单轴压缩下大理岩细观裂纹扩展试验研究

武沂泉 曹后龙

(国核工程有限公司，上海 200233)

0 引言

岩石是由多种矿物晶粒、孔隙和胶结物组成的复合体，随机分布有微观孔隙和裂纹。这些微孔隙和裂纹对岩石强度及变形特性有很大影响。岩石的宏观破坏与微裂纹的萌生、发展和贯通密切相关。对于岩石这类材料，Michael E Kassner等［1］学者认为只有建立多尺度的力学模型才能真正了解微裂纹起裂的机理。近年来，扫描电镜(SEM)作为一种岩石细观损伤的检测方法的应用，进一步推动了对岩石细观裂纹扩展的研究工作。Robina H C等［2］于1996年研究了初始微裂纹密度和岩石微颗粒尺寸对于Yuen Long大理石岩样单轴压缩强度的影响。Yossef H Hatzor等［3］于1997年研究了白云石的细观结构与微裂纹起裂的初始应力和试样最终强度之间的关系，发现岩石微结构对其强度极限的影响非常大。许江［4］于1986年采用带有加载装置的光学显微镜对砂岩完成了不同加载阶段的裂纹损伤分析。赵永红等［5-7］研究了带斜向中心割缝的大理岩板中破裂的发生与扩展过程，李炼等［8］研究了花岗岩的微裂纹的发展过程。

本文采用了带有加载装置的扫描电镜(SEM)实时动态观测系统，利用此系统对大理岩试件进行了单轴压缩下的SEM观测试验和基于SEM图像的数字化定量分析研究，获取了大理岩在各级荷载下的大量细观图像，利用数字图像处理技术，对大理岩试件在受单轴压缩时所产生的细观裂纹的萌生、扩展过程进行了定性和定量分析，得到细观裂纹扩展的规律。

1 压缩过程SEM观测试验试件制备及试验设备

为了保证试样性质的均一性，严格密集采样。所选用的大理岩以白色为主，局部略带黑色，由碳酸盐矿物成分组成，细粒变晶结构为主，部分为粗粒变晶结构，宏观均匀一致。

本文用到的SEM下的压缩试件，是从100 mm×50 mm(高×直径)的大理岩宏观试样经切割、打磨形成的15×4×2(长×宽×厚)的SEM下压缩试件，为了进行扫描电镜观测，对试件表面进行抛光及镀金处理。

试验装置系统主要包括:日本HITACHI S-570扫描电子显微镜(分辨率3.5 nm，最大加速电压30 kV，放大倍数不小于5万倍)和由中科院力学所自行开发研制的伺服加载系统(荷载范围0 N～2 000 N，测量误差为±0.5 N，拉压最大行程0 mm～10 mm，位移测量误差为0.001 mm)。

2 加载过程中图像的获取与处理

将经过清洗、干燥、镀金后的试件放在加载装置上进行加载。在加载初期，以100 N作为一个步长进行加压。当出现明显细观裂纹时，缩小步长至50 N继续加载，直至试样破坏。每个步长大约持续1 min～2 min。在加载的过程中利用SEM对试件表面细观裂纹进行了拍摄，考虑到图像放大倍数和图像显示范围的相互制约，结合文献［9］［10］和本次试验的具体情况，放大倍数采用30倍，100倍为主，得到一系列各级荷载下的细观裂纹扩展情况的图像。

随着计算机技术和数字图像处理的发展，使得通过分析岩石试件细观图像得到岩石细观结构参数量化信息成为可能。本试验根据SEM图像的特点，基于MATABLE编制开发的岩石细观结构SEM图像处理程序［9］对本试验中的扫描图片进行图像处理，实现从SEM图像(见图1a))到程序识别后的二值化图像(见图1b))的转化，并进一步实现从二值化图像上对裂纹的长度、面积等细观数据的准确获取。

图1 处理前后图像

3 微裂纹发展过程定性分析

加载过程的应力应变曲线见图2，σc为加载应力应变曲线的极限应力。在未加荷载时，见图3a)，大理岩试件表面初始损伤很小，表面微裂纹较少，从细观尺度上存在明显的不均匀性。当轴向应力达到20 MPa(0.25σc)时，见图3b)，试件表面变化不是很明显，这些微裂纹方向均与轴向荷载方向一致或成小夹角，且在宽度上都很细。当达到40 MPa(0.5σc)时，见图3c)，在原有基础上微裂纹有所扩展，此时已出现明显发育的分叉裂纹，这主要是由大理岩这种岩石的致密结构和初始损伤较小引起的，微裂纹数量明显增多，方向基本上与加载方向一致或成较小夹角。继续加载达到60 MPa(0.75σc)，见图3d)，此时，分叉裂纹极其发育，微裂纹明显变粗并伴随一些细裂纹的闭合，这是岩石在损伤演化过程中应力集中消弛现象，即原有的局部应力集中发生调整、消散和转移。裂纹两侧的相对位移多是垂直裂纹的横向拉开，主裂纹正逐渐在分叉裂纹的基础上慢慢形成。当加载到轴向应力为80 MPa(σc左右)，见图3e)，此时主裂纹基本沿加载轴方向以张开形式快速扩展，主裂纹不断变粗，周围的微裂纹由于主裂纹的扩展导致能量的转移，部分出现闭合、消失，裂纹两侧以张拉位移为主伴随着纵向的剪切错动，直至宏观裂纹的形成，试件发生破坏。

图2 加载过程应力应变曲线

4 微裂纹发展过程定量分析

通过对大量图片信息的统计分析，可以获得微裂纹细观参数随应力状态的变化规律。本文对裂纹扩展过程中的裂隙方位角、长度、面积进行量化分析，其结果见表1。由表1以及图4，图5可见微裂隙方位角加载过程中变化不大，保持与加载方向成较小的夹角，随着应力的增大裂纹趋向轴力方向，裂纹总长度及面积随着应力的增大持续增长，增长速率随应力的增大而提高，面积增长的速率要大于长度增长的速率，在60 MPa～80 MPa裂纹的长度、面积增长最快，可见这一阶段是裂纹的不稳定扩展阶段。

图3 不同应力下SEM图像

表1 不同应力下细观参数统计表

图4 微裂纹长度—应力图

图5 微裂纹面积—应力图

5 结语

1)利用扫描电镜(SEM)，对大理岩试件的细观裂纹在荷载作用下进行跟踪观测，得到细观裂纹扩展过程图像，运用图像处理技术对图像进行处理，提取了图像的信息。

2)加载初期由于初始损伤和细观的不均匀性的存在，造成试件局部应力集中，出现拉裂纹，在加载过程中分叉裂纹极其发育。

3)加载后期主裂纹基本沿加载轴方向以张开形式快速扩展，主裂纹不断变粗，周围的微裂纹由于主裂纹的扩展导致能量的转移，部分出现闭合、消失，裂纹两侧以张拉位移为主伴随着纵向的剪切错动，直至宏观裂纹的形成，试件发生破坏。

4)微裂纹扩展方向几乎平行于加载方向，微裂纹总长度及面积随着应力的增大持续增长，增长速率也不断增大。

［1］Michael E Kassner，Sia Nemat-Nasser，Zhigang Suo，et al.New Directions in Mechanics［J］.Mechanics of Materials，2005(37):231-259.

［2］Robina H C，Wong K T，Chau P Wang.Microcracking and Grain Size Effect in Yuen Long Marbles［J］.International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences，1996，33(5):479-485.

［3］Yossef H Hatzor，Alon Zur，Yaakov Mimran.Microstructure effects on microcracking and brittle failure of dolomites［J］.Tectonophysics，1997(281):141-161.

［4］许 江.对单轴应力状态下砂岩微观断裂发展全过程的试验研究［J］.力学与实践，1986，8(4):24-28.

［5］赵永红，黄杰藩，王 仁.岩石破裂发育的扫描电镜即时研究［J］.岩石力学与工程学报，1992，11(3):284-294.

［6］赵永红，黄杰藩，王 仁.破裂带发育的SEM实验研究及其对地震前兆的启示［J］.岩石力学与工程学报，1993，36(4):453-462.

［7］赵永红，黄杰藩，侯建军，等.岩石细观破裂的实验观测研究及其对了解地震活动的启示［J］.地球物理学报，1995，38(5):627-635.

［8］李 炼，徐 钺，李启光，等.花岗岩渐进破坏过程的微观研究［J］.岩石力学与工程学报，2002，21(7):940-947.

［9］朱珍德，渠文平，蒋志坚.岩石细观结构量化实验研究［J］.岩石力学与工程学报，2007，26(7):1313-1324.

［10］渠文平.基于数字图像处理技术的岩石细观量化试验研究［D］.南京:河海大学硕士学位论文，2006.