基于RA/AF的高溫后砂巖破裂特征識別研究

葛振龍，孫 強，王苗苗，趙春虎

(1.陜西省煤礦水害防治技術重點實驗室,陜西 西安 710077；2.中煤科工集團西安研究院有限公司,陜西 西安 710077；3.陜西省煤炭綠色開發地質保障重點實驗室,陜西 西安 710054；4.長安大學公路學院，陜西 西安 710064)

隨著能源需求的不斷增長，越來越多的巖土工程建設開始轉向地球深部。諸多巖土工程問題，如高放射性核廢料的深地層處置、煤炭地下氣化、地熱資源開發及災后建筑物修復等都會涉及高溫下巖石的物理力學性質[1-5]。高溫作用后巖石的表觀形態、物質組成及結構形式都可能發生變化，從而導致巖石結構產生劣化。在受到外部載荷作用時，巖石局部產生形變并快速釋放能量產生瞬態彈性波的現象稱為聲發射[6]。聲發射技術可以監測巖石內部微裂紋的起始和擴展，判斷巖石的破壞程度[7-11]。對于巖石內部的裂紋類型(主要是區分拉張裂紋和剪切裂紋)可利用聲發射參數RA和AF值來判斷[12-13]。因此，在結合分析宏觀破壞特征的基礎上，利用RA和AF值對比，分析不同溫度及不同水平應力條件下巖石內部不同類型裂紋的萌生、擴展、貫通演化機理，對于巖石損傷閾值的預測具有重要意義，可為高溫環境下巖土工程建設中遇到的巖石穩定性問題提供理論指導。

高溫后巖石裂紋發展演化規律已有廣泛研究，然而卻少見有學者對能夠反映高溫后巖石破壞機制的聲發射 RA值和AF值進行分析。本文選取典型的砂巖試樣，利用RA值和AF值來研究不同熱處理溫度后砂巖在加載過程中不同類型裂紋的演化規律及其破壞機理，以期為識別高溫作用后巖石破裂失穩前兆信號特征提供一種分析方法。

1 試驗裝置及試驗方法

1.1 試樣準備

砂巖試樣取自山東省臨沂市，密度為2.42 g/cm3。根據X射線衍射結果，砂巖主要礦物成分為石英(78%，質量分數，余同)，長石(10%)，濁沸石(9%)和方解石(3%)。根據常規力學性能測試要求，將砂巖試樣加工成?50 mm×100 mm的標準圓柱形。

圖1為砂巖在常溫狀態下的掃描電鏡(SEM)圖片，由圖1可知，砂巖晶體顆粒較大，表面不平整，晶體間填充物質較疏松，填充物與晶體間有裂紋發育，局部可見微孔洞。

圖1 常溫下砂巖微觀結構Fig.1 Microstructure diagram of sandstone at room temperature

1.2 試樣裝置

加熱設備選用KSL-1100X-L型智能高溫爐，加載裝置采用WES-D1000型電液伺服萬能試驗機，聲發射測試采用DS5-8B型聲發射儀。

1.3 試驗過程

實驗前，將所有砂巖試樣置于干燥箱中在50℃下干燥2 h。考慮到極端高溫條件(如火災)，設置不同的初始溫度：25、300、400、500、600、700、800、850℃，考慮到升溫速率太快，試樣內部可能會產生熱沖擊，對巖石的結構產生破壞，影響實驗效果，升溫速率設定為5℃/min。達到目標溫度后恒溫1 h，然后讓其在爐內自然冷卻到室溫。將熱處理后的試樣進行單軸壓縮試驗，同時進行聲發射測試。在砂巖表面均勻布置6個聲發射探頭，以凡士林作為耦合劑將探頭緊貼于砂巖側表面并固定，如圖2所示。實驗前進行聲發射參數設定：聲發射閾值設為40 dB，峰值定義時間設為50 μs，撞擊定義時間設為100 μs，撞擊鎖閉時間設為150 μs。

圖2 巖樣及加載裝置Fig.2 Rock sample and loading device

2 試驗結果

2.1 聲發射特征參數的表征

RA和AF值作為聲發射的2個重要參數，可以表征材料內部的裂紋類型。RA值是由上升時間除以聲發射信號的幅值而計算得到，ms/V；AF值是由超過門檻值的聲發射計數除以聲發射撞擊的持續時間計算得到，kHz。一般來說，低AF值、高RA 值表示剪切裂紋的產生或發育；而高AF值、低RA值則表示拉張裂紋的產生或發育[13]。

本文采用JCMS-ⅢB5706來區分拉張裂紋與剪切裂紋[14-15]，如圖3所示。

根據2個參數之間的比例，則有[16]：

C的取值范圍一般是1～200，這與材料的特性和結構類型有關[17]。

圖3 JCMS-ⅢB5706 分類[14-15]Fig.3 Classification of JCMS-ⅢB5706[14-15]

2.2 加載過程中RA和AF值的變化

圖4展示不同溫度處理后的砂巖在加載過程中RA和AF值的變化。從圖4可以看出，RA和AF值的變化大致分為3個時期，分別對應巖石的壓密階段(Ⅰ)、彈性變形階段(Ⅱ)和破壞階段(Ⅲ)。階段Ⅰ，RA和AF值相對較密集，這是因為巖石內部的微裂紋和空洞被壓縮擠密，微裂紋呈現小范圍的擴展。階段Ⅱ，RA和AF值較稀疏，無明顯波動。此階段砂巖內部幾乎沒有較大的損傷事件發生，聲發射活動較弱。階段Ⅲ，RA和AF值逐漸密集且在峰值強度附近，RA值明顯大于AF值，表明巖石開始進入破壞階段，剪切裂紋比例增加。隨著熱處理溫度的升高，破壞階段的RA值逐漸減小，表明剪切裂紋所占比例開始下降。當加熱溫度在 600℃附近時，階段Ⅱ范圍明顯變窄，此溫度下砂巖熱損傷加劇，微裂紋發育，彈性減弱(圖 4c)。當加熱溫度達到850℃時，RA值幾乎為0，表明此溫度下巖石在加載過程中拉張裂紋占主導(圖4d)。

本文選取剪切裂紋所占總裂紋的比例θ為研究對象，并定義：

式中：Nc為聲發射時間窗口中C大于C0的個數，其中C0取30、60、90、120、150、180；N0為聲發射時間窗口中聲發射的總個數。

加載應力取0.2σc、0.4σc、0.6σc、0.8σc和1.0σc(σc為峰值強度)，研究不同C0值和不同應力水平對θ值的影響。圖5為未加熱處理試樣θ值的變化，從圖5a中可以看出，隨著C0的增大，剪切裂紋所占比例逐漸增大。在不同應力水平區間，C0變化規律基本一致。從圖5b中可以看出，在0.2σc～0.4σc，θ值下降，部分剪切裂紋向拉張裂紋轉化；0.4σc～0.8σc，θ值變化不大，表明拉張裂紋和剪切裂紋處于平衡狀態；當應力水平超過0.8σc后，剪切裂紋所占比例迅速增多。但不管C0取何值，剪切裂紋所占比例均未超過50%。

圖4 不同溫度下砂巖在加載過程中RA和AF值的變化Fig.4 Variation of RA and AF values during loading

圖5 未經熱處理試樣剪切裂紋所占比例隨C0和應力水平的變化Fig.5 Variation of the proportion of shear cracks varied with C0and stress in samples without heat treatment

2.3 不同應力水平下RA-AF值的變化

選取未經熱處理的試樣，選取C0=90為例，研究其在不同加載階段RA-AF值的分布，如圖6所示。由圖6可以看出，當應力水平為0.2σc時，數據點主要分布在拉張裂紋區域。RA 值在0～1 000 ms/V 范圍散亂分布，AF 值則主要分布在10～60 kHz。應力水平為0.4σc、0.6σc、0.8σc時，RA和AF值數據點分布較少。這是因為此時巖石正處于彈性變形階段，聲發射事件較少。在0.8σc～1.0σc區間，拉張裂紋區數據點仍占主體，且分布范圍較壓密階段廣，而剪切裂紋區域內的數據點明顯增多，且在0～60 kHz 散亂分布。表明在此階段，巖石內拉張裂紋和剪切裂紋共同發育，但拉張裂紋所占比例較大且剪切裂紋有較強的隨機性。

2.4 損傷演化特征分析

聲發射參數特性的變化可以說明材料損傷的演變，這可用于評估在單軸壓縮下砂巖的破壞。本次使用累積振鈴計數來定義砂巖的損傷演化特征。損傷變量D定義為：

式中：Rd為巖石完全破壞時的累積振鈴計數；R0為軸向應變為ε時的累積振鈴計數。

圖6 不同應力水平下RA-AF分布散點圖Fig.6 Scatter diagram of RA-AF under different stress

圖7 應力-應變-損傷變化曲線Fig.7 Stress-strain-damage variable curve

圖7展示了砂巖應力-應變-損傷的演化規律。從圖7可以看出，當加熱溫度較低時，在壓密階段和彈性階段，D值無明顯變化，峰值強度附近砂巖損傷加劇，D值迅速上升。隨著溫度的升高，砂巖的峰值應變逐漸增大，峰值應力逐漸減小。當溫度達到600℃時，壓密階段損傷曲線出現小的峰值，表明此溫度下砂巖遭受了熱損傷。超過800℃，峰值強度附近D值呈緩慢上升趨勢。表明此溫度下砂巖內部的熱損傷進一步加劇，內部缺陷逐漸增多，脆性減弱，力學性能逐漸劣化，破壞時呈明顯的塑性變形。

3 討論

根據砂巖在單軸壓縮下的力學特征和聲發射特征，可將砂巖的變形破壞分為3個時期：壓密期(0～0.2σc)，平靜期(0.2σc～0.8σc)和破壞期(0.8σc～1.0σc)。

壓密期：此階段巖石原始的孔隙和裂隙被壓密，應力-應變曲線呈典型的下凹形，聲發射活動呈現小范圍的增強。

平靜期：此階段又可分為2個時期。平靜期前期(0.2σc～0.6σc)，巖石處于線彈性變形階段，曲線接近直線，巖石內部無明顯的聲發射活動；平靜期后期(0.6σc～0.8σc)，應力-應變曲線偏離線性，微破裂穩定發展，聲發射活動開始增強。

破壞階段：當應力超過巖石的屈服強度后，巖石內部微裂紋逐漸貫通形成大尺度裂紋，聲發射活動顯著增強。

不同溫度處理后的砂巖在受力變形的不同階段，會展現出不同的裂紋類型。當熱處理溫度較低時，在壓密期，剪切裂紋所占比例較少，砂巖以拉張破裂模式為主[18]，這可用位錯塞積現象解釋[19]。在較小的載荷作用下，砂巖原始缺陷產生滑移或晶體中的位錯在晶粒邊界上堆積，隨著缺陷的不斷堆積，位錯運動受阻。在體心立方晶體中，2個相交的滑移面在一定外力作用下相遇，反應結合成超位錯，就萌生裂紋的核心，如圖8和圖9所示。在位錯塞積群的前端拉應力集中，結果導致張性裂紋增多。當加載應力達到裂紋起始應力σci(約為峰值應力的 30%～50%)時，拉張裂紋迅速增長；當加載應力達到裂紋破壞應力σcd(約為峰值應力的80%)時，巖石內部宏觀裂紋開始成核，形成大尺度裂紋，巖石局部發生剪切破壞，剪切裂紋所占比例迅速上升，如圖10a所示，但拉張裂紋仍占主導[20]。這是因為巖石內部微裂紋是由于局部受拉造成的，主裂紋的形成主要是由局部拉應力集中所導致。

圖8 位錯塞積誘發裂紋成核過程[19]Fig.8 Schematic diagram of crack nucleation induced by dislocation pileup[19]

圖9 位錯反應[20]Fig.9 Schematic diagram of dislocation reaction[20]

圖10 剪切裂紋隨不同因素變化的演化規律Fig.10 Evolution of shear crack varied with different factors

隨著加熱溫度的升高，巖石晶體受熱膨脹，質點的熱運動增強，容易發生位移，位錯塞積現象增多，如圖9所示。在局部剪切應力作用下，晶體發生位錯滑移，塑性變形增多。在應力-應變曲線上表現為砂巖峰值強度降低，軸向應變增大。砂巖內礦物由于熱膨脹系數不同，在加熱過程中呈現不均勻膨脹[21-22]。特別是在573℃左右，石英發生相變，由α-石英轉變為β-石英[23]，石英體積迅速膨脹[24]，擠壓周圍礦物，在晶粒中心和邊界同時激發裂紋核[25]，導致穿晶剪切裂紋增多，如圖10 b所示。700～800℃之間，熱損傷繼續增加，剪切裂紋明顯增大，同時和沿晶裂紋一起形成龐大的裂縫連通網絡，形成穿晶沿晶復合裂紋，在加載過程中呈明顯的塑性變形且產生大量巖屑(圖11)。超過800℃，部分礦物(方解石)發生分解[26]，晶體結構被明顯破壞，砂巖塑性特征增強，剪切裂紋所占比例迅速下降；850℃時，砂巖呈明顯的塑性變形，剪切裂紋所占比例較少且基本不隨C0發生變化，如圖10c所示。

圖11 砂巖破壞形態Fig.11 Failure form of sandstone

4 結論

a.砂巖在整個加載過程中以拉張裂紋為主，當加載應力超過峰值應力的80%后，剪切裂紋所占比例迅速增大，該階段對應巖石加載過程中非穩定破裂發展階段，可將此作為砂巖產生破壞的前兆。

b.高溫處理后砂巖內剪切裂紋和拉張裂紋的分布與礦物(主要是石英)的熱膨脹密切相關。當加熱溫度超過600℃，剪切裂紋所占比例明顯上升，800℃后剪切裂紋所占比例迅速下降。600℃和800℃可作為砂巖損傷突變的閾值溫度。

c.砂巖在加載過程中內部位錯塞積群的積累導致拉應力集中，拉張裂紋增多。當加載應力達到裂紋破壞應力σcd時，巖石內部宏觀裂紋開始成核，形成大尺度裂紋，剪切裂紋增多。高溫后位錯塞積運動增強，塑性變形增多。

d.聲發射參數RA和AF值能有效區分砂巖在破壞過程中不同類型裂紋的分布，可為高溫后巖石破裂失穩前兆信息的識別提供重要的理論基礎。