花岗岩热损伤抗拉强度和声发射特征试验研究

2022-12-14陈小洋

中国测试 2022年11期

王鹏，陈宇，陈小洋，李力

(1. 江西省水利投资集团有限公司，江西南昌 330000; 2. 江西建设职业技术学院，江西南昌 330200; 3. 重庆市地勘局川东南地质大队，重庆 400030; 4. 成都理工大学环境与土木工程学院，四川成都 610059)

0 引言

岩石的抗拉特性是评价地下工程围岩稳定性的重要参数，同时也是支护结构设计的重要指标[1]。许多岩石结构发生破坏往往是由于结构局部或者整体承受拉应力引起的[2]。如：在煤炭开采过程中，顶板岩石冒落与拉应力有密切关系。伴随着人类活动不断向地下延伸，包括高放射性核废料处置库建立、地热工程、煤炭地下气化以及火灾后重建等，均会涉及到高温对围岩结构变形和强度的影响[3]。在深地工程高温环境中，围岩产生拉应力的概率会大幅度增加，原有的拉应力分布特征也会发生变化[4]。因此，研究岩石抗拉热损伤破坏特征和规律对工程设计和评价有重要的作用。

关于岩石在高温下的力学损伤特性演化规律这一问题，国内外学者开展了大量的研究，并取得了较多理论与应用成果。方新宇等[5]对高温（25～1 000 ℃）处理后的花岗岩进行巴西圆盘试验，对比分析了破坏形态、抗拉强度、荷载-位移特征等。吴顺川等[6]基于巴西劈裂试验，分析了25～800 ℃处理后花岗岩的抗拉强度、体积膨胀率、纵波波速、微观结构和声发射特征的变化。苏海健等[7]研究了温度和尺寸对抗拉强度的影响，对20～800 ℃、岩样厚径比为0.5～1.0的红色砂岩进行了巴西劈裂试验。吴刚等[8]对砂岩在25～1 200 ℃温度作用后的力学特性进行试验研究，分析了峰值应力、峰值应变、破坏模式和泊松比的变化。

综上分析，岩石热损伤研究主要集中在宏观物理力学性质、微观结构特征等方面，对岩石劈裂破坏模式的定量描述和裂纹的动态演化特征研究仍较少。花岗岩作为深部赋存较为常见的岩石，对其热损伤进行相关研究有着深刻的理论价值和工程实际意义。本文主要是基于巴西劈裂试验，对25～700 ℃温度处理后花岗岩的抗拉强度、质量损失率、纵波波速等物理力学性质进行对比分析，同时结合显微镜和声发射监测进行分析，探究其劈裂破坏模式和裂纹动态演化特征，分析其损伤破裂机制，为高温条件下深地工程围岩结构稳定性评估和灾害预警提供建设性的意见与建议。

1 试验方法

试验所采用的花岗岩产自山东日照，结构致密、质地均匀，表面无明显裂隙，自然状态下呈青灰色。在偏光显微镜下观察花岗岩的内部结构如图1所示，常温下主要包括石英、长石、云母等矿物成分，且矿物颗粒较大，结合紧密，同时可见几条裂隙出露在矿物颗粒表面。花岗岩的平均密度为2.65 g/cm3，纵波波速为6 578 m/s。按照国际岩石力学学会标准，将花岗岩加工成ϕ50 mm×25 mm的标准圆盘试样，且端面的加工精度在0.02 mm。每组平行试样数量设置为3个，以减小试验误差。

图1 花岗岩显微薄片图

采用马弗炉（TNX-1 400）对圆盘试样进行加热，以8 ℃/min的加热速率将花岗岩加热至目标温度（25，200，300，400，500，600，700 ℃），然后恒温加热2 h，使试样受热均匀，之后在马弗炉中自然冷却到室温。在经过样品准备和加热后，利用TAW-2000对花岗岩开展巴西劈裂实验，加载速率为0.05 mm/min，加载方式为位移控制。同时，在对花岗岩加载破坏的过程中，采用声发射对整个过程进行实时动态监测，声发射信号用单通道进行采集，采集频率为5 MΗz，门槛值为40 dB。利用胶带将声发射探头固定在距离中心位置1 cm左右，以确保实验结论的准确性。

2 结果与分析

2.1 应力-时间曲线特征

图2为不同温度下花岗岩的应力-时间曲线。从图中可以看出，整个曲线的裂纹压密阶段、弹性变形阶段、裂纹扩展阶段并不是特别明显，这与单轴压缩实验的应力，时间曲线变化特征有较大的区别[9]。整个曲线大致经历线性发展阶段以及峰值破坏后的迅速降低阶段。仔细分析图2可以发现，温度对花岗岩的应力变化特征有明显的影响。在500 ℃前，花岗岩破坏经历的变化趋势类似，破坏时间在不断减小。在500 ℃后，花岗岩应力上升速率缓慢，破坏时间变长，产生的应变变大。这一现象说明内部裂纹结构在温度的影响下会发生显著的变化，导致花岗岩的弹性模量和泊松比会发生较大变化，使得围岩支护机构失效，并最终影响地下工程围岩的稳定性。

图2 不同温度下的应力～时间图

2.2 抗拉强度变化特征

温度的变化会影响岩石的应力发展特征，并最终导致岩石抗拉强度发生变化，具体数值见表1。从图3中花岗岩的抗拉强度变化特征可以看到，抗拉强度随着温度的升高而不断减小。在25～300 ℃，抗拉强度变化较小，测得的抗拉强度仍大于10 MPa。在300～400 ℃，花岗岩的抗拉强度急速下降，从300 ℃时的11.08 MPa下降到400 ℃时的4.84 MPa，下降幅度高达56.32%，意味着在该温度范围内花岗岩损伤较为严重。在400 ℃后，抗拉强度处于小范围的波动，损伤程度并没有进一步加剧。抗拉强度的这一变化特征说明花岗岩的损伤阈值温度在300～400 ℃区间，该范围内花岗岩内部结构损伤严重。

表1 花岗岩的物理力学参数表

图3 花岗岩平均抗拉强度变化图

2.3 纵波波速与质量变化规律

岩石在加热过程中，会发生裂纹损伤演化和水分丧失等变化，导致岩石的物理力学性质发生变化。图4为花岗岩纵波波速、质量损失率随温度的变化关系，其中，质量损失率采用下式计算：

图4 花岗岩平均质量和纵波波速变化图

式中：M1——岩石初始质量；

M2——岩石加热后的质量。

在高温加热环境中，岩石中的自由水、沸石水、结晶水、结构水会逐步蒸发[10]，同时岩石内部的风化产物和有机物发生燃烧，也会导致岩石的质量随温度不断减小。水分丧失会导致晶体骨架破坏，矿物颗粒之间的不协调变形也会使内部结构破坏，产生微裂纹，弹性波在这种岩石中传播会受到阻碍，从而导致测得的岩石纵波波速下降。岩石纵波波速的下降在一定程度上可以表征岩石的热损伤程度，利用纵波波速计算岩石的损伤变量已经在较多文献中提及[11]。

2.4 声发射特征

2.4.1 声发射时空演化规律

岩石在变形破坏过程中其内部积聚的能量会释放，声发射作为一种无损检测手段，可以有效地捕捉岩石内部释放的弹性应变能，从而对岩石内部的结构进行分析[12]。本文主要以声发射累计振铃计数和声发射b值来对岩石微裂纹的时空演化特征进行分析。岩石的断裂与地震发生的机制类似，因此，声发射b值的概念和计算公式也是由地震频度与震级之间的关系演化而来，具体计算公式如下[13]：

式中：AdB——声发射振幅，通常是根据门槛值设置；

N——振幅大于AdB的选定时间窗口中相等数量的声发射事件总数；

a——常数；

b——本文所求的数值。

本文利用扫描算法进行计算。

图5为花岗岩在不同温度下的声发射演化特征图。从图中可以看出，在整个加载过程中声发射b值呈现动态式的发展。在加载初期，声发射采样窗口事件跨度较大，因此该阶段的声发射b值测取不到。从图5(a)中可以看出，常温下花岗岩在破坏前的声发射b值维持在一个较为稳定的水平，直到试样在即将破坏时声发射b值突发式下降，这可以作为岩石破坏失稳的重要预警信号。在花岗岩加热后，声发射b值的变化特征与常温下的略显不同，试样破坏前声发射b值只在短时间内维持了稳定状态，之后呈现出了剧烈的波动，见图5(b)～图5(d)。随着加热温度的进一步提高，声发射b值先是呈现缓慢的减小，然后在破坏时发生陡降。声发射b值增大意味着岩石裂纹发展以小尺度裂纹为主，声发射b值减小则是以大尺度裂纹发展为主。在巴西劈裂破坏过程中，岩石内部的裂纹首先保持稳定发展，主要以小裂纹发展为主，随着裂纹的不断增多和相互连通，则此时岩石的裂纹向大尺度发展。声发射b值的变化情况与劈裂破坏过程有较好的对应关系，利用声发射b值的变化情况可以有效预警岩石内部结构的变化情况。

图5 不同温度下的声发射特征图

2.4.2 声发射累计振铃计数特征

声发射累计振铃计数是声发射中较为重要的一个参数，可以反映岩石内部破裂和微裂纹的演化特征。累计振铃计数的变化大致都是经历破坏前的缓慢变化和破坏时的直线式上升。这与岩石的破坏特征是对应的，花岗岩在破坏前内部损伤缓慢积累，直到内部损伤积累到一定程度，超过了岩石的强度极限，岩石会发生突发式的破坏。从图6中可以发现，常温下花岗岩在破坏前累计振铃计数上升速率较快，破坏时则突然上升。而在加热后，岩石初始加载阶段几乎维持在一个较低的水平，上升速率几乎为零；而后当应力增加到一定水平，累计振铃计数则开始缓慢增加，说明此时内部裂纹开始发育；在临近破坏前某一应力水平，岩石已经较难维持裂纹发展所需要的极限，此时内部损伤已经达到最大，裂纹几乎都连通，在试样破坏时累计振铃计数则开始快速上升。

图6 不同温度下的累计振铃计数

2.4.3 声发射事件数变化特征

岩石声发射事件数是用来反映材料局部变化的一个参数，用于反映事件的总量和频度。图7显示了不同温度下巴西劈裂过程中声发射事件数的变化过程。如图7（a）所示，在岩石破坏前，声发射事件数处于一个较低的水平，但声发射事件数出现的频度较高；当试样快要破坏时，岩石的声发射事件数水平快速上升，但声发射事件的频率大幅度降低，只可见零星的声发射事件产生。在400 ℃时，岩石破坏前的声发射事件数几乎都低于20，破坏时试样的声发射事件数快速上升。在700 ℃岩石声发射事件数出现的频率较高，且随加载不断进行，声发射事件数在不断上升，在破坏时产生声发射事件数的频率也较高。这说明在常温时岩石裂纹的发展处于缓慢发展阶段；在中等温度加载初期的裂纹发展稳定，而在破坏时则发展较为迅速；在高温阶段，岩石裂纹的发展比较迅速。

图7 声发射事件数在不同温度下的变化特征

2.4.4 声发射能量变化规律

图8为试验监测到的巴西劈裂过程中的释放的累计能量。从图中可以看到，在常温下花岗岩加载过程释放的能量最多，在试样加热后，岩石劈裂所释放的能量快速减小，之后所监测到的岩石能量几乎都处于一个波动的状态。这说明未加热的花岗岩在受到外荷载后岩石内部结构发生较大变化，而加热后的花岗岩由于内部结构已经发生了预损伤，在外荷载作用下岩石的结构变化程度减弱了许多，因此岩石破坏所释放的能量减小了许多。

图8 声发射能量在不同温度下的变化特征

2.5 应力门槛值变化特征

岩石微裂纹的发展是一个渐进性的过程，因此，分析岩石每个阶段裂纹的发展进程对于学习岩石热损伤机制是十分必要的。通过分析累计振铃计数的变化特征可知，岩石会经历一个裂纹开始和裂纹损伤阶段，对应着累计振铃计数开始增加和岩石破坏时的突然增加阶段。岩石的劈裂破坏过程与单轴压缩破坏过程不同，岩石单轴压缩过程中会经历较为明显的裂隙压密阶段、线弹性阶段、裂纹非稳定发展以及破坏阶段，而巴西劈裂试验过程中所表现的阶段性特征并不是特别明显，本文的劈裂破坏过程只经历过线性发展阶段和破坏阶段，难以通过分析应力曲线来对裂纹的发展有一个定性的认识。结合声发射参数的变化特征可以较好地识别裂纹起始点和岩石破坏状态。

表2为不同温度下花岗岩裂纹起始和裂纹损伤所对应的应力水平。总体而言，裂纹起始应力和裂纹损伤应力是随温度增长在减小的。并且，图9展示了裂纹起始应力门槛比值和裂纹损伤应力门槛比值随温度的变化关系，两种应力门槛比值分别采用下式计算[14]：

图9 裂纹初始与裂纹损伤应力门槛比值变化

表2 裂纹起始与裂纹损伤应力平均值

从图9中可以明显看出随着温度增长，裂纹起始从常温时的峰值应力的49.68%逐渐减小为700 ℃的16%，而裂纹损伤大致维持在峰值应力的95%左右。这意味着随着温度增长，裂纹出现得越来越早，而温度并没有明显改变裂纹损伤出现的快慢，花岗岩在温度的影响下越容易出现微裂纹，且在高温下裂纹的发展演化过程逐渐变长，但结合累计振铃计数变化特征可知，岩石微裂纹是渐进式发展的，是处于稳定可控的状态下，这也是加固地下工程围岩的最佳时间。

2.6 花岗岩破坏特征

随着岩石微裂纹的不断发展并逐渐相互贯通，损伤程度不断加剧并超过了花岗岩的强度极限，岩石开始产生破坏。正常情况下，岩石的起裂点是从圆盘中心发展，并逐渐向两端扩展，最后平行于加载方向形成一条主裂纹。图10展示了不同温度下花岗岩的宏观破坏模式。从图中可以看出，花岗岩主要以单一主裂纹破坏为主，与砂岩的破坏模式不同，花岗岩的脆性明显，在力的作用下并没有形成明显的次生裂纹。在两端仍可以看到明显的裂纹路径，只是并没有形成肉眼可见的裂纹。

图10 花岗岩宏观破坏模式图

为了进一步对花岗岩圆盘的断裂主裂纹进行描述，将断裂主裂纹放在显微镜下进行观察，并将整个断裂的微观形貌进行拼接。从图11中各温度下主裂纹的微观形貌可知，岩石断裂面的形态符合巴西劈裂状态下的应力分布特征。断裂面在靠近中心处张开度最大，两端较为紧密，证明岩石是从中心处开始破裂，直至发展到两端为止。随着温度的进一步提高，破坏形态也发生了一些变化，断裂面变得更不平整，且断裂面端部的岩石碎块发生掉落，造成岩石断裂面存在少许空缺，600 ℃时花岗岩的断裂面充填有一些破坏的花岗岩小颗粒，说明岩石破裂较为严重。总体而言，随着温度升高，劈裂面的粗糙程度递增。这可能是由于水分的丧失造成矿物组分之间的胶结程度变弱，主拉应力的破碎程度加剧，表现为劈裂面随温度增加从光滑变得粗糙，损伤程度变严重。

图11 不同温度下花岗岩断裂面显微图

3 讨论

岩石的应力-时间曲线表现为先是线性发展趋势然后破坏，应力的发展趋势在一定程度上可以反映材料内部的位错、微裂缝、微孔隙等情况，间接反映了材料的形变能力。因此可以通过定义应力-时间曲线中近线性发展阶段曲线的斜率来反映应力的增长速率，则得到了一个反映圆盘试样应力增长快慢的参数。计算各温度等级下有效试样的应力增长因子（即应力-时间曲线中近线性发展阶段曲线的斜率），将其绘于图12中。由图可知，随着温度升高，总体上花岗岩的应力增长因子可以划分为两个阶段，分别为 25～500 ℃ 和 500～700 ℃，在 25～500 ℃ 应力增长因子总体上表现为随温度增加而缓慢增长的趋势，在500～600 ℃应力增长因子发生急速下降，在600～700 ℃应力增长因子缓慢下降。这可能是由于花岗岩在低温阶段的岩石矿物颗粒的性质还没有发生较大变化，且在低温阶段岩石内部水分丧失，矿物颗粒之间的润滑作用减弱，发生位错的可能性减小；而在500～600 ℃，由于石英发生从相到相的转变[15]，使得岩石矿物颗粒承载变形能力发生变化，岩石应力增长缓慢。

图12 应力增长因子随温度的变化关系

与应力增长因子的变化特征不同的是，岩石的抗拉强度在300～400 ℃发生显著下降，而应力增长因子则是在500～600 ℃发生急速下降。岩石的抗拉强度描述的是岩石的整体承载能力，本文定义的应力增长因子反映的是岩石某一阶段的应力变化情况和形变能力。可以通过裂纹化和位错运动解释这一现象，应力引起的裂纹化对温度不敏感，而位错作为晶格缺陷，其活动性受热增强。因此，随着温度增长，岩石的整体承受能力和应力发展特征表现出不一样的特征。如2.4.3节所分析的岩石声发射事件数一样，在不同加载阶段岩石裂纹发展特征表现并不一样，这与应力增长的快慢有直接关系。

从以上分析中可以知道声发射包括振铃计数、事件数、能量以及演化而来的声发射b值等参数，通过分析不同的声发射参数可以解读岩石内部结构不同的变化信息，如通过声发射b值的变化关系可以大致了解岩石微裂纹的尺度发展特征；通过声发射能量的改变可以感知岩石损伤程度的改变。在地下工程围岩稳定性评估与监测中，需要实时感知和分析围岩结构的变化趋势和程度，合理使用声发射技术将为支护结构设计和加固提供有用的信息。