沖擊荷載下砂巖的紅外輻射特性

周子龍，劉洋，蔡鑫，常銀,2，高山

(1. 中南大學資源與安全工程學院，湖南 長沙，410083；2. 中南大學教師教學發(fā)展中心，湖南 長沙，410083；3.廣西新發(fā)展交通集團有限公司，廣西 南寧，530029)

隨著礦山、隧道等領域的快速發(fā)展，地下巖石工程面臨著許多嚴峻問題。巖爆、大規(guī)模坍塌等動力災害頻發(fā)，其突發(fā)性強，破壞力大，已經(jīng)嚴重威脅工程安全[1-2]，如何快速識別巖體破裂失穩(wěn)前兆并進行災害預報是巖石工程界長期存在的熱點和難點問題。20 世紀中后期，人們發(fā)現(xiàn)巖石破裂時會引起熱輻射現(xiàn)象。近年來，隨著紅外熱像(infrared thermography)技術的發(fā)展，紅外監(jiān)測已廣泛應用于巖石工程災害監(jiān)測與預警，深入認識巖石破裂過程中的紅外輻射特征對遙感技術在巖石工程領域中的應用具有重要意義。人們利用紅外熱像儀對不同加載條件下的各類巖石的紅外輻射特征進行了研究，如：LUONG[3]采用紅外熱像儀監(jiān)測疲勞荷載下混凝土和鹽巖的紅外輻射特征；鄧明德等[4]在等溫加載的條件下對混凝土進行力學實驗，發(fā)現(xiàn)力能夠直接引起巖石的紅外輻射能量發(fā)生變化，不需要經(jīng)歷生熱的物理過程；WU等[5-6]總結(jié)了壓縮荷載、拉伸荷載和剪切荷載下，不同種類巖石的紅外輻射特征，并將時間-溫度曲線上突變點和紅外熱圖中的溫度條帶視為巖石試樣的破壞前兆；馬立強等[7]通過測量鉆孔方式，得到了煤巖體內(nèi)部的溫度特征，并分析了煤和泥巖受壓過程中的紅外輻射溫度，發(fā)現(xiàn)內(nèi)部溫度與時間、載荷呈正相關關系；劉善軍等[8]提出了特征粗糙度、熵和方差3個定量描述受載巖石紅外輻射溫度場演化特征的指標，為巖石災變過程的紅外輻射分析提供了新思路；WANG等[9]使用紅外熱像儀監(jiān)測了單軸加載的石灰?guī)r試樣在變形破壞過程中的紅外輻射特征，將tAIR從上升到下降再到上升的現(xiàn)象確定為巖石破壞的前兆；SALAMI 等[10]對巖石和砂漿試樣開展巴西劈裂實驗，觀察其紅外輻射溫度大的變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)在變形和破壞過程中，巖石試樣的裂紋周邊的溫度會升高，然而，砂漿試樣的溫度沒有發(fā)生變化，這種差異是巖石礦物顆粒破碎所致[10]。周子龍等[11]開展了不同含水率砂巖的單軸壓縮實驗，研究了含水量對紅外輻射特征的影響，發(fā)現(xiàn)含水率越高，tAIR-時間曲線的波動越小，溫度隨應力升高的趨勢越明顯。周子龍等[12]對花崗巖進行了不同加載速率下的單軸壓縮試驗，發(fā)現(xiàn)加載速率越高，花崗巖的升溫速率越高。來興平等[13]研究了含裂隙煤炭破裂過程的紅外輻射特征，將紅外輻射的異常區(qū)域的遷徙特征作為煤巖破裂的重要前兆信息。CAI等[14]對飽和和干燥狀態(tài)的砂巖、花崗巖和大理巖進行了單軸壓縮試驗，研究了水的存在對紅外輻射的影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)在同等應力下，飽和試樣的平均紅外輻射溫度高于干燥試樣的溫度，這說明水的存在促進了熱能的釋放[14]。

通過以上分析可見，上述研究的荷載都集中于準靜態(tài)，而沖擊載荷下，巖石的力學特性與紅外輻射特征的關系尚不清晰，需要進一步研究。為此，本文采用改進的分離式霍普金森壓桿(SHPB)系統(tǒng)對砂巖進行不同應變率的沖擊測試試驗，借助紅外熱像儀監(jiān)測記錄砂巖的紅外熱像圖，分析高應變下砂巖的紅外輻射演化規(guī)律。通過計算得到不同應變下砂巖破壞時和初始時的平均紅外輻射溫度，建立溫度增量(ΔtAIR)與應變率的關系。通過計算砂巖吸收的能量，分析能量密度與ΔtAIR的關系。

1 實驗設計與方法

1.1 實驗材料

本實驗選用的試樣材料為細粒紅砂巖，取自中國云南，其主要力學和物理參數(shù)見表1。X射線衍射分析結(jié)果表明，砂巖中石英質(zhì)量分數(shù)為57.20%，長石質(zhì)量分數(shù)為13.48%，方解石質(zhì)量分數(shù)為5.26%，云母質(zhì)量分數(shù)為3.84%，黏土礦物質(zhì)量分數(shù)為13.77%，其他物質(zhì)質(zhì)量分數(shù)為6.45%。

表1 砂巖試樣的物理和靜態(tài)力學參數(shù)Table 1 The physical and static mechanical parameters of sandstone samples

為消除曲面對紅外輻射溫度監(jiān)測準確性的影響，將砂巖試樣制成長×寬×高為40 mm×40 mm×20 mm的長方體，然后，對砂巖試樣6個端面充分打磨，使其表面平整。隨后，將所有的試樣放置于烘烤箱干燥24 h，以消除水分對實驗結(jié)果的影響。

1.2 實驗裝置

1.2.1 紅外監(jiān)測設備原理

巖石試樣能發(fā)射出波長范圍較寬的電磁輻射波，只有紅外輻射波段才能表現(xiàn)出熱效應。紅外熱成像的原理如圖1所示。當電磁輻射波傳播到紅外熱像儀時，只有紅外輻射波段可以透過鍺透鏡，并被焦平面陣列光敏傳感器檢測到。根據(jù)波爾-茲曼定律將紅外輻射能轉(zhuǎn)換為溫度，從而獲得紅外熱像圖。

圖1 紅外熱像儀原理圖Fig.1 Schematic diagram of infrared thermography

在動態(tài)測試中采用非制冷紅外攝像儀(FLIR SC7000)采集砂巖熱像。該相機的有效波長監(jiān)測范圍為3.7～4.8 μm、溫度靈敏度為0.01 ℃。在本實驗中，捕捉的紅外熱像的分辨率為112 像素×110 像素，采樣頻率為450 Hz(2.2 ms/幀)。

1.2.2 SHPB裝置

本實驗采用直徑為50 mm 的分離式霍普金森壓桿(SHPB)系統(tǒng)進行沖擊測試。該系統(tǒng)主要由氣腔、紡錘形沖頭、入射桿、透射桿、吸收桿和緩沖器組成。其中，紡錘形沖頭和所有桿件均由密度為7 810 kg/m3的40Cr 合金鋼制成，彈性模量為240 GPa，縱波波速為5 410 m/s，屈服強度為800 MPa。紡錘形沖頭和所有桿件須嚴格對芯放置，以防止在實驗過程中發(fā)生偏心現(xiàn)象。

1.3 實驗方案

實驗中，砂巖試樣夾持于入射桿與透射桿之間。在砂巖試樣的兩側(cè)均勻涂抹凡士林，以保證入射桿和透射桿端面緊密貼合并減小端面摩擦效應。通過調(diào)整氣腔中氮氣壓力改變沖頭的沖擊速度，以實現(xiàn)不同應變率的加載。

紅外熱像儀放置在砂巖試樣正前方1 m 處位置，以免砂巖碎屑彈射造成紅外熱像儀移動或損壞。為保證巖石試樣與環(huán)境溫度盡可能一致，需提前24 h 將樣品放置在實驗室內(nèi)。同時，在實驗過程中關閉門窗，拉緊窗簾，營造封閉的實驗環(huán)境。

1.4 數(shù)據(jù)處理

1.4.1 平均紅外輻射溫度

平均紅外輻射溫度由紅外相機配套的軟件計算處理，可以得到熱圖中任意一像素點位置Ni的紅外輻射溫度Ti。每張熱像圖選中的區(qū)域平均紅外輻射溫度tAIR可由下式計算：

式中：N為紅外熱像選中區(qū)域的像素點數(shù)量。

1.4.2 能量耗散

在SHPB試驗中，彈性應變能可以根據(jù)對應的應力波由下列公式計算[15]：

式中：WI，WR和WT分別為入射能、反射能和透射能；Ae，Ce和Ee分別為桿的橫截面積、波速和彈性模量；εI，εR和εT分別為入射應變、反射應變和透射應變。

其中，反射能和透射能是沒有被利用的能量，若桿子和試樣界面之間的能量損耗不計，則試樣吸收的能量WA為

1.4.3 動態(tài)應力平衡驗證

動態(tài)應力平衡驗證是保證試驗結(jié)果準確可靠的前提。根據(jù)三波法計算砂巖試樣的動態(tài)應力，通過對比試樣兩側(cè)的動態(tài)應力進行驗證[16]。沖擊載荷下砂巖試樣兩側(cè)的動態(tài)應力見圖2，其中，試樣左側(cè)的應力為入射應力和反射應力的總和，右側(cè)的應力為透射應力。從圖2可以看出：在加載過程中，試樣兩側(cè)的應力大致保持相同，說明動態(tài)應力實現(xiàn)了平衡。

圖2 試樣兩側(cè)的動態(tài)應力歷史Fig.2 Dynamic stress history at both ends of sample

2 實驗結(jié)果分析

砂巖的動態(tài)力學參數(shù)和紅外輻射溫度見表2。下面從3個方面討論和分析沖擊荷載下砂巖的紅外輻射特性。

表2 沖擊載荷下砂巖試樣參數(shù)Table 2 Parameters of specimens in dynamic test

2.1 不同應變率下的紅外熱像特征

紅外熱像可以反映受載巖石的紅外熱輻射強度和演變特征[5]。在不同應變率下，砂巖試樣的紅外熱像圖如圖3所示，選取不同應變率下的砂巖試樣的紅外熱像進行分析。由于受紅外相機采樣頻率限制，每組試驗只獲得4張熱像圖。選取沖擊測試之前砂巖試樣的紅外熱像圖作為初始熱像圖，每張熱像圖上標注的時間表示加載所經(jīng)歷的時間。

當應變率為97.9 s-1時，砂巖試樣DSC7并未發(fā)生破壞，其紅外熱像圖如圖3(a)所示。從圖3(a)可見：試樣的左端面首先出現(xiàn)2 條窄長的高溫條帶，隨著荷載增加，2個條帶繼續(xù)延伸貫穿，并最終連接成為1條高溫帶；試樣表面其他區(qū)域并沒有發(fā)生明顯變化，說明在較低應變率下，巖石并沒有發(fā)生嚴重損傷和破壞。應變率為117.4 s-1時的紅外熱像如圖3(b)所示。從圖3(b)可見：由于入射桿和試樣之間的摩擦效應，試樣的整個左端面溫度顯著升高；在4.4 ms時，試樣表面出現(xiàn)2條高溫帶，并最終在對應的區(qū)域形成斷裂。應變率為139.0 s-1時的紅外熱像圖如圖3(c)所示。從圖3(c)可見：在4.4 ms 時，試樣表面出現(xiàn)幾條水平分布的高溫帶，最終試樣被分割成若干縱向碎片，這可能是泊松效應引起的軸向斷裂；隨著應變率進一步增高，試樣破壞程度更劇烈。從圖3(d)和圖3(e)可以看出大量高溫巖石碎屑向外噴射，這是因為在極高的應變率下試樣發(fā)生粉碎破壞，形成了大量的巖石碎屑顆粒。與較低應變率不同的是，此時，最高溫度區(qū)域出現(xiàn)在試樣的右側(cè)端面，這可能是因為反射的拉應力引起試樣右端部斷裂[17]。

圖3 不同應變率下砂巖試樣的紅外熱像圖Fig.3 Thermograms of sandstone samples at different strain rates

為了進一步對比不同應變率下砂巖破壞時的紅外熱輻射特征，對紅外熱像進行差值處理。選擇加載開始前的第1幀熱像圖作為基準熱圖，破壞時的熱像圖作為目標熱圖，利用紅外相機配套的處理軟件，計算目標熱圖與基準熱圖中相同像素點位置的溫度差，由此得到的差值熱像圖可以反映砂巖破壞時的溫度變化。表3所示為砂巖初始時刻、破壞時刻區(qū)域O的紅外差值熱像和破碎圖片。從表3 可以看出：當應變率為117.4 s-1時，巖石表面裂隙區(qū)域的溫度升高明顯，其他區(qū)域的溫度只是輕微變化，此時，試樣以劈裂破壞為主；當應變率為139.0 s-1時，試樣表面形成大量裂隙，整體溫度升高，試樣破碎塊度較大；隨著應變率繼續(xù)升高，破壞時的紅外輻射更加強烈，砂巖發(fā)生粉碎破壞。

表3 砂巖試樣的紅外差值熱像及破碎圖片Table 3 Infrared differential thermograms and crushing images of sandstone samples

對不同應變率下砂巖的紅外熱像演化以及破壞時的差值熱像進行分析發(fā)現(xiàn)：在沖擊載荷下，砂巖表面紅外輻射溫度呈現(xiàn)升高趨勢；應變率越高，巖石破碎越劇烈，此時，紅外熱輻射更加劇烈；同時，試樣表面上高溫條帶出現(xiàn)的位置與裂隙形成的區(qū)域相對應，說明局部應力集中會引起紅外輻射溫度發(fā)生變化。

2.2 不同應變率下的紅外輻射溫度變化特征

平均紅外輻射溫度(tAIR)是衡量輻射能量強度的一個重要指標[6]。從圖3 可以看出，砂巖試樣與沖擊桿接觸面的溫度升高是摩擦效應引起的，界面摩擦產(chǎn)生的熱量與巖石試樣的破壞或斷裂過程無關。在討論應變率對紅外輻射的影響時，應將這部分紅外溫度排除在外，故選取試樣表面中心區(qū)域O(45像素×65像素)的平均紅外溫度代表試樣表面整體溫度。通過軟件導出區(qū)域O內(nèi)每個像素點的溫度，通過計算得到特定時刻的平均紅外輻射溫度，計算斷裂時刻與初始時刻平均紅外輻射溫度的差值(定義為溫度變化量ΔtAIR)，結(jié)果見表2。應變率與砂巖平均紅外輻射溫度變化量的關系，如圖4所示。從圖4可見：隨著應變率增大，平均紅外輻射溫度增量呈冪函數(shù)增加。其原因是：1)由于應變率效應，試樣的動態(tài)峰值強度隨應變率增加而增加，這使得試樣在破碎前儲存了更多的應變能，在巖石斷裂破壞過程中，更多的能量以熱能的形式耗散，從而紅外輻射溫度變化量增大；2)隨著應變率增大，巖石破碎更加劇烈，試樣表面高溫條帶數(shù)量明顯增多，同時伴隨著大量的高溫巖石碎屑向外彈射，造成平均紅外輻射溫度變化量上升；3)在沖擊荷載下，快速的能量輸入刺激了礦物分子的能級躍遷，也會激發(fā)強烈的紅外輻射能量[18]。

圖4 不同應變率下砂巖試樣的ΔtAIRFig.4 ΔtAIR of sandstone samples at different strain rates

2.3 紅外輻射溫度增量與能量密度的關系

巖石破壞過程中伴隨復雜的能量耗散，而熱能是其耗散方式之一。本實驗中，平均紅外輻射溫度變化量(ΔtAIR)是衡量熱能耗散的重要指標。

圖5 所示為砂巖試樣的能量密度與ΔtAIR的關系。從圖5可以看出：砂巖試樣的平均紅外輻射溫度增量隨著能量密度增加呈指數(shù)函數(shù)關系增加；當試樣的能量密度較低時，溫度增量先緩慢增加，隨著能量密度持續(xù)升高，溫度增量急劇增加。這可能是由于應變率的增加，試樣在破壞前儲存更多的應變能，在試樣破壞時，大量的能量以熱能的形式耗散熱，導致巖石試樣表面紅外溫度大幅度上升。

圖5 砂巖試樣的能量密度x與ΔtAIR 的關系Fig.5 ΔtAIR versus energy density of sandstone samples

3 討論

在沖擊荷載下，不同應變率下砂巖試樣的紅外熱像時空演化規(guī)律基本相似。隨著荷載增大，試樣表面開始出現(xiàn)高溫條帶，然后繼續(xù)擴展延伸，在對應位置出現(xiàn)裂隙。隨著應變率增大，試樣表面的高溫條帶數(shù)量不斷增多，并伴隨更多的高溫巖石碎屑向外彈射，砂巖破碎程度更加嚴重。這說明紅外輻射特征可以定性地反映巖石內(nèi)部的微破裂和應力變化情況。

在沖擊荷載下，熱彈效應和熱摩擦效應是紅外熱輻射強度變化的主要原因。當施加荷載時，砂巖試樣與入射桿接觸面的溫度首先升高，這可能是端面的摩擦效應引起的。隨著荷載增加，部分砂巖試樣右端面的溫度出現(xiàn)劇烈升高現(xiàn)象，這可能是試樣右端的反射拉應力所致。根據(jù)擬合結(jié)果，砂巖試樣破壞時刻與初始時刻的平均紅外輻射溫度增量隨著應變率增加而增加，兩者呈冪函數(shù)關系。當應變率較低時，試樣僅發(fā)生局部破壞，試樣表面產(chǎn)生的裂隙較少，紅外輻射溫度增量也不大；隨著應變率增加，摩擦效應逐漸占主導作用，此時試樣呈粉碎性破壞，并伴隨著大量高溫碎屑向外噴射。由于巖石碎塊尺度小、碎屑多，裂隙粗糙度增大，產(chǎn)生的摩擦熱也就越多。從能量耗散的角度看，由于率依賴性，隨著應變率增高，試樣的能量密度越高，當試樣發(fā)生破壞時，存儲的能量以熱能形式耗散，引起紅外輻射溫度大幅度升高，因此，平均紅外輻射溫度增量隨著能量密度增加而增加。

紅外輻射監(jiān)測作為一種實時的、無損的技術，已經(jīng)成為巖土災害遙感預報和監(jiān)測的有效手段。本文通過開展室內(nèi)試驗，了解動載下巖石變形破壞的紅外輻射演化特征以及溫度變化規(guī)律，旨在解釋實際工程中監(jiān)測的紅外輻射現(xiàn)象，為遙感技術在巖石動力災害預警中的應用提供理論依據(jù)。

4 結(jié)論

1)從紅外熱像演化規(guī)律可以看出，在加載過程中，試樣表面的高溫條帶位置與實際破壞發(fā)生的位置對應關系較好。隨著應變率增加，試樣表面的高溫帶數(shù)量也增加，并伴隨大量的高溫巖屑向外彈射。可以認為，紅外輻射越劇烈，砂巖破壞越嚴重。

2)沖擊荷載下砂巖平均紅外輻射溫度呈現(xiàn)上升趨勢。隨著應變率增加，平均紅外輻射溫度增量不斷增加，并且兩者呈冪函數(shù)關系。

3)砂巖試樣吸收的能量與平均紅外輻射溫度增量(ΔtAIR)呈指數(shù)函數(shù)關系。隨著能量密度升高，ΔtAIR先緩慢增加再急劇增加。

4)在沖擊荷載下，熱彈效應和熱摩擦效應是砂巖紅外輻射溫度變化的主要原因，隨著應變率增加，摩擦熱逐漸占主導作用。