羿士龍

(渝黔渝萬鐵路有限責(zé)任公司，重慶 404100)

0 引言

眾多學(xué)者對不同溫度下巖石的宏觀物理力學(xué)特性展開了大量的研究，并取得了許多關(guān)于巖石熱損傷斷裂方面的研究成果，但從微觀損傷及宏觀斷裂角度分析熱處理巖石失效機(jī)制的研究較少。因此，本文借助MTS816巖石力學(xué)試驗、CT掃描、核磁共振成像等方法，探究不同熱處理砂巖細(xì)微觀損傷演化規(guī)律及斷裂機(jī)制。

1 試驗方法

1.1 樣品準(zhǔn)備

研究的巖樣取自鄭萬鐵路重慶段雷家坡隧道，該巖樣自然狀態(tài)下呈灰白色，顆粒粒度中等，體積密度為2400kg/m3，縱波波速為3500m/s，孔隙度為10.86%，礦物成分主要以石英和長石為主。

為減少樣品之間的差異性，所有試樣均取自于同一塊巖樣，并對巖樣進(jìn)行初始波速篩選。對篩選后的試樣進(jìn)行切割和打磨，按照ISRM標(biāo)準(zhǔn)加工成50mm×100mm的標(biāo)準(zhǔn)試樣。之后，對試件分組進(jìn)行高溫加熱預(yù)處理，加熱溫度分別為常溫、200℃、400℃、600℃、800℃和1000℃共6種工況。為確保試件完全加熱，加熱至目標(biāo)溫度后在爐子內(nèi)恒溫3h，然后冷卻至常溫后進(jìn)行核磁共振成像和力學(xué)測試[1]。

1.2 試驗裝置

試驗裝置借助MTS 816材料力學(xué)試驗機(jī)并結(jié)合PCI-2聲發(fā)射儀。整個加載過程采用位移控制，速率設(shè)置為0.1 mm/min，聲發(fā)射門檻值和采樣頻率分別為40dB和1MHz。同時，為探究不同溫度作用下砂巖試樣細(xì)微觀損傷演化及斷裂特征，借助CT掃描儀和核磁共振儀對不同溫度作用下砂巖的裂紋演化特征進(jìn)行分析。

2 試驗結(jié)果分析

2.1 砂巖細(xì)觀損傷表征的觀察方法

巖石礦物成分對其物理力學(xué)性質(zhì)的影響起著決定性作用，熱處理砂巖的核磁成像結(jié)果可直接獲得孔隙大小的分布演化特征。具體步驟為：沿著試樣的直徑方向成像，圖像中的圓形光區(qū)為樣品圖像，圖像中亮白色區(qū)域為水分子信號，白點越多，孔徑越大，對應(yīng)的孔隙度越大。為形成對比，利用圖像處理軟件進(jìn)行歸一化處理，隨著溫度的增加，熱處理后砂巖細(xì)微觀孔隙結(jié)構(gòu)明顯較常溫作用變大，表明試樣內(nèi)氫氦分子含量隨著溫度的增加逐漸增大。對比圖像，可以清楚地反演不同溫度下砂巖的損傷演化過程。

2.2 不同溫度作用下砂巖宏觀破斷表觀形態(tài)

經(jīng)過高溫?zé)崽幚砗?，巖樣內(nèi)部鐵元素礦物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，熱處理作用使四價鐵元素轉(zhuǎn)變?yōu)槎r或三價鐵氧化物。不同溫度作用后砂巖表觀形態(tài)見圖1。

圖1 不同溫度作用后砂巖表觀形態(tài)

從圖1明顯發(fā)現(xiàn)，低溫處理作用時，巖樣顏色未發(fā)生改變。當(dāng)溫度增至400℃，試樣表觀顏色逐漸發(fā)生變化，由灰白色向淺紅色過渡，隨著溫度的進(jìn)一步提高，由淺紅色逐漸變?yōu)樯罴t色。進(jìn)一步推測出該砂巖受溫度作用后其礦物物理性質(zhì)突變的臨界溫度為400℃[2]。

2.3 不同溫度作用下砂巖內(nèi)部裂紋結(jié)構(gòu)演化規(guī)律

2.3.1 CT掃描圖像及二值化處理

在完成單軸壓縮試驗后，借助美國西門子公司生產(chǎn)的CT無損檢測裝置（SOMATOM Scope 24排螺旋CT）對不同溫度處理后的砂巖試樣進(jìn)行掃描，X射線顯微層析圖像是電子在X射線管中撞擊鉬鎢合金靶產(chǎn)生的，電子流為345mA，加速電壓130kV，螺旋掃描最長時間為100s。采用X射線計算機(jī)斷層掃描技術(shù)對熱處理后的砂巖斷裂形態(tài)進(jìn)行掃描分析，沿著試樣直徑方向由前到后獲得連續(xù)的切片圖像，間隔為0.5mm，因此，整個試樣獲得大約400張CT切片圖像。

為分析不同高度砂巖內(nèi)部裂紋斷裂形態(tài)特征，通過選取不同位置的典型切片圖像進(jìn)行分析，沿著試樣高度方向，間隔20 mm取一張切片圖像。另外，為獲得試樣內(nèi)部裂紋結(jié)構(gòu)圖像，需要對CT掃描原始圖像進(jìn)行去噪及二值化處理。不同溫度作用下砂巖試樣CT掃描原始圖像及二值化處理見圖2。

圖2 不同溫度處理后砂巖試樣CT掃描及二值化

從圖2可得知，從CT掃描原始切片圖中可看到試樣表面有明顯的亮點，主要因為測試砂巖主要由石英、長石和碳酸鈣組成，三者密度不同，亮點代表密度較大的基質(zhì)顆粒，暗點代表密度較小的礦物顆粒。通過二值化處理，不同溫度作用下砂巖CT圖像主要呈現(xiàn)出黑白兩色，其中黑色代表巖石基質(zhì)，白色代表裂紋，巖石基質(zhì)和裂紋結(jié)構(gòu)黑白分明，便于鑒別。另外，隨著溫度增加，裂紋斷裂復(fù)雜程度逐漸減小，該現(xiàn)象進(jìn)一步證實了高溫對巖石內(nèi)部產(chǎn)生某種程度的損傷[3]。

2.3.2 CT掃描圖像重構(gòu)及裂紋提取

為進(jìn)一步揭示砂巖內(nèi)部完整裂紋的斷裂貫通特征，借助Avizo軟件對CT掃描二維切片圖像進(jìn)行重構(gòu)，獲得不同溫度處理砂巖內(nèi)部裂紋結(jié)構(gòu)特征，從而揭示不同溫度作用下裂紋斷裂貫通破壞特征。不同溫度作用下CT重構(gòu)圖像見圖3。

由圖3可知，隨著溫度的增加，巖樣內(nèi)部裂紋結(jié)構(gòu)特征越來越簡單，三維重構(gòu)后的裂紋結(jié)構(gòu)可以直觀反應(yīng)高溫處理后巖樣內(nèi)部微裂紋的損傷發(fā)育及宏觀裂紋的斷裂演化。

圖3 不同溫度作用下砂巖CT圖像重構(gòu)

通過對不同溫度作用下砂巖裂紋斷裂擴(kuò)展行為進(jìn)行定性分析，可以進(jìn)一步探究高溫處理后巖石受載變形破壞后，其內(nèi)部裂紋的演化特征。不同溫度作用下砂巖裂紋三維重構(gòu)結(jié)構(gòu)見圖4。

圖4 不同溫度作用下砂巖三維裂紋特征

圖4直觀地再現(xiàn)了不同溫度作用下砂巖試樣的裂紋斷裂演化特征。從圖4中還可得知，隨著溫度的增加，砂巖試樣的斷裂破壞模式由脆性向塑性轉(zhuǎn)化。當(dāng)溫度低于600℃時，試樣內(nèi)部出現(xiàn)明顯的脆性斷裂特征，但當(dāng)溫度高于600℃時，試樣的破斷特征由脆性逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄訹4]。

2.4 不同溫度作用下砂巖微觀裂紋演化規(guī)律

2.4.1 聲發(fā)射演化特征

聲發(fā)射監(jiān)測技術(shù)是監(jiān)測受載巖石類材料從微裂紋損傷到宏觀破壞全過程的一種有效方法，聲發(fā)射信號與巖石內(nèi)裂紋萌生、擴(kuò)展和貫通密切相關(guān)。根據(jù)受載巖石加載變形的特點，可以把整個加載過程分為四個階段，分別為壓密階段、線彈性變形階段、屈服階段及峰后階段?？傮w來說，峰值應(yīng)力前聲發(fā)射事件活動較少，當(dāng)軸向應(yīng)力增至峰值附近時，尤其進(jìn)入峰后階段，聲發(fā)射信號密度及較大量級的聲發(fā)射事件急劇增加。另外，累積聲發(fā)射能量-時間曲線呈現(xiàn)出由平緩向急劇上升的變化趨勢，見圖5。

圖5 常溫下典型試樣聲發(fā)射能量及累計能量演化規(guī)律[3]

2.4.2 微觀裂紋演化規(guī)律

為了表征加載過程中巖樣的裂紋演化規(guī)律，通過對聲發(fā)射計數(shù)、持續(xù)時間、上升時間和振幅等參數(shù)的關(guān)系計算得到間接的聲發(fā)射參數(shù)，比如AF和RA。

式中：

C——聲發(fā)射計數(shù)；

DT——持續(xù)時間。

式中：

RT——上升時間；

A——振幅。

基于先前研究結(jié)論，對參數(shù)RA和AF二者之間的比例關(guān)系可確定裂紋類型，以往研究得到拉伸和剪切裂紋的比例為1∶70。因此，采用類似方法對不同溫度作用下砂巖的微觀裂紋進(jìn)行表征分析。不同溫度作用下砂巖微觀裂紋演化[5]見圖6。

從圖6可直觀得知，在較低溫度熱處理作用時，試樣內(nèi)剪切裂紋占優(yōu)，即破斷機(jī)制以剪切斷裂為主。隨著熱處理溫度的增加，試樣內(nèi)剪切裂紋占比逐漸增加，該現(xiàn)象也進(jìn)一步說明熱處理后，巖石內(nèi)大量微觀裂紋萌生發(fā)育，高溫?zé)崽幚砗笤嚇觾?nèi)的拉伸裂紋急劇增多。然而，剪切裂紋呈現(xiàn)出相反的變化趨勢，即試樣內(nèi)由剪切裂紋主導(dǎo)逐漸向拉伸裂紋主導(dǎo)過渡。

圖6 不同溫度作用下砂巖微裂紋演化特征

3 結(jié)束語

基于CT掃描和核磁共振圖像對其細(xì)微觀損傷演化機(jī)制進(jìn)行研究，主要結(jié)論如下：

（1）隨著溫度的增加，熱處理后砂巖細(xì)微觀孔隙結(jié)構(gòu)明顯較常溫下變大，試樣內(nèi)水分子含量隨著溫度的增加逐漸增大，進(jìn)一步從細(xì)觀尺度上解釋不同溫度處理后砂巖裂紋損傷機(jī)制。

（2）當(dāng)溫度低于600℃時，試樣內(nèi)出現(xiàn)明顯的脆性破斷特征，但當(dāng)溫度高于600℃時，試樣破斷特征由脆性逐漸向塑性轉(zhuǎn)變。

（3）高溫?zé)崽幚砗笤嚇觾?nèi)的拉伸裂紋逐漸增多，而剪切裂紋逐漸減少，隨著溫度升高，試樣內(nèi)由剪切裂紋主導(dǎo)逐漸向拉伸裂紋主導(dǎo)過渡。

（4）不同溫度、應(yīng)力作用后，砂巖的力學(xué)指標(biāo)發(fā)生變化，為隧道鉆眼深度、炮孔布置、裝藥量提供了指導(dǎo)依據(jù)，同時為隧道安全、快速穿過埋深大的高地?zé)?、高?yīng)力、巖爆段落施工提供了指導(dǎo)借鑒意義。