單軸壓縮條件下水泥砂漿塊聲發(fā)射實(shí)驗(yàn)研究

黃玉恩，王宏宇，陳 志

(1.廣西桂華成有限責(zé)任公司， 廣西 賀州市 542611；2.湖南省國土資源規(guī)劃院，湖南 長沙 410007；3.湖南省地質(zhì)科學(xué)研究院， 湖南 長沙 410007)

單軸壓縮條件下水泥砂漿塊聲發(fā)射實(shí)驗(yàn)研究

黃玉恩1，王宏宇2,3，陳 志2,3

(1.廣西桂華成有限責(zé)任公司， 廣西 賀州市 542611；2.湖南省國土資源規(guī)劃院，湖南 長沙 410007；3.湖南省地質(zhì)科學(xué)研究院， 湖南 長沙 410007)

利用RMT-150巖石力學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng)和AEwin-USB型聲發(fā)射系統(tǒng)做了水泥砂漿塊在單軸壓縮條件下聲發(fā)射特征實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果表明：聲發(fā)射信號與水泥砂漿塊內(nèi)部損傷破壞情況有密切關(guān)系。對應(yīng)全應(yīng)力-應(yīng)變曲線中4個(gè)階段聲發(fā)射特征各不相同，伴隨著試樣初始壓密、彈性變形、屈服破壞和峰后破壞4個(gè)階段，聲發(fā)射活動(dòng)少量發(fā)生、平穩(wěn)增長、急劇增加、趨于穩(wěn)定，因此可用聲發(fā)射活動(dòng)來表征巖石的微觀損傷演化及預(yù)測其宏觀破裂失穩(wěn)過程。

巖石力學(xué)；聲發(fā)射；單軸壓縮；水泥砂漿塊

0 引 言

巖石在受到外部載荷作用時(shí)其內(nèi)部局域源快速釋放能量產(chǎn)生瞬態(tài)彈性波的現(xiàn)象稱為聲發(fā)射(AE)[1-2]，聲發(fā)射是一種常見的物理現(xiàn)象。美國工程師Obert Duvall在上世紀(jì)30年代末即發(fā)現(xiàn)了巖石受壓存在聲發(fā)射活動(dòng)。巖石破碎過程中聲發(fā)射信號具有易于傳播和接收等優(yōu)點(diǎn)，因此可利用其對各種巖土工程中巖體進(jìn)行長期監(jiān)測和動(dòng)態(tài)測試。隨著聲發(fā)射設(shè)備的不斷改進(jìn)和發(fā)展，聲發(fā)射技術(shù)已廣泛應(yīng)用于礦山地壓研究中[3-4]。目前，對于巖石聲發(fā)射特征的研究，國內(nèi)外學(xué)者已獲得了大量成果[5-10]，但巖石(體)受地質(zhì)環(huán)境的影響，其力學(xué)特性各有差異，為了避免試件的不均勻性對實(shí)驗(yàn)過程中聲發(fā)射活動(dòng)監(jiān)測的影響，本實(shí)驗(yàn)采用自制水泥砂漿塊來代替現(xiàn)場采集的巖石。

本文利用RMT-150巖石力學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng)和美國物理聲學(xué)公司的AEwin-USB型聲發(fā)射動(dòng)態(tài)測試系統(tǒng)，對自制的水泥砂漿塊做了單軸壓縮實(shí)驗(yàn)，研究了試樣在加載過程中的聲發(fā)射活動(dòng)規(guī)律。

1 試件的制作

水泥選用425#硅酸鹽水泥，砂子選用粒徑為0.35～0.5 mm的河砂(中砂)。配合比為水泥∶砂∶水=1∶3∶0.5，模具尺寸為250 mm×250 mm×120 mm。制作時(shí)先將水泥、砂子和水倒入攪拌機(jī)充分?jǐn)嚢韬笞⑷朐嚹?，并用搗棒按螺旋方向從邊緣向中心均勻進(jìn)行插搗，插搗后用橡皮錘輕輕敲擊試塊四周，直至搗棒留下的空洞消失為止。將制作好的試塊放在20±5℃環(huán)境中養(yǎng)護(hù)一晝夜，對試件進(jìn)行拆模。拆模后保持試件表面濕潤的狀態(tài)下繼續(xù)養(yǎng)護(hù)28 d。試塊養(yǎng)護(hù)完成后進(jìn)行室內(nèi)鉆芯、切割、打磨等加工成單軸壓縮加載條件標(biāo)準(zhǔn)試件，試件高100 mm，直徑50 mm。端面和圓周面進(jìn)行仔細(xì)研磨，達(dá)到端面平整度小于0.02 mm；圓周面與端面垂直度小于0.001弧度，周面光滑，且同軸度小于0.3 mm。

2 聲發(fā)射實(shí)驗(yàn)方法

本實(shí)驗(yàn)中，巖石均發(fā)生一次性破壞，實(shí)驗(yàn)裝置原理如圖1所示。實(shí)驗(yàn)時(shí)將巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)調(diào)試好后，將聲發(fā)射探頭固定在試件上，為保證探頭與試件有良好接觸，使其有效地接收試件內(nèi)部裂紋產(chǎn)生以及擴(kuò)展時(shí)發(fā)出的聲發(fā)射信號，在發(fā)射探頭均勻涂抹一層耦合劑(甘油)，涂抹好耦合劑后將聲發(fā)射探頭用膠帶固定在試件側(cè)面，為了減少端面影響，本實(shí)驗(yàn)將探頭布置在試樣側(cè)面中部位置，如圖2所示。在實(shí)驗(yàn)開始前采用斷鉛方法來測試探頭與試件耦合質(zhì)量，確保探頭與試件耦合質(zhì)量符合實(shí)驗(yàn)要求后即可開始實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)采用軸向位移加載方式加載，加載速度保持在0.005 mm/s，設(shè)置聲發(fā)射采樣率為5 MHz，門檻值為40 dB。實(shí)驗(yàn)時(shí)保持加載系統(tǒng)和聲發(fā)射檢測系統(tǒng)同步進(jìn)行。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

試件單軸壓縮結(jié)果見表1，實(shí)驗(yàn)得到試件破壞結(jié)果如圖3所示，應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖4所示，在實(shí)驗(yàn)中三塊試件受單向壓縮變形、破壞的特點(diǎn)基本相似，都是經(jīng)歷初始壓密、彈性變形、屈服破壞以及峰后破壞四個(gè)階段，本文只選取具有代表性的2號試樣進(jìn)行分析。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置原理

圖2 單軸壓縮聲發(fā)射裝置

(1) 初始壓密階段(OA段)。在該階段內(nèi)隨著軸向應(yīng)力的增加，軸向應(yīng)變也逐漸增加，曲線微微向上彎曲。

(2) 彈性變形階段(AB段)。該階段內(nèi)軸向應(yīng)變繼續(xù)增大，試件內(nèi)微裂縫被壓密后應(yīng)力-應(yīng)變曲線近似于直線。

(3) 屈服破壞階段(BC段)。在該階段試樣軸向應(yīng)變及軸向應(yīng)力整體趨勢均為繼續(xù)上升，試樣內(nèi)部出現(xiàn)新的裂紋并開始擴(kuò)展直至C點(diǎn)試樣整體破壞，值得注意的是試樣的應(yīng)力在該階段都出現(xiàn)了不同程度的跳躍變化，具體表現(xiàn)為應(yīng)力-應(yīng)變曲線上出現(xiàn)“鋸齒”，這是由于試樣內(nèi)部裂紋在擴(kuò)展過程中遇到AB段未被壓密的較大孔隙并與之貫通造成裂紋擴(kuò)展速度的突增，試樣內(nèi)裂紋猛的貫通，導(dǎo)致軸向載荷突然下降。

(4) 峰后破壞階段(CD和DE段)。在軸向壓力達(dá)到巖石的抗壓強(qiáng)度過后，其內(nèi)部發(fā)生結(jié)構(gòu)性失穩(wěn)、破壞，但試件保持整體狀態(tài)。在本階段，試件內(nèi)部裂紋擴(kuò)展交叉相互貫通成宏觀斷裂面，此后試件的變形主要表現(xiàn)為碎塊沿宏觀斷裂面的錯(cuò)動(dòng)滑移，試件承載力隨變形的增大而迅速下降，但并沒有完全降到0，說明破裂后的試件仍具有一定承載能力。在破壞后期應(yīng)力-應(yīng)變曲線出現(xiàn)了比BC段更劇烈的應(yīng)力突變“鋸齒”形情況，這說明破壞后巖石的碎塊所具有的承載能力很不穩(wěn)定。

表1 試塊力學(xué)參數(shù)

圖3 試件破壞形態(tài)

圖4 試件應(yīng)力-應(yīng)變曲線

測試試件聲發(fā)射特性的參數(shù)有很多，在本實(shí)驗(yàn)中選取聲發(fā)射能量、聲發(fā)射累積能量2個(gè)參數(shù)。其中聲發(fā)射能量用來檢測某個(gè)時(shí)間點(diǎn)巖石試樣中聲發(fā)射的能量，聲發(fā)射累積能量則反映在巖石受壓破壞整個(gè)過成中的聲發(fā)射特點(diǎn)。需要說明的是聲發(fā)射能量有多種不同的定義，此處聲發(fā)射能量是聲發(fā)射系統(tǒng)處理后的只有數(shù)學(xué)意義上的相對能量，并不是聲發(fā)射事件的絕對能量，如無特別說明，本文以下所有圖形的聲發(fā)射能量均為相對能量。試件聲發(fā)射活動(dòng)如圖5所示。

圖5 試件破碎過程中聲發(fā)射特點(diǎn)

由圖5可以看出，在初始加載階段試件內(nèi)河砂顆粒被擠壓而產(chǎn)生摩擦滑動(dòng)，所以發(fā)生部分能量較大的聲發(fā)射事件。隨著所加載荷的增加，試件內(nèi)裂縫完全閉合后進(jìn)入彈性變形階段，在該階段，聲發(fā)射能量有所增強(qiáng)，聲發(fā)射累積能量平穩(wěn)增加。從彈性變形后期開始聲發(fā)射活動(dòng)顯著增加，聲發(fā)射活動(dòng)的能量劇增，對應(yīng)應(yīng)力-應(yīng)變曲線中BC段應(yīng)力跳躍型變化，試樣內(nèi)聲發(fā)射活動(dòng)也不穩(wěn)定，表現(xiàn)為聲發(fā)射能量柱狀圖中斷續(xù)出現(xiàn)一些峰值點(diǎn)。在載荷到達(dá)試件的單軸抗壓強(qiáng)度值時(shí)，聲發(fā)射能量都到達(dá)最大值，在該階段聲發(fā)射累積能量及技術(shù)曲線的曲率明顯增大，這是由于在該階段試樣內(nèi)新產(chǎn)生的大裂縫快速擴(kuò)展、貫通整個(gè)試樣形成宏觀斷裂面，導(dǎo)致試樣的整體破壞。在到達(dá)峰值應(yīng)力后，由于破壞的試樣還具有一定承載能力以及試樣的破壞體之間的摩擦，所以還有小部分聲發(fā)射事件發(fā)生，聲發(fā)射能量仍有較大峰值出現(xiàn)，但是累積能量增長變得緩慢。最后到殘余應(yīng)力階段，聲發(fā)射水平又變得很弱，累積聲發(fā)射能量不再增長。

4 結(jié) 論

(1) 水泥砂漿試塊在受單軸壓縮破壞過程的應(yīng)力-應(yīng)變曲線可分為4個(gè)階段：初始壓密階段；彈性變形階段；屈服破壞階段；峰后破壞階段。這與其他巖石試樣應(yīng)力-應(yīng)變曲線大致相同，說明水泥砂漿塊可以代替巖石做巖石破壞實(shí)驗(yàn)。

(2) 在單軸壓縮條件下試樣聲發(fā)射情況在各個(gè)階段有各自特點(diǎn)，在初始壓密階段，聲發(fā)射活動(dòng)不明顯，在彈性變形階段聲發(fā)射活動(dòng)平穩(wěn)增加，在屈服破壞階段聲發(fā)射活動(dòng)急劇增加且極不穩(wěn)定，在峰后破壞階段試樣聲發(fā)射活動(dòng)趨于平緩，最后消失。

(3) 由于巖石在受載荷作用破壞過程中聲發(fā)射活動(dòng)各有特點(diǎn)，所以可以將其運(yùn)用到煤巖體內(nèi)瓦斯活動(dòng)的預(yù)測預(yù)報(bào)，為沖擊礦壓以及其他一些工程巖體宏觀失穩(wěn)的預(yù)測預(yù)報(bào)提供一定依據(jù)，具有重要的工程應(yīng)用價(jià)值。

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2014-06-11)

黃玉恩(1984-)，男，廣西賀州人，助理工程師，學(xué)士，主要從事巖石力學(xué)及礦山開采技術(shù)方面的工作，Email:372536852@qq.com。