单轴压缩条件下水泥砂浆块声发射实验研究

黄玉恩，王宏宇，陈 志

(1.广西桂华成有限责任公司， 广西 贺州市 542611；2.湖南省国土资源规划院，湖南 长沙 410007；3.湖南省地质科学研究院， 湖南 长沙 410007)

单轴压缩条件下水泥砂浆块声发射实验研究

黄玉恩1，王宏宇2,3，陈 志2,3

(1.广西桂华成有限责任公司， 广西 贺州市 542611；2.湖南省国土资源规划院，湖南 长沙 410007；3.湖南省地质科学研究院， 湖南 长沙 410007)

利用RMT-150岩石力学试验系统和AEwin-USB型声发射系统做了水泥砂浆块在单轴压缩条件下声发射特征实验。实验研究结果表明：声发射信号与水泥砂浆块内部损伤破坏情况有密切关系。对应全应力-应变曲线中4个阶段声发射特征各不相同，伴随着试样初始压密、弹性变形、屈服破坏和峰后破坏4个阶段，声发射活动少量发生、平稳增长、急剧增加、趋于稳定，因此可用声发射活动来表征岩石的微观损伤演化及预测其宏观破裂失稳过程。

岩石力学；声发射；单轴压缩；水泥砂浆块

0 引 言

岩石在受到外部载荷作用时其内部局域源快速释放能量产生瞬态弹性波的现象称为声发射(AE)[1-2]，声发射是一种常见的物理现象。美国工程师Obert Duvall在上世纪30年代末即发现了岩石受压存在声发射活动。岩石破碎过程中声发射信号具有易于传播和接收等优点，因此可利用其对各种岩土工程中岩体进行长期监测和动态测试。随着声发射设备的不断改进和发展，声发射技术已广泛应用于矿山地压研究中[3-4]。目前，对于岩石声发射特征的研究，国内外学者已获得了大量成果[5-10]，但岩石(体)受地质环境的影响，其力学特性各有差异，为了避免试件的不均匀性对实验过程中声发射活动监测的影响，本实验采用自制水泥砂浆块来代替现场采集的岩石。

本文利用RMT-150岩石力学试验系统和美国物理声学公司的AEwin-USB型声发射动态测试系统，对自制的水泥砂浆块做了单轴压缩实验，研究了试样在加载过程中的声发射活动规律。

1 试件的制作

水泥选用425#硅酸盐水泥，砂子选用粒径为0.35～0.5 mm的河砂(中砂)。配合比为水泥∶砂∶水=1∶3∶0.5，模具尺寸为250 mm×250 mm×120 mm。制作时先将水泥、砂子和水倒入搅拌机充分搅拌后注入试模，并用捣棒按螺旋方向从边缘向中心均匀进行插捣，插捣后用橡皮锤轻轻敲击试块四周，直至捣棒留下的空洞消失为止。将制作好的试块放在20±5℃环境中养护一昼夜，对试件进行拆模。拆模后保持试件表面湿润的状态下继续养护28 d。试块养护完成后进行室内钻芯、切割、打磨等加工成单轴压缩加载条件标准试件，试件高100 mm，直径50 mm。端面和圆周面进行仔细研磨，达到端面平整度小于0.02 mm；圆周面与端面垂直度小于0.001弧度，周面光滑，且同轴度小于0.3 mm。

2 声发射实验方法

本实验中，岩石均发生一次性破坏，实验装置原理如图1所示。实验时将岩石力学实验系统调试好后，将声发射探头固定在试件上，为保证探头与试件有良好接触，使其有效地接收试件内部裂纹产生以及扩展时发出的声发射信号，在发射探头均匀涂抹一层耦合剂(甘油)，涂抹好耦合剂后将声发射探头用胶带固定在试件侧面，为了减少端面影响，本实验将探头布置在试样侧面中部位置，如图2所示。在实验开始前采用断铅方法来测试探头与试件耦合质量，确保探头与试件耦合质量符合实验要求后即可开始实验。实验采用轴向位移加载方式加载，加载速度保持在0.005 mm/s，设置声发射采样率为5 MHz，门槛值为40 dB。实验时保持加载系统和声发射检测系统同步进行。

3 实验结果分析

试件单轴压缩结果见表1，实验得到试件破坏结果如图3所示，应力-应变曲线如图4所示，在实验中三块试件受单向压缩变形、破坏的特点基本相似，都是经历初始压密、弹性变形、屈服破坏以及峰后破坏四个阶段，本文只选取具有代表性的2号试样进行分析。

图1 实验装置原理

图2 单轴压缩声发射装置

(1) 初始压密阶段(OA段)。在该阶段内随着轴向应力的增加，轴向应变也逐渐增加，曲线微微向上弯曲。

(2) 弹性变形阶段(AB段)。该阶段内轴向应变继续增大，试件内微裂缝被压密后应力-应变曲线近似于直线。

(3) 屈服破坏阶段(BC段)。在该阶段试样轴向应变及轴向应力整体趋势均为继续上升，试样内部出现新的裂纹并开始扩展直至C点试样整体破坏，值得注意的是试样的应力在该阶段都出现了不同程度的跳跃变化，具体表现为应力-应变曲线上出现“锯齿”，这是由于试样内部裂纹在扩展过程中遇到AB段未被压密的较大孔隙并与之贯通造成裂纹扩展速度的突增，试样内裂纹猛的贯通，导致轴向载荷突然下降。

(4) 峰后破坏阶段(CD和DE段)。在轴向压力达到岩石的抗压强度过后，其内部发生结构性失稳、破坏，但试件保持整体状态。在本阶段，试件内部裂纹扩展交叉相互贯通成宏观断裂面，此后试件的变形主要表现为碎块沿宏观断裂面的错动滑移，试件承载力随变形的增大而迅速下降，但并没有完全降到0，说明破裂后的试件仍具有一定承载能力。在破坏后期应力-应变曲线出现了比BC段更剧烈的应力突变“锯齿”形情况，这说明破坏后岩石的碎块所具有的承载能力很不稳定。

表1 试块力学参数

图3 试件破坏形态

图4 试件应力-应变曲线

测试试件声发射特性的参数有很多，在本实验中选取声发射能量、声发射累积能量2个参数。其中声发射能量用来检测某个时间点岩石试样中声发射的能量，声发射累积能量则反映在岩石受压破坏整个过成中的声发射特点。需要说明的是声发射能量有多种不同的定义，此处声发射能量是声发射系统处理后的只有数学意义上的相对能量，并不是声发射事件的绝对能量，如无特别说明，本文以下所有图形的声发射能量均为相对能量。试件声发射活动如图5所示。

图5 试件破碎过程中声发射特点

由图5可以看出，在初始加载阶段试件内河砂颗粒被挤压而产生摩擦滑动，所以发生部分能量较大的声发射事件。随着所加载荷的增加，试件内裂缝完全闭合后进入弹性变形阶段，在该阶段，声发射能量有所增强，声发射累积能量平稳增加。从弹性变形后期开始声发射活动显著增加，声发射活动的能量剧增，对应应力-应变曲线中BC段应力跳跃型变化，试样内声发射活动也不稳定，表现为声发射能量柱状图中断续出现一些峰值点。在载荷到达试件的单轴抗压强度值时，声发射能量都到达最大值，在该阶段声发射累积能量及技术曲线的曲率明显增大，这是由于在该阶段试样内新产生的大裂缝快速扩展、贯通整个试样形成宏观断裂面，导致试样的整体破坏。在到达峰值应力后，由于破坏的试样还具有一定承载能力以及试样的破坏体之间的摩擦，所以还有小部分声发射事件发生，声发射能量仍有较大峰值出现，但是累积能量增长变得缓慢。最后到残余应力阶段，声发射水平又变得很弱，累积声发射能量不再增长。

4 结 论

(1) 水泥砂浆试块在受单轴压缩破坏过程的应力-应变曲线可分为4个阶段：初始压密阶段；弹性变形阶段；屈服破坏阶段；峰后破坏阶段。这与其他岩石试样应力-应变曲线大致相同，说明水泥砂浆块可以代替岩石做岩石破坏实验。

(2) 在单轴压缩条件下试样声发射情况在各个阶段有各自特点，在初始压密阶段，声发射活动不明显，在弹性变形阶段声发射活动平稳增加，在屈服破坏阶段声发射活动急剧增加且极不稳定，在峰后破坏阶段试样声发射活动趋于平缓，最后消失。

(3) 由于岩石在受载荷作用破坏过程中声发射活动各有特点，所以可以将其运用到煤岩体内瓦斯活动的预测预报，为冲击矿压以及其他一些工程岩体宏观失稳的预测预报提供一定依据，具有重要的工程应用价值。

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2014-06-11)

黄玉恩(1984-)，男，广西贺州人，助理工程师，学士，主要从事岩石力学及矿山开采技术方面的工作，Email:372536852@qq.com。