随着世界经济的快速发展，地球浅层资源已经无法满足人类的建设需求，资源的开发利用正逐步向地球深部发展（谢和平，2017；何满潮等，2010）。随着地层深度的不断延伸，地温大致以30~50 ℃/km的梯度升高，在导热率高的地区，甚至达到200 ℃/km（谢和平等，2015）。在这种高温环境中，岩体的力学、变形性质与常温环境存在较大差别，无法用现有的岩石力学知识进行描述，因此高温在深部工程中引发的灾害难以被预测，这也给深部开采增加了困难（何满潮等，2005）。事实上，岩石工程中高温岩体并非一直处于恒温状态，而可能会经历急剧的温度变化，这种温度上快速改变的过程被定义为热冲击现象（Hall et al.，2014；Kingery，1955）。例如：深部钻探中钻井液对围岩的降温、地热开采中注入冷水来提高采热率以及隧道或矿山火灾中灭火过程（唐世斌等，2018；王君等，2016）均涉及岩石的热冲击。因此，开展高温岩石热冲击研究在深地资源安全高效开发及岩石工程高温灾害评估中有着重要的理论与工程实际意义。

目前，国际上很多学者已经开始关注高温对岩石物理、力学性能的影响，在岩石力学领域围绕岩石热冲击产出了一些研究成果，例如：Brotons et al.（2013）将高温石灰岩分别在空气和水中进行降温，分析2种降温方式下石灰岩力学性能的变化情况。Liu et al.（2020）则对高温花岗岩进行了室温空气降温和水浴降温，发现水浴降温可以显著降低花岗岩的强度并产生明显裂纹。黄真萍等（2016）对大理岩进行温度处理，将高温大理岩分别浸入水中和置于自然空气中冷却，分析对比其纵波波速、峰值强度和切线弹模。Li et al.（2019，2020）选用水和空气作为冷却介质对高温花岗岩进行快速降温，对热冲击处理后的岩样进行断裂韧度试验和冲击试验，结果表明同一温度级别下水中降温的岩石试样的断裂韧度和动态力学性能均低于空气中降温的试样。Li et al.（2020）和Wu et al.（2019）将液氮引入热冲击试验中，利用液氮本身超低温的特性进一步验证了快速降温会恶化高温岩石的强度。但以上研究均存在一个共同的问题，即利用不同的冷却介质提供不同的降温速率，因此无法避免冷却介质本身的性质对岩石损伤带来的影响。因此，学者们开始在试验中选用同一种冷却介质，通过改变冷却介质的温度为高温岩石提供不同的降温速率。例如：Shen et al.（2019）利用氯化钙溶液凝固点低的特性，制备了20 ℃、0 ℃和-30 ℃的制冷剂，分别倒入高温花岗岩上方加工好的孔洞中进行快速降温，发现较低温度的制冷剂造成的热冲击会产生更多更宽的微裂纹，提高岩石的渗透性。成泽鹏等（2021）则直接将水加热，制备了20 ℃、60 ℃和100 ℃的水对高温花岗岩进行热冲击处理，试验结果表明：热冲击提高了岩石渗透率，且与冷却介质、岩石的温差和对流换热系数相关。

本文选用氯化钙溶液作为唯一的冷却介质，制备-20 ℃、20 ℃和60 ℃的氯化钙溶液对高温花岗岩进行降温，测试其物理性能和Ⅰ型、Ⅱ型断裂韧度，并对损伤机理进行分析，研究不同温度变化率对花岗岩Ⅰ型、Ⅱ型断裂韧度的影响，研究结果可为高温岩石工程的安全评价提供参考。

本试验中所用的花岗岩试样采自湖南省汨罗市，为中颗粒花岗岩，由同一块完整岩体加工而成，表面无明显纹理，整体性和均匀性良好。岩样薄片分析显示，该花岗岩是由石英（44%）、钾长石（39%）、斜长石（9%）、黑云母（6%）、绿泥石（1%）和不透明矿物（1%）组成［图1（a）］。由于后续采用中心直裂纹圆盘进行劈裂试验获取断裂韧度（Li et al.，2019），因此将花岗岩试样加工成直径75 mm、厚度25 mm的大圆盘，中心预制裂纹长度25 mm、宽度1 mm［图1（b）］。

在热冲击试验中，以5 ℃/min的升温速率在KSY-12-T型电阻式加热炉内将花岗岩试样进行加热［图2（a）］，加热等级分别为200 ℃、400 ℃和600 ℃，到达预设温度后保温2 h以确保试样内外部温度均匀，随后将高温试样浸入制备好的制冷剂进行快速降温，直到试样的温度降至室温［（20±5）℃）］后取出。本试验共制备3个温度级别（60 ℃、20 ℃和 -20 ℃）的氯化钙溶液作为制冷剂，可为高温花岗岩提供3种不同速率下的降温，即3种不同程度的热冲击。在3种加热等级和3种降温方式组合的9种试验组中，每组采用3个试样进行试验，试验结果取3个试样的平均值（表1，图4）。在制冷剂的制备过程中，利用DT-3891G型接触式热电偶测温仪实时测温，以确保制冷液温度达到设计值［图2（b）~2（d）。在降温阶段，利用热电偶测温仪对试样温度进行实时监测，当使用-20 ℃和20 ℃的氯化钙溶液进行降温时，在确保试样降至室温水平后即取出；当使用60 ℃的氯化钙溶液进行降温时，待试件降温至与制冷液相同温度后取出，置于室内缓慢降温至室温。

在热处理过程前后对花岗岩试样的物理性质（干密度、孔隙率和纵波波速）进行测定，采用国际岩石力学学会建议的浮力法获得岩样的干密度和孔隙率（Franklin et al.，1979），使用HS-YS4A型岩石声波测试仪获得岩样的纵波波速。然后，使用MTS322T型工作台试验机对热处理过的试样进行力学试验（图3），加载速率为0.2 mm/min，根据获得的峰值强度计算试样的Ⅰ型、Ⅱ型断裂韧度。

岩石损伤的表现形式为孔隙、微裂隙的张开和扩展，这会影响到岩石干密度、孔隙率和纵波波速的变化，分析热冲击前后花岗岩试样物理性质的变化有助于判断损伤情况。利用上述方法对试样干密度、孔隙率和纵波波速进行测定，获得的每组试验结果的平均值如表1和图4所示，其中试样湿度为25 ℃代表室温下花岗岩的初始物理性质的平均值。

试验结果表明，最高加热温度对花岗岩物理性质的影响十分显著。以孔隙率为例，200 ℃的花岗岩经过-20 ℃、20 ℃和60 ℃制冷液降温后孔隙率分别为0.696%、0.656%和0.603%，而400 ℃的花岗岩的对应数据为1.313%、1.288%和1.268%，600 ℃的花岗岩的对应数据为3.776%、3.752%和3.735%。不同最高加热温度条件下的试样孔隙率存在较大差异，这与高温对花岗岩造成的热损伤有关。为避免最高加热温度的影响，将各高温下所得试验数据单独绘图讨论。在同一温度级别中，随着制冷液与花岗岩之间温差的增大，花岗岩试样的干密度和纵波波速逐渐减小，而孔隙率则随之增大，变化趋势趋于线性。此外，对比同一物理性质随制冷液与花岗岩温差变化趋势图［干密度如图4（a）~4（c），孔隙率如图4（d）~4（f），纵波波速如图4（g）~4（i）］可知，随着加热温度的升高，图中折线的整体斜率明显减小，即各物理性质受制冷液与花岗岩温差变化的影响在减小，说明试验中最高加热温度在花岗岩中造成的损伤对断裂韧性的影响大于3种降温速率的影响。3项物理性质的变化均与试样中孔隙和微裂隙的张开和扩展有关，孔隙微裂隙的增大会直接导致孔隙率的增大和干密度的减小，而纵波在固体中的传播速度快于在液体和气体中的传播速度，孔隙微裂隙会减缓纵波在岩石中的传播速度。

上述结果说明经快速降温的花岗岩遭受了热冲击损伤，且损伤程度随制冷液与花岗岩之间温差的增加而增大，即较大降温速率下的热冲击会加重花岗岩损伤。

经查阅国内外大量文献资料，关于岩石断裂韧性测试方法有很多，所选用试样包括中心直裂纹半圆盘试样（Kuruppu et al.，2014）、中心人字形切槽圆盘试样（Fowell，1995）和中心直裂纹圆盘试样（Atkinson et al.，1982）等，本文选用中心直裂纹圆盘试样进行测试。利用特制的夹具固定试样，进行劈裂试验（图3），获取峰值加载力，从而获得Ⅰ型断裂的应力强度因子K_I和Ⅱ型断裂的应力强度因子K_II（Atkinson et al.，1982），其表达式分别为：

式中：P为峰值加载力，a为半裂纹的长度，R为试样的半径，B为试样的厚度，N_I和N_II为2个无量纲的系数，其与试样的尺寸大小及力学试验中加载方向相关，具体计算公式如下：

式中：α=a/R=12.5/37.5=0.33，系数A1i,A2i和fji（j=1，2；i=1，2，…n）的计算公式如下：

式中：θ表示加载方向和裂纹方向中间的夹角，系数cj1和cj2 （j=1，2）的计算公式如下：

由以上公式计算可得，当θ=0°时，N_I=1.1647，N_II=0，此时为纯Ⅰ型加载；当θ≈26.7°时，N_I≈0，N_II≈1.8967，此时为纯Ⅱ型加载。

根据力学试验中获取的峰值加载力，通过上述公式计算获取的花岗岩Ⅰ型和Ⅱ型断裂韧度值的平均值见表1，由表1中的数据绘制的变化规律如图5所示。

试验结果表明，在同一温度级别下，花岗岩的Ⅰ型、Ⅱ型断裂韧度值均随制冷液温度的降低呈下降趋势，且下降趋势趋于线性。各温度级别下花岗岩Ⅰ型、Ⅱ型断裂韧度均在制冷液温度为-20 ℃时达到最低值，这是由于此时试样与制冷液温差最大，更大的温差提高了降温速率，使得试样遭受到更强烈的热冲击。根据图中散点绘制线性拟合曲线，拟合公式如下：

式中：K_IC为Ⅰ型断裂韧度；K_IIC为Ⅱ型断裂韧度；T为制冷液的温度。式（12）~式（17）的相关系数R²分别是0.99、0.98、1.00、0.94、0.93和1.00，说明线性回归曲线吻合度较高，具有良好的准确性。

国内外学者提出的关于温度应力对岩石造成损伤的机理主要包括2个方面（唐世斌等，2018）：一是岩石本身是非均质的，不同矿物的线膨胀系数不同，在升温、降温过程中变形不协调，会引起矿物颗粒间的拉压应力；二是在升温、降温过程中岩石内部的温度梯度同样会产生变形不协调的现象，导致内部出现拉应力。岩石的非均质性是其天然特性，利用理论分析进行精确的描述比较困难，需要借助数值模拟方法从微细观尺度进行分析。本文主要分析温度梯度所产生的温度应力：高温花岗岩浸入制冷液后，花岗岩外部会发生快速降温，与制冷液进行热交换迅速达到同一温度水平，而岩石材料本身导热性能较差，内部降温较为缓慢，因此花岗岩由内到外温度逐步降低形成鲜明的温度梯度。花岗岩是一种脆性的岩石材料，温度梯度产生的拉应力会使花岗岩内部的孔隙微裂隙张开和扩展，从而造成损伤。Collin et al.（2000）提出了关于脆性材料经历热冲击时内部产生的最大拉应力的公式：

式中：E为材料的弹性模量；α为热膨胀系数；μ为泊松比；∆T为材料与冷却介质之间的温差；h为材料表面与传热介质之间的传热系数；k为材料的导热系数。系数a，b，c，d分别为3.15、1.33、0.266和51.4。试验所采用的花岗岩试样取自同一完整岩体，不同岩样之间矿物成分的均匀性较好，试样的弹性模量、热膨胀系数、泊松比和导热系数大致相同，对计算结果的浮动影响较小。此外，冷却介质统一使用氯化钙溶液，使得材料表面与传热介质之间的传热系数保持一致。因此，热冲击产生的最大拉应力的变化仅受岩石材料与氯化钙溶液之间的温差控制，较大的温差造成更快速降温，会产生更大的拉应力，从而引起花岗岩更严重的损伤。本研究利用不同温度的冷却介质为加热至不同高温的花岗岩进行降温，在降温过程中使岩样表面产生不同的降温速率，岩样内部具有不同的温度梯度分布，因此其后获得的断裂韧度参数体现了不同温度梯度分布下岩石的热损伤对其力学性能的影响，而不同温度梯度下岩样内部的最大拉应力受岩样与冷却介质之间温差这一单一变量的控制。式（18）也说明最大拉应力与温差的关系为线性正相关，这和图5中Ⅰ型、Ⅱ型断裂韧度与制冷液温度呈线性正相关的关系保持一致，因此温度梯度引发拉应力的损伤机理可以较好地解释本研究中花岗岩Ⅰ型、Ⅱ型断裂特性随降温速率变化的规律。

本研究将花岗岩试样加热到不同的温度等级，选用氯化钙溶液作为唯一的降温介质，通过改变氯化钙溶液的温度对高温花岗岩进行不同速率的降温，然后对试样的物理力学性能进行测试，总结不同程度热冲击下花岗岩物理性质和断裂韧性变化规律，并结合理论公式，分析了热冲击对花岗岩造成损伤的微观机理。得到以下结论：

（1）花岗岩试样被加热至同一温度级别时，随着制冷液与试样的温差加大，试样的干密度和纵波波速均呈线性下降的趋势，孔隙率则线性升高，3种物理性质的变化与岩样中孔隙、微裂隙的张开和扩展相关，即降温更快的热冲击对花岗岩造成损伤更严重。此外，随着加热温度的升高，试样的物理性能的变化对降温过程中制冷液温度改变的敏感度降低。

（2）花岗岩的Ⅰ型、Ⅱ型断裂韧度随温度级别的升高均呈现减小的趋势，而在同一温度级别下，岩样Ⅰ型、Ⅱ型断裂韧度值均与制冷液的温度呈线性正相关，线性回归曲线吻合度较高，因此降温更快的热冲击会削弱花岗岩的断裂韧性。

（3）热冲击过程中花岗岩的损伤主要来自2个方面：一是岩石本身的非均质性引起的矿物间膨胀和收缩量不一致，二是降温过程中岩石由外到内温度逐渐升高引起的温度梯度会产生拉应力。其中，温度梯度引起的拉应力与冷却介质和高温岩石之间的温差以及传热系数相关，本文中的冷却介质统一使用氯化钙溶液，因此传热系数一致的情况下，不同温度变化率下岩石试样拉应力的变化主要受氯化钙溶液和高温花岗岩之间温差的影响，这也恰与试样的Ⅰ型、Ⅱ型断裂韧度均和制冷液温度呈线性关系相吻合。