不同加載速率下巖石紅外輻射效應(yīng)的試驗(yàn)研究

周子龍，常銀，蔡鑫

?

不同加載速率下巖石紅外輻射效應(yīng)的試驗(yàn)研究

周子龍，常銀，蔡鑫

(中南大學(xué) 資源與安全工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙，410083)

為研究加載速率對(duì)巖石試樣紅外輻射效應(yīng)的影響，對(duì)花崗巖進(jìn)行不同加載速率下單軸壓縮實(shí)驗(yàn)，監(jiān)測(cè)其紅外輻射的變化。研究結(jié)果表明：隨著加載速率增加，花崗巖試樣抗壓強(qiáng)度逐漸增加，從初始加載直至破壞的時(shí)間明顯減少，初始?jí)好茈A段變長(zhǎng)，彈性階段的斜率逐漸變??；加載速率對(duì)紅外輻射效應(yīng)的影響體現(xiàn)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(xiàn)為熱像圖上的高溫區(qū)域不斷擴(kuò)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(shù)函數(shù)增大，即花崗巖試樣的紅外輻射效應(yīng)越來(lái)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(xué)性質(zhì)的重要因素，尤其在礦山的采礦生產(chǎn)活動(dòng)中，若巷道掘進(jìn)速率過(guò)大，則可能導(dǎo)致圍巖片幫甚至引起巖爆等災(zāi)害，對(duì)礦山的生產(chǎn)安全造成嚴(yán)重威脅。研究表明，巖石的破壞不僅體現(xiàn)在力學(xué)性質(zhì)上，而且體現(xiàn)在受載過(guò)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(xué)特性及紅外輻射特征對(duì)于指導(dǎo)礦山生產(chǎn)很有必要。對(duì)紅外輻射的研究最初是在地震方面，通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)在震前多出現(xiàn)熱紅外異常。為了進(jìn)一步研究地震的熱紅外機(jī)制，自20世紀(jì)90年代以來(lái)，人們開(kāi)展了巖石加載過(guò)程紅外輻射的研究，模擬地震孕育過(guò)程中熱紅外異常。由于在礦山資源開(kāi)采過(guò)程中，采動(dòng)留下的礦柱受到各種應(yīng)力作用，最終會(huì)發(fā)生破壞。導(dǎo)致這種破壞的因素多種多樣，破壞的機(jī)理也不盡相同，在破壞過(guò)程中會(huì)釋放紅外輻射能，因此，可以對(duì)礦柱進(jìn)行紅外輻射監(jiān)測(cè)。這種監(jiān)測(cè)由于是非接觸式監(jiān)測(cè)，可以極大方便監(jiān)測(cè)過(guò)程，逐漸用于對(duì)礦山開(kāi)采變形進(jìn)行監(jiān)測(cè)；此外，利用紅外熱成像技術(shù)可以檢測(cè)金屬和混凝土構(gòu)件內(nèi)部缺陷，并對(duì)其使用壽命進(jìn)行評(píng)估。LUONG[1?4]在混凝土中使用了熱成像技術(shù)，從應(yīng)力耦合的角度出發(fā)，研究了混凝土在破壞過(guò)程中的紅外輻射規(guī)律，提出可以用于對(duì)材料進(jìn)行無(wú)損和非接觸性檢測(cè)，之后又將這項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用于巖土和其他材料的檢測(cè)中。鄧明德等[5]通過(guò)對(duì)干燥和含水巖石標(biāo)本單軸加壓，發(fā)現(xiàn)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(guò)程中，輻射能力隨應(yīng)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(rèn)為紅外熱像儀接收到的紅外輻射能量由溫度產(chǎn)生的輻射能1和由應(yīng)力產(chǎn)生的輻射能2疊加產(chǎn)生，由此可用總能量反演溫度和應(yīng)力，并且在實(shí)驗(yàn)中基本實(shí)現(xiàn)了等溫加載，發(fā)現(xiàn)混凝土的紅外輻射能量隨壓力變化而發(fā)生顯著變化，證明了機(jī)械力能夠直接引起固體物質(zhì)(混凝土、巖石等)的紅外輻射能量發(fā)生變化，不需要經(jīng)歷生熱中間物理過(guò)程。WU等[7?9]通過(guò)對(duì)煤樣在單軸加載及單軸循環(huán)加載進(jìn)行紅外監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)在煤巖和砂巖受壓過(guò)程中，會(huì)出現(xiàn)3類(lèi)紅外熱像特征和3類(lèi)紅外輻射溫度特征，提出0.79c(c為單軸抗壓強(qiáng)度)附近區(qū)域?yàn)楸O(jiān)測(cè)的“應(yīng)力警戒區(qū)”，隨壓應(yīng)力、剪應(yīng)力上升，巖石試塊的紅外輻射強(qiáng)度總體呈上升趨勢(shì)，而拉應(yīng)力對(duì)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(duì)巖石在加載過(guò)程中產(chǎn)生紅外輻射的影響因素(加載速率、加載方式、巖性)及機(jī)理進(jìn)行了分析和討論，研究了巖石變形過(guò)程中紅外輻射的變化，發(fā)現(xiàn)加載巖石紅外輻射變化規(guī)律受2種熱效應(yīng)即熱彈效應(yīng)和摩擦熱效應(yīng)控制，這2種熱效應(yīng)在不同加載階段所起的作用不同，并在此基礎(chǔ)上提出了遙感巖石力學(xué)的概念，對(duì)不同條件下巖石破裂和破壞的紅外圖像異常及溫度?時(shí)間曲線異常分別進(jìn)行了闡釋。董玉芬等[16]通過(guò)分析巖石的破裂演化過(guò)程并對(duì)巖石變形過(guò)程中產(chǎn)生的紅外輻射進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)微破裂伴隨產(chǎn)生紅外輻射，微破裂越強(qiáng)，所產(chǎn)生的紅外輻射就越強(qiáng)，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(kāi)挖，并用紅外熱像儀進(jìn)行監(jiān)測(cè)，得出平均紅外溫度隨時(shí)間的變化特點(diǎn)，運(yùn)用小波去噪和MIF等技術(shù)對(duì)紅外圖像進(jìn)行了優(yōu)化，由此用于分析巷道破壞的微觀過(guò)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(shí)驗(yàn)系統(tǒng)和紅外熱像儀并結(jié)合數(shù)值模擬分析手段，使用RFPA軟件對(duì)模型受力及破裂過(guò)程的熱輻射時(shí)空演化特征進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，分析了水對(duì)巖石紅外輻射規(guī)律的影響，發(fā)現(xiàn)水對(duì)粉砂巖破裂紅外輻射敏感性影響較大，存在1個(gè)臨界轉(zhuǎn)換點(diǎn)(水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.464%)：當(dāng)水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于1.464%時(shí)，水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)越大，紅外輻射對(duì)應(yīng)力的敏感性增強(qiáng)，反之，敏感性相對(duì)減弱；當(dāng)水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于2.563%時(shí)，紅外輻射溫度降幅隨水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大而增大，反之，紅外輻射溫度降幅減小。馬立強(qiáng)等[23]通過(guò)在巖體內(nèi)部鉆孔，利用紅外測(cè)溫儀測(cè)量巖體孔內(nèi)的溫度，得到孔內(nèi)紅外輻射溫度與載荷、應(yīng)力、應(yīng)變的線性關(guān)系，并提出用參照試樣對(duì)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(biāo)對(duì)紅外輻射進(jìn)行分析，并對(duì)4個(gè)指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)[26]。宋義敏等[27]以紅外熱像儀結(jié)合數(shù)字散斑相關(guān)方法作為觀測(cè)手段，對(duì)煤試件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，觀測(cè)和分析煤試件的變形演化、溫度演化及其二者的對(duì)應(yīng)變化關(guān)系。唐陽(yáng)等[28]利用紅外熱像儀結(jié)合PFC2D數(shù)值模擬軟件，研究了單軸壓縮加載條件下試塊的溫度場(chǎng)與細(xì)觀損傷情況，發(fā)現(xiàn)可利用離散單元法模擬熱學(xué)溫度場(chǎng)環(huán)境下混凝土的破壞過(guò)程。楊陽(yáng)等[29]基于分形維數(shù)、方差對(duì)飽水粉砂巖在加載破壞過(guò)程中紅外輻射溫度場(chǎng)進(jìn)行了探討，指出分形維數(shù)相較于方差更有其優(yōu)越性，更能表現(xiàn)出巖石的紅外前兆。目前，人們就加載速率對(duì)紅外輻射效應(yīng)的研究較少。為此，本文作者利用紅外熱像儀作為監(jiān)測(cè)設(shè)備，開(kāi)展不同加載速率下花崗巖試件的單軸壓縮實(shí)驗(yàn)，以便揭示加載速率對(duì)花崗巖試樣力學(xué)和紅外輻射效應(yīng)的影響，對(duì)巖石的破壞過(guò)程進(jìn)行更加全面了解。為便于分析巖石試樣表面在加載過(guò)程中紅外輻射溫度的演化，減少因環(huán)境及人為因素對(duì)紅外溫度的影響，對(duì)加載過(guò)程中獲得的熱像圖進(jìn)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(duì)差值后圖像的輻射溫度場(chǎng)變化進(jìn)行分析[30]。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

實(shí)驗(yàn)加載設(shè)備采用中南大學(xué)高等研究中心INSTRON 1346萬(wàn)能材料實(shí)驗(yàn)機(jī)，最大載荷量程為 2 MN，載荷測(cè)量精度在±0.5%以內(nèi)；紅外輻射探測(cè)裝置采用美國(guó)FLIR SYSTEMS公司的SC7300M型非制冷紅外熱像儀，探測(cè)器類(lèi)型為焦平面陣列MCT探測(cè)器，熱像儀像素分辨率為320像素×256像素，波長(zhǎng)范圍為3.7~4.8 μm，溫度靈敏度為0.01 ℃，圖像采樣頻率設(shè)定在10~100 Hz之間。

1.2 實(shí)驗(yàn)方案

實(shí)驗(yàn)使用的試樣為花崗巖，加工成標(biāo)準(zhǔn)的長(zhǎng)×寬×高為50 mm×50 mm×100 mm的長(zhǎng)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(shí)驗(yàn)規(guī)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(shí)驗(yàn)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(duì)試樣進(jìn)行加載?？紤]到巖石材料的各向異性和不均質(zhì)性，在單個(gè)加載速率下加載3個(gè)試樣，取實(shí)驗(yàn)結(jié)果平均值。實(shí)驗(yàn)開(kāi)始時(shí)，將紅外熱像儀、靜載實(shí)驗(yàn)機(jī)同時(shí)開(kāi)啟，保證各系統(tǒng)的數(shù)據(jù)記錄在時(shí)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(gè)方向放置隔離板，只留下1個(gè)方向開(kāi)口用于監(jiān)測(cè)，以便最大程度地減小周?chē)h(huán)境對(duì)巖石輻射的影響，同時(shí)防止巖石破壞后飛濺出來(lái)的碎片損壞儀器及其他設(shè)備。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，關(guān)閉室內(nèi)門(mén)窗，拉上窗簾，禁止人員走動(dòng)，盡可能減少實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)的空氣流動(dòng)。試件放置后，對(duì)其溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，待試件表面溫度均勻時(shí)，開(kāi)始進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 不同加載速率下花崗巖的力學(xué)性質(zhì)

表1所示為不同加載率下花崗巖試樣的力學(xué)參數(shù)及實(shí)驗(yàn)結(jié)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(qiáng)度隨著加載速率增大而增大；當(dāng)加載速率從0.1 mm/min提高到 0.4 mm/min時(shí)，抗壓強(qiáng)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(shí)間隨著加載速率增大逐漸減小，低加載速率下加載時(shí)間變化較大，在較高加載速率下，加載時(shí)間的變化逐漸減?。辉诓煌虞d速率下測(cè)得的峰值強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的峰值應(yīng)變隨著加載速率增加有波動(dòng)，離散性較大，但總體來(lái)說(shuō)，峰值應(yīng)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(yīng)力?應(yīng)變關(guān)系如圖1所示。從圖1可見(jiàn)：當(dāng)加載速率為0.1 mm/min時(shí)，應(yīng)力?應(yīng)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(shí)的壓密階段較短；在加載速率為0.4 mm/min時(shí)，應(yīng)力?應(yīng)變曲線彈性階段的斜率明顯較小，壓密階段較長(zhǎng)；在加載速率為0.2 mm/min和0.3 mm/min時(shí)，應(yīng)力應(yīng)變曲線變化很小，基本無(wú)差異。

表1 不同加載速率下試樣參數(shù)

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(shí)時(shí)觀測(cè)巖石試樣在加載過(guò)程中表面熱場(chǎng)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(yīng)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(shí)存在端部效應(yīng)，壓頭和底座與試樣接觸面之間產(chǎn)生摩擦而產(chǎn)生熱量。從圖2可以看出：壓縮過(guò)程中試樣表面的紅外輻射溫度場(chǎng)呈現(xiàn)非均勻變化，但整體趨勢(shì)是升高。將各加載速率下的熱像溫度設(shè)定在相同的區(qū)間內(nèi)，可以看到試件幾乎都是從兩端開(kāi)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(qū)間均設(shè)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(qū)域不斷擴(kuò)大，說(shuō)明隨著加載速率提高，試樣表面整體紅外溫度越來(lái)越高。加載速率對(duì)試樣表面的紅外輻射影響較大，其中，當(dāng)加載速率為0.4 mm/min時(shí)，黑色區(qū)域充滿了熱像，這說(shuō)明峰值強(qiáng)度時(shí)刻幾乎試樣整個(gè)表面升溫都在0.4 ℃及以上。加載速率為0.1 mm/min時(shí)的加載熱像如圖2(a)所示，可見(jiàn)在峰值強(qiáng)度時(shí)，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(shí)的加載熱像如圖2(d)所示，可見(jiàn)在峰值強(qiáng)度時(shí)，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(shuō)明加載速率越大，試樣最高溫度越來(lái)越高，最低溫度也越來(lái)越低，即試樣表面溫度相差越大。同時(shí)，當(dāng)加載速率逐漸增大時(shí)，實(shí)際受壓試樣在破壞時(shí)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(shí)際試樣表面破壞時(shí)的劇烈程度相互對(duì)應(yīng)?？梢哉J(rèn)為，試樣在峰值時(shí)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(duì)花崗巖試樣進(jìn)行不同加載速率下的常規(guī)壓縮實(shí)驗(yàn)，以時(shí)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(shí)間的關(guān)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(dāng)加載速率從0.1 mm/min提高到 0.4 mm/min時(shí)，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(shí)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(shí)間來(lái)說(shuō)(見(jiàn)表1)，當(dāng)加載速率從0.1 mm/min增大到 0.2 mm/min時(shí)，加載時(shí)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(méi)有明顯增大；而當(dāng)加載速率從0.2 mm/min提高到0.3 mm/min時(shí)，加載時(shí)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(dāng)加載速率從0.3 mm/min提高到0.4 mm/min后，加載時(shí)間基本上沒(méi)有變化，而?AIR大幅度升高(此處根據(jù)多個(gè)試樣的平均值獲得)。這說(shuō)明花崗巖的紅外輻射效應(yīng)在加載速率較低時(shí)不太明顯，而在較高的加載速率下，紅外輻射效應(yīng)受加載速率非常大。圖4所示為?AIR曲線斜率與加載率關(guān)系曲線，進(jìn)一步證實(shí)了上述規(guī)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(yīng)力隨時(shí)間的變化曲線見(jiàn)圖5。從圖5可見(jiàn)：在加載速率較低時(shí)，?AIR曲線波動(dòng)較大，近似呈臺(tái)階狀上升(圖5(a))，應(yīng)力?時(shí)間曲線在峰值附近有明顯的應(yīng)力調(diào)整，?AIR曲線的總體趨勢(shì)和應(yīng)力?時(shí)間曲線總體趨勢(shì)一致性較差；而當(dāng)加載速率逐漸增大時(shí)，應(yīng)力?時(shí)間曲線峰值附近無(wú)明顯調(diào)整，說(shuō)明試樣隨著加載速率增大，脆性增強(qiáng)，且?AIR曲線逐漸平滑(見(jiàn)圖5(b))，曲線逐漸向應(yīng)力?時(shí)間曲線趨勢(shì)調(diào)整，其與應(yīng)力?時(shí)間曲線的一致性逐漸增強(qiáng)。

圖4 平均紅外輻射溫度變化量曲線斜率與加載速率的關(guān)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(xué)溫度越高，其所有波段上的總體輻射強(qiáng)度越強(qiáng)[31]。在較低加載速率下，花崗巖試樣在壓縮過(guò)程中其內(nèi)部的微破裂發(fā)育及擴(kuò)張較充分，因而輻射強(qiáng)度較高，微破裂出現(xiàn)所導(dǎo)致的摩擦熱效應(yīng)是巖石表面的?AIR曲線波動(dòng)性較大的主要原因，張性微破裂使熱力學(xué)溫度下降，而剪性微破裂使熱力學(xué)溫度上升[31]，導(dǎo)致傳遞到表面的熱力學(xué)溫度相差較大，表現(xiàn)在紅外溫度也相差較大；而在高加載速率下，試樣內(nèi)部的微破裂不夠發(fā)育，來(lái)不及充分產(chǎn)生和擴(kuò)張，受張性破裂和剪性破裂的影響較小，導(dǎo)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(yīng)力?時(shí)間曲線的一致性越來(lái)越好，即紅外溫度和應(yīng)力的相關(guān)程度越來(lái)越好。由于各種因素導(dǎo)致的紅外溫度體現(xiàn)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(duì)應(yīng)，這與實(shí)際觀察到的巖石表面破壞結(jié)果相吻合。

鄧明德等[6]認(rèn)為在等溫加載條件下，應(yīng)力可以直接引起物體紅外輻射能量的變化，而不需要經(jīng)歷生熱物理過(guò)程，即應(yīng)力可以單獨(dú)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(chǎn)生的輻射能1和由應(yīng)力產(chǎn)生的輻射能2疊加產(chǎn)生，這就可以很好地解釋實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。在低加載速率下，花崗巖試樣的應(yīng)力增速較慢，而試樣內(nèi)部的摩擦生熱使得熱力學(xué)溫度發(fā)生變化，在這種條件下，應(yīng)力對(duì)輻射能量的影響較小，所以，?AIR曲線和應(yīng)力變化曲線的一致性較差；隨著加載速率增大，應(yīng)力增速較快，試樣內(nèi)部的摩擦生熱成分較少，應(yīng)力對(duì)紅外輻射的影響程度逐漸變大，?AIR曲線和應(yīng)力變化曲線的一致性越來(lái)越好。這也可以從圖5得到證實(shí)。隨著應(yīng)力增大，低加載速率下的巖石試樣溫度變化基本無(wú)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(shuō)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(yīng)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(jié)論

1) 花崗巖試樣的抗壓強(qiáng)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(qiáng)度約增大12.5%；加載時(shí)間隨加載速率增大逐漸減少，兩者都呈指數(shù)函數(shù)變化。

2) 加載速率在紅外熱像上的影響主要體現(xiàn)在高溫區(qū)域逐漸擴(kuò)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(shí)波動(dòng)性較大，與應(yīng)力?時(shí)間曲線的一致性較差，這主要與巖石內(nèi)部的破裂類(lèi)型有關(guān)；而當(dāng)加載速率較高時(shí)，應(yīng)力?時(shí)間曲線較平滑。?AIR曲線與應(yīng)力?時(shí)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(shù)函數(shù)增大，即加載速率越高，紅外輻射效應(yīng)越明顯。

4) 試樣在受壓過(guò)程中表面溫度分布和實(shí)際破壞位置無(wú)明顯對(duì)應(yīng)關(guān)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(shí)試樣破壞越劇烈，碎屑的飛濺速度更快，可以認(rèn)為，平均紅外輻射溫度變化量越大，試樣破壞越嚴(yán)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(guó)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(qián)家棟, 尹京苑, 等. 紅外遙感用于大型混凝土工程穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)和失穩(wěn)預(yù)測(cè)研究[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào), 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(shí)驗(yàn)[J]. 中國(guó)科學(xué):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(jī)理分析[J]. 礦山測(cè)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(lái)貴, 劉向峰, 等. 巖石變形過(guò)程中紅外輻射的實(shí)驗(yàn)研究[J]. 巖土力學(xué), 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(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)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(duì)花崗巖巷道巖爆紅外輻射特征的影響[J]. 遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào), 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(duì)粉砂巖受力破裂紅外輻射溫度敏感性實(shí)驗(yàn)[J]. 遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào), 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(qiáng), 李奇奇, 曹新奇, 等. 煤巖受壓過(guò)程中內(nèi)部紅外輻射溫度變化特征研究[J]. 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 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(qiáng), 王爍康, 張東升, 等. 煤?jiǎn)屋S壓縮加載試驗(yàn)中的紅外輻射噪聲特征與去噪方法[J]. 采礦與安全工程學(xué)報(bào), 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(guò)程中的溫度演化特征實(shí)驗(yàn)研究[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào), 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(yáng), 宿輝, 馬秋娟, 等. 混凝土破裂過(guò)程中的紅外輻射特征與數(shù)值模擬研究[J]. 水電能源科學(xué), 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(yáng), 梅力, 梁?jiǎn)⒊? 等. 單軸壓縮條件下飽水粉砂巖紅外溫度場(chǎng)的分形特征研究[J]. 中國(guó)礦業(yè), 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(guò)程中紅外輻射溫度場(chǎng)演化的定量分析方法[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào), 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(yīng)[M]. 北京: 冶金工業(yè)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(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃(973計(jì)劃)項(xiàng)目(2015CB060200)；國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)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(dǎo)師，從事采礦與巖石力學(xué)研究；E-mail：zlzhou@csu.edu.cn

(編輯 陳燦華)