石膏與分口石復合材料聲發射實驗

趙挺生 ,唐紹輝 ,徐必根 ,陳天奇

(1.華中科技大學， 湖北 武漢 430000；2.長沙礦山研究院有限責任公司，湖南 長沙 410012；3.金屬礦山安全技術國家重點實驗室， 湖南 長沙 410012)

0 引 言

土木工程材料多為復合材料，離散性大、強度低，如排土場、高填方路基中的復合巖土。過去，研究人員較多地進行巖土工程破壞過程和聲發射試驗研究，而對離散性高的復合低強材料的破壞過程和聲發射試驗較少。研究表明單軸抗壓強度>2 MPa的均值泥巖隨著荷載的增加，聲發射信號增加，破裂前聲發射信號最強[1]；對于單軸抗壓強度>30 MPa的巖石試樣，在低應力階段，幾乎沒有聲發射活動，一般當強度達到80 %以上，即臨近破壞時，聲發射活動才顯著增加；巖石的聲發射主頻與巖石的強度有關，強度越高，主頻也越高，隨著應力的增加，巖石的聲發射主頻不會平移,應用1 kHz 的探頭，能滿足工程巖體的穩定性分析和冒落預報的要求[2￣3]。

均值巖石強度達到峰值時突然破壞，聲發射明顯增強，而復合低強相似材料，由于均值性差，出現聲發射的時間較早，聲發射呈逐步增加的趨勢，聲發射峰值不明顯，破壞呈漸進性，如圖1所示[4]。

相似材料的單軸壓縮過程中產生較強的AE活動，表明相似材料模擬滑坡過程進行AE 監測是可行的。同時，相似材料單軸壓縮過程中的AE 活動與天然巖石的AE 活動特征有明顯區別(位移聲發射特性)，這反映了相似材料與天然巖石組構上的差別。對邊坡模擬表明,邊坡失穩過程中滑坡體的位移(水平與垂直)變化趨勢與監測到的AE事件的變化趨勢是一致的，當臨近滑坡發生時，位移和AE 事件均發生突變[5￣6]。

圖1相似材料與矽卡巖聲發射比較

石膏是易于獲得的工業原材料，分口石是巖土工程廣泛應用的工程材料，與復合巖土工程材料特征類似[7]。為模擬復合巖土工程材料，本文采用室內試驗方法，對石膏，石膏+分口石復合材料進行受壓破壞過程的聲發射試驗研究。

1 試驗方案

1.1 復合材料組成與配合比

復合材料由石膏和粒徑20～30 mm分口石組成，其重量配比如下：

(1) 水∶石膏=1∶1.5;

(2) 石膏∶分口石=1∶5，水為分口石重的10%。

1.2 復合材料試樣尺寸及養護

每類復合材料試樣，各制作6塊，其中3塊進行強度試樣，3塊進行聲發射試驗，試樣尺寸為：

(1) 石膏試樣40 mm×40 mm。

(2) 石膏+分口石復合材料試樣100 mm×100 mm×100 mm。

由于石膏的性質，初凝時間5 min,終凝時間20 min，因此，石膏試樣或石膏+分口石復合材料試樣均不需養護，試件成型后第二天即可進行實驗。

1.3 復合材料聲發射試驗

本次實驗加載測試系統如圖2所示。

圖2 聲發射測試系統示意

(1) 石膏試樣試驗。石膏試樣分兩組，一組為干燥試樣，一組為飽水試樣。

通過電動壓力機加載，用振弦式壓力傳感器測試荷載。每0.5 kN為一荷載等級，每荷載等級測量1 min的聲發射參數，并采集1 min的振動波形。試塊的破壞荷載約3 kN，強度約1.2 MPa。

(2) 石膏+分口石復合材料試樣試驗。通過手動壓力機加載，用振弦式壓力傳感器測試荷載。每0.5 kN為一荷載等級，在每個荷載等級測取1 min的聲發射特征參數。試塊的破壞荷載約4 kN，強度約0.4 MPa。

2 試驗結果分析

2.1 石膏材料試樣

試樣的破壞特征是：試塊橫向鼓出破壞，表面較多縱向裂縫。

干燥試樣編號SF-G*，飽水試樣編號SF-S*，每級荷載下的聲發射事件測試結果見表1。每一試樣的聲發射大事件累計數與荷載的關系曲線如圖3所示。

表1 干濕石膏各荷載等級下的發射實驗結果

圖3 石膏試樣隨荷載增加的聲發射大事件累計數

從試驗結果可以看出，干燥或飽水石膏試件的聲發射特征基本一致。試件在受載初期均有明顯的聲發射現象，隨著荷載的提高、裂縫發展聲發射頻數不斷提高，但在達到破壞荷載的50%以后，聲發射頻數降低，直至石膏試件破壞。石膏試件聲發射大事件累計數量約為巖石試件的20%。

石膏試樣的聲發射事件的振動峰值幅度為0.019 m/s2，波形頻率約為35 Hz，聲發射事件的持續時間約1.1 s。

2.2 石膏和分口石復合材料

破壞過程,首先是石膏開裂,裂隙連通，然后試塊表面出現較寬的縱向、斜向裂縫，隨后石子開始脫落，試塊散開，失去受載能力。

石膏+石子復合材料試樣的聲發射實驗結果見表2，聲發射大事件累計數隨荷載的變化關系如圖4所示。

可以看出，在加載初期聲發射事件較少，隨著荷載的增加聲發射事件數緩慢增加，在荷載增加到極限荷載的50%以后，試件的發射事件數開始急劇增加直至破壞。

表2 石膏+分口石復合材料試樣聲發射試驗結果

圖4 聲發射大事件累計數隨荷載變化規律

2.3 試驗結果分析

(1) 石膏材料試件受壓破壞過程具有脆性材料特性。其聲發射特征表現為：

受載初期即有聲發射現象，之后逐漸增多，到50%極限荷載后開始減少，直至破壞，聲發射大事件無平靜期;

聲發射大事件數總體較多，約為巖石材料的1/5。

(2) 石膏+分口石復合材料受壓破壞過程具有脆性破壞特征。其聲發射特征表現為：受載初期聲發射事件較少，試驗荷載增加到極限荷載的50%后，聲發射事件逐漸增多，直至破壞，聲發射大事件無平靜期。聲發射大事件數總體較多，其聲發射早期主要為粘結破壞產生，此后聲發射主要由骨料間的摩擦以及骨料破壞產生。

3 結 論

通過室內試塊單向加載聲發射實驗，對石膏與石膏+分口石復合材料的聲發射特性，進行了試驗。獲得如下結果：

(1) 兩種試樣的受壓破壞過程均呈脆性破壞特征；

(2) 兩種材料試樣的聲發射大事件數較多，約為巖石材料聲發射大事件計數的1%-20%。

(3) 脆性的石膏及石膏+分口石復合材料聲發射無平靜期現象。

參考文獻：

[1]趙恩來, 王恩元.巖土破壞過程聲發射特征的實驗研究[J].防災減災工程學報, 2006,26(3):0316￣0340.

[2]李俊平，周創兵.巖體的聲發射特征試驗研究[J].巖土力學，2004，25(3)：374￣378.

[3]Rudajev V，Vilhelm J，Lokajicek T. Laboratory studies of acoustic emission prior to uniaxial compressive rock failure[J]. Int. J. Rock Mech. and Min. Sci.，2000，37(4)：699￣704.

[4]祝方蔡，潘長良，曹 平.巖石結構對聲發射影響的試驗研究及數值模擬初探[J].有色金屬，2002，54(2)：17￣19.

[5]李 勇, 朱維申, 王漢鵬,等.新型巖土相似材料的力學試驗研究及應用，隧道建設，2007,A:197￣200.

[6]萬志軍，周楚良，馬文頂，等.邊坡穩定聲發射監測的實驗研究[J].巖土力學，2003，24(S1)：627￣629.

[7]趙挺生，謝長江，徐必根，等.人工復合巖土材料的聲發射實驗研究[J].工業安全與環保，2013(11).