冲击荷载下砂岩的红外辐射特性

周子龙，刘洋，蔡鑫，常银,2，高山

(1. 中南大学资源与安全工程学院，湖南 长沙，410083；2. 中南大学教师教学发展中心，湖南 长沙，410083；3.广西新发展交通集团有限公司，广西 南宁，530029)

随着矿山、隧道等领域的快速发展，地下岩石工程面临着许多严峻问题。岩爆、大规模坍塌等动力灾害频发，其突发性强，破坏力大，已经严重威胁工程安全[1-2]，如何快速识别岩体破裂失稳前兆并进行灾害预报是岩石工程界长期存在的热点和难点问题。20 世纪中后期，人们发现岩石破裂时会引起热辐射现象。近年来，随着红外热像(infrared thermography)技术的发展，红外监测已广泛应用于岩石工程灾害监测与预警，深入认识岩石破裂过程中的红外辐射特征对遥感技术在岩石工程领域中的应用具有重要意义。人们利用红外热像仪对不同加载条件下的各类岩石的红外辐射特征进行了研究，如：LUONG[3]采用红外热像仪监测疲劳荷载下混凝土和盐岩的红外辐射特征；邓明德等[4]在等温加载的条件下对混凝土进行力学实验，发现力能够直接引起岩石的红外辐射能量发生变化，不需要经历生热的物理过程；WU等[5-6]总结了压缩荷载、拉伸荷载和剪切荷载下，不同种类岩石的红外辐射特征，并将时间-温度曲线上突变点和红外热图中的温度条带视为岩石试样的破坏前兆；马立强等[7]通过测量钻孔方式，得到了煤岩体内部的温度特征，并分析了煤和泥岩受压过程中的红外辐射温度，发现内部温度与时间、载荷呈正相关关系；刘善军等[8]提出了特征粗糙度、熵和方差3个定量描述受载岩石红外辐射温度场演化特征的指标，为岩石灾变过程的红外辐射分析提供了新思路；WANG等[9]使用红外热像仪监测了单轴加载的石灰岩试样在变形破坏过程中的红外辐射特征，将tAIR从上升到下降再到上升的现象确定为岩石破坏的前兆；SALAMI 等[10]对岩石和砂浆试样开展巴西劈裂实验，观察其红外辐射温度大的变化规律，发现在变形和破坏过程中，岩石试样的裂纹周边的温度会升高，然而，砂浆试样的温度没有发生变化，这种差异是岩石矿物颗粒破碎所致[10]。周子龙等[11]开展了不同含水率砂岩的单轴压缩实验，研究了含水量对红外辐射特征的影响，发现含水率越高，tAIR-时间曲线的波动越小，温度随应力升高的趋势越明显。周子龙等[12]对花岗岩进行了不同加载速率下的单轴压缩试验，发现加载速率越高，花岗岩的升温速率越高。来兴平等[13]研究了含裂隙煤炭破裂过程的红外辐射特征，将红外辐射的异常区域的迁徙特征作为煤岩破裂的重要前兆信息。CAI等[14]对饱和和干燥状态的砂岩、花岗岩和大理岩进行了单轴压缩试验，研究了水的存在对红外辐射的影响规律，发现在同等应力下，饱和试样的平均红外辐射温度高于干燥试样的温度，这说明水的存在促进了热能的释放[14]。

通过以上分析可见，上述研究的荷载都集中于准静态，而冲击载荷下，岩石的力学特性与红外辐射特征的关系尚不清晰，需要进一步研究。为此，本文采用改进的分离式霍普金森压杆(SHPB)系统对砂岩进行不同应变率的冲击测试试验，借助红外热像仪监测记录砂岩的红外热像图，分析高应变下砂岩的红外辐射演化规律。通过计算得到不同应变下砂岩破坏时和初始时的平均红外辐射温度，建立温度增量(ΔtAIR)与应变率的关系。通过计算砂岩吸收的能量，分析能量密度与ΔtAIR的关系。

1 实验设计与方法

1.1 实验材料

本实验选用的试样材料为细粒红砂岩，取自中国云南，其主要力学和物理参数见表1。X射线衍射分析结果表明，砂岩中石英质量分数为57.20%，长石质量分数为13.48%，方解石质量分数为5.26%，云母质量分数为3.84%，黏土矿物质量分数为13.77%，其他物质质量分数为6.45%。

表1 砂岩试样的物理和静态力学参数Table 1 The physical and static mechanical parameters of sandstone samples

为消除曲面对红外辐射温度监测准确性的影响，将砂岩试样制成长×宽×高为40 mm×40 mm×20 mm的长方体，然后，对砂岩试样6个端面充分打磨，使其表面平整。随后，将所有的试样放置于烘烤箱干燥24 h，以消除水分对实验结果的影响。

1.2 实验装置

1.2.1 红外监测设备原理

岩石试样能发射出波长范围较宽的电磁辐射波，只有红外辐射波段才能表现出热效应。红外热成像的原理如图1所示。当电磁辐射波传播到红外热像仪时，只有红外辐射波段可以透过锗透镜，并被焦平面阵列光敏传感器检测到。根据波尔-兹曼定律将红外辐射能转换为温度，从而获得红外热像图。

图1 红外热像仪原理图Fig.1 Schematic diagram of infrared thermography

在动态测试中采用非制冷红外摄像仪(FLIR SC7000)采集砂岩热像。该相机的有效波长监测范围为3.7～4.8 μm、温度灵敏度为0.01 ℃。在本实验中，捕捉的红外热像的分辨率为112 像素×110 像素，采样频率为450 Hz(2.2 ms/帧)。

1.2.2 SHPB装置

本实验采用直径为50 mm 的分离式霍普金森压杆(SHPB)系统进行冲击测试。该系统主要由气腔、纺锤形冲头、入射杆、透射杆、吸收杆和缓冲器组成。其中，纺锤形冲头和所有杆件均由密度为7 810 kg/m3的40Cr 合金钢制成，弹性模量为240 GPa，纵波波速为5 410 m/s，屈服强度为800 MPa。纺锤形冲头和所有杆件须严格对芯放置，以防止在实验过程中发生偏心现象。

1.3 实验方案

实验中，砂岩试样夹持于入射杆与透射杆之间。在砂岩试样的两侧均匀涂抹凡士林，以保证入射杆和透射杆端面紧密贴合并减小端面摩擦效应。通过调整气腔中氮气压力改变冲头的冲击速度，以实现不同应变率的加载。

红外热像仪放置在砂岩试样正前方1 m 处位置，以免砂岩碎屑弹射造成红外热像仪移动或损坏。为保证岩石试样与环境温度尽可能一致，需提前24 h 将样品放置在实验室内。同时，在实验过程中关闭门窗，拉紧窗帘，营造封闭的实验环境。

1.4 数据处理

1.4.1 平均红外辐射温度

平均红外辐射温度由红外相机配套的软件计算处理，可以得到热图中任意一像素点位置Ni的红外辐射温度Ti。每张热像图选中的区域平均红外辐射温度tAIR可由下式计算：

式中：N为红外热像选中区域的像素点数量。

1.4.2 能量耗散

在SHPB试验中，弹性应变能可以根据对应的应力波由下列公式计算[15]：

式中：WI，WR和WT分别为入射能、反射能和透射能；Ae，Ce和Ee分别为杆的横截面积、波速和弹性模量；εI，εR和εT分别为入射应变、反射应变和透射应变。

其中，反射能和透射能是没有被利用的能量，若杆子和试样界面之间的能量损耗不计，则试样吸收的能量WA为

1.4.3 动态应力平衡验证

动态应力平衡验证是保证试验结果准确可靠的前提。根据三波法计算砂岩试样的动态应力，通过对比试样两侧的动态应力进行验证[16]。冲击载荷下砂岩试样两侧的动态应力见图2，其中，试样左侧的应力为入射应力和反射应力的总和，右侧的应力为透射应力。从图2可以看出：在加载过程中，试样两侧的应力大致保持相同，说明动态应力实现了平衡。

图2 试样两侧的动态应力历史Fig.2 Dynamic stress history at both ends of sample

2 实验结果分析

砂岩的动态力学参数和红外辐射温度见表2。下面从3个方面讨论和分析冲击荷载下砂岩的红外辐射特性。

表2 冲击载荷下砂岩试样参数Table 2 Parameters of specimens in dynamic test

2.1 不同应变率下的红外热像特征

红外热像可以反映受载岩石的红外热辐射强度和演变特征[5]。在不同应变率下，砂岩试样的红外热像图如图3所示，选取不同应变率下的砂岩试样的红外热像进行分析。由于受红外相机采样频率限制，每组试验只获得4张热像图。选取冲击测试之前砂岩试样的红外热像图作为初始热像图，每张热像图上标注的时间表示加载所经历的时间。

当应变率为97.9 s-1时，砂岩试样DSC7并未发生破坏，其红外热像图如图3(a)所示。从图3(a)可见：试样的左端面首先出现2 条窄长的高温条带，随着荷载增加，2个条带继续延伸贯穿，并最终连接成为1条高温带；试样表面其他区域并没有发生明显变化，说明在较低应变率下，岩石并没有发生严重损伤和破坏。应变率为117.4 s-1时的红外热像如图3(b)所示。从图3(b)可见：由于入射杆和试样之间的摩擦效应，试样的整个左端面温度显著升高；在4.4 ms时，试样表面出现2条高温带，并最终在对应的区域形成断裂。应变率为139.0 s-1时的红外热像图如图3(c)所示。从图3(c)可见：在4.4 ms 时，试样表面出现几条水平分布的高温带，最终试样被分割成若干纵向碎片，这可能是泊松效应引起的轴向断裂；随着应变率进一步增高，试样破坏程度更剧烈。从图3(d)和图3(e)可以看出大量高温岩石碎屑向外喷射，这是因为在极高的应变率下试样发生粉碎破坏，形成了大量的岩石碎屑颗粒。与较低应变率不同的是，此时，最高温度区域出现在试样的右侧端面，这可能是因为反射的拉应力引起试样右端部断裂[17]。

图3 不同应变率下砂岩试样的红外热像图Fig.3 Thermograms of sandstone samples at different strain rates

为了进一步对比不同应变率下砂岩破坏时的红外热辐射特征，对红外热像进行差值处理。选择加载开始前的第1帧热像图作为基准热图，破坏时的热像图作为目标热图，利用红外相机配套的处理软件，计算目标热图与基准热图中相同像素点位置的温度差，由此得到的差值热像图可以反映砂岩破坏时的温度变化。表3所示为砂岩初始时刻、破坏时刻区域O的红外差值热像和破碎图片。从表3 可以看出：当应变率为117.4 s-1时，岩石表面裂隙区域的温度升高明显，其他区域的温度只是轻微变化，此时，试样以劈裂破坏为主；当应变率为139.0 s-1时，试样表面形成大量裂隙，整体温度升高，试样破碎块度较大；随着应变率继续升高，破坏时的红外辐射更加强烈，砂岩发生粉碎破坏。

表3 砂岩试样的红外差值热像及破碎图片Table 3 Infrared differential thermograms and crushing images of sandstone samples

对不同应变率下砂岩的红外热像演化以及破坏时的差值热像进行分析发现：在冲击载荷下，砂岩表面红外辐射温度呈现升高趋势；应变率越高，岩石破碎越剧烈，此时，红外热辐射更加剧烈；同时，试样表面上高温条带出现的位置与裂隙形成的区域相对应，说明局部应力集中会引起红外辐射温度发生变化。

2.2 不同应变率下的红外辐射温度变化特征

平均红外辐射温度(tAIR)是衡量辐射能量强度的一个重要指标[6]。从图3 可以看出，砂岩试样与冲击杆接触面的温度升高是摩擦效应引起的，界面摩擦产生的热量与岩石试样的破坏或断裂过程无关。在讨论应变率对红外辐射的影响时，应将这部分红外温度排除在外，故选取试样表面中心区域O(45像素×65像素)的平均红外温度代表试样表面整体温度。通过软件导出区域O内每个像素点的温度，通过计算得到特定时刻的平均红外辐射温度，计算断裂时刻与初始时刻平均红外辐射温度的差值(定义为温度变化量ΔtAIR)，结果见表2。应变率与砂岩平均红外辐射温度变化量的关系，如图4所示。从图4可见：随着应变率增大，平均红外辐射温度增量呈幂函数增加。其原因是：1)由于应变率效应，试样的动态峰值强度随应变率增加而增加，这使得试样在破碎前储存了更多的应变能，在岩石断裂破坏过程中，更多的能量以热能的形式耗散，从而红外辐射温度变化量增大；2)随着应变率增大，岩石破碎更加剧烈，试样表面高温条带数量明显增多，同时伴随着大量的高温岩石碎屑向外弹射，造成平均红外辐射温度变化量上升；3)在冲击荷载下，快速的能量输入刺激了矿物分子的能级跃迁，也会激发强烈的红外辐射能量[18]。

图4 不同应变率下砂岩试样的ΔtAIRFig.4 ΔtAIR of sandstone samples at different strain rates

2.3 红外辐射温度增量与能量密度的关系

岩石破坏过程中伴随复杂的能量耗散，而热能是其耗散方式之一。本实验中，平均红外辐射温度变化量(ΔtAIR)是衡量热能耗散的重要指标。

图5 所示为砂岩试样的能量密度与ΔtAIR的关系。从图5可以看出：砂岩试样的平均红外辐射温度增量随着能量密度增加呈指数函数关系增加；当试样的能量密度较低时，温度增量先缓慢增加，随着能量密度持续升高，温度增量急剧增加。这可能是由于应变率的增加，试样在破坏前储存更多的应变能，在试样破坏时，大量的能量以热能的形式耗散热，导致岩石试样表面红外温度大幅度上升。

图5 砂岩试样的能量密度x与ΔtAIR 的关系Fig.5 ΔtAIR versus energy density of sandstone samples

3 讨论

在冲击荷载下，不同应变率下砂岩试样的红外热像时空演化规律基本相似。随着荷载增大，试样表面开始出现高温条带，然后继续扩展延伸，在对应位置出现裂隙。随着应变率增大，试样表面的高温条带数量不断增多，并伴随更多的高温岩石碎屑向外弹射，砂岩破碎程度更加严重。这说明红外辐射特征可以定性地反映岩石内部的微破裂和应力变化情况。

在冲击荷载下，热弹效应和热摩擦效应是红外热辐射强度变化的主要原因。当施加荷载时，砂岩试样与入射杆接触面的温度首先升高，这可能是端面的摩擦效应引起的。随着荷载增加，部分砂岩试样右端面的温度出现剧烈升高现象，这可能是试样右端的反射拉应力所致。根据拟合结果，砂岩试样破坏时刻与初始时刻的平均红外辐射温度增量随着应变率增加而增加，两者呈幂函数关系。当应变率较低时，试样仅发生局部破坏，试样表面产生的裂隙较少，红外辐射温度增量也不大；随着应变率增加，摩擦效应逐渐占主导作用，此时试样呈粉碎性破坏，并伴随着大量高温碎屑向外喷射。由于岩石碎块尺度小、碎屑多，裂隙粗糙度增大，产生的摩擦热也就越多。从能量耗散的角度看，由于率依赖性，随着应变率增高，试样的能量密度越高，当试样发生破坏时，存储的能量以热能形式耗散，引起红外辐射温度大幅度升高，因此，平均红外辐射温度增量随着能量密度增加而增加。

红外辐射监测作为一种实时的、无损的技术，已经成为岩土灾害遥感预报和监测的有效手段。本文通过开展室内试验，了解动载下岩石变形破坏的红外辐射演化特征以及温度变化规律，旨在解释实际工程中监测的红外辐射现象，为遥感技术在岩石动力灾害预警中的应用提供理论依据。

4 结论

1)从红外热像演化规律可以看出，在加载过程中，试样表面的高温条带位置与实际破坏发生的位置对应关系较好。随着应变率增加，试样表面的高温带数量也增加，并伴随大量的高温岩屑向外弹射。可以认为，红外辐射越剧烈，砂岩破坏越严重。

2)冲击荷载下砂岩平均红外辐射温度呈现上升趋势。随着应变率增加，平均红外辐射温度增量不断增加，并且两者呈幂函数关系。

3)砂岩试样吸收的能量与平均红外辐射温度增量(ΔtAIR)呈指数函数关系。随着能量密度升高，ΔtAIR先缓慢增加再急剧增加。

4)在冲击荷载下，热弹效应和热摩擦效应是砂岩红外辐射温度变化的主要原因，随着应变率增加，摩擦热逐渐占主导作用。