Температурные деформации в горных породах

При изменении температуры неоднородных твердых тел, какими являются горные породы, на границах минеральных зерен возникают локальные термические напряжения (структурные термические напряжения) в связи с неодинаковым значением коэффициентов теплового расширения и модуля упругости различных минералов. При достижении этими напряжениями предельных значений происходит разрыв междузерновых связей, что приводит к тепловому расширению горных пород.

Структурные термические напряжения в горных породах с изменением температуры не могут увеличиваться беспредельно. Максимальное их количество равно пределу прочности.

Тепловое расширение (сужение) имеет место как при их нагреве, так и при их охлаждении. Тепловое расширение (сужение) горных пород начинает проявляться при температуре ±353-373 К (80-100˚С). До этих температур расширение породы происходит только за счет расширения только слагающих минералов. Выше этих температур структурные термические напряжения на границах отдельных минеральных зерен достигают предельных значений, что приводит к разрыву межзерновых связей на границах этих зерен, а увеличение размеров образца горной породы происходит при этом скачкообразно. В начале теплового расширения абсолютная величина отдельных скачков максимальна, а интервалы температур между смежными скачками относительно велики. С увеличением температуры частота скачков увеличивается, а абсолютное их значение уменьшается.

Необходимо различать текущие и усредненные значения относительного расширения и коэффициента теплового расширения горных пород. Текущие значения практически равны нулю или бесконечности. Усредненные значения относительного расширения и коэффициента теплового расширения представляют собой среднюю величину данных характеристик в некотором интервале температур. Зависимости усредненных значений ∆L/L и β от температуры носят монотонный характер.

Следует отметить одну из особенностей горных пород при их нагреве с последующим охлаждением. Она заключается в образовании остаточных деформаций после цикла «нагрев-охлаждения», которые по абсолютному значению достигают существенных величин (до 6∙10^-3) и зависит от температуры термообработки. Максимальный рост остаточных температурных деформаций при термообработке кварцсодержащих пород наблюдается при температуре 773-873 К (500-600 ˚С). Это объясняется интенсивным нарушением межзерновых связей в кварцсодержащих породах при температуре полиморфного превращения кварца. При дальнейшем увеличении температуры термообработки темп роста остаточных температурных деформаций замедляется.

Максимальные остаточные температурные деформации (при заданной температуре термообработки) наблюдаются при первом цикле нагрева - охлаждения. При увеличении циклов термообработки темп роста остаточных температурных деформаций замедляется.

При термообработке образцов, изготовленных из монокристаллов, остаточные температурные деформации не образуются.