單軸載荷下不同含水率砂巖力學和紅外輻射特征

周子龍，熊成，蔡鑫，趙源，李夕兵，杜坤

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單軸載荷下不同含水率砂巖力學和紅外輻射特征

周子龍1，熊成1，蔡鑫1，趙源1，李夕兵1，杜坤2

(1. 中南大學 資源與安全工程學院，湖南 長沙，410083；2. 中南大學 高等研究中心，湖南 長沙，410083)

為揭示水對砂巖受力和紅外輻射特性影響，開展不同含水率砂巖的單軸壓縮試驗，并進行紅外輻射監測。研究結果表明：隨著含水率增加，砂巖的單軸壓縮強度、彈性模量逐漸降低，說明水對巖石的力學性質起到了一定的“軟化”作用；含水率對砂巖紅外輻射特性影響較大，砂巖含水率越高，其從初始時刻到最高應力時刻的升溫幅度越大；含水率越高的砂巖試樣表面平均紅外輻射溫度(AIRT)隨時間變化的波動越小，溫度隨應力增加而增加的趨勢越明顯；含水巖石在臨破裂前紅外熱像變化較平穩，沒有溫度異常，而對于干燥巖石，其臨破裂前表面平均紅外輻射溫度突然增大，出現較明顯的高溫異常條帶。

巖石力學；紅外輻射；含水率；平均紅外輻射溫度(AIRT)；高溫異常條帶

巖石的變形破壞過程是一個能量釋放的過程，伴隨著自身溫度的變化而變化[1]。紅外技術作為一種無損監測手段，可以無接觸地對巖石表面的輻射溫度變化進行實時監測，因此，是一種理想的研究巖石力學行為的途徑。早在20世紀80年代末，GORNY等[2]在研究中亞地區地震時，發現地震前衛星熱紅外異常現象。近年來，越來越多的科研工作者開始對巖石加載過程中的紅外輻射規律進行研究。耿乃光等[3]對26種巖石進行了試驗，發現巖石的紅外輻射溫度隨巖石的應力增大而增大。鄧明德等[4?5]通過試驗和總結歸納的方法，發現巖石臨近破裂前會出現明顯的溫度突增和紅外圖像升溫異常現象。王述紅等[6?8]對巖石加載變形和破裂前的紅外熱像特征進行了研究，發現巖石剪切破裂位置的紅外圖像出現高溫異常條帶，并且微破裂強度與紅外輻射強度具有正相關關系。譚志宏等[9]研究了含缺陷花崗巖破壞過程中的紅外熱像，發現試件產生主破裂時，局部破壞區域會產生高溫條帶。張艷博等[10]研究了含孔巖石加載過程的熱輻射溫度場變化特征，總結出應力場與紅外輻射溫度場具有良好的對應關系。在自然界中，巖石含水率往往不同，而且水對巖石的各種特性有較大影響，紅外特性也不例外。鄧明德等[11?12]研究了水對巖石紅外輻射特征的影響，發現水的作用比較明顯，干燥巖石在破裂前會出現顯著增溫現象，而飽和巖石不會出現此現象。目前，研究者對紅外輻射研究工作大多只針對巖石的干燥、飽和這2種狀態展開，對巖石的不同含水狀態研究較少。考慮到水對巖石性能的影響是動態連續過程，而且在實際工程狀態下，完全干燥和飽和巖體并不是常態，介于飽和與干燥之間的含水率狀態更符合工程實際，為此，本文作者對不同含水率巖石加載過程中的紅外特性進行研究，以便為更好地指導工程實踐提供參考。

1 試驗

1.1 不同含水率試樣的制備

紅砂巖吸水效果好，顆粒粒度均勻，因此，試驗所用的巖樣選為紅砂巖。為了使試驗結果具有可比性，要求所有試樣取自同塊完整性和均質性都較好的砂巖。試驗所用試樣都加工成直徑為50 mm、長徑比為2.0的圓柱體，并對試樣進行打磨，以保證兩端表面平行度在0.05 mm以內，表面平整度在0.02 mm以內。試樣加工完后，測定所有試樣質量及波速，從中挑選出密度和波速均相近的試樣用于試驗。所選出的試樣平均密度為2.294 50 t/m3，平均縱波波速為2.692 15 km/s。

本試驗的干燥試樣通過將巖樣放入烘烤箱中進行干燥處理而得，烘烤時長為48 h，烘烤溫度為105 ℃。烘烤完畢后稱質量，且認為此時的含水率為0。

試驗中，其他含水率試樣通過干燥試樣在水中浸泡制得，不同含水率試樣的浸泡時間依據砂巖的含水率?時間曲線進行控制。在同一批加工試樣中，隨機選取3個試樣經干燥處理后放在水箱中浸泡，每隔一段時間取出，擦干表面水分，放置于精度為0.01 g的電子天平上稱質量，重復上述步驟，直到質量不再變化為止。試樣含水率的計算公式為

根據試驗結果繪制的試樣含水率隨浸泡時間變化曲線如圖1所示。由圖1可知：砂巖試樣從干燥達到飽和狀態大概需要24 h，飽和試樣的含水率約為3.5%。因此，本試驗決定采用4種含水率水平的試樣進行靜態壓縮試驗，分別為0，1.0%，2.0%和3.5%。對于每種含水率，制作3個試樣用于單軸壓縮試驗。將制作好的試樣立即用塑料保鮮膜包裹好，以便最大限度地防止含水率發生變化。

1—試樣1；2—試樣2；3—試樣3。

1.2 試驗設備與方法

利用中南大學高等測試中心的電液伺服控制材料試驗機(MTS?647)，對不同含水率砂巖試樣進行單軸壓縮試驗。所有試驗均采用位移控制的加載方式，要求加載速率恒定在0.15 mm/min。

在力學試驗過程中，采用紅外熱像儀(SC7300M)同步記錄不同含水率試樣壓縮過程中的紅外輻射特性。紅外熱像儀像素分辨率為320×256像素，波長范圍3.7~4.8 μm，溫度靈敏度為0.01 ℃，采樣頻率設為25 Hz。

試驗進行前，在試驗機3個方向放置隔離紙板，只留下1個方向開口用于熱像監測。為了防止巖石破壞后飛濺出來的碎片損壞儀器，將紅外熱像儀放置在開口監測方向的正前方1 m左右位置。同時，保證紅外熱像儀與靜載試驗機同時開啟，力學結果和紅外結果記錄保持同步。

在本次實驗中，為了盡可能地減小環境因素對含水率帶來的影響，采取了以下措施：調節空調將試驗室溫度控制在27 ℃左右；拆除試樣的保鮮膜后立即進行試驗；在試驗過程中，關閉室內門窗，拉上窗簾，禁止人員走動，盡可能減少實驗現場的空氣流動。同時，在實驗過程中，試樣因受壓排水也可能會導致實際含水率與設定值不相符。但本實驗研究的重點是砂巖的力學特征和紅外輻射特征隨含水率的變化趨勢，因此，極小的含水率誤差并不影響實驗效果。

2 試驗結果與討論

2.1 不同含水率砂巖力學參數變化規律

表1所示為不同含水率砂巖的力學參數，圖2所示為4種含水率砂巖的應力?應變曲線。從圖2可以看出：不同含水率試件在受壓過程中的應力?應變曲線形狀大體相似；在達到峰值前，經過小段壓密過程后應力增大；應力?應變曲線部分近似為線性，即試件在此區間處于彈性變形階段；到達峰值強度后，不同含水率的試件應力均迅速下降到0 MPa，表明在試件被破壞后，不同含水率試件都立刻失去了承載能力。然而，由于含水率不同，試件也表現出差異：隨著含水率增大，試件的峰值強度遞減；彈性階段更短，峰值應變逐漸減小，說明水對巖石的力學性質起到了一定的“軟化”作用。

圖3所示為不同含水率砂巖抗壓強度變化規 律。從圖3可以看出：隨著含水率增大，砂巖的抗壓強度遞減。這表明水對砂巖起到了軟化作用，含水率為0時的平均抗壓強度為67.16 MPa，而飽和時的抗壓強度為46.81 MPa，飽水軟化后強度降低約30%。

含水率/%：1—0；2—1.0；3—2.0；4—3.5。

表1 靜態壓縮試驗試樣參數

圖3 砂巖抗壓強度隨含水率的變化規律

圖4所示為不同含水率砂巖的彈模變化規 律。從圖4可以看出：隨著砂巖含水率增大，其彈性模量不斷減小，達到飽和時下降幅度約18%，進一步顯示了水對巖石的軟化作用[13?14]。

2.2 加載過程中紅外熱像特征

通過紅外熱像可以實時觀測巖石試樣在加載過程中表面熱場的分布和變化特征。圖5所示為4種不同含水率砂巖試樣在不同應力狀態下的典型紅外熱像照片。各砂巖試樣端部升溫速度均比中間位置的升溫速度高，其原因可能是砂巖受載時的泊桑效應，壓頭和底座與試樣接觸面之間產生摩擦而產生熱量。從圖5可以看出：在壓縮過程中，砂巖試樣表面的紅外輻射溫度場呈現非均勻變化，但整體趨勢都為升溫；隨著含水率增大，砂巖紅外輻射溫度的變化趨勢更加明顯，而含水率較低的砂巖溫度場變化呈現相對無序狀態。在圖5(a)到圖5(b)所示紅外熱像可見：試樣的中間部分整體表現為降溫，而在由圖5(c)到圖5(d)所示紅外熱像可見試樣表現為升溫。該規律在平均紅外輻射溫度(AIRT)曲線的分析中更容易看出。在破壞瞬間，含水率為1%，2%和3.5%的砂巖溫度場變化都相對平穩，而干燥的砂巖則出現1條由應力集中或摩擦效應引起的局部輻射溫度顯著增加的條帶[9]，見圖5(d)紅圈所標注部分。

圖4 砂巖彈模隨含水率的變化規律

含水率/%：(a) 0，試樣(a-1)；(b) 1.0，試樣(a-2)；(c) 2.0，試樣(a-3)；(d) 3.5，試樣(a-4)；(e) 0，試樣(b-1)；(f) 1.0，試樣(b-2)；(g) 2.0，試樣(b-3)；(h) 3.5，試樣(b-4)；(i) 0，試樣(c-1)；(j) 1.0，試樣(c-2)；(k) 2.0，試樣(c-3)；(l) 3.5，試樣(c-4)；(m) 0，試樣(d-1)；(n) 1.0，試樣(d-2)；(o) 2.0，試樣(d-3)；(p) 3.5，試樣(d-4)

2.3 加載過程中輻射溫度變化規律

巖石試樣表面的平均紅外輻射溫度(AIRT)反映整個巖石試樣的紅外輻射能量，是表征巖石加載過程中紅外輻射變化特征的1個重要指標。各含水率峰值載荷前AIRT增幅(Δ)和單位應力AIRT增幅(Δ/)統計結果見表2。

圖6所示為4種不同含水率砂巖試樣的AIRT及外載荷隨時間的變化曲線。從圖6可見：低含水率砂巖的AIRT曲線在變化過程中的相對波動很大，而含水率越高的砂巖，AIRT曲線的變化越平穩，相對波動越小；同時，隨著含水率增加，AIRT曲線和外載荷曲線變化的一致程度逐漸增加；對含水率較低的試樣，隨著載荷增大，其溫度變化并不明顯；而對含水率較高的試樣，隨著載荷增大，其溫度不斷升高，兩者具有較好的同步性，這與劉善軍等[12]的研究結果是一致的。從圖6(a)可見：含水率為0的試樣SC1-1在加載初期，AIRT變化趨勢表現為震蕩降低，在加載后65 s左右約8%峰值載荷時出現1個低溫極值，降溫幅度約為0.1 ℃；隨后，曲線開始震蕩回升，在140 s再次出現低溫極值，而后回升，整體上振蕩較大。

表2 紅外輻射試驗試樣參數

含水率/%：(a) 0；(b) 1.0；(c) 2.0；(d) 3.5

圖7(a)所示為壓縮過程中不同含水率砂巖的輻射溫度變化曲線。從圖7(a)可以看出：不同含水率砂巖由加載到最終破壞均表現為溫度增加，但當含水率為0時，在低應力和中等應力階段，干燥砂巖的溫度變化為負增值；加載開始時，溫度便波動下降，當應力到達8%峰值應力時出現低溫極值；之后，隨著應力繼續增加，溫度稍有回升，在19%峰值應力時，溫度回升至與初始溫度基本持平；在19%到23%峰值應力階段，溫度再次迅速降低，隨著應力增大，輻射溫度保持動態平穩至40%峰值應力，約27 MPa；到30 MPa時，溫度再次迅速回升到初始溫度水平，直到應力增至50 MPa時，溫度一直在負增值水平上震蕩；在高應力階段，當應力達到50 MPa即約75%峰值應力后，溫度變化轉為正增值，但增速不大。然而，在58~60 MPa即約87%峰值應力時，溫度突然增大，對應時刻的紅外熱像出現高溫條帶，如圖7(b)所示。當最終應力達到67 MPa左右時，試樣發生破裂。在中低應力階段，干燥砂巖出現多次由初始溫度水平到降溫到回升至初始溫度水平循環，而含水率為1.0%的砂巖除了在0～5%峰值應力階段溫度出現震蕩外，其他階段均與含水率為2.0%和3.5%的潮濕砂巖一樣，隨著應力增大，溫度變化始終為正增值，并且溫度增大的趨勢隨著砂巖含水率的增大也表現得越來越明顯。

圖8所示為破壞前增溫幅度(峰值應力時溫度與初始溫度之差)和單位應力增溫幅度隨著含水率的變化曲線。從圖8可見：隨著含水率升高，AIRT的增加幅度逐漸增大，單位應力的AIRT增加幅度也逐漸增大：含水率為0的試樣AIRT平均增幅為0.21 ℃，即當試樣達到飽和時，試樣的AIRT平均增幅達0.76 ℃，約為干燥試樣的3.6倍。干燥試樣的單位應力AIRT平均增加幅度約為0.00 316℃/MPa，飽水試樣的單位應力AIRT平均增加幅度約為0.01 567 ℃/MPa，約為干燥試樣的5倍。

(a)不同含水率砂巖的輻射溫度變化曲線；(b) 含水率為0時的砂巖溫度曲線突變與紅外圖像異常對應時間含水率/%：1—0；2—1.0；3—2.0；4—3.5。

1—AIRT增幅；2—單位應力AIRT增幅。

不同含水率砂巖在加載初期升溫趨勢方面出現差異的原因可能是：砂巖在加載初期要經過短暫壓密階段。由于原生裂隙和孔隙的存在，砂巖在壓密過程中會因排出孔隙中的空氣而帶走一部分熱量[15]。隨著含水率增大，原生裂隙或孔隙漸漸被水顆粒所填充，所以，在加載初期排出空氣這一現象會隨之減弱。而與空氣相比，水的流動性要弱得多。因此，由于水存在黏滯性，在加載初期階段，水因受擠壓而排出的現象要遠遠比空氣中的弱。同時，由于加載后水顆粒與砂巖顆粒摩擦會產生熱量，因此，隨著含水率增大，砂巖的AIRT曲線在初始階段的上升趨勢更加明顯。

水對巖石紅外輻射溫度升溫幅度的影響可以從熱彈效應和微破裂效應2個角度進行解釋：1) 熱彈效應認為，巖石受壓時溫度上升，且壓縮量越大，溫度上升越多。根據試驗結果，在相同載荷條件下，隨著含水率增大，巖石對應的應變越大，故巖石的平均紅外輻射溫度增加越大；2) 巖石微破裂理論認為，巖石內部拉伸微裂隙的產生會吸收熱量，進而可能導致巖石溫度下降。張超等[16?17]通過聲發射的方法研究單軸壓縮過程中干燥和飽和砂巖的微裂隙的發育情況，結果表明飽水試件聲發射事件率比干燥試件的低，說明在單軸壓縮過程中，含水巖石產生的微裂隙更少，故吸收熱量越少。因此，隨著含水率增大，單軸壓縮過程中巖石的平均紅外輻射溫度增加越大。

利用含水率越高的砂巖峰值載荷前的升溫幅度越高這一現象，可以逆向對砂巖巖體的含水率進行評估。輻射溫度變化規律反映巖石受力作用下的微破裂行為，干燥砂巖破壞瞬間會出現紅外圖像異常。這表明在工程實踐中，可以用輻射方法對巖體工程災害進行監測，實現預測預警的作用。

3 結論

1) 隨著含水率增大，砂巖試樣的單軸抗壓強度和彈性模量都隨之降低，應力?應變曲線的彈性階段越短，水對巖石的力學性質起到了一定的“軟化”作用。

2) 隨著含水率增大，砂巖的溫度曲線和外載荷曲線隨時間變化的同步性越好，溫度曲線的相對震蕩也越小，溫度隨應力增加而增加的規律越明顯。對含水率越高的砂巖，其峰值應力前的升溫幅度越大。

3) 在壓縮過程中，干燥砂巖在臨破裂前出現圖像異常即出現高溫條帶，而潮濕砂巖不具備該圖像特征。干燥砂巖的溫度?應力曲線存在低溫極值和臨破裂前溫度突增現象，而潮濕砂巖不具有這些特征。

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(編輯 陳燦華)

Mechanical and infrared radiation properties of sandstone with different water contents under uniaxial compression

ZHOU Zilong1, XIONG Cheng1, CAI Xin1, ZHAO Yuan1, LI Xibing1, DU Kun2

(1. School of Resources and Safety Engineering, Central South University, Changsha 410083, China;2. Advanced Research Center, Central South University, Changsha 410083, China)

In order to investigate the effect of water on mechanical and infrared radiation properties of rock, a series of uniaxial compressive tests were conducted on sandstone specimens with different water contents, and the infrared radiation characteristics were monitored. The results show that with the increase of water content, both of uniaxial compressive strength and elastic modulus of specimens decrease, which indicates that the sandstone becomes “soft” when the water content increases. Water contents have great influence on the infrared radiation characteristics of rocks. For specimen with higher water content, the amplitude of temperature rising is greater, and the variation of average infrared radiation temperature(AIRT) with time has smaller fluctuation. The temperature shows a more obvious increasing trend with the increase of external load. For wet specimens, the AIRT changes mildly with the increase of loading, and there is no temperature anomaly on the surface. However, AIRT of dry specimens increases abruptly and high-temperature anomaly strips can be monitored.

rock mechanics; infrared radiation; water content; average infrared radiation temperature(AIRT); high- temperature anomaly strip

10.11817/j.issn.1672-7207.2018.05.021

TU452

A

1672?7207(2018)05?1189?08

2017?05?10；

2017?07?12

國家重點基礎研究發展計劃(973計劃)項目(2015CB060200)；國家自然科學基金資助項目(41772313) (Project(2015CB060200) supported by the National Basic Research Development Program (973 Program) of China; Project(41772313) supported by the National Natural Science Foundation of China)

周子龍，博士，教授，博士生導師，從事采礦與巖石力學研究；E-mail: zlzhou@csu.edu.cn