徐振洋 張久洋 王雪松 郭連軍 劉 鑫
(1.遼寧科技大學礦業(yè)工程學院,遼寧 鞍山114051;2.沈陽工業(yè)大學建筑與土木工程學院,遼寧 沈陽 110870)
巖石爆破破碎機理的探索與研究一直是工程爆破領域的熱點課題,究其原因,一是巖石被歸類為不均勻的材料,其中包含礦物顆粒、膠結物、孔隙、裂隙等;二是爆炸荷載難以直接測量,而載荷大小和巖石強度決定了炮孔周圍裂紋的數目,裂紋的發(fā)展結果是大小不規(guī)則破碎塊度的分布。同時,許多室內試驗和現場觀測證實,巖石內部的薄弱部位會顯著降低其強度,因為損傷或斷裂往往從這些薄弱部位開始并蔓延,最終導致巖體完全破壞[1-2]。因此,考慮孔隙對巖石強度和斷裂機理的影響是至關重要的。
獲取中高應變率加載下的巖石動態(tài)損傷及能量耗散對于爆破破碎理論研究具有一定的幫助[1]。分離式霍普金森壓桿(Split Hopkinson Pressure Bar,SHPB)能夠提供中高應變率的加載,基于該設備,歐陽浩然等[3]研究了粒徑為0.25 ~ 0.50 mm的二氧化硅和鈣質砂的動態(tài)表觀模量值。SHPB還用于研究石灰石和白云石的應變率響應機制[4]、裂紋板試件的開裂機理[5]、耐堿玻璃纖維礦渣水泥砂漿的抗沖擊性能[6]、花崗巖的開裂行為[7]等。對于試驗條件下的地應力模擬,圍壓裝置是首選設備,LIU等[8]建立了一個本構模型來描述圍壓和溫度作用下的動態(tài)力學特征。LI等[9]利用類似的設備研究了花崗巖凍融風化后的力學性能。此外,巖石受到多次動荷載的影響,累計的動荷載作用后往往會出現損傷。為此,許多學者對沖擊作用下巖石的力學特性進行了大量的研究。GONG等[10]研究了沖擊載荷作用下煤的動態(tài)力學性能。WANG等[11]的研究指出了花崗巖在溫度和循環(huán)沖擊荷載作用下的破壞模式。對于該作用下巖石的響應特性,除了破碎外,巖石內部的損傷特性引起了廣泛關注。這種損傷在動態(tài)載荷引起的細觀尺度中是明顯的。表征細觀損傷的測試設備和方法很多,如SEM(掃描電子顯微鏡)[12-13]、CT(電子計算機斷層掃描)[14-15]、聲發(fā)射[16-17]、NMR(核磁共振)[18-20]等。其中,核磁共振技術是一種高精度、快速、可重復的無損檢測技術,在醫(yī)療、石油等領域都有應用。核磁共振通過分析巖石中孔隙的流體含量,可測試孔隙度、孔徑分布、含水率等,該測試手段可提供巖石細觀損傷的定量表征。
孔隙嚴重影響了應力波在巖石內部的傳播,在不同的加載速率和加載值條件下,巖石動態(tài)力學性能會表現出不同的特征。因此,本研究通過分析紅砂巖在循環(huán)動荷載作用下的響應特征,結合核磁共振檢測技術獲取試樣的孔隙度變化信息,分析了應力—應變曲線、孔隙率分布曲線、孔隙率差值和孔隙率變化率。
本研究所進行的試驗均在遼寧科技大學沖擊動力學試驗室完成,SHPB加載系統(tǒng)如圖1所示。入射桿長為2 100 mm,透射桿長為1 800 mm,吸收桿長為800 mm;桿件采用直徑為50 mm的高強鋼,彈性模量為210 GPa。為了研究孔隙度對巖石動態(tài)力學性能的影響,避免其他因素(如礦物種類、顆粒尺寸等)對試驗結果的影響,選擇了相對均質的紅砂巖作為研究對象。紅砂巖產自山東省日照市莒南縣土溝村礦區(qū),所有試件均從同一塊巖石中鉆取,以減小離散性,基本物理力學性質參數取值見表1。試件制作的標準參照ISRM[6]執(zhí)行,為了減小端部效應和應力不均勻性,將試件端部打磨至光滑平行,截面不平行度和不垂直度小于0.02 mm。在保證入射桿、試件和透射桿緊密貼合的條件下,利用液壓系統(tǒng)施加圍壓。圍壓系統(tǒng)由壓力泵、圍壓裝置、軸壓裝置、限位裝置和動能陷阱組成,液壓油由壓力泵注入圍壓裝置并用橡膠套進行加壓,實現將圍壓可控、恒定地加載到試件表面。
圖1 分離霍普金森壓桿試驗系統(tǒng)Fig.1 Split Hopkinson pressure bar experimental system
表1 典型紅砂巖樣品的基本物理力學性質參數Table 1 Basic physical and mechanical property parameters of typical red sandstone samples
在正式試驗前,進行了典型試驗來檢驗應力平衡,如圖2所示。圖2(a)給出了試驗巖樣的典型應力波型,入射波、透射波、反射波均能滿足試驗要求。圖2(b)所示為典型的應力平衡試驗曲線,表示動態(tài)加載時對應力平衡的要求。
圖2 動態(tài)應力平衡試驗結果Fig.2 Results of dynamic stress equilibrium test
沖擊試驗前,紅砂巖試件的含水飽和度采用ZYB-Ⅱ型真空設備進行分析,將巖石試件置于核磁共振系統(tǒng)中,隨后將巖石試件烘干,再將試件置于入射桿與透射桿之間。沖擊加載后,循環(huán)進行真空飽水、核磁共振、沖擊試驗測試,直至巖石破碎,試驗流程如圖3所示。其中,所選試驗設備為MacroMR12-150H-I型核磁共振分析與成像儀。該型設備由恒溫系統(tǒng)、工控機、分析軟件、射頻單元、梯度單元、稀土釹鐵硼永磁鐵組成。磁場強度為0.25 ~ 0.35 T,射頻發(fā)射功率大于300 W,線性失真小于<0.000 5,諧振頻率12.63 MHz。真空壓力飽水裝置(ZYB-Ⅱ)最大壓力為60 MPa。在射頻(RF)脈沖作用下,原子核將發(fā)生磁共振,在高能水平達到非平衡態(tài)。弛豫過程介于射頻消失和原子核恢復到低電平狀態(tài)之間。時間消耗即弛豫時間,由體積弛豫、表面弛豫和擴散弛豫三部分組成。由于自由流體和孔隙流體擴散系數之間存在高度的變異性,當回波時間較短時,體積弛豫和擴散弛豫可以忽略。由于不同尺寸的孔洞對應不同的弛豫時間T2。在單一流體的情況下,弛豫時間可以表征孔隙度的分布,峰值和面積表現為巖石中的孔隙含量。
圖3 試驗流程示意Fig.3 Schematic of the experimental procedures
表2 核磁共振參數Table 2 Parameters of NMR
應力σs、應變εs和應變率˙εs的計算公式為[6]:
式中,A0和E0分別為桿的截面積和彈性模量;As、C0和ls分別為試樣的截面積、縱波速度和長度;εi、εr和εt分別為試驗的入射、反射和透射應變。
入射波的能量、反射波的能量與透射波的能量采用下式計算:式中,Wi、Wr和Wt分別為入射波能量、反射波能量和透射波能量。
巖石試件在沖擊過程中所吸收的能量Wd[21]的計算公式為
本研究引入能耗密度指標Ws來評價巖石對能量的吸收情況,計算公式為
式中,V為花崗巖試件的體積。
在SHPB中,入射能量影響著試件的動態(tài)特性,能量大小在以往的研究中受到了廣泛的關注[22]。本研究進行沖擊荷載試驗的能量耗散評價時,提出了能時密度這一概念[23],并進行了大量研究與討論[24-26]。計算公式為
式中,Wtd為能時密度;Tw為應力波的持續(xù)時間。
而后,課題組胡智航[27]指出時間需要以應力平衡時間為準,不能以反射波作用時間計算?;谶@一思路,劉鑫[26]根據能時密度的時間敏感性對其進行改進,提出了一種新的動態(tài)加載耗能指標,并對比了比能消耗、應力平衡點及峰值點的能時密度的能量耗散描述效果,如圖4所示。由圖4可知:時間為64 μs時,巖石達到第一次應力平衡時的能時密度為7.48×10-4J/cm3/μs,峰值點能時密度為2.28×10-3J/cm3/μs,能時密度和比能消耗值曲線上均存在一個峰值。峰值分別出現在188 μs和224 μs。能時密度曲線在峰值后下降,本階段能耗密度趨于穩(wěn)定。因此,能時密度考慮了動態(tài)載荷下的時間因素,可以比能量吸收度更好地評估巖石中的能量吸收。能時密度時程曲線與能量耗散時程曲線的變化趨勢相似,且峰值點的描述效果最佳。
圖4 典型的動力學試驗應力平衡[27]Fig.4 Typical dynamic test for stress equilibrium
因此,能時密度的計算可修正為
式中,tp為能時密度峰值點出現的時刻;Ws(tp)為tp時刻的能耗密度;Wtd(t)為修正的能時密度。
紅砂巖的典型力學參數見表1。試件ID以“C—A—N”的形式組織,其中“C”表示圍壓,“A”表示氣壓,“N”表示沖擊次數。巖石的漸進損傷隨著循環(huán)動載逐漸累積直至破碎,應變率、動態(tài)峰值、能量時間密度、比能量取值見表3。
表3 循環(huán)沖擊下紅砂巖的響應特征Table 3 Response characteristics of red sandstone under cyclic impact
氣壓與沖擊次數的關系如圖5所示,沖擊次數隨著氣壓的增加呈逐漸減少的總體趨勢。起初,紅砂巖試件可以抵抗6~7次沖擊;圍壓1 MPa和2 MPa的沖擊次數相差不大,但在氣壓為0.7 MPa時存在顯著差異,2 MPa圍壓的紅砂巖可承受7次沖擊,1 MPa圍壓的沖擊次數為3次。圍壓限制了巖石的破碎,沖擊次數隨著圍壓的增大而增大。2 MPa圍壓對巖石的約束作用強于1 MPa圍壓,如圖5(a)所示。
圖5(b)顯示了應變速率與動態(tài)峰值應力之間的沖擊次數關系,隨著沖擊次數的增加,應變速率逐漸減小。假設沖擊加載后紅砂巖試件的長度變化被忽略,每次沖擊后紅砂巖試件的波阻抗都有所降低,減小的波阻抗提高了試件與桿件之間的反射系數,隨著應變速率增大,巖石變形能力不斷降低。最大動態(tài)峰值應力為254.6 MPa和241.8 MPa,最小為143.9 MPa和98.1 MPa。沿下降趨勢的整體動態(tài)峰值應力是由于波阻抗的減小而產生的,此時透射波越來越小。此外,在第3次沖擊和第4次沖擊時,動態(tài)峰值應力存在突變差異,結果解釋了紅砂巖試件每次沖擊造成的損傷并不均勻。
圖5 氣壓與沖擊次數的關系Fig.5 Relationship between air pressure and impact times
一般有3種不同的動態(tài)應力—應變曲線[1],在Ⅰ型中,應變在峰值后立即減小,并在一段時間內增大,然后在Ⅱ型中減小,最后一種類型Ⅲ顯示了具有開口的應力—應變曲線。對于Ⅰ型和Ⅱ型曲線,峰值應力未達到巖樣屈服強度,應變增大到峰值,釋放彈性應變能,應力—應變曲線存在卸載階段。動態(tài)加載過程導致微裂紋的形成和擴展,并在巖石中產生永久變形,決定了巖石的耗能效果。對于Ⅲ型,峰值應力大于屈服強度,應變變形累積為不可逆損傷,如圖6所示。在圖6(a)和圖6(b)中,曲線呈現上述3種類型,前2種沖擊中反彈現象明顯。紅砂巖試件在此階段能抵抗破碎,對巖石的破壞不嚴重。最終沖擊時曲線無明顯回彈,巖石試件出現嚴重損傷,曲線中上升階段斜率逐漸減小,證明彈性模量降低。通過圖6(b)所示N=7的應力應變曲線,能夠觀測到此時的應力—應變曲線開口較大,甚至有曲線末尾有上升的趨勢,也驗證了巖石內部積累的損傷已經很嚴重,巖石抵抗破碎的能力較差。另外,如圖6(c)和圖6(d)所示,當沖擊氣壓為1 MPa時,巖石在1 MPa和2 MPa圍壓下均經過2次沖擊破碎。由于低氣壓和紅砂巖試件破壞嚴重,回彈現象不明顯,而高氣壓不同。因此,紅砂巖試件的軟化作用使巖石在循環(huán)動載作用下內部損傷累積,隨著波阻抗的減小,動態(tài)應力峰值減小,應變速率增大,也說明了孔隙度的變化是不均勻的。
沖擊次數與能時密度的關系如圖7所示。由圖7可知:當沖擊次數減少時,能量時間密度在沖擊次數內呈現上升趨勢。圍壓1 MPa的第3次沖擊和圍壓2 MPa的第4次沖擊前能量時間密度約為0.01 J/cm3,能量耗散穩(wěn)定。結果表明,紅砂巖試件彈性相對較好,沖擊吸收能量大部分轉化為彈性勢能后釋放能量。這一現象對應于圖6中的Ⅰ型應力—應變曲線。此外,在圖7(a)和圖7(b)中也可以看到類似的能量時間密度突然增加現象。在此階段,巖石彈性減小,損傷增大,波阻抗減小,峰值應力減小,能量耗散減小,巖石接近破碎。
圖6 典型應力—應變曲線Fig.6 Typical stress-strain curves
圖7 沖擊次數與能時密度之間的關系Fig.7 Relationship between energy time density and impact times
孔隙分布按孔隙半徑可分為3類,峰位的3個階段分別對應于微孔、中孔和大孔徑[24]。沖擊試驗前,利用核磁共振系統(tǒng)記錄紅砂巖試件的孔隙度分布曲線,如圖8所示。在紅砂巖樣品中可以發(fā)現微孔、中孔、大孔,主要孔徑分布在0.001~100 μm階段。大多數曲線有3個峰值點,分別出現在0.001~0.1、0.1~1和1~100 μm,說明微孔含量最高,其次是中孔、大孔。對于1 MPa圍壓,巖石孔隙度為4.23~6.40,在2 MPa圍壓下,巖石孔隙度為5.50~6.54,不同孔隙半徑的面積連續(xù)性較好,分布較為均勻。
損傷是由能量耗散引起的[43],為了研究紅砂巖試件的細觀損傷,對未沖擊巖石進行了核磁共振檢測,每次沖擊后再次進行檢測。從圖8中曲線的總體趨勢來看,沖擊載荷對各孔隙半徑內的孔隙有明顯影響,且主峰的增加幅度大于其他,說明在所有孔隙半徑內都可以發(fā)現孔隙發(fā)育,沖擊載荷作用下微孔的影響更加強烈。在兩組試驗中,孔隙半徑峰值向后移動,頻譜面積增大,說明了隨著沖擊次數的增加,孔隙半徑和孔隙數量增大。此外,微孔和中孔之間的邊界逐漸模糊。循環(huán)沖擊后的巖石孔隙度分布如圖9所示。圖9 (b)中0.01~1 μm的曲線逐漸變得光滑,表明紅砂巖樣品孔隙中微孔與中孔之間具有較好的連通性。在1~ 10 μm孔徑范圍內,圖9(a)中出現了部分孔隙的壓密現象,可見在加載過程中,許多中孔被壓縮成微孔。
圖8 紅砂巖試件循環(huán)沖擊前的孔隙分布Fig.8 Proportional distribution of red sandstone specimens before cyclic impact
紅砂巖試件在動力沖擊作用下加載時,孔隙度發(fā)生相應變化。在此過程中,孔隙率的降低對應于孔洞的閉合,孔隙率的增加對應于孔洞的生成。在循環(huán)沖擊荷載作用下,孔隙的變化可以在圖9中觀察到。為更直觀地描述加載前后紅砂巖孔隙度的變化,加載前后紅砂巖孔隙度差值如圖10所示。橫坐標以上的孔隙度(孔隙度半徑)表示孔隙擴張,其他為紅砂巖樣品的孔隙閉合。由圖10可知:先沖擊后微孔增多,中孔和大孔減少。這種現象表明,在初次沖擊載荷作用下,孔隙由中孔、大孔向微孔閉合,不能造成紅砂巖試樣的破碎??紫对黾佑蓛蓚€部分組成:新的微孔和孔隙半徑的減小。第2次沖擊后孔隙度變化相似。同時也可見大孔隙閉合和微孔擴展,微孔孔隙度差的峰值向后移動,在第2次動態(tài)加載下孔隙半徑增大。該現象解釋了孔隙閉合雖然存在,但破壞程度增加。隨著沖擊次數的增加,孔隙率的變化規(guī)律相似。最后沖擊的孔隙度差異大于其他,說明孔隙發(fā)育明顯。在大多數情況下,正孔隙度差大于負孔隙度差。隨著沖擊次數的增加,孔隙率的變化規(guī)律相似。最后沖擊的孔隙度面積差異大于其他,說明孔隙發(fā)育明顯。在大多數情況下,正孔隙度差大于負孔隙度差。結果表明,當巖石很快破碎時,出現了大量的孔隙擴展和裂紋擴展現象。值得注意的是,兩種結果的幅值有明顯差異,圍壓1 MPa時為0.020 3%,圍壓2 MPa時為0.014 3%,峰值點均發(fā)生在最后一次沖擊時。該差異解釋了圍壓可以有效抑制損傷的產生,并且隨著壓力的增大,抑制作用增強。綜上所述,1 MPa圍壓的第3次沖擊與2 MPa圍壓的第4次沖擊在應變速率、動態(tài)峰值應力、能量時間密度等方面存在明顯差異。進一步分析得到,兩種情況具有代表性特征且孔隙率總是在所有孔隙率半徑內增大,損傷增大明顯。
圖9 循環(huán)沖擊后的巖石孔隙度分布Fig.9 Proportional distribution of the whole volume after cyclic impact
圖10 紅砂巖樣品孔隙度差異Fig.10 Porosity difference of red sandstone specimens
采用霍普金森壓桿對圍壓作用下的紅砂巖試件進行動態(tài)加載,描述了能量耗散指標能時密度的研究情況,通過對紅砂巖在圍壓作用下的沖擊動力學試驗,研究了動載作用下紅砂巖的細觀變化特征。主要結論如下:
(1)搭建了巖石動態(tài)細觀損傷測試系統(tǒng),結合能量耗散指標得到,高圍壓條件下沖擊次數活化了巖石孔隙,巖石破碎前能量耗散增加明顯,巖石破碎時的能量時間密度大。
(2)沖擊載荷作用下,微孔的影響更加強烈,許多中孔在加載過程中被壓縮為微孔,隨著沖擊次數的增加,孔徑峰值向后移動,譜面積增大,孔徑和孔數量增加,紅砂巖試樣的微孔和中孔之間具有良好的連通性。
(3)在沖擊次數增加的過程中,存在能時密度突然增加現象。該階段紅砂巖試件的彈性減小,損傷增大,波阻抗減小,峰值應力減小,能量耗散減小,巖石接近破碎。分析結果為鑿巖、鉆孔、爆破巖石優(yōu)化能量耗散提供了理論基礎,為進一步研究巖石微觀損傷提供了參考。