單軸壓縮下大理巖細觀裂紋擴展試驗研究

武沂泉 曹后龍

(國核工程有限公司，上海 200233)

0 引言

巖石是由多種礦物晶粒、孔隙和膠結物組成的復合體，隨機分布有微觀孔隙和裂紋。這些微孔隙和裂紋對巖石強度及變形特性有很大影響。巖石的宏觀破壞與微裂紋的萌生、發展和貫通密切相關。對于巖石這類材料，Michael E Kassner等［1］學者認為只有建立多尺度的力學模型才能真正了解微裂紋起裂的機理。近年來，掃描電鏡(SEM)作為一種巖石細觀損傷的檢測方法的應用，進一步推動了對巖石細觀裂紋擴展的研究工作。Robina H C等［2］于1996年研究了初始微裂紋密度和巖石微顆粒尺寸對于Yuen Long大理石巖樣單軸壓縮強度的影響。Yossef H Hatzor等［3］于1997年研究了白云石的細觀結構與微裂紋起裂的初始應力和試樣最終強度之間的關系，發現巖石微結構對其強度極限的影響非常大。許江［4］于1986年采用帶有加載裝置的光學顯微鏡對砂巖完成了不同加載階段的裂紋損傷分析。趙永紅等［5-7］研究了帶斜向中心割縫的大理巖板中破裂的發生與擴展過程，李煉等［8］研究了花崗巖的微裂紋的發展過程。

本文采用了帶有加載裝置的掃描電鏡(SEM)實時動態觀測系統，利用此系統對大理巖試件進行了單軸壓縮下的SEM觀測試驗和基于SEM圖像的數字化定量分析研究，獲取了大理巖在各級荷載下的大量細觀圖像，利用數字圖像處理技術，對大理巖試件在受單軸壓縮時所產生的細觀裂紋的萌生、擴展過程進行了定性和定量分析，得到細觀裂紋擴展的規律。

1 壓縮過程SEM觀測試驗試件制備及試驗設備

為了保證試樣性質的均一性，嚴格密集采樣。所選用的大理巖以白色為主，局部略帶黑色，由碳酸鹽礦物成分組成，細粒變晶結構為主，部分為粗粒變晶結構，宏觀均勻一致。

本文用到的SEM下的壓縮試件，是從100 mm×50 mm(高×直徑)的大理巖宏觀試樣經切割、打磨形成的15×4×2(長×寬×厚)的SEM下壓縮試件，為了進行掃描電鏡觀測，對試件表面進行拋光及鍍金處理。

試驗裝置系統主要包括:日本HITACHI S-570掃描電子顯微鏡(分辨率3.5 nm，最大加速電壓30 kV，放大倍數不小于5萬倍)和由中科院力學所自行開發研制的伺服加載系統(荷載范圍0 N～2 000 N，測量誤差為±0.5 N，拉壓最大行程0 mm～10 mm，位移測量誤差為0.001 mm)。

2 加載過程中圖像的獲取與處理

將經過清洗、干燥、鍍金后的試件放在加載裝置上進行加載。在加載初期，以100 N作為一個步長進行加壓。當出現明顯細觀裂紋時，縮小步長至50 N繼續加載，直至試樣破壞。每個步長大約持續1 min～2 min。在加載的過程中利用SEM對試件表面細觀裂紋進行了拍攝，考慮到圖像放大倍數和圖像顯示范圍的相互制約，結合文獻［9］［10］和本次試驗的具體情況，放大倍數采用30倍，100倍為主，得到一系列各級荷載下的細觀裂紋擴展情況的圖像。

隨著計算機技術和數字圖像處理的發展，使得通過分析巖石試件細觀圖像得到巖石細觀結構參數量化信息成為可能。本試驗根據SEM圖像的特點，基于MATABLE編制開發的巖石細觀結構SEM圖像處理程序［9］對本試驗中的掃描圖片進行圖像處理，實現從SEM圖像(見圖1a))到程序識別后的二值化圖像(見圖1b))的轉化，并進一步實現從二值化圖像上對裂紋的長度、面積等細觀數據的準確獲取。

圖1 處理前后圖像

3 微裂紋發展過程定性分析

加載過程的應力應變曲線見圖2，σc為加載應力應變曲線的極限應力。在未加荷載時，見圖3a)，大理巖試件表面初始損傷很小，表面微裂紋較少，從細觀尺度上存在明顯的不均勻性。當軸向應力達到20 MPa(0.25σc)時，見圖3b)，試件表面變化不是很明顯，這些微裂紋方向均與軸向荷載方向一致或成小夾角，且在寬度上都很細。當達到40 MPa(0.5σc)時，見圖3c)，在原有基礎上微裂紋有所擴展，此時已出現明顯發育的分叉裂紋，這主要是由大理巖這種巖石的致密結構和初始損傷較小引起的，微裂紋數量明顯增多，方向基本上與加載方向一致或成較小夾角。繼續加載達到60 MPa(0.75σc)，見圖3d)，此時，分叉裂紋極其發育，微裂紋明顯變粗并伴隨一些細裂紋的閉合，這是巖石在損傷演化過程中應力集中消弛現象，即原有的局部應力集中發生調整、消散和轉移。裂紋兩側的相對位移多是垂直裂紋的橫向拉開，主裂紋正逐漸在分叉裂紋的基礎上慢慢形成。當加載到軸向應力為80 MPa(σc左右)，見圖3e)，此時主裂紋基本沿加載軸方向以張開形式快速擴展，主裂紋不斷變粗，周圍的微裂紋由于主裂紋的擴展導致能量的轉移，部分出現閉合、消失，裂紋兩側以張拉位移為主伴隨著縱向的剪切錯動，直至宏觀裂紋的形成，試件發生破壞。

圖2 加載過程應力應變曲線

4 微裂紋發展過程定量分析

通過對大量圖片信息的統計分析，可以獲得微裂紋細觀參數隨應力狀態的變化規律。本文對裂紋擴展過程中的裂隙方位角、長度、面積進行量化分析，其結果見表1。由表1以及圖4，圖5可見微裂隙方位角加載過程中變化不大，保持與加載方向成較小的夾角，隨著應力的增大裂紋趨向軸力方向，裂紋總長度及面積隨著應力的增大持續增長，增長速率隨應力的增大而提高，面積增長的速率要大于長度增長的速率，在60 MPa～80 MPa裂紋的長度、面積增長最快，可見這一階段是裂紋的不穩定擴展階段。

圖3 不同應力下SEM圖像

表1 不同應力下細觀參數統計表

圖4 微裂紋長度—應力圖

圖5 微裂紋面積—應力圖

5 結語

1)利用掃描電鏡(SEM)，對大理巖試件的細觀裂紋在荷載作用下進行跟蹤觀測，得到細觀裂紋擴展過程圖像，運用圖像處理技術對圖像進行處理，提取了圖像的信息。

2)加載初期由于初始損傷和細觀的不均勻性的存在，造成試件局部應力集中，出現拉裂紋，在加載過程中分叉裂紋極其發育。

3)加載后期主裂紋基本沿加載軸方向以張開形式快速擴展，主裂紋不斷變粗，周圍的微裂紋由于主裂紋的擴展導致能量的轉移，部分出現閉合、消失，裂紋兩側以張拉位移為主伴隨著縱向的剪切錯動，直至宏觀裂紋的形成，試件發生破壞。

4)微裂紋擴展方向幾乎平行于加載方向，微裂紋總長度及面積隨著應力的增大持續增長，增長速率也不斷增大。

［1］Michael E Kassner，Sia Nemat-Nasser，Zhigang Suo，et al.New Directions in Mechanics［J］.Mechanics of Materials，2005(37):231-259.

［2］Robina H C，Wong K T，Chau P Wang.Microcracking and Grain Size Effect in Yuen Long Marbles［J］.International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences，1996，33(5):479-485.

［3］Yossef H Hatzor，Alon Zur，Yaakov Mimran.Microstructure effects on microcracking and brittle failure of dolomites［J］.Tectonophysics，1997(281):141-161.

［4］許 江.對單軸應力狀態下砂巖微觀斷裂發展全過程的試驗研究［J］.力學與實踐，1986，8(4):24-28.

［5］趙永紅，黃杰藩，王 仁.巖石破裂發育的掃描電鏡即時研究［J］.巖石力學與工程學報，1992，11(3):284-294.

［6］趙永紅，黃杰藩，王 仁.破裂帶發育的SEM實驗研究及其對地震前兆的啟示［J］.巖石力學與工程學報，1993，36(4):453-462.

［7］趙永紅，黃杰藩，侯建軍，等.巖石細觀破裂的實驗觀測研究及其對了解地震活動的啟示［J］.地球物理學報，1995，38(5):627-635.

［8］李 煉，徐 鉞，李啟光，等.花崗巖漸進破壞過程的微觀研究［J］.巖石力學與工程學報，2002，21(7):940-947.

［9］朱珍德，渠文平，蔣志堅.巖石細觀結構量化實驗研究［J］.巖石力學與工程學報，2007，26(7):1313-1324.

［10］渠文平.基于數字圖像處理技術的巖石細觀量化試驗研究［D］.南京:河海大學碩士學位論文，2006.