Page 115 - 《爆炸与冲击》2026年第3期

第 46 卷 许梦飞，等： 循环冲击下高温层理砂岩的动力学特性及损伤模型 第 3 期

不同层理砂岩经不同温度处理后的损伤变 0.7
0°
化规律如图 12 所示。由图 12 可得：砂岩试件的 0.6 15°
45°
损伤随温度的升高先增大后减小，900 ℃ 后砂岩 0.5 60°
试样的损伤达到最大。由 XRD 和扫描电子显微 0.4 90°
镜（scanning electron microscope，SEM）试验可以 Damage 0.3
看出，高温导致砂岩的矿物组成和微观结构发生
0.2
不同程度的变化，而矿物颗粒本身的强度以及试
0.1
件内部的孔隙、微裂纹的数量都会影响试件的
0
力学性能。在 25～300 ℃，水分的蒸发使试件内 25 300 500 700 900 1 100
部出现大量孔隙，损伤有所增加但增加的幅度不 Temperature/℃
大；在 300～900 ℃，随着 CO 等气体的逐渐溢 图 12 不同角度层理砂岩在各个温度区间的损伤变化规律
2
出，以及热应力的逐渐提高，损伤开始大幅度增 Fig. 12 Damage evolution of bedded sandstone with different
bedding angle at various temperatures
加；在 900～1 100 ℃，由 XRD 试验可知，部分矿
物质发生了熔融。根据文献 [28-29] 及对比结果 表 3 主要矿物的熔融温度范围
（见表 3），钠长石的熔融温度为 950～1 100 ℃， Table 3 Melting temperature ranges of major minerals
而石英的熔融温度在 1 350 ℃ 以上。因此，该温 物质 温度/℃ 状态
度区间内，钠长石已逐渐进入熔融过程，而石英 钠长石 950～1 100 熔融
仍处于高温稳定状态。高温作用下的烧结与再 石英 ≥1 350 熔融
结晶使矿物颗粒在低于熔点的高温下聚结为更

固结的结构，这些原因使得试件的损伤减小。在 0.7
常温～500 ℃，虽然石英的质量分数是提高的， 0°
0.6 15°
但试件的损伤却在逐渐减小，说明在试件力学性 45°
0.5 60°
能的影响因素中，试件内部裂纹的发育情况起主 0.4 90°
导作用。 Damage
为深入研究温度对不同层理砂岩的损伤情 0.3
0.2
况，将不同温度区间各个层理砂岩的损伤增加量
绘制于图 13。在 900～1 100 ℃，温度对试件的 0.1
影响没有使损伤继续增大，所以温度区间选择 0 300 500 700 900
了 300～900 ℃。 Temperature/℃
300 ℃ 前，温度对试件的损伤由水分的蒸发 图 13 不同角度层理砂岩在各个温度区间的
造成，层理角度大小不影响试件内部水分的含 损伤增长量（相对增量）
量，此时层理角度的大小不影响温度对试件的损 Fig. 13 Damage growth (relative increase) of sandstone with
伤。从图 13 可以发现，300～700 ℃ 是损伤的主 different angle bedding in various temperature ranges
要增长阶段。在此温度区间，0°、45°层理砂岩的损伤增长量最大，分别为 0.53 和 0.57，90°层理砂岩的损
伤增长最小，为 0.25。其主要原因是在此温度区间，0°、45°层理角度的热膨胀系数较大，高温后的膨胀应
变较大，会受到更高的热应力，而 90°层理砂岩的热膨胀系数较小，热应力较低。在 700～900 ℃，15°、
60°和 90°层理砂岩的热膨胀系数要大于 0°、45°层理砂岩，所以 15°、60°和 90°层理砂岩的损伤增长量
更大。
由于 900 ℃ 后，试件的力学性能降至最低，此时在循环冲击的作用下，试件发生破碎，所以选取 900 ℃
高温处理后试件在循环冲击荷载作用下的动态应力-应变曲线，如图 14 所示。由图 14 可得，随着冲击次
数的增加，试件的峰值应力先提高后降低，究其原因是在初始几次冲击时，试件内部的裂纹得以闭合，内
部结构变得致密，峰值应力逐渐提高。在最后一次冲击作用后，试件破碎，因此，最后一次冲击的应力-应

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