基于RA/AF的高温后砂岩破裂特征识别研究

葛振龙，孙 强，王苗苗，赵春虎

(1.陕西省煤矿水害防治技术重点实验室,陕西 西安 710077；2.中煤科工集团西安研究院有限公司,陕西 西安 710077；3.陕西省煤炭绿色开发地质保障重点实验室,陕西 西安 710054；4.长安大学公路学院，陕西 西安 710064)

随着能源需求的不断增长，越来越多的岩土工程建设开始转向地球深部。诸多岩土工程问题，如高放射性核废料的深地层处置、煤炭地下气化、地热资源开发及灾后建筑物修复等都会涉及高温下岩石的物理力学性质[1-5]。高温作用后岩石的表观形态、物质组成及结构形式都可能发生变化，从而导致岩石结构产生劣化。在受到外部载荷作用时，岩石局部产生形变并快速释放能量产生瞬态弹性波的现象称为声发射[6]。声发射技术可以监测岩石内部微裂纹的起始和扩展，判断岩石的破坏程度[7-11]。对于岩石内部的裂纹类型(主要是区分拉张裂纹和剪切裂纹)可利用声发射参数RA和AF值来判断[12-13]。因此，在结合分析宏观破坏特征的基础上，利用RA和AF值对比，分析不同温度及不同水平应力条件下岩石内部不同类型裂纹的萌生、扩展、贯通演化机理，对于岩石损伤阈值的预测具有重要意义，可为高温环境下岩土工程建设中遇到的岩石稳定性问题提供理论指导。

高温后岩石裂纹发展演化规律已有广泛研究，然而却少见有学者对能够反映高温后岩石破坏机制的声发射 RA值和AF值进行分析。本文选取典型的砂岩试样，利用RA值和AF值来研究不同热处理温度后砂岩在加载过程中不同类型裂纹的演化规律及其破坏机理，以期为识别高温作用后岩石破裂失稳前兆信号特征提供一种分析方法。

1 试验装置及试验方法

1.1 试样准备

砂岩试样取自山东省临沂市，密度为2.42 g/cm3。根据X射线衍射结果，砂岩主要矿物成分为石英(78%，质量分数，余同)，长石(10%)，浊沸石(9%)和方解石(3%)。根据常规力学性能测试要求，将砂岩试样加工成ø50 mm×100 mm的标准圆柱形。

图1为砂岩在常温状态下的扫描电镜(SEM)图片，由图1可知，砂岩晶体颗粒较大，表面不平整，晶体间填充物质较疏松，填充物与晶体间有裂纹发育，局部可见微孔洞。

图1 常温下砂岩微观结构Fig.1 Microstructure diagram of sandstone at room temperature

1.2 试样装置

加热设备选用KSL-1100X-L型智能高温炉，加载装置采用WES-D1000型电液伺服万能试验机，声发射测试采用DS5-8B型声发射仪。

1.3 试验过程

实验前，将所有砂岩试样置于干燥箱中在50℃下干燥2 h。考虑到极端高温条件(如火灾)，设置不同的初始温度：25、300、400、500、600、700、800、850℃，考虑到升温速率太快，试样内部可能会产生热冲击，对岩石的结构产生破坏，影响实验效果，升温速率设定为5℃/min。达到目标温度后恒温1 h，然后让其在炉内自然冷却到室温。将热处理后的试样进行单轴压缩试验，同时进行声发射测试。在砂岩表面均匀布置6个声发射探头，以凡士林作为耦合剂将探头紧贴于砂岩侧表面并固定，如图2所示。实验前进行声发射参数设定：声发射阈值设为40 dB，峰值定义时间设为50 μs，撞击定义时间设为100 μs，撞击锁闭时间设为150 μs。

图2 岩样及加载装置Fig.2 Rock sample and loading device

2 试验结果

2.1 声发射特征参数的表征

RA和AF值作为声发射的2个重要参数，可以表征材料内部的裂纹类型。RA值是由上升时间除以声发射信号的幅值而计算得到，ms/V；AF值是由超过门槛值的声发射计数除以声发射撞击的持续时间计算得到，kHz。一般来说，低AF值、高RA 值表示剪切裂纹的产生或发育；而高AF值、低RA值则表示拉张裂纹的产生或发育[13]。

本文采用JCMS-ⅢB5706来区分拉张裂纹与剪切裂纹[14-15]，如图3所示。

根据2个参数之间的比例，则有[16]：

C的取值范围一般是1～200，这与材料的特性和结构类型有关[17]。

图3 JCMS-ⅢB5706 分类[14-15]Fig.3 Classification of JCMS-ⅢB5706[14-15]

2.2 加载过程中RA和AF值的变化

图4展示不同温度处理后的砂岩在加载过程中RA和AF值的变化。从图4可以看出，RA和AF值的变化大致分为3个时期，分别对应岩石的压密阶段(Ⅰ)、弹性变形阶段(Ⅱ)和破坏阶段(Ⅲ)。阶段Ⅰ，RA和AF值相对较密集，这是因为岩石内部的微裂纹和空洞被压缩挤密，微裂纹呈现小范围的扩展。阶段Ⅱ，RA和AF值较稀疏，无明显波动。此阶段砂岩内部几乎没有较大的损伤事件发生，声发射活动较弱。阶段Ⅲ，RA和AF值逐渐密集且在峰值强度附近，RA值明显大于AF值，表明岩石开始进入破坏阶段，剪切裂纹比例增加。随着热处理温度的升高，破坏阶段的RA值逐渐减小，表明剪切裂纹所占比例开始下降。当加热温度在 600℃附近时，阶段Ⅱ范围明显变窄，此温度下砂岩热损伤加剧，微裂纹发育，弹性减弱(图 4c)。当加热温度达到850℃时，RA值几乎为0，表明此温度下岩石在加载过程中拉张裂纹占主导(图4d)。

本文选取剪切裂纹所占总裂纹的比例θ为研究对象，并定义：

式中：Nc为声发射时间窗口中C大于C0的个数，其中C0取30、60、90、120、150、180；N0为声发射时间窗口中声发射的总个数。

加载应力取0.2σc、0.4σc、0.6σc、0.8σc和1.0σc(σc为峰值强度)，研究不同C0值和不同应力水平对θ值的影响。图5为未加热处理试样θ值的变化，从图5a中可以看出，随着C0的增大，剪切裂纹所占比例逐渐增大。在不同应力水平区间，C0变化规律基本一致。从图5b中可以看出，在0.2σc～0.4σc，θ值下降，部分剪切裂纹向拉张裂纹转化；0.4σc～0.8σc，θ值变化不大，表明拉张裂纹和剪切裂纹处于平衡状态；当应力水平超过0.8σc后，剪切裂纹所占比例迅速增多。但不管C0取何值，剪切裂纹所占比例均未超过50%。

图4 不同温度下砂岩在加载过程中RA和AF值的变化Fig.4 Variation of RA and AF values during loading

图5 未经热处理试样剪切裂纹所占比例随C0和应力水平的变化Fig.5 Variation of the proportion of shear cracks varied with C0and stress in samples without heat treatment

2.3 不同应力水平下RA-AF值的变化

选取未经热处理的试样，选取C0=90为例，研究其在不同加载阶段RA-AF值的分布，如图6所示。由图6可以看出，当应力水平为0.2σc时，数据点主要分布在拉张裂纹区域。RA 值在0～1 000 ms/V 范围散乱分布，AF 值则主要分布在10～60 kHz。应力水平为0.4σc、0.6σc、0.8σc时，RA和AF值数据点分布较少。这是因为此时岩石正处于弹性变形阶段，声发射事件较少。在0.8σc～1.0σc区间，拉张裂纹区数据点仍占主体，且分布范围较压密阶段广，而剪切裂纹区域内的数据点明显增多，且在0～60 kHz 散乱分布。表明在此阶段，岩石内拉张裂纹和剪切裂纹共同发育，但拉张裂纹所占比例较大且剪切裂纹有较强的随机性。

2.4 损伤演化特征分析

声发射参数特性的变化可以说明材料损伤的演变，这可用于评估在单轴压缩下砂岩的破坏。本次使用累积振铃计数来定义砂岩的损伤演化特征。损伤变量D定义为：

式中：Rd为岩石完全破坏时的累积振铃计数；R0为轴向应变为ε时的累积振铃计数。

图6 不同应力水平下RA-AF分布散点图Fig.6 Scatter diagram of RA-AF under different stress

图7 应力-应变-损伤变化曲线Fig.7 Stress-strain-damage variable curve

图7展示了砂岩应力-应变-损伤的演化规律。从图7可以看出，当加热温度较低时，在压密阶段和弹性阶段，D值无明显变化，峰值强度附近砂岩损伤加剧，D值迅速上升。随着温度的升高，砂岩的峰值应变逐渐增大，峰值应力逐渐减小。当温度达到600℃时，压密阶段损伤曲线出现小的峰值，表明此温度下砂岩遭受了热损伤。超过800℃，峰值强度附近D值呈缓慢上升趋势。表明此温度下砂岩内部的热损伤进一步加剧，内部缺陷逐渐增多，脆性减弱，力学性能逐渐劣化，破坏时呈明显的塑性变形。

3 讨论

根据砂岩在单轴压缩下的力学特征和声发射特征，可将砂岩的变形破坏分为3个时期：压密期(0～0.2σc)，平静期(0.2σc～0.8σc)和破坏期(0.8σc～1.0σc)。

压密期：此阶段岩石原始的孔隙和裂隙被压密，应力-应变曲线呈典型的下凹形，声发射活动呈现小范围的增强。

平静期：此阶段又可分为2个时期。平静期前期(0.2σc～0.6σc)，岩石处于线弹性变形阶段，曲线接近直线，岩石内部无明显的声发射活动；平静期后期(0.6σc～0.8σc)，应力-应变曲线偏离线性，微破裂稳定发展，声发射活动开始增强。

破坏阶段：当应力超过岩石的屈服强度后，岩石内部微裂纹逐渐贯通形成大尺度裂纹，声发射活动显著增强。

不同温度处理后的砂岩在受力变形的不同阶段，会展现出不同的裂纹类型。当热处理温度较低时，在压密期，剪切裂纹所占比例较少，砂岩以拉张破裂模式为主[18]，这可用位错塞积现象解释[19]。在较小的载荷作用下，砂岩原始缺陷产生滑移或晶体中的位错在晶粒边界上堆积，随着缺陷的不断堆积，位错运动受阻。在体心立方晶体中，2个相交的滑移面在一定外力作用下相遇，反应结合成超位错，就萌生裂纹的核心，如图8和图9所示。在位错塞积群的前端拉应力集中，结果导致张性裂纹增多。当加载应力达到裂纹起始应力σci(约为峰值应力的 30%～50%)时，拉张裂纹迅速增长；当加载应力达到裂纹破坏应力σcd(约为峰值应力的80%)时，岩石内部宏观裂纹开始成核，形成大尺度裂纹，岩石局部发生剪切破坏，剪切裂纹所占比例迅速上升，如图10a所示，但拉张裂纹仍占主导[20]。这是因为岩石内部微裂纹是由于局部受拉造成的，主裂纹的形成主要是由局部拉应力集中所导致。

图8 位错塞积诱发裂纹成核过程[19]Fig.8 Schematic diagram of crack nucleation induced by dislocation pileup[19]

图9 位错反应[20]Fig.9 Schematic diagram of dislocation reaction[20]

图10 剪切裂纹随不同因素变化的演化规律Fig.10 Evolution of shear crack varied with different factors

随着加热温度的升高，岩石晶体受热膨胀，质点的热运动增强，容易发生位移，位错塞积现象增多，如图9所示。在局部剪切应力作用下，晶体发生位错滑移，塑性变形增多。在应力-应变曲线上表现为砂岩峰值强度降低，轴向应变增大。砂岩内矿物由于热膨胀系数不同，在加热过程中呈现不均匀膨胀[21-22]。特别是在573℃左右，石英发生相变，由α-石英转变为β-石英[23]，石英体积迅速膨胀[24]，挤压周围矿物，在晶粒中心和边界同时激发裂纹核[25]，导致穿晶剪切裂纹增多，如图10 b所示。700～800℃之间，热损伤继续增加，剪切裂纹明显增大，同时和沿晶裂纹一起形成庞大的裂缝连通网络，形成穿晶沿晶复合裂纹，在加载过程中呈明显的塑性变形且产生大量岩屑(图11)。超过800℃，部分矿物(方解石)发生分解[26]，晶体结构被明显破坏，砂岩塑性特征增强，剪切裂纹所占比例迅速下降；850℃时，砂岩呈明显的塑性变形，剪切裂纹所占比例较少且基本不随C0发生变化，如图10c所示。

图11 砂岩破坏形态Fig.11 Failure form of sandstone

4 结论

a.砂岩在整个加载过程中以拉张裂纹为主，当加载应力超过峰值应力的80%后，剪切裂纹所占比例迅速增大，该阶段对应岩石加载过程中非稳定破裂发展阶段，可将此作为砂岩产生破坏的前兆。

b.高温处理后砂岩内剪切裂纹和拉张裂纹的分布与矿物(主要是石英)的热膨胀密切相关。当加热温度超过600℃，剪切裂纹所占比例明显上升，800℃后剪切裂纹所占比例迅速下降。600℃和800℃可作为砂岩损伤突变的阈值温度。

c.砂岩在加载过程中内部位错塞积群的积累导致拉应力集中，拉张裂纹增多。当加载应力达到裂纹破坏应力σcd时，岩石内部宏观裂纹开始成核，形成大尺度裂纹，剪切裂纹增多。高温后位错塞积运动增强，塑性变形增多。

d.声发射参数RA和AF值能有效区分砂岩在破坏过程中不同类型裂纹的分布，可为高温后岩石破裂失稳前兆信息的识别提供重要的理论基础。