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  • CN 62-1112/TF　
  • ISSN 1005-2518　
  • 创刊于1988年
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黄金科学技术, 2022, 30(5): 764-777 doi: 10.11872/j.issn.1005-2518.2022.05.058

采选技术与矿山管理

高温后红砂岩压剪下声发射及其微观特性研究

黄晓辉,, 刘科伟,, 周占星, 马泗洲, 郭腾飞

中南大学资源与安全工程学院，湖南 长沙 410083

Study on Acoustic Emission and Microscopic Characteristics of Red Sandstone Under Compression-Shear After High Temperature

HUANG Xiaohui,, LIU Kewei,, ZHOU Zhanxing, MA Sizhou, GUO Tengfei

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

通讯作者: 刘科伟（1982-），男，河北承德人，副教授，从事爆破技术和岩土工程等研究工作。kewei_liu@126.com

收稿日期: 2022-04-24   修回日期: 2022-05-31  

基金资助: 国家自然科学基金项目“深部高应力岩体环境深孔一次爆破成井机理与方法研究”.  51974360

Received: 2022-04-24   Revised: 2022-05-31  

作者简介 About authors

黄晓辉（1995-），男，福建泉州人，硕士研究生，从事岩石力学及岩石工程稳定性分析研究工作195512092@csu.edu.cn , E-mail：195512092@csu.edu.cn

摘要

为了评估岩体在高温和压剪工况下的稳定性，利用声发射技术对25~800 ℃处理后的红砂岩进行了变角剪切下声发射特性研究，分析了高温对红砂岩剪切断口微观特性的影响机理。结果表明：（1）高温作用使得红砂岩的声发射事件由常温下低活跃度的间接性活动向高活跃度的连续性活动转化；（2）随着热处理温度的升高，砂岩在压剪状态下的剪切裂纹所占比例逐渐增大，损伤剪切应力阈值减小，裂纹非稳定扩展阶段延长；（3）当剪切角度为55°时，高温对红砂岩的剪切损伤发展具有抑制作用，而当剪切角度为65°时具有促进作用；（4）红砂岩压剪断口形貌主要以沿晶体解理切断（穿晶断裂）形成，但当热处理温度为800 ℃时，更易于沿晶界形成。研究成果可为解决高温岩土工程问题提供参考。

关键词： 高温处理 ; 变角剪切 ; 声发射特性 ; 应力阈值 ; 损伤特性 ; 断口形貌

Abstract

In underground rock engineering，such as deep resource mining and underground nuclear waste repository construction，high temperature is one of the important factors affecting the stability of rock engine-ering structure.Meanwhile，compression-shear stress state is one of the common stress states of rock in engine-ering.Therefore，the research on acoustic emission characteristics and shear fracture micro mechanism of red sandstone under variable angle shear after high temperature treatment is of great significance to monitor and analyze the stability of rock in high temperature rock engineering.By analyzing the acoustic emission characteristics of red sandstone treated at 25~800 ℃ during the shear failure，it can be concluded that high temperature changes the acoustic emission characteristics and related parameters in the shear failure process of red sandstone，including AE event count，b value，RA-AF value and so on.At the same time，based on the acoustic emission characteristics，the influence of high temperature treatment on the shear failure characteristics of red sandstone was analyzed.In addition，the micro mechanism of shear fracture of red sandstone after high temperature was analyzed by electron microscope scanning technology.The test results show that： （1） High temperature makes the change trend of acoustic emission event of red sandstone from indirect activities with low-activity under room temperature to continuous activities with high-density，and the peak value of AE cumulative event count increases with the increase of treatment temperature.（2） According to the distribution characteristics of acoustic emission parameter RA-AF value，it can be concluded that high temperature treatment changes the crack type of red sandstone in compression shear failure，and the proportion of shear crack increases with the temperature increasing.（3） The change trend of AE cumulative event count can be used to judge the shear stress threshold of pore compaction，crack initiation and crack damage.According to the distribution characteristics of the proportion of shear stress threshold，it can be concluded that with the increase of temperature，the proportion of stable crack propagation stage decreases，but the proportion of unstable crack propagation increases.（4） The shear damage characteristics of red sandstone after high temperature treatment were defined by AE cumulative event count.It was found that when the shear angle is 55°，the high temperature treatment can inhibit the development of shear damage of red sandstone，and promote it at 65°.（5） The compression-shear fracture of the samples treated at different temperatures is mainly formed by cleavage along the crystal （trans-granular fracture），but at 800 ℃，it is more prone to failure along the grain boundary，the number of residual dimples increases，the plasticity increases and the degree of fragmentation decreases.The research results can provide reference for solving the problems of high temperature geotechnical engineering.

Keywords： high temperature treatment ; variable angle shear ; acoustic emission characteristics ; stress threshold ; damage characteristics ; fracture morphology

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本文引用格式

黄晓辉, 刘科伟, 周占星, 马泗洲, 郭腾飞. 高温后红砂岩压剪下声发射及其微观特性研究[J]. 黄金科学技术, 2022, 30(5): 764-777 doi:10.11872/j.issn.1005-2518.2022.05.058

HUANG Xiaohui, LIU Kewei, ZHOU Zhanxing, MA Sizhou, GUO Tengfei. Study on Acoustic Emission and Microscopic Characteristics of Red Sandstone Under Compression-Shear After High Temperature[J]. Gold Science and Technology, 2022, 30(5): 764-777 doi:10.11872/j.issn.1005-2518.2022.05.058

在地下岩石工程建设中，高温对热能的开发与利用、高放射性核废料处置库建设、地下煤气化开采以及超深钻井工程中的岩石物理力学性质等方面均具有重要影响，高温威胁着岩体工程结构的稳定（孙浩等，2022；梁忠豪等，2021；李浩然等，2021）。在高温作用后，岩石的质量、体积、密度、P波波速和孔隙率等相关物理性质发生改变，进而影响岩石的强度、变形和破坏等力学特性（吴阳春等，2020；秦本东等，2009；Yu et al.，2014）。已有研究表明，岩石的声发射特性与其受载时的力学响应具有较好的一致性（尹彦波等，2005；陈宇龙等，2011）。

目前已有许多学者对高温后或高温下岩石在不同加载方式下的声发射特性开展了大量研究。在单轴压缩试验研究方面，翟松韬等（2013）通过对高温后花岗岩声发射特性进行研究发现，随着温度升高，岩样声发射更加频繁，持续时间更长。徐小丽等（2008）基于高温作用后花岗岩在单轴加载下的声发射特性试验研究发现，高温使得声发射信号强度降低，但持续时间更长，且声发射信号时间点延迟。吴刚等（2014，2015）分别对高温下花岗岩和盐岩加载下的声发射特性展开研究，发现声发射特征与裂纹扩展过程一致。温度越高，花岗岩内部裂隙越发育，相应的声发射活动也越频繁。然而，温度对于盐岩加载过程中的声发射活动频率和强度具有双向作用。杨圣奇等（2015）通过研究高温对含双裂隙红砂岩的力学和声发射特性的影响发现，起裂应力和AE事件增长率均随着温度的升高而增大。葛振龙等（2021）研究发现高温处理后砂岩的声发射参数AF和RA值有明显变化，并据此确定不同温度处理后砂岩破坏过程中内部剪切微裂纹和拉伸微裂纹的占比。在单轴拉伸试验研究方面，王亚超等（2020）通过巴西劈裂试验和声发射技术，研究了不同高温处理后花岗岩在单轴拉伸下的声发射特性。结果表明，高温处理后试样内部裂纹越发育，加载过程中声发射的振铃计数峰值和能量峰值就越低。闵明等（2020）利用声发射技术，研究高温下花岗岩加载过程中的力学响应，结果表明在达到峰值荷载前，声发射事件存在平静期，且随着温度的升高平静期逐渐消失，岩石内部损伤加剧，声发射活动趋于频繁，持续时间更长。吴顺川等（2018）对常温（25 ℃）和经不同温度（200，400，600，800 ℃）处理后的花岗岩圆盘试样开展了巴西劈裂试验，声发射监测结果显示，较高温度（600 ℃和800 ℃）处理后的圆盘试样，其加载过程中的声发射事件数目明显少于较低温度（≤400 ℃）处理后的圆盘试样，且温度的升高，使得试验中声发射事件定位与裂纹的对应性降低。在三轴压缩试验研究方面，李浩然等（2021）利用岩石高温三轴伺服试验机与声发射测试系统，研究了不同温度下大理岩变形破坏特征与声发射活动规律。结果表明，随着温度的升高，岩石的声发射活跃度下降，声发射定位与宏观裂纹的对应性也降低。曾晋（2018）开展了黏土岩温度—渗流—应力耦合特性及声发射试验研究，结果表明，在低温和低围压作用下，声发射具有明显的渐变特征，最大值出现在峰值附近。在高温和高围压作用下，岩石的声发射呈高能、高幅值特征，渐变特征不明显，最大值滞后，黏土岩的塑性变形明显。Kumari et al.（2017）利用声发射技术监测三轴压缩条件下温度对岩石断裂传播的影响，研究表明高温会促进加载初期裂纹扩展，使得声发射频率和信号增强。武晋文等（2009）研究了三轴压缩—温度耦合下大试件花岗岩声发射信号随温度的变化规律，发现随着温度的升高，岩石的声发射现象是间断发生的，而声发射信号特征表明试样存在热破裂温度阈值。然而，关于高温与剪切加载耦合状态下岩石的声发射特性研究甚少，现有研究主要集中于常温下不同岩石材料剪切试验下的声发射特性研究，包括岩石结构面（金嘉怡等，2021；高军强等，2022）、岩石—混凝土胶结面（罗丹旎等，2021）、含节理岩石（郝记等，2021）、砂岩（张军伟，2022；许江等，2012）和煤岩（李西蒙等，2010）等剪切试验，并未考虑高温对岩石剪切的影响。

在工程实际中，压剪状态为岩石常见的受力状态之一，并且岩石可能受到高温的影响。已有研究对压剪工况考虑不够充分，且对高温处理后压剪状态下岩石声发射特征的影响研究较少。因此，为了能够满足工程需要，更好地利用声发射技术监测和分析岩石的工况状态，保障岩体工程的安全稳定，本文开展了高温处理后红砂岩的变角剪切室内试验，研究压剪状态下红砂岩的声发射参数特性，并分析高温对红砂岩剪切破坏过程中萌生的微裂纹类型以及剪切应力阈值的影响，最后，利用电镜扫描技术对高温后红砂岩剪切断口微观机制进行了分析。

1 试验材料及方法

1.1 试样制备

试验岩样取自四川省内江市的均质红砂岩。根据国际岩石力学学会（ISRM）建议标准，将岩块加工成尺寸为70 mm×70 mm×70 mm的立方体（用于变角剪切试验），对立方体岩样6个面进行研磨，确保每个岩石试样的2个加载端面平行度在 ±0.05 mm范围内，以减少加载过程中的应力集中，如图1（a）所示。为了减小试验误差，对试样进行了P波波速测试，并选取具有相似P波波速且无明显可见裂纹的岩石试样。在常温下，红砂岩试样的平均P波波速、UCS和密度分别为2 724.36 m/s、84.77 MPa和2 395.00 kg/m3。

图1

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图1   红砂岩试样和热处理设备

Fig.1   Red sandstone sample and heat treatment equitment


1.2 试样热处理

在高温岩石工程中，地热能开采环境温度可达200 ℃；放射性核废料地下处置库，由于核衰变，周围岩体温度可达300 ℃；煤气化开采的干馏干燥区域中心温度高达800 ℃（Sirdesai et al.，2017；Wang et al.，2020；Roy et al.，2015）。因此，结合岩石工程环境温度和试验设备处理温度范围［图1（b）］，设定4个高温梯度，分别为200，400，600，800 ℃，以常温（25 ℃）为试验参照组。热处理过程如下：首先，将加工好的红砂岩立方体试样放入炉内，以5 ℃/min的速率加热到目标温度（200，400，600，800 ℃）；然后，在炉内以目标温度恒温2 h；最后，试样在炉内自然冷却至常温。

1.3 试验方案及过程

对高温处理后的红砂岩采用变角剪切加载方式进行压剪试验，由MTS322伺服控制液压单轴试验机（最大加载能力为500 kN，加载精度为±0.5%）施加荷载并通过组合变角剪切模具实现。通过试验机和剪切模具的组合系统，可以选取10°～70°范围内每5°为一个间隔的任意剪切角度α，并将施加的垂直压力P分为预设剪切面上的法向和切向分量（Pcosα和Psinα），如图2所示。若剪切角度过小，则无法使岩石试样沿预定剪切面发生破坏，若剪切角度过大，则容易使岩石试样发生倾倒，故一般取45°<α<70°。本研究选取剪切角度为55°和65°进行剪切试验。其中，低角度（55°）时，高压剪应力比为0.699；高角度（65°）时，低压剪应力比为0.467。

图2

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图2   剪切—声发射试验测试系统

Fig.2   Shear and acoustic emission test system


具体试验过程如下：第一步，选取30个P波速度相似的红砂岩立方体试样，并进行编号。第二步，将试样分批放入加热炉内进行高温处理，同一温度为相同处理批次。第三步，将处理后的试样置于预设角度（55°和65°）的组合测试系统上，如图2中的①和②所示，并以0.1 mm/min的加载速率进行加压。第四步，将探头利用磁性固定器和凡士林固定在红砂岩后侧表面，如图2中的④、⑤、⑥所示，声发射门槛值设为40 dB。由于本研究声发射应用不考虑破裂源定位，因此安装2个声发射探头即可（葛振龙，2019）。第五步，利用电镜扫描（SEM）技术观察试样剪切断口。

2 试验结果

2.1 高温后红砂岩体积与孔隙度特征

高温作用会使得岩石矿物发生膨胀（李燕芳，2017），一方面会充填原有孔隙，使得孔隙度减小；另一方面会促使孔隙和裂隙进一步发育，使得孔隙度增大且试样体积增大。高温处理后红砂岩试样体积变化率与孔隙度变化趋势如图3所示，其中体积变化率是指相对于常温时体积的膨胀程度。从图3中可以看出，当试样处理温度为25~600 ℃时，体积变化率不断增大，但孔隙度减小；当试样处理温度为600~800 ℃时，体积变化率和孔隙度明显增大。这表明，当试样处理温度低于600 ℃时，由于高温作用，矿物颗粒发生膨胀，以充填原有孔隙为主，孔隙发育作用不明显，导致孔隙度持续下降，同时孔隙发育作用和矿物颗粒膨胀变大导致试样体积逐渐增大。当试样处理温度高于600 ℃后，孔隙发育作用大于充填作用，因此孔隙度明显增大。此时，矿物膨胀和孔隙体积增大，使得试样体积变化率增幅达到峰值。

图3

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图3   红砂岩体积变化率与孔隙度随处理温度的变化

Fig.3   Variation of volume change rate and porosity of red sandstone with treatment temperature


2.2 声发射特征参数的表征

为了研究高温（热）处理对红砂岩变角剪切过程中声发射响应特征的影响，通过声发射系统采集并获取岩石试样加载过程中AE事件计数、AE累计事件计数和b值等信息。AE事件计数为产生声发射的一次材料局部变化，可分为总计数和计数率。一阵列中，一个或几个撞击对应一个事件，反映声发射事件的总量和频度，用于源的活动性和定位集中度评价。b值可以表征声发射事件震级分布的尺度，用于度量受压条件下岩石内部小震级破裂（微裂纹）事件和大震级破裂（大裂纹）事件的相对数量。当岩体内部小震级事件量增多时，b值升高；当岩石内部声发射事件活跃程度相当时，内部裂纹呈渐进式稳定扩展，b值稳定。依据古登堡—里希特关系确定b值大小（李浩然等，2021；Rao et al.，2005），表示为：

lgN = a-bM

式中：N为M+ΔM范围内地震次数；a为地震活动程度常数；M为地震（声发射）震级，在声发射中，通常用振幅除以20代替，即M=A/20，A为声发射振幅（dB）。

不同处理温度条件下的红砂岩剪应力—剪应变—声发射关系曲线如图4所示。其中，AE事件计数为红色柱状图，柱状图越明显，表示声发射信号越活跃。从图4中可以发现，高温处理后红砂岩变角剪切下的声发射信号分布情况发生明显的变化。在同一角度下，声发射信号活跃度在处理温度为25~800 ℃时呈现先增大后减小的趋势，当处理温度为600 ℃时达到最大。这是由于600 ℃时，试样孔隙度最小（图3），在压剪加载条件下，裂纹扩展更频繁，声发射活动更强，而800 ℃时，试样热致孔隙和微裂隙发育，在压剪加载条件下，偏向于塑性破坏，声发射活动表现为持续性较长且强度较低。除剪切角度为55°时，400 ℃处的AE累计事件计数低于200 ℃以外，AE累计事件计数整体随着温度的升高而增大，且均大于常温时的峰值。如第2.1节所述，高温作用后，试样内部孔隙和微裂纹逐步发育（吴刚等，2015），导致试样在受到外力作用时声发射小事件频繁，此时虽然高强度声发射事件有所减少，但声发射活动持续时间变长，因而AE累计事件计数峰值逐渐增大。

图4

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图4   不同温度处理后红砂岩的剪应力—剪应变—声发射关系曲线

Fig.4   Shear stress-shear strain-acoustic emission curves of red sandstone after different temperatures treatment


常温下，65°时的AE累计事件计数峰值大于55°时的峰值。说明在剪应力占比更大（65°）的压剪状态下，岩石试件更容易发生损伤破坏（Gong et al.，2020），即对剪应力更敏感。高温作用后，除400 ℃以外，试样对压应力更敏感。因此，与65°相比，在55°剪切角下，岩石试样更容易发生破坏，AE累计事件计数峰值更大，声发射信号更强。然而，400 ℃并不改变试样对剪应力的敏感性。

b值在25 ℃和200 ℃条件下波动较大，出现峰值前突降或峰值后突增。这说明在200 ℃以内，处于压剪状态下的红砂岩，在剪应力初期发生稳定的小裂纹破坏，随后在剪应力峰值前出现大裂纹破坏，表现出岩石的脆性。当处理温度为400，600，800 ℃时，红砂岩在剪切过程中其b值变化较缓，说明当处理温度大于400 ℃时，红砂岩在压剪过程中在小破坏与大破坏之间平缓过渡，呈现出更强的塑性。尤其是800 ℃时，b值在后期缓慢增大，说明试样又从大破坏逐渐转化为小破坏，表明800 ℃后，红砂岩趋于塑性。与常温时相比，高温处理后试样内部生成热致微裂纹，导致剪切加载峰后的微裂纹数量明显减少，故峰后b值突增现象消失。此外，从图中可以看出，b值对于剪切角度并不敏感，即当剪切角度分别为55°和65°时其变化趋势基本一致。

2.3 RA-AF分布特征

RA（上升时间/振幅）和AF（平均频率）是声发射的2个重要参数，可以表征材料内部的微裂纹类型分布特点（葛振龙等，2021）。采用JCMS-ⅢB5706模型区分拉伸裂纹与剪切裂纹（周逸飞等，2019；Kersten，2014；Zhang et al.，2011），引入AF与RA参数比值：

C = AFRA

当C值大于临界值C0时，表示裂纹为拉伸裂纹；当C值小于临界值C0时，表示裂纹为剪切裂纹。C0的取值范围一般是1~200，这与材料自身特性和结构类型有关（李芷等，2015）。以本研究中常温下试样的RA-AF散点分布为例，如图5所示。图5中蓝色虚线（对角线）C值为10，若C0取值为10，则蓝线上方为拉伸裂纹区，蓝线下方为剪切裂纹区。参考已有研究（葛振龙等，2021），选取C0为5、10、50、100和200，研究不同剪切角度下试样剪切裂纹占比随处理温度的变化特征，计算结果如图6所示。从图6中可以看出，同一温度下，剪切裂纹占比随着C0值的增大而增大，且不同C0值对应曲线变化趋势基本一致。因此，本研究中选取C0=10进行分析。图7所示为C0=10时不同剪切角度下不同温度对应的裂纹类型占比。从图7中可以看出，常温下红砂岩在压剪破坏过程中剪切裂纹占比较低，以拉伸微裂纹为主。除200℃以外，在同一温度下，与55°剪切角度相比，65°时的拉伸裂纹占比有所下降；在同一剪切角度下，剪切裂纹占比随着温度的升高而逐渐增大，到800 ℃时，剪切裂纹占比超过50%，试样内部裂纹类型以剪切裂纹为主。这可能是因为，200 ℃高温处理后的红砂岩试样内部部分水分蒸发和部分矿物熔化，导致内部结构更为复杂，压剪过程中产生的微裂纹类型不稳定。高温处理后，随着剪切角度和热处理温度的升高，剪切裂纹占比逐渐增大。这是因为高剪切角度下，剪应力占比更大，剪切作用更明显。此外，随着处理温度的升高，试样内部矿物胶结性能降低，孔隙度增大，导致试件塑性增强，故在压剪破坏过程中试样中的剪切裂纹增加。说明800 ℃高温足以使得红砂岩从脆性向塑性转化。

图5

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图5   常温下不同剪切角度红砂岩RA-AF散点分布

Fig.5   RA-AF scatter distribution of red sandstone with different shear angles at room temperature


图6

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图6   不同C0值对应剪切裂纹占比随处理温度的变化趋势

Fig.6   Variation trend of shear crack proportion with treatment temperature corresponding to different C0 values


图7

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图7   不同剪切角度下不同温度处理后红砂岩裂纹类型占比

Fig.7   Proportion of crack types of red sandstone after different temperature treatment under different shear angles


2.4 剪切应力阈值分析

在剪切加载过程中，包含有初始压密阶段、弹性阶段和屈服破坏阶段，各阶段的裂纹发展状态不同，且不同阶段之间存在剪应力阈值。分析剪应力阈值特性，有助于进一步开展岩石工程稳定性预测研究。红砂岩试样一经加载，立即进入孔隙压密阶段，因此闭合剪应力阈值（τc）趋近于0。初始孔隙和裂纹闭合后，应力达到起裂剪应力阈值（τi），试样进入裂纹稳定扩展阶段。当应力达到损伤剪切应力阈值（τd）时，声发射信号突增，试样进入损伤破坏阶段，此后裂纹非稳定扩展，直至试样失效破坏。

通过声发射事件计数变化趋势可以识别不同的剪应力阈值。将τc定义为识别初始AE事件计数时对应的剪应力；τi定义为AE累积事件计数出现初始增长时对应的剪应力；τd定义为AE累积事件计数开始指数增长时对应的剪应力，为裂纹损伤剪应力阈值（Kumari et al.，2017）。由于高温会使得剪应力阈值大小发生改变，因此利用各应力阈值占峰值应力的百分比进行比较分析，如图8所示。从图8中可以看出，当剪切角度为55°和65°时，各剪应力阈值占比随温度的变化趋势相同。

图8

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图8   不同剪切角度下剪应力阈值占比

Fig.8   Proportion of shear stress threshold at different shear anlges


常温下，红砂岩在压剪状态下表现出低起裂剪应力占比和高损伤剪应力占比。随着处理温度从25 ℃升高至400 ℃，起裂剪应力占比逐渐增大，损伤剪应力占比逐渐减小。随着热处理温度不断升高，孔隙、裂隙压密阶段先增大后减小，在400 ℃时达到最大值。如第2.1节所述，处理温度在25~400 ℃之间时，由于矿物受热膨胀，岩石孔隙缩小，而体积膨胀程度较小，内部结构更为密实，故所需起裂剪应力占比更大；处理温度在400~800 ℃之间时，矿物持续膨胀导致新的孔隙和裂隙产生，当处理温度为600 ℃时虽然试样孔隙度较低，但其体积明显增大，导致内部结构更为疏松，起裂剪应力占比减小。

2.5 损伤演化特征

试验过程中声发射相关参数的变化规律可以说明红砂岩剪切过程的损伤演变特征。本次使用AE累计事件计数来定义砂岩的损伤演化特征（刘建伟，2014；葛振龙等，2021）。损伤变量D定义为

D = NγN0

式中：N0为岩石完全破坏时的AE累计事件计数；Nγ 为切向应变为γ时的AE累计事件计数。

图9所示为红砂岩试样经过不同温度处理后，在剪切破坏过程中损伤变量随加载时间的演化规律，曲线切线斜率代表损伤速率。由曲线特征可以看出，红砂岩剪切损伤存在损伤阈值，小于该值，损伤增速缓慢；超过该值，损伤出现激增直至完全损伤。

图9

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图9   不同剪切角度下损伤变量—时间曲线

Fig.9   Damage variation-time curves at different shear angles


由图9可以看出，同一温度下，与高压剪应力比（剪切角度为55°）相比，低压剪应力比（剪切角度为65°）条件下损伤发展提前，损伤速率整体较大，说明试样在低压剪应力比条件下所受剪应力占比更高，更容易发生损伤破坏。在高压剪应力比（剪切角度为55°）条件下，高温处理使得红砂岩剪切损伤变缓，说明高压剪应力占比和高温对红砂岩塑性有强化作用；在低压剪应力比（剪切角度为65°）条件下，高温处理使得红砂岩剪切损伤加速，说明在高温和高剪应力占比的共同作用下，红砂岩损伤加速。

在剪切角度为55°的条件下，常温时的初期损伤较大，t=50 s时损伤变量D=0.2，同时损伤阈值不明显，高压剪应力占比使得红砂岩在常温下的剪切趋于塑性。在经过200~600 ℃高温处理后，损伤阈值拐点明显，且随着温度的升高损伤阈值减小，说明随着温度的升高，损伤趋向于集中在剪切变形后期。当处理温度为800 ℃时，损伤曲线近似于线性增长，不存在损伤阈值，这主要是由于800 ℃高温使得红砂岩内部矿物熔化再固结，形成多孔隙且更均质的内部结构，整体塑性增强（徐小丽等，2008）。在剪切角度为65°条件下，常温加载初期的损伤变量整体处于较低值，损伤阈值明显，试样偏向脆性。其余温度下的变化规律与剪切角度为55°时相近。

3 高温后剪切断口微观特征分析

为了探究高温（热）处理对红砂岩压剪破坏断口微观机制的影响，利用电镜扫描（SEM）技术从微观角度观察其剪切断口特征。常见的岩石剪切断口微观形貌花样主要有平行滑移线状花样、条纹花样、蛇行滑动花样和平坦面花样等（郑达等，2011；李先炜等，1983）。图10为经过不同温度处理后65°剪切角度条件下试样剪切断口表面的SEM图像，其中，每个热处理温度下的第一张SEM图像放大倍数相同，均为100倍，其余图像根据断口特殊形貌选取，最大放大倍数为1 500倍。

图10

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图10   不同温度处理后红砂岩试样剪切断口SEM图像（65°剪切角）

（a）25 ℃剪切断口SEM图像；（b）200 ℃剪切断口SEM图像；（c）400 ℃剪切断口SEM图像；（d）600 ℃剪切断口SEM图像；（e）800 ℃剪切断口SEM图像

Fig.10   SEM images of shear fracture of red sandstone samples after different temperature treatment （65° shear angle）


由图10可以看出，常温（25 ℃）条件下红砂岩试样剪切断口面上伴有多个韧窝，是材料受载时内部晶界微空洞发生聚合破坏后残留的微坑，体现了红砂岩天然多微孔隙的特征，压剪加载下发生微孔聚集型剪切断裂。断口微观形貌可见平坦面花样和蛇行滑动花样，低洼处可见破碎岩粉末。同时，常温岩样压剪断口可见垂直断口面的沿晶断裂。当热处理温度为200 ℃时，韧窝数目略微减少，晶间裂纹增多，并可见条纹花样，同时出现垂直断口面穿晶裂纹。当热处理温度为400 ℃和600 ℃时，韧窝数目进一步减少，但穿晶裂纹明显增多，矿物破碎程度增大，断口面上岩粉末增多，且断口形貌为条纹花样和平坦面花样。当热处理温度为800 ℃时，试样压剪断裂后残留韧窝数目明显增多，同时垂直于断口面的穿晶裂纹消失。此外，800 ℃热处理使得矿物间胶结性能下降，晶界被弱化成为剪切断裂的优势面，因此，可见试样沿着晶界发生断裂。

不同温度处理后的试样压剪断口，主要以沿晶体解理切断（穿晶断裂）形成，但在800 ℃高温时，断口更易于发生沿晶界破坏。当晶面或解理面与剪切力方向不平行时，晶体常被剪断，产生的岩粉末汇集并堆积于低洼处。当热处理温度低于600 ℃时，高温作用导致的矿物膨胀使得试样内部微孔减少，最终剪断时残留韧窝（微坑）减少，同时穿晶裂纹增加，矿物破碎更严重。800 ℃时，由于热处理后红砂岩矿物熔化再固结使得试样内部结构微孔增多且均质化，其在压剪断裂后残留韧窝数量明显增多，同时垂直于断口面的穿晶裂纹消失，塑性增强，破碎程度下降。

4 结论

基于声发射技术和电镜扫描技术对高温处理后的红砂岩压剪特性进行了研究，得出以下结论：

（1）高温作用使得红砂岩试样的声发射信号由常温时的间接性活动转化为高温处理后的连续性活动，且声发射信号活跃度增强。

（2）常温条件下，红砂岩压剪破坏过程中以拉伸裂纹为主，而高温处理会影响红砂岩在压剪破坏中拉伸裂纹和剪切裂纹的占比，且随着热处理温度的升高，剪切裂纹占比不断增大，拉伸破坏不断向剪切破坏转化。

（3）在25~800 ℃范围内，随着试样处理温度的升高，非稳定裂纹扩展区域整体呈增大趋势，并在800 ℃时达到最大值，同时高温使得损伤剪应力阈值下降，600 ℃时降幅最小，800 ℃时降幅最大。

（4）在高压剪应力比（剪切角度为55°）条件下，由于高压剪应力占比和高温使得红砂岩塑性增强，红砂岩剪切损伤变缓；在低压剪应力比（剪切角度为65°）条件下，高温和高压剪应力占比共同促进红砂岩的损伤发展。

（5）不同温度处理后的试样压剪断口形貌可见平坦面花样、蛇行滑动花样和条纹花样等，主要以沿晶体解理切断（穿晶断裂）形成，但当热处理温度为800 ℃时，更易于发生沿晶界破坏。由于800 ℃热处理后红砂岩矿物熔化再固结，使得试样内部结构微孔增多且均质化，导致试样压剪断裂后残留韧窝数目增多，穿晶裂纹消失，塑性增强，破碎程度下降。

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