲击对岩石的影响对实际工程中岩体的稳定性分析有重要意义。通过将花岗岩试件加热至3种高温（200，400，600 ℃），并采用3种方法冷却，研究了温度冲击对花岗岩物理性质的影响；使用分离式霍普金森压杆研究了温度冲击对花岗岩动态拉伸特性的影响，发现其动态拉伸强度随加热温度和冷却速率的增大而减小；使用高速摄影仪记录试件拉伸破坏时的裂纹形态，结合碎块形态，分析温度冲击对花岗岩的损伤程度，得出200 ℃加热条件下花岗岩不产生温度冲击，而在400 ℃和600 ℃加热条件下，花岗岩损伤程度随加热温度和冷却速率的增大而增大。

关键词： 花岗岩 ; 温度冲击 ; 冷却速率 ; 霍普金森杆 ; 动态拉伸强度 ; 高速摄影

Abstract

Under certain conditions，such as the drilling surrounding rock cooled by drilling fluid in geothermal development，the surrounding rock rapid cooled in the process of extinguishing the fire，rock in rock mass engineering will experience rapid temperature change（thermal shock）.Therefore the study of thermal shock in rocks is of great significance for stability analysis of rock structure affected by thermal shock.Granite specimens were heated to the high temperatures of 200 ℃，400 ℃ and 600 ℃，and then cooled by three methods of water cooling，air cooling and cooling in the stove.The physical properties such as dry density，P-wave velocity，porosity of granite after distinctive thermal shock were measured.The dry density and porosity were measured with buoyancy techniques.The P-wave velocity was measured by a non-destructive ultrasonic detector.As the heating level and cooling rate rise，the dry density and P-wave velocity present a descending trend，and the porosity presents an ascending trend.The damage degree of granite increases with the increase of heating temperature and cooling rate.The dynamic tensile tests were performed on the specimens after distinctive thermal shock treatment utilizing the split Hopkinson pressure bar system.The dynamic tensile strength of granite heated at 600 ℃ is less than that of granite heated at 400 ℃ and 200 ℃，and the dynamic tensile strength of water-cooled granite is less than that of air-cooled and stove-cooled granite.The damage degree of the granite caused by thermal shock was analyzed by the crack morphology of the specimens recorded by high-speed photography during the tensile failure and the morphology of the broken pieces after failure.The results show that the damage degree of granite increases with the increase of heating level and cooling rate.Scanning electron microscopy （SEM） was used to identify the microcosmic damage and fracture characteristics of granite caused by thermal shock.There are two kinds of characteristic fracture morphology of thermal shock were observed on the specimens after heated at 400 ℃ and 600 ℃ （both air-cooled and water-cooled conditions）.However，neither fracture morphology can be found at 200 ℃ （including 3 kinds of cooling conditions）.Therefore，there is no thermal shock at 200 ℃；When the heating level reaches 400 ℃，the granite is damaged by high temperature and thermal shock.When the heating level reaches 600 ℃，the granite is badly damaged.And the damage degree of granite increases with the increase of heating temperature and cooling rate.This study can provide theoretical basis for the analysis of thermal shock damage and the evaluation of rock mass stability after high temperature disaster in practical engineering.

Keywords： granite ; thermal shock ; cooling rate ; split Hopkinson pressure bar ; dynamic tensile strength ; high-speed photography

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本文引用格式

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 doi:10.11872/j.issn.1005-2518.2021.04.156

LI Baijin, LI Xiang, WANG Yan, YIN Tubing, LI Xibing. Effect of Thermal Shock on the Dynamic Tensile Mechanical Behavior of Granite[J]. Gold Science and Technology, 2021, 29(4): 545-554 doi:10.11872/j.issn.1005-2518.2021.04.156

随着科技的快速发展以及人们对矿产资源需求的增加，地下工程逐步向深部发展，很多矿山已进入深部开采阶段。截至2005年，世界上开采深度超过千米的矿山已近百座（王新民等，2005），部分石油钻井深度超过10 000 m，其中Odoptu OP-11钻井深度已达到12 345 m（Wire，2011）。随着矿山开采深度的增加，地下工程中的岩体处于高地温、高地压和开采扰动等复杂地质环境之中。作为地下岩体工程的主要承载体，岩石在高温、高压以及冲击荷载影响下的力学性能对深部资源的安全开采至关重要。此外，岩土工程中的岩石材料还可能会经历温度的快速变化过程，例如地热开发中钻井围岩在钻井液的影响下快速降温的过程，矿山巷道遭遇火灾等突发性高温灾害的情况，以及灭火过程中围岩的快速冷却过程等。岩石内部温度急剧变化会产生温度应力，进而对岩石造成损伤，这个过程称为温度冲击（Richter et al.，1974；Hall et al.，2014；Memari et al.，2019）。

目前，国内外学者就高温对岩石力学性能的影响开展了广泛研究。吴豪等（2019）、杜守继等（2004）、Ozguven et al.（2014）、Liu et al.（2014）和Yin et al.（2015，2016a，2016b）研究了加热温度对不同岩石静态力学性能的影响；万璋（2017）研究了加热温度对岩石动态力学性能的影响。Wang et al.（2016，2017）和Yin et al.（2018）研究了花岗岩循环加热和冷却处理后的动态拉伸、压缩性能和Ⅰ型断裂韧度。Sirdesai et al.（2017）研究了不同热处理时间对红砂岩静态拉伸强度的影响。

然而，关于岩石中温度冲击的相关研究十分有限。郤保平等（2020）和Han et al.（2019）研究了高温花岗岩在不同温度水中快速冷却后的静态力学性质，发现热冲击作用下冷却介质温度越低则花岗岩的静态强度越低。黄中伟等（2019）研究了液氮冷却对高温花岗岩静态力学性质的影响。Huang et al.（2020）研究了温度冲击在单轴压缩条件下对预裂花岗岩试件强度和断裂行为的影响。Zhao et al.（2018）对经过温度冲击后的花岗岩试件进行了巴西劈裂试验，研究了晶粒尺寸对温度冲击损伤效应的影响。Li et al.（2019）研究了温度冲击对花岗岩Ⅰ型和Ⅱ型断裂韧度的影响。综上，涉及岩石类材料温度冲击的研究多集中于岩石的静态力学性能，且上述关于温度冲击的文献均未给出详细的温度变化速率，这对定量描述温度冲击在岩石中的作用效果造成了困难，使得对温度冲击在岩石材料中作用机理的认识仍不够深入。

鉴于以上原因，同时考虑到工程岩体经常受到爆破作业、机械化施工和地震等冲击荷载的影响，并且岩石材料常因受拉伸应力的作用而破坏（Wang et al.，2009），本文对经受温度冲击后的岩石材料的动态拉伸性能开展研究。采用不同的加热温度和降温方式对花岗岩试件进行温度冲击处理，使用分离式霍普金森压杆系统对花岗岩试件开展动态力学试验，得到了不同的温度冲击对花岗岩动态拉伸强度的影响规律。使用高速摄影仪记录冲击试验中裂纹的扩展形式，结合破坏后的碎片形态，评估不同温度冲击对花岗岩造成的损伤程度。利用扫描电镜观测温度冲击对花岗岩切片微观形貌，讨论了花岗岩内部发生温度冲击的条件。

1 试件制备及温度冲击处理

试验所采用的岩石材料为花岗岩，所有试件均取自湖南省汨罗市黄柏镇黄柏采石场的一块完整花岗岩岩体，加工成巴西圆盘试件（直径为50 mm，厚度为25 mm）［图1（a）］，试件加工过程满足国际岩石力学学会建议方法的要求，圆盘表面没有明显的裂纹，厚度误差在±0.025 mm范围内。对所取岩样进行的薄片分析结果显示，本文所用花岗岩材料的成分为长石（55%）、石英（35%）、黑云母（6%）、白云母（3%）和不透明矿物（1%）［图1（b）］。

图1

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图1 巴西圆盘试件及其显微照片

Qtz-石英；Pl-斜长石；Bt-黑云母；Ms-白云母

Fig.1 Brazil disk specimen and micrographs

共有80个花岗岩圆盘试件用于温度冲击处理及动态冲击试验，平均划分为10组（每组8个），其中的9组试件被分别加热至3个温度等级（200，400，600 ℃）且用3种不同的方式冷却，另设置1组没有温度处理的试件作为对照组，分组方法如表1所示。

表1 试件温度处理分类

Table 1 Classification of temperature treatment sample

冷却方式	加热等级及试件分组
冷却方式	200 ℃	400 ℃	600 ℃	对照组（无温度处理）
炉内冷却	8个试件	8个试件	8个试件
空气冷却	8个试件	8个试件	8个试件	8个试件
水中冷却	8个试件	8个试件	8个试件

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在温度冲击处理前，对所有试件进行纵波（P波）检测，确定纵波波速无明显差异，以保证试件的一致性。采用长沙市长城电炉厂生产的电阻式加热炉（型号：KSY-12-T）对花岗岩试样进行加热，见图2（a）。加热时，所有试件在加热炉内以5 ℃/min的速率加热到预定的高温，然后保持该温度2 h，使试件受热均匀。接下来分别采用炉内冷却、空气冷却和水中冷却3种方法冷却高温试件。（1）炉内冷却：关闭加热炉电源，使试件以缓慢的速度冷却（无温度冲击）；（2）空气冷却：把试件放置在常温环境中，直到温度降至常温；（3）水中冷却：将试件浸泡在常温水中（25 ℃），直到试件温度降至常温，如图2（b）所示。

图2

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图2 加热炉与水中冷却示意图

Fig.2 Stove and schematic diagram of water cooling

在加热过程中，每60 s读取并记录加热炉内部的测温计读数；在冷却过程中，使用红外线温度计（深圳华谊仪表科技有限公司生产，型号：PM6530D）对试件的温度进行测量，其中炉内冷却和空气冷却每60 s测量一次，水中冷却每30 s测量一次，得到加热及冷却过程中试件的温度变化如图3所示。

图3

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图3 试件温度变化图

Fig.3 Temperature variation diagram of specimens

由图3可知，在加热过程中，温度以5 ℃/min的速度均匀上升；炉内冷却、空气冷却和水中冷却的平均冷却速率分别为0.42，30.14，167.40 ℃/min。Richter et al.（1974）研究认为，对岩石材料造成温度冲击的降温速率阈值为2 ℃/min，当温度变化速率大于等于2 ℃/min时，岩石会受到温度冲击。因此，在本次试验中采用空气冷却和水中冷却的花岗岩试件受到了温度冲击的作用，而炉内冷却试件没有受到温度冲击的影响。

2 温度冲击后花岗岩的物理性质

为了解温度冲击对花岗岩物理性质的影响规律，进而判断不同温度变化速率下的温度冲击对花岗岩的损伤效应，对经过温度处理后的岩石试件的孔隙度、纵波速度和干密度等基本物理参数进行了测量。其中，孔隙度和干密度采用浮力法测量（ISRM，1979），纵波速度采用波速仪（湘潭市天鸿电子研究所生产；型号：HS-YS4A）测量。10组试件的物理性质参数的平均值如图4所示。

图4

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图4 温度冲击处理后花岗岩物理性质变化规律

Fig.4 Variation law of physical properties of granite after temperature shock treatment

由图4（a）可知，孔隙度随着加热温度和冷却速率的升高而降低。当温度为200 ℃时，试件孔隙度无明显变化；当温度升高至400 ℃时，试件孔隙度明显增大；当温度升高至600 ℃时，孔隙度增大至原有孔隙度（未处理试件）的3~4倍，并且在相同加热温度下，冷却速率较高的试件有着更大的孔隙度。

由图4（b）、4（c）可知，纵波波速、干密度与孔隙度的变化趋势恰好相反。当温度为200 ℃时，纵波波速和干密度与无处理试件相比没有明显区别；当温度升高至400 ℃时，纵波波速和干密度开始减小；当温度升高至600 ℃时，纵波波速约为未处理试件的1/3，干密度也明显减小；相比空气冷却与炉内冷却试件，水中冷却试件的纵波波速和干密度更小。

由于孔隙度和纵波波速与岩石的完整性相关，是衡量岩石性质的重要参数，能反映出不同温度冲击对花岗岩造成的损伤程度。即：岩石孔隙度越大，纵波波速越小，则岩石受损伤程度越大。因此，测试结果（图4）说明当温度较低（200 ℃）时，花岗岩试件没有受到明显损伤；当温度升高至400 ℃时，花岗岩受到高温和冷却冲击而受损；当温度升高至600 ℃时，花岗岩受损严重，且损伤程度随冷却速率的增大而增大。

3 动态加载测试

3.1 分离式霍普金森杆系统

利用改进的分离式霍普金森杆系统（SHPB）对温度冲击后的试件进行动态拉伸试验（Zhou et al.，2011；Zhao et al.，2000）。如图5所示，试验系统的加载装置包括气枪、纺锤形冲头、入射杆、透射杆、吸收杆和数据处理系统。杆件采用高强度⁴⁰Cr合金制成，密度为7 821 kg/m³，弹性模量为233 GPa，屈服强度为800 MPa。杆件直径为50 mm，入射杆长度为2 000 mm，透射杆长度为1 500 mm，吸收杆长度为500 mm。在入射杆和透射杆上分别安装一个应变片，用以接收杆上的应变信号。试验开始时，冲头撞击入射杆，在入射杆内产生半正弦波，部分波在入射杆与试件的接触面上反射，其余波通过试件到达透射杆。同时，杆件的应变通过应变片和应变仪被示波器所记录，再传输至电脑进行分析。

图5

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图5 霍普金森杆系统

Fig.5 Split Hopkinson Pressure Bar system

根据一维应力波传播理论，试件两侧的加载力P₁和P₂可由下式计算（Dai et al.，2010）：

P_{1} = E A [ε_{I} (t) + ε_{R} (t)]

（1）

P_{2} = E A ε_{T} (t)

（2）

式中：A和E分别表示杆的横截面积和杨氏模量；ε_I、ε_R和ε_T分别表示入射波、反射波和透射波；t为时间。当试件两端应力相等时，试件所受压力P为

P = P_{1} = P_{2} = E A ε_{T} (t)

（3）

根据上式所得到的试件压力P可求得动态拉伸应力σ_t为

σ_{t} = \frac{2 P}{π H D}

（4）

式中：H为试件厚度；D为试件直径。动态拉伸强度则为该动态拉伸应力的最大值。由式（4）可得到试验中动态拉应力的历史值。图6所示为一个典型的动态间接拉伸加载历史，可以看到在80~90 μs之间的区域有一段平稳的加载区间，该段区间内的斜率可作为试验的加载率，表示为 ${\dot{σ}}_{t}$ 。如图6所示，试验的加载率为257 GPa/s。

图6

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图6 应力加载历史图

Fig.6 Diagram of stress loading history

3.2 温度冲击后花岗岩的动态拉伸特性

使用霍普金森杆对不同温度冲击处理后的花岗岩试件进行了动态拉伸强度测试，试验结果如图7所示。图中标记点为霍普金森杆所测数据，实线为花岗岩在特定加载率区间内的拟合强度。花岗岩动态拉伸强度体现出了动态加载率效应，即强度值随加载率的升高而升高（Fuenkajorn et al.，2010）。

图7

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图7 不同温度冲击条件下花岗岩动态拉伸特性

Fig.7 Dynamic tensile properties of granite under different thermal shock conditions

由图7（a）~7（c）可知，在相同的冷却方式下，花岗岩拉伸强度随着加热温度的升高而降低，但这种降低现象在200~400 ℃之间不明显。加热温度为200 ℃时，其拟合强度略低于未处理试件的拟合强度，加热至400 ℃时花岗岩的拟合强度也略低于200 ℃试件的拟合强度；加热至600 ℃时花岗岩的拟合强度明显低于400 ℃试件的拟合强度，这种现象在3种冷却方式下都能观察到［图7（a）~7（c）］。

图7（d）~7（f）分别为在相同加热温度、不同冷却方式下岩石动态拉伸强度值的变化规律。由图可知：当加热温度为200 ℃时，3种冷却方式下试件的动态拉伸强度区别不明显，且与未处理试件接近；当加热温度为400 ℃时，不同冷却方式下试件的动态拉伸强度开始出现差异，水中冷却试件强度低于空气冷却和炉内冷却试件强度［图7（e）］；当加热温度为600 ℃时，水中冷却方式下试件的强度明显低于空气冷却和炉内冷却试件的强度［图7（f）］。这表明花岗岩动态拉伸强度随冷却速率的升高而降低。

值得注意的是，花岗岩试件加热至600 ℃后的拟合强度曲线与加热至400 ℃后的拟合强度曲线之间的距离，大于加热至400 ℃后的拟合强度曲线与加热至200 ℃后的拟合强度曲线之间的距离［图7（a）~7（c）］。例如图7（a）中，加热至600 ℃后经炉内冷却的试件强度与加热至400 ℃后经炉内冷却的试件强度差别较大，而加热至400 ℃后经炉内冷却的试件强度与加热至200 ℃后经炉内冷却的试件强度差别较小。造成这种现象的可能原因是当温度升高至573 ℃时，花岗岩内的石英发生α-β的相变，这种内部结构的变化加剧了花岗岩的损伤程度（Dolino et al.，1982）。

4 高速摄影与碎片分析

为了分析不同温度冲击对花岗岩造成损伤的程度，阐明温度冲击对花岗岩材料的作用机理，利用高速摄影仪（日本Photron公司生产；型号：FASTCAM SA1.1）对动态冲击试验过程中试件的裂缝扩展形态进行了捕捉记录。摄影仪器使用的拍摄帧数为54 000 帧/s，快门速度为1/54 000 s。不同温度冲击后的花岗岩在动态冲击试验中的裂纹形态如图8所示，动态冲击试验后试件碎块如图9所示（冲击试验均采用0.5 MPa冲击气压）。

图8

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图8 花岗岩试件在冲击试验中的裂纹形态（高速摄影）

Fig.8 Crack morphology of granites specimen in the dynamic impact tests（high-speed photography）

图9

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图9 不同温度冲击处理的花岗岩试件在动态冲击试验后的碎片形态

Fig.9 Morphology of the broken pieces of granite specimen treated with different thermal shock after dynamic impact tests

如图8和图9所示，当经200 ℃高温加热的试件受到冲击时，试件沿冲击方向产生一条贯穿的裂缝，在裂缝两端出现几条微小裂纹，裂纹互相连通，从而在试件两端形成较小的三角形缺口，试件被分为大致相同的2个部分，该结果与无温度处理的试件类似。

当经400 ℃高温加热的试件受到冲击时，试件两端出现的微小裂纹数量变多，形成了较大的三角形缺口（与200 ℃对比），且水中冷却试件两端缺口略大于空气冷却与炉内冷却试件两端缺口。当经600 ℃高温加热的试件受到冲击时，试件中部贯穿裂纹走势变得更加曲折，说明发生了较多的沿晶破坏，冲击过程中试件两端出现较多微小裂隙，破坏后两端缺口尺寸更大。水中冷却试件经冲击试验后被分解为多块不规则体，空气冷却试件两端缺口也大于炉内冷却试件两端缺口。

根据以上观测结果，当加热温度为200 ℃时，温度对花岗岩没有明显的损伤效应，且水中冷却和空气冷却产生的温度冲击没有对花岗岩造成明显损伤。当加热温度升高至400 ℃时，温度冲击对花岗岩的损伤效应开始显现，且水中冷却造成的温度冲击损伤大于空气冷却造成的温度冲击损伤。当加热温度升高至600 ℃时，温度冲击造成的损伤效应更加明显，其中，水中冷却的试件受到严重损伤，且直接被分解为多块不规则体，空气冷却试件受损伤程度也大于炉内冷却试件受损伤程度。据此可知，随着加热温度和降温速率的升高，花岗岩受损伤程度增大。

5 讨论

目前对岩石类材料温度冲击的相关研究还处于起步阶段，对造成温度冲击的温度变化率阈值并没有一个统一的认识。温度冲击的发生可由特殊的裂纹形式来验证：Hall et al.（2014）提出了温度冲击产生的2种典型的裂缝形态，即正交裂缝和多边形裂缝，如图10（a）和图10（b）所示。对加热至400 ℃和600 ℃并经水中冷却和空气冷却的试件进行电子显微观测，均发现了这2种裂纹形式（炉内冷却试件上未发现该类裂纹），电子显微镜下观测到的裂纹形式如图10（c）、10（d）所示，证实了本研究中的温度处理对花岗岩造成了温度冲击。

图10

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图10 温度冲击后试件的裂纹形态

（a）、（b）Hall et al.（2014）发现的温度冲击所产生的正交裂缝和多边形裂缝；（c）、（d）本次试验涉及温度冲击的试件中发现的正交裂缝和多边形裂缝

Fig.10 Crack morphology of granite specimen after thermal shock

值得注意的是，在较低的加热条件（200 ℃）下，无论采用水中冷却还是空气冷却，试件中都没有发现该类裂缝，并且当加热温度为200 ℃时，经3种方式冷却后的试件的物理性质差别很小，所以在较低的温度（如：200 ℃）下冷却时，岩石中没有产生温度冲击作用。

6 结论

（1）随着冷却速率（相同加热温度下）或加热温度的升高（相同冷却方式下），花岗岩的孔隙度增加，干密度和纵波波速下降，动态拉伸强度也随之降低。当加热温度达到600 ℃时，花岗岩的受损伤程度远大于其他温度下的受损伤程度。出现上述现象的原因可能是：当温度升高至573 ℃时，花岗岩内部的石英发生α-β的相变，石英内部结构的变化进一步加剧了花岗岩的受损。

（2）受冲击荷载破坏时，岩石试件两端裂纹随着加热温度和冷却速率的升高而增多，受温度冲击后试件碎片两端的缺口也随之增大（600 ℃水中冷却试件被直接分解为多块碎片）。这表明，花岗岩受损伤程度随着加热温度和冷却速率的增大而增大。

（3）在加热温度为400 ℃和600 ℃，经水中冷却和空气冷却的试件中发现了温度冲击的裂隙特征；在200 ℃加热冷却后的试件中没有发现该特征且3种方式冷却后试件的物理、力学性质没有明显区别，因此，在200 ℃加热水平下没有产生温度冲击。

综上，当加热温度为200 ℃时，花岗岩试件没有受到温度冲击的影响；当加热温度达到400 ℃时，温度冲击的损伤效应开始增强；当温度升高至600 ℃时，试件物理、力学性质发生较大变化，温度与温度冲击对花岗岩造成的损伤效果显著。

http://www.goldsci.ac.cn/article/2021/1005-2518/1005-2518-2021-29-4-545.shtml

参考文献

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被引期刊影响因子

[]

Dai

，Huang

，Xia

，al

，2010.

Some fundamental issues in dynamic compression and tension tests of rocks using split Hopkinson pressure bar

［J］.Rock Mechanics and Rock Engineering，43（6）：657-666.