不同加載速率下巖石紅外輻射效應的試驗研究

周子龍，常銀，蔡鑫

?

不同加載速率下巖石紅外輻射效應的試驗研究

周子龍，常銀，蔡鑫

(中南大學 資源與安全工程學院，湖南 長沙，410083)

為研究加載速率對巖石試樣紅外輻射效應的影響，對花崗巖進行不同加載速率下單軸壓縮實驗，監測其紅外輻射的變化。研究結果表明：隨著加載速率增加，花崗巖試樣抗壓強度逐漸增加，從初始加載直至破壞的時間明顯減少，初始壓密階段變長，彈性階段的斜率逐漸變小；加載速率對紅外輻射效應的影響體現在紅外熱像和平均紅外輻射溫度變化量上，在花崗巖紅外熱像圖上表現為熱像圖上的高溫區域不斷擴大；試樣的平均紅外輻射溫度變化量(?AIR)隨著加載速率提高逐漸增大；在較高加載速率下，?AIR曲線的斜率呈指數函數增大，即花崗巖試樣的紅外輻射效應越來越明顯。

加載速率；紅外輻射；平均紅外輻射溫度變化量

加載速率是影響巖石力學性質的重要因素，尤其在礦山的采礦生產活動中，若巷道掘進速率過大，則可能導致圍巖片幫甚至引起巖爆等災害，對礦山的生產安全造成嚴重威脅。研究表明，巖石的破壞不僅體現在力學性質上，而且體現在受載過程中釋放的各種物理特征特別是紅外輻射特征上：因此，研究不同加載速率下巖石的力學特性及紅外輻射特征對于指導礦山生產很有必要。對紅外輻射的研究最初是在地震方面，通過研究發現在震前多出現熱紅外異常。為了進一步研究地震的熱紅外機制，自20世紀90年代以來，人們開展了巖石加載過程紅外輻射的研究，模擬地震孕育過程中熱紅外異常。由于在礦山資源開采過程中，采動留下的礦柱受到各種應力作用，最終會發生破壞。導致這種破壞的因素多種多樣，破壞的機理也不盡相同，在破壞過程中會釋放紅外輻射能，因此，可以對礦柱進行紅外輻射監測。這種監測由于是非接觸式監測，可以極大方便監測過程，逐漸用于對礦山開采變形進行監測；此外，利用紅外熱成像技術可以檢測金屬和混凝土構件內部缺陷，并對其使用壽命進行評估。LUONG[1?4]在混凝土中使用了熱成像技術，從應力耦合的角度出發，研究了混凝土在破壞過程中的紅外輻射規律，提出可以用于對材料進行無損和非接觸性檢測，之后又將這項技術應用于巖土和其他材料的檢測中。鄧明德等[5]通過對干燥和含水巖石標本單軸加壓，發現巖石含水后其紅外輻射能力比干燥巖石的紅外輻射能力低，并且在加載過程中，輻射能力隨應力增大而增大，含水巖石的增加量大于干燥巖石的增加量；此外，鄧明德等[6]認為紅外熱像儀接收到的紅外輻射能量由溫度產生的輻射能1和由應力產生的輻射能2疊加產生，由此可用總能量反演溫度和應力，并且在實驗中基本實現了等溫加載，發現混凝土的紅外輻射能量隨壓力變化而發生顯著變化，證明了機械力能夠直接引起固體物質(混凝土、巖石等)的紅外輻射能量發生變化，不需要經歷生熱中間物理過程。WU等[7?9]通過對煤樣在單軸加載及單軸循環加載進行紅外監測，發現在煤巖和砂巖受壓過程中，會出現3類紅外熱像特征和3類紅外輻射溫度特征，提出0.79c(c為單軸抗壓強度)附近區域為監測的“應力警戒區”，隨壓應力、剪應力上升，巖石試塊的紅外輻射強度總體呈上升趨勢，而拉應力對巖石試塊的紅外輻射影響不大，基本看不到明顯異常。WU等[10?15]對巖石在加載過程中產生紅外輻射的影響因素(加載速率、加載方式、巖性)及機理進行了分析和討論，研究了巖石變形過程中紅外輻射的變化，發現加載巖石紅外輻射變化規律受2種熱效應即熱彈效應和摩擦熱效應控制，這2種熱效應在不同加載階段所起的作用不同，并在此基礎上提出了遙感巖石力學的概念，對不同條件下巖石破裂和破壞的紅外圖像異常及溫度?時間曲線異常分別進行了闡釋。董玉芬等[16]通過分析巖石的破裂演化過程并對巖石變形過程中產生的紅外輻射進行研究，發現微破裂伴隨產生紅外輻射，微破裂越強，所產生的紅外輻射就越強，紅外熱像圖顯示就越明顯。GONG等[17?20]在水平、60°傾角及豎直的層狀巖體中模擬巷道開挖，并用紅外熱像儀進行監測，得出平均紅外溫度隨時間的變化特點，運用小波去噪和MIF等技術對紅外圖像進行了優化，由此用于分析巷道破壞的微觀過程。張艷博等[21?22]選擇含圓孔巖石作為試樣，利用單軸加載實驗系統和紅外熱像儀并結合數值模擬分析手段，使用RFPA軟件對模型受力及破裂過程的熱輻射時空演化特征進行了實驗研究，分析了水對巖石紅外輻射規律的影響，發現水對粉砂巖破裂紅外輻射敏感性影響較大，存在1個臨界轉換點(水的質量分數為1.464%)：當水的質量分數小于1.464%時，水的質量分數越大，紅外輻射對應力的敏感性增強，反之，敏感性相對減弱；當水的質量分數低于2.563%時，紅外輻射溫度降幅隨水的質量分數增大而增大，反之，紅外輻射溫度降幅減小。馬立強等[23]通過在巖體內部鉆孔，利用紅外測溫儀測量巖體孔內的溫度，得到孔內紅外輻射溫度與載荷、應力、應變的線性關系，并提出用參照試樣對紅外熱像去噪[24?25]，用原始紅外圖像序列和逐差紅外圖像序列的平均紅外溫度和方差作為指標對紅外輻射進行分析，并對4個指標進行評價[26]。宋義敏等[27]以紅外熱像儀結合數字散斑相關方法作為觀測手段，對煤試件進行實驗研究，觀測和分析煤試件的變形演化、溫度演化及其二者的對應變化關系。唐陽等[28]利用紅外熱像儀結合PFC2D數值模擬軟件，研究了單軸壓縮加載條件下試塊的溫度場與細觀損傷情況，發現可利用離散單元法模擬熱學溫度場環境下混凝土的破壞過程。楊陽等[29]基于分形維數、方差對飽水粉砂巖在加載破壞過程中紅外輻射溫度場進行了探討，指出分形維數相較于方差更有其優越性，更能表現出巖石的紅外前兆。目前，人們就加載速率對紅外輻射效應的研究較少。為此，本文作者利用紅外熱像儀作為監測設備，開展不同加載速率下花崗巖試件的單軸壓縮實驗，以便揭示加載速率對花崗巖試樣力學和紅外輻射效應的影響，對巖石的破壞過程進行更加全面了解。為便于分析巖石試樣表面在加載過程中紅外輻射溫度的演化，減少因環境及人為因素對紅外溫度的影響，對加載過程中獲得的熱像圖進行差值處理，以加載前的熱像作為初始熱像，加載后的每幀熱像都與初始熱像作差值，對差值后圖像的輻射溫度場變化進行分析[30]。

1 實驗設計

1.1 實驗設備

實驗加載設備采用中南大學高等研究中心INSTRON 1346萬能材料實驗機，最大載荷量程為 2 MN，載荷測量精度在±0.5%以內；紅外輻射探測裝置采用美國FLIR SYSTEMS公司的SC7300M型非制冷紅外熱像儀，探測器類型為焦平面陣列MCT探測器，熱像儀像素分辨率為320像素×256像素，波長范圍為3.7~4.8 μm，溫度靈敏度為0.01 ℃，圖像采樣頻率設定在10~100 Hz之間。

1.2 實驗方案

實驗使用的試樣為花崗巖，加工成標準的長×寬×高為50 mm×50 mm×100 mm的長方體試樣9塊。試件加載兩端打磨拋光，保證其表面平整度符合實驗規程。將全部試樣置于烘烤箱中烘烤24 h，取出待其降至常溫。

本次實驗采用位移控制方式，分別以0.1，0.2，0.3和0.4 mm/min的加載速率對試樣進行加載。考慮到巖石材料的各向異性和不均質性，在單個加載速率下加載3個試樣，取實驗結果平均值。實驗開始時，將紅外熱像儀、靜載實驗機同時開啟，保證各系統的數據記錄在時間上保持同步。

將紅外熱像儀放置在巖石試樣正前方1 m左右的位置，觀察試樣在單軸加載下紅外輻射變化情況。在除儀器方向外其他3個方向放置隔離板，只留下1個方向開口用于監測，以便最大程度地減小周圍環境對巖石輻射的影響，同時防止巖石破壞后飛濺出來的碎片損壞儀器及其他設備。在實驗過程中，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。試件放置后，對其溫度進行監測，待試件表面溫度均勻時，開始進行實驗。

2 實驗結果分析

2.1 不同加載速率下花崗巖的力學性質

表1所示為不同加載率下花崗巖試樣的力學參數及實驗結果，其中?AIR表示試樣表面平均紅外輻射溫度變化量[24]。從表1可以看出：抗壓強度隨著加載速率增大而增大；當加載速率從0.1 mm/min提高到 0.4 mm/min時，抗壓強度從120.05 MPa(試樣GCD2)增大到138.78 MPa(試樣GCD12)，大約增大15.6%；而與此相反，加載時間隨著加載速率增大逐漸減小，低加載速率下加載時間變化較大，在較高加載速率下，加載時間的變化逐漸減小；在不同加載速率下測得的峰值強度對應的峰值應變隨著加載速率增加有波動，離散性較大，但總體來說，峰值應變隨加載速率增大而增大。不同加載速率下花崗巖試樣的應力?應變關系如圖1所示。從圖1可見：當加載速率為0.1 mm/min時，應力?應變曲線彈性階段的曲線斜率略大于其他加載速率下的曲線斜率，加載初始時的壓密階段較短；在加載速率為0.4 mm/min時，應力?應變曲線彈性階段的斜率明顯較小，壓密階段較長；在加載速率為0.2 mm/min和0.3 mm/min時，應力應變曲線變化很小，基本無差異。

表1 不同加載速率下試樣參數

加載速率v/(mm·min?1): 1—0.1；2—0.2；3—0.3；4—0.4。

2.2 不同加載速率下花崗巖的紅外熱像特征分析

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2所示為4種不同加載速率花崗巖試樣在不同應力水平下的典型紅外差值熱像。各試樣端部升溫速度比中間位置的升溫速度高，其原因可能是受載時存在端部效應，壓頭和底座與試樣接觸面之間產生摩擦而產生熱量。從圖2可以看出：壓縮過程中試樣表面的紅外輻射溫度場呈現非均勻變化，但整體趨勢是升高。將各加載速率下的熱像溫度設定在相同的區間內，可以看到試件幾乎都是從兩端開始升溫，而后延伸到其他部分，其原因是試樣兩端受到力的作用，其溫度首先升高。熱像圖中溫度區間均設定為?0.1~0.4 ℃，使各加載速率下的紅外熱像具有可比性。熱像粉色區域不斷擴大，說明隨著加載速率提高，試樣表面整體紅外溫度越來越高。加載速率對試樣表面的紅外輻射影響較大，其中，當加載速率為0.4 mm/min時，黑色區域充滿了熱像，這說明峰值強度時刻幾乎試樣整個表面升溫都在0.4 ℃及以上。加載速率為0.1 mm/min時的加載熱像如圖2(a)所示，可見在峰值強度時，試件表面的紅外溫度最高為0.54 ℃，最低為?0.15 ℃，相差0.69 ℃。加載速率為0.4 mm/min時的加載熱像如圖2(d)所示，可見在峰值強度時，試樣表面的紅外溫度最高為1.33 ℃，最低為?1.03 ℃，相差2.36 ℃，這與較低加載速率下的溫度有明顯差別，說明加載速率越大，試樣最高溫度越來越高，最低溫度也越來越低，即試樣表面溫度相差越大。同時，當加載速率逐漸增大時，實際受壓試樣在破壞時碎屑飛濺速度越快，即破壞越劇烈，但看不到試樣表面溫度分布與實際試樣表面破壞時的劇烈程度相互對應。可以認為，試樣在峰值時刻平均紅外輻射溫度越高，試樣的破壞越劇烈。

2.3 不同加載速率下花崗巖?tAIR特征分析

對花崗巖試樣進行不同加載速率下的常規壓縮實驗，以時間為橫軸，平均紅外輻射溫度變化量?AIR為縱軸，繪制不同加載速率下的?AIR與時間的關系曲線，如圖3所示。

加載速率/(mm?min?1)：(a) 0.1; (b) 0.2; (c) 0.3; (d) 0.4

加載速率v/(mm·min?1): 1—0.1；2—0.2；3—0.3；4—0.4。

從圖3可以看到：隨著加載速率增大，?AIR上升速度加快，當加載速率從0.1 mm/min提高到 0.4 mm/min時，試樣的平均紅外輻射溫度變化量曲線的斜率逐漸增大。其原因是：一方面，隨著加載速率增大，試樣從初始加載到破壞的時間縮短，而且試樣破壞前的最高溫度也隨之增加；另一方面，從加載時間來說(見表1)，當加載速率從0.1 mm/min增大到 0.2 mm/min時，加載時間大約減少250 s，而平均紅外輻射溫度變化量曲線的斜率沒有明顯增大；而當加載速率從0.2 mm/min提高到0.3 mm/min時，加載時間減少約120 s，平均紅外輻射溫度變化量曲線的斜率較之前有了很大提高；當加載速率從0.3 mm/min提高到0.4 mm/min后，加載時間基本上沒有變化，而?AIR大幅度升高(此處根據多個試樣的平均值獲得)。這說明花崗巖的紅外輻射效應在加載速率較低時不太明顯，而在較高的加載速率下，紅外輻射效應受加載速率非常大。圖4所示為?AIR曲線斜率與加載率關系曲線，進一步證實了上述規律(圖4中為?AIR曲線的斜率，為加載率，2為擬合程度)。

4種不同加載速率下花崗巖試樣的平均紅外輻射溫度變化量?AIR及應力隨時間的變化曲線見圖5。從圖5可見：在加載速率較低時，?AIR曲線波動較大，近似呈臺階狀上升(圖5(a))，應力?時間曲線在峰值附近有明顯的應力調整，?AIR曲線的總體趨勢和應力?時間曲線總體趨勢一致性較差；而當加載速率逐漸增大時，應力?時間曲線峰值附近無明顯調整，說明試樣隨著加載速率增大，脆性增強，且?AIR曲線逐漸平滑(見圖5(b))，曲線逐漸向應力?時間曲線趨勢調整，其與應力?時間曲線的一致性逐漸增強。

圖4 平均紅外輻射溫度變化量曲線斜率與加載速率的關系

2.4 分析與討論

由斯蒂芬?玻爾茲曼定律可知物體的熱力學溫度越高，其所有波段上的總體輻射強度越強[31]。在較低加載速率下，花崗巖試樣在壓縮過程中其內部的微破裂發育及擴張較充分，因而輻射強度較高，微破裂出現所導致的摩擦熱效應是巖石表面的?AIR曲線波動性較大的主要原因，張性微破裂使熱力學溫度下降，而剪性微破裂使熱力學溫度上升[31]，導致傳遞到表面的熱力學溫度相差較大，表現在紅外溫度也相差較大；而在高加載速率下，試樣內部的微破裂不夠發育，來不及充分產生和擴張，受張性破裂和剪性破裂的影響較小，導致傳遞到試樣表面的溫度變化比較小。此外，隨著加載速率增大，?AIR曲線和應力?時間曲線的一致性越來越好，即紅外溫度和應力的相關程度越來越好。由于各種因素導致的紅外溫度體現在試樣表面差異非常小，因此，試樣表面破壞位置不能與紅外溫度的分布相對應，這與實際觀察到的巖石表面破壞結果相吻合。

鄧明德等[6]認為在等溫加載條件下，應力可以直接引起物體紅外輻射能量的變化，而不需要經歷生熱物理過程，即應力可以單獨引起輻射變化，并提出紅外熱像儀接收到的紅外輻射能量由溫度產生的輻射能1和由應力產生的輻射能2疊加產生，這就可以很好地解釋實驗現象。在低加載速率下，花崗巖試樣的應力增速較慢，而試樣內部的摩擦生熱使得熱力學溫度發生變化，在這種條件下，應力對輻射能量的影響較小，所以，?AIR曲線和應力變化曲線的一致性較差；隨著加載速率增大，應力增速較快，試樣內部的摩擦生熱成分較少，應力對紅外輻射的影響程度逐漸變大，?AIR曲線和應力變化曲線的一致性越來越好。這也可以從圖5得到證實。隨著應力增大，低加載速率下的巖石試樣溫度變化基本無差別，而高加載速率(如0.3 mm/min以上)的巖石試樣溫度變化明顯，與低加載速率下的試樣差別較大，說明在高加載速率下，紅外溫度的變化在很大程度上取決于應力變化。

加載速率/(mm?min?1)：(a) 0.1; (b) 0.2; (c) 0.3; (d) 0.4

加載速率v/(mm·min?1): 1—0.1；2—0.2；3—0.3；4—0.4。

3 結論

1) 花崗巖試樣的抗壓強度隨加載速率增大，加載速率從0.1 mm/min增大到0.4 mm/min，抗壓強度約增大12.5%；加載時間隨加載速率增大逐漸減少，兩者都呈指數函數變化。

2) 加載速率在紅外熱像上的影響主要體現在高溫區域逐漸擴大，低加載速率下紅外溫度整體較低。

3) 平均紅外輻射溫度變化值?AIR曲線在加載速率較低時波動性較大，與應力?時間曲線的一致性較差，這主要與巖石內部的破裂類型有關；而當加載速率較高時，應力?時間曲線較平滑。?AIR曲線與應力?時間曲線的一致性較好。?AIR曲線的斜率隨加載速率增大呈指數函數增大，即加載速率越高，紅外輻射效應越明顯。

4) 試樣在受壓過程中表面溫度分布和實際破壞位置無明顯對應關系，在較高加載速率下，試樣表面平均紅外輻射溫度變化量越大，同時試樣破壞越劇烈，碎屑的飛濺速度更快，可以認為，平均紅外輻射溫度變化量越大，試樣破壞越嚴重。

[1] LUONG M P. Infrared observation of failure processes in plain concrete[C]//Proceedings of the Fourth International Conference on Durability of Building Materials and Components. Oxford: Pergamon Press, 1987: 870?878.

[2] LUONG M P. Infrared thermographic scanning of fatigue in metals[J]. International Journal of Fatigue, 1995, 19(3): 266?266.

[3] LUONG M P. Fatigue limit evaluation of metals using an infrared thermographic technique[J]. Mechanics of Materials, 1998, 28(1/2/3/4): 155?163.

[4] LUONG M P. Introducing infrared thermography in soil dynamics[J]. Infrared Physics & Technology, 2007, 49(3): 306?311.

[5] 鄧明德, 房宗緋, 劉曉紅, 等. 水在巖石紅外輻射中的作用研究[J]. 中國地震, 1997, 13(3): 288?296. DENG Mingde, FANG Zongfei, LIU Xiaohong, et al. Research on the action of water in the infrared radiation of the rocks[J]. Earthquake Research in China,1997, 13(3): 288?296.

[6] 鄧明德, 錢家棟, 尹京苑, 等. 紅外遙感用于大型混凝土工程穩定性監測和失穩預測研究[J]. 巖石力學與工程學報, 2001, 20(2): 147?150. DENG Mingde, QIAN Jiadong, YIN Jinyuan, et al. Research on the application of infrared remote sensing in the stability of the monitoring and unstability of prediction of large concrete engineering[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2001, 20(2): 147?150.

[7] WU Lixin, WANG Jinzhuang. Infrared thermal image study on the forewarning of coal and sandstone failure under load[J]. Journal of Coal Science & Engineering(China), 1997, 3(2): 15?23.

[8] 吳立新, 王金莊. 煤巖受壓紅外熱象與輻射溫度特征實驗[J]. 中國科學:D輯, 1998, 28(1): 41?46. WU Lixin, WANG Jinzhuang. Experiment on infrared radiation temperature characteristics of coal rock compression experiment [J]. Science China: Series D. 1998, 28(1): 41?46.

[9] WU Lixin, CUI Chengyu, GENG Naiguang, et al. Remote sensing rock mechanics (RSRM) and associated experimental studies[J]. International Journal of Rock Mechanics & Mining Sciences, 2000, 37(6): 879?888.

[10] WU Lixin, LIU Shanjun, WU Yuhua, et al. Changes in infrared radiation with rock deformation[J]. International Journal of Rock Mechanics & Mining Sciences, 2002, 39(6): 825?831.

[11] 劉善軍, 吳立新, 吳育華, 等. 受載巖石紅外輻射的影響因素及機理分析[J]. 礦山測量, 2003(3): 67?68. WU Lixin, LIU Shanjun, WU Yuhua, et al. Influence factors and its mechanism analysis of infrared radiation coming from loaded rocks[J]. Mine Surveying, 2003(3): 67?68.

[12] WU Lixin, WU Yuhua, LIU Shanjun, et al. Infrared radiation of rock impacted at low velocity[J]. International Journal of Rock Mechanics & Mining Sciences, 2004, 41(2): 321?327.

[13] LIU Shanjun, WU Lixin, WU Yuhua. Infrared radiation of rock at failure[J]. International Journal of Rock Mechanics & Mining Sciences, 2006, 43(6): 972?979.

[14] WU Lixin, LIU Shanjun, WU Yuhua, et al. Precursors for rock fracturing and failure: part I. IRR image abnormalities[J]. International Journal of Rock Mechanics & Mining Sciences, 2006, 43(3): 473?482.

[15] WU Lixin, LIU Shanjun, WU Yuhua, et al. Precursors for rock fracturing and failure: part II. IRR-curve abnormalities[J]. International Journal of Rock Mechanics & Mining Sciences, 2006, 43(3): 483?493.

[16] 董玉芬, 王來貴, 劉向峰, 等. 巖石變形過程中紅外輻射的實驗研究[J]. 巖土力學, 2001, 22(2): 134?137. DONG Yufen, WANG Laigui, LIU Xiangfeng, et al. The experimental research of the infrared radiation in the process of rock deformation[J]. Rock and Soil Mechanics, 2001, 22(2): 134?137.

[17] GONG Weili, WANG Jiong, GONG Yuxin, et al. Thermography analysis of a roadway excavation experiment in 60° inclined stratified rocks[J]. International Journal of Rock Mechanics & Mining Sciences, 2013, 60(48): 134?147.

[18] HE Manchao, GONG Weili, LI Dejian, et al. Physical modeling of failure process of the excavation in horizontal strata based on IR thermography[J]. Mining Science and Technology, 2009, 19(6): 689?698.

[19] 宮偉力, 何鵬飛, 江濤, 等. 小波去噪含水煤巖單軸壓縮紅外熱像特征[J]. 華中科技大學學報(自然科學版), 2011, 39(6): 10?14. GONG Weili, HE Pengfei, JIANG Tao, et al. Infrared thermography of saturated coal rock under uniaxial compression based on wavelet denoising[J]. Journal of Huazhong University of Science & Technology(Natural Science Edition), 2011, 39(6): 10?14.

[20] HE Manchao, JIA Xuena, GONG Weili, et al. Physical modeling of an underground roadway excavation in vertically stratified rock using infrared thermography[J]. International Journal of Rock Mechanics & Mining Sciences, 2010, 47(7): 1212?1221.

[21] 張艷博, 李健, 劉祥鑫, 等. 水對花崗巖巷道巖爆紅外輻射特征的影響[J]. 遼寧工程技術大學學報, 2015, 34(4): 453?458. ZHANG Yanbo, LI Jian, LIU Xiangxin, et al. Influence of water on infrared radiation characteristic of granite roadway rock burst[J]. Journal of Liaoning Technical University, 2015, 34(4): 453?458.

[22] 張艷博, 劉翠萍, 梁鵬, 等. 水對粉砂巖受力破裂紅外輻射溫度敏感性實驗[J]. 遼寧工程技術大學學報, 2016, 35(3): 259?264. ZHANG Yanbo, LIU Cuiping, LIANG Peng, et al. Experiment study of water to the sensitivity of siltstone infrared radiation temperature in stress rupture[J]. Journal of Liaoning Technical University, 2016, 35(3): 259?264.

[23] 馬立強, 李奇奇, 曹新奇, 等. 煤巖受壓過程中內部紅外輻射溫度變化特征研究[J]. 中國礦業大學學報, 2013, 42(3): 331?336. MA Liqiang, LI Qiqi, CAO Xinqi, et al. Variation characteristics of internal infrared radiation temperature of coal-rock mass in compression process[J]. Journal of China University of Mining & Technology, 2013, 42(3): 331?336.

[24] 馬立強, 王爍康, 張東升, 等. 煤單軸壓縮加載試驗中的紅外輻射噪聲特征與去噪方法[J]. 采礦與安全工程學報, 2017, 34(1): 114?120. MA Liqiang, WANG Shuokang, ZHANG Dongsheng, et al. Infrared radiation noise characteristics and its denosing method during coal uniaxial compression loading test[J]. Journal of Mining & Safety Engineering, 2017, 34(1): 114?120.

[25] SUN Hai, MA Liqiang, ADELEKE N, et al. Background thermal noise correction methodology for average infrared radiation temperature of coal under uniaxial loading[J]. Infrared Physics & Technology, 2017, 81: 157?165.

[26] MA Liqiang, SUN Hai, ZHANG Yao, et al. Characteristics of infrared radiation of coal specimens under uniaxial loading[J]. Rock Mechanics & Rock Engineering, 2016, 49(4): 1567?1572.

[27] 宋義敏, 楊小彬. 煤破壞過程中的溫度演化特征實驗研究[J]. 巖石力學與工程學報, 2013, 32(7): 1344?1349. SONG Yimin, YANG Xiaobin. Experiment study of temperature evolution characteristics during deformation and destruction process of coal[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics & Engineering, 2013, 32(7): 1344?1349.

[28] 唐陽, 宿輝, 馬秋娟, 等. 混凝土破裂過程中的紅外輻射特征與數值模擬研究[J]. 水電能源科學, 2015, 33(2): 127?130. TANG Yang, SU Hui, MA Qiujuan, et al. Infrared radiation feature and numerical simulation of concrete during fracturing process[J]. Water Resources & Power, 2015, 33(2): 127?130.

[29] 楊陽, 梅力, 梁啟超, 等. 單軸壓縮條件下飽水粉砂巖紅外溫度場的分形特征研究[J]. 中國礦業, 2017, 26(8): 160?164. YANG Yang, MEI Li, LIANG Qichao, et al. study on the fractal characteristics of infrared temperature field of saturated sandstone under uniaxial compression[J]. China Mining Magazine, 2017, 26(8): 160?164.

[30] 劉善軍, 魏嘉磊, 黃建偉, 等. 巖石加載過程中紅外輻射溫度場演化的定量分析方法[J]. 巖石力學與工程學報, 2015, 34(S1): 2968?2976. LIU Shanjun, WEI Jialei, HUANG Jianwei, et al. Quantitative analysis methods of infrared radiation temperature field variation in rock loading process[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics & Engineering, 2015, 34(S1): 2968?2976.

[31] 劉善軍, 吳立新. 巖石受力的紅外輻射效應[M]. 北京: 冶金工業出版社, 2005: 146?147.LIU Shanjun, WU Lixin. The[M]. Beijing: Metallurgical Industry Press, 2005: 146?147.

Experimental study of infrared radiation effects of rock with different loading rates

ZHOU Zilong, CHANG Yin, CAI Xin

(School of Resources and Safety Engineering, Central South University, Changsha 410083, China)

In order to reveal the influence of loading rate on infrared radiation effects of rock specimens, uniaxial compression experiments of granite at different loading rates were carried out. The variation of infrared radiation was monitored. The results show that compressive strength increases gradually with the increase of loading rate and the time decreases evidently from initial loading to final failure, and the initial compaction stage of the stress-strain curve becomes longer. The slope of the elastic stage gradually decreases. The effect of loading rate on infrared radiation mainly reflects on infrared thermal image and average infrared radiation variation. High temperature region is expanded continuously on thermal image with the increase of loading rate. Average infrared radiation temperature variation (?AIR) also increases gradually. At higher loading rate, slope of ?AIRcurve increases exponentially, i.e., the infrared radiation effect of granite is significantly affected by loading rate.

loading rate; infrared radiation; variation of average infrared radiation temperature

TU45；O434.3

A

1672?7207(2019)05?1127?08

10.11817/j.issn.1672-7207.2019.05.016

2018?07?10；

2018?09?21

國家重點基礎研究發展規劃(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

(編輯 陳燦華)