基于磁場理論的礦巖加載損傷破壞表征研究*

王明旭，許夢國，趙文斌，張玉山

(1. 武漢科技大學 資源與環境工程學院，湖北 武漢 430081；2. 武漢科技大學 冶金礦產資源高效利用與造塊湖北省重點實驗室，湖北 武漢 430081)

0　引言

無論對于配比試樣，還是鉆孔切割打磨的礦巖，尤其是內部節理較發育的礦巖，在單軸或三軸加載過程中，其內部的損傷破壞，特別是臨空面的損傷破壞監測情況都很難通過相關的儀器設備進行監測。目前對加載破壞的試件進行內部損傷破壞的儀器主要有聲發射儀[1]、CT掃描儀、電鏡掃描儀(截面)、X射線透射儀。聲發射儀對試驗過程中的周環境要求較高，試樣或試件主要是內部損傷破壞時產生的彈性波被貼置表壁的探頭接收。對于承載能力強的巖石試件，聲發射現象明顯，而對于配比試樣，如果強度較低，在加載過程中的聲發射現象并不明顯。而CT掃描儀、電鏡掃描儀、X射線透射儀等監測成本較高。如何更方便、成本更低地監測大量低強度配比試樣的損傷破壞情況，是一個值得深入研究的課題。本文是在研究考慮時間效應的充填體與圍巖相互力學作用機理的室內模擬配比試驗中探索出的一種通過加入磁粉配比成型后充磁的磁感應強度測量方法來研究接觸面或接觸帶附近的損傷破壞情況。

目前利用磁場理論測量配比試樣或巖石磁感應強度的研究方式主要有2種。一種是自然界有一些巖石本身所具有的微磁性或受壓產生的電磁輻射。在外加應力作用下發生的磁感應強度變化[2]，如應力對磁組構[3]，應力對磁性特征[4]，應力對磁場空間分布[5]以及巖石破裂產生的磁信號和電信號的變化[6-8]。同時節理[9]、溫度[10-12]等也會對電磁輻射產生影響，所以可以利用巖石的這種特性進行加載過程中弱磁感應強度的測量。另一種是外加磁場源，主要是在配比試樣或巖石試件中埋置高強磁鐵增加磁輻射以進行加載試驗。對于第一種方式，依靠巖石本身具有的在加載過程中的磁感應強度變化進行測量，對測試儀器的精度和可操作性的要求較高，不具有開展相關研究工作的普適性。第二種方式在配比試樣中埋置磁鐵，如張功義等[13]將φ20 mm×12 mm預埋至100 mm×100 mm×100 mm的水泥和鐵礦粉的配比試樣中，于瑩[2]在花崗巖中埋置尺寸為φ8 mm×12 mm的釹鐵硼磁芯，直接研究礦巖在加載過程中的磁感應強度變化。考慮到研究的方便性，在這種方式的基礎上創新性地提出在配比試樣中加入磁粉進行加載試驗。

本文在配比試樣中使用了更小的φ5 mm×2 mm的釹鐵硼磁鐵進行相關的研究。以單個釹鐵硼磁鐵為例，輻射范圍在40 mm以內具備磁感應強度的可測性(見圖1)，超過這個距離磁場強度值很微小，幾乎難以測量。

圖1　不同距離的磁感應強度值Fig.1　Magnetic induction values at different distances

通過對直徑為5 mm，高度為2 mm的小型釹鐵硼強磁體進行不同距離的特斯拉計測量。從小磁鐵側邊開始，隨著距離的增大，小磁鐵磁感應強度折減迅速。抵近小磁鐵側邊測量時其磁感應強度值為29 mT(1 mT=10高斯)，到距離10 mm處時已經衰減至2.4 mT。而在磁鐵側邊和上下表面測量的磁感應強度差別較大，在磁鐵上下表面測量值達236 mT。當2個磁鐵上下疊加時，抵近2個磁鐵的底部測量其值為31 mT，距離10 mm時是3 mT，到20 mm時磁感應強度衰減為0。當3個磁鐵疊加時，抵近底部的磁感應強度為26 mT，距離10 mm時為4 mT，而抵近3個疊加磁鐵的中間磁鐵時其磁感應強度為48 mT。

這種方式，通過增加釹鐵硼磁鐵的大小和個數，能夠顯著提高所研究的配比試樣或巖石試件的磁感應強度。可對試驗所研究的一般尺寸來說(100 mm×100 mm×100 mm范圍內)，脆性磁鐵的加入影響了試樣的受力力學特性。為此本文提出了直接將釹鐵硼磁粉與配比試樣進行混合，充磁處理之后進行相關配比試樣的加載試驗。對于磁粉，其多見于作為磁力模型試驗的模型材料[14]。

1　試樣的制作及加載

1.1　試驗方案的選擇

如果直接用高強磁鐵為礦粉充磁，效果不理想。將高強磁鐵放在鐵礦粉中3 d后，用特斯拉計測量的磁化礦粉接觸處的磁感應強度從0.1～0.3 mT不等，部分區域甚至完全沒有磁感應強度。為此單純的以礦粉的充磁特性進行研究，試驗效果不太理想。為了驗證磁粉的充磁效果，需要用高強磁鐵為配比試樣中的磁粉充磁，然后測量磁粉分布于配比試樣中所產生的磁感應強度值。

通過拜斯特1 000倍電子顯微成像設備觀察，對未加磁粉和加了磁粉的試樣進行微觀對比，發現未加磁粉的試樣微觀呈灰黑色，礦粉顆粒粒徑較大，而加入了磁粉后，磁粉填充了大部分礦粉顆粒孔隙，接觸較緊密，顏色呈棕灰色(見圖2)。

圖2　配比試樣的微觀成像 Fig.2　Microscopic image of the ratio sample

1.2　試樣的制作

以水泥：礦粉配比為1∶6模擬礦石。為了驗證磁粉加入監測的效果，在原有的礦巖配比中加入少量礦粉，經過力學測試和磁感應強度測量，最后確定水泥∶礦粉∶磁粉按照1∶6∶0.139的比例進行配比制樣(見圖3)，其7 d的單軸抗壓強度平均值為1.085 MPa。對于加入磁粉的試樣配比，如果磁粉加入量過多，導致試樣本身的磁感應強度大，形成磁感應強度疊加覆蓋，就會影響到監測效果。通過對釹鐵硼磁粉加入的配比試樣測試試驗，選擇了能在試樣表壁產生磁感應強度最小值為0～0.2 mT的點1～3個為宜。對于圓柱體試樣(D=50 mm，H=100 mm)，磁粉的加入量以1%～5%為宜。

圖3　試樣的制作、布點及加載Fig.3　Sample preparation, placement and loading

2　試樣磁感應強度的測量

加載設備采用WAW-300微機電液伺服萬能試驗機進行軸向加載。加載速度先是進行位移控制，位移加載速度為0.01 mm/s，待荷載達到0.5 kN后，調整為試驗力控制，加載速率為0.001 kN/s。相較未加入磁粉的1∶6的水泥礦粉試樣，加入磁粉后的試樣顏色由深黑色變為黑褐色。為了比較試樣在加載過程中的磁感應強度的變化情況，將圓柱試件臨空面布置40個監測點。比對特斯拉計的探頭大小，通過修正液在相應點處做大小相仿的類圓形白點記號。

對于豎直面，距離上下兩端臨空面10 mm開始布點，每隔20 mm垂直布點。對于水平面，將圓柱體臨空面分為8等分進行布置。分別選擇在未加載時、加載至1.5 kN保持、加載破壞后進行不同布點的測量。儀器選用WT10A型特斯拉計(量程選擇200 mT，分辨力為0.1 mT)進行測量。為了便于比較試樣不同加載時的磁感應強度的變化情況，按照同一要求，將磁感應強度值用圓圈表示，圓圈直徑表示測得的磁感應強度的大小值。

為了更好全面展示試件臨空面監測到的磁感應強度值，將圓柱試件表壁展開，成為長方形。

2.1　磁感應強度理論

磁感應強度即磁通強度，是指通過與該點磁力線垂直的小面積內的磁通量大小，單位為特斯拉T。它由磁化強度和磁場強度組成，即：

B=M+4πH

(1)

式中：B為磁感應強度；M為磁化強度；H為磁場強度。

2.2　試件表壁磁感應強度分布

圖4是T-1試樣分別在加載前、加載至0.764 MPa(加載試驗力1.5 kN)、加載破壞后的40個監測點處的磁感應強度值。加載前的磁感應強度值用實劃線表示，加載至0.764 MPa時用虛線段表示，加載破壞后的磁感應強度值用間隔圓點表示。

圖4　不同加載情況下的磁感應強度值Fig.4　The magnetic induction intensity under different loading conditions

圖5至圖6是T-2試樣在加載前和加載破壞后的磁感應強度值。加載前，2-3監測點的磁感應強度值為0，1-3，3-3，2-4，5-4，2-6，3-7的值都比較小。加載破壞后，1-4，1-5，1-7，1-8，2-7監測點損傷破壞脫落。而1-3，2-3，2-4，2-5，3-3監測點的磁感應強度已經變為0，5-5，3-7監測點的值僅為0.1 mT。

圖5　未加載時各監測點磁感應強度Fig.5　The magnetic induction intensity of each monitoring point when not loaded

圖6　加載破壞后各監測點磁感應強度Fig.6　The magnetic induction intensity of the monitoring points after loading

2.2　試件表壁裂紋擴展

從圖7可以看出，T-1試樣的破壞主要在底部發生破壞，而T-2試樣除了底部發生局部破壞外，還從上表面開始出現了3處Y型裂紋擴展破壞。

圖7　試樣表壁裂紋擴展Fig.7　Surface crack propagation of specimen

從圖8對T-1試樣底部的磁感應強度變化情況來看，加載破壞后，各監測點磁感應強度變化增加的偏多。而對于裂紋擴展線較近的圖8(b)，加載過程中，各監測點的磁感應強度全部降低，而加載破壞后，各點磁感應強度變化并不明顯。

圖8　T-1試樣加載前后磁感應強度變化Fig.8　Changes of magnetic induction intensity before and after T-1 sample loading

圖9　豎向y-2和y-5系列監測點加載破壞前后磁感應強度變化值Fig.9　Vertical y-2 and y-5 series monitoring points before and after the destruction of the magnetic field strength changes

在T-2試樣中，x-5系列監測點正好處于內部裂紋萌生演化將到表壁時，朝表壁兩邊擴展，其內部裂紋投影至表壁正好在x-5系列監測點上。從圖9可以看出，在T-2試樣中，y-2系列監測點處于表壁裂紋附近，上部區域加載破壞后磁感應強度值增加，隨著2條裂紋合并并向試樣下部延展，裂紋附近的監測點處磁感應強度值變化不大，既有微弱的降低點，也有較小的增加點。而y-5系列監測點就不一樣，除了1-5號監測點由于試樣表壁破壞較嚴重發生脫落無法測量外，其他各監測點的磁感應強度值都在減小。特別是3-5號監測點從4.1 mT降低到0.8 mT，4個監測點平均降幅達到85.03%。

2.3　試件表壁二維掃描

為了更好的表征試樣在加載破壞后的表壁裂紋擴展破壞情況，通過二維掃描設備對損傷破壞脫落區域進行二維掃描。由于礦粉顏色呈深黑色，對破壞脫落區域進行二值圖的二維掃描效果不太明顯。為了解決這個問題，在損傷破壞區域涂抹熒光劑進行掃描，能夠將加載破壞試樣的破壞區進行二值圖再現(見圖10至圖11)。

圖10　試件T-1表壁掃描二值圖Fig.10　Specimen T-1 Table-wall scanning binary image

圖11　試件T-2表壁掃描二值圖Fig.11　T-2 surface of the specimen scanning two-value map

3　討論

1)利用磁場理論，首次提出了將磁粉與配比試樣進行混合，然后通過釹鐵硼磁鐵或充磁機進行充磁。試樣在加載過程中的內部損傷破壞，特別是接近臨空面的損傷破壞產生的磁粉密實程度的改變，通過特斯拉計測量磁感應強度的變化來表征損傷破壞情況，屬于物理性的表征手段，具有測量的可核查性和重復性，有別于其他的測量表征手段。

2) 通過磁感應強度的變化與試件表壁裂紋的擴展聯系起來，能夠找尋兩者之間的規律，建立裂紋擴展與磁感應強度變化的對應關系。同時如果磁感應強度變化能與試樣的聲發射試驗或CT掃描試驗等結合起來，尋找二者之間的損傷破壞規律，將是很有意義的課題。目前有學者做了類似的相關工作，即通過核磁共振測井探測巖石內部磁場梯度[15]，還有學者對巖石密度及磁化率與反射光譜特征關系[16]展開研究。

3)對于深色試樣，特別是文中的深黑色礦粉，表壁除了裂紋的擴展外，還有破壞嚴重的脫落區，這時使用二值圖的二維掃描設備進行掃描工作，效果不理想。通過在試件表壁破壞區域涂抹熒光物，再進行掃描，能夠避免深色試件或試件表壁因試驗過程中的各種物質的粘附導致的掃描不明顯。

4)磁粉加入配比試樣充磁之后進行加載過程中的磁感應強度變化測量的監測方式如果能夠得到很好利用，還可以用在節理發育或有夾石的巖石測量中。通過使用鹽酸或鹽水浸泡含有節理或夾石的巖石，待節理裂隙中的泥灰物或能浸泡的夾石溶解，再將單純加水混合或石蠟熔化后和礦粉混合液均勻充填至節理裂隙中或夾石空區中，就能夠很好的監測到節理裂隙的發育情況，也能夠通過這種方式監測加載過程中的節理裂隙損傷破壞演化情況，這項創新工作正在開展之中。

5)磁感應強度測量這種非完全接觸式的表征手段，如果能有配套的磁感應強度分布的空間測量設備，通過磁粉加入配比試樣中進行加載，就能夠通過磁感應強度大小的空間分布可視化，測量試樣整個內部的損傷破壞情況。這種方式成本較低，沒有CT掃描的高投入，也不需要斷面的電鏡掃描，更不需要X射線投射的損傷檢測的繁瑣，將會成為表征配比試樣或試件內部損傷破壞的較好方式。

6)針對標準圓柱試樣來說，未加載前的40個監測點的磁感應強度測量結果顯示，各處的磁感應強度差別較大，并不具備一定的規律性，說明可以撇開完全是磁感應強度疊加所致的原因。這其中主要有幾個方面的原因：一是水泥、礦粉和磁粉之間拌和不均勻；二是在拌和均勻的情況下，也存在配比試樣內部空隙的存在；三是目前采用的釹鐵硼磁鐵充磁或是采用充磁機充磁，相關的定量定位的充磁效果無法達到。如果在以后的試驗研究或工業應用中，能夠避免上述3種情況的發生，就能夠充分發揮磁粉及磁場理論所帶來的表征手段的豐富性和方便性。

4　結論

1)通過將磁粉加入到配比試樣中進行加載破壞過程中的磁感應強度變化測量，特別是監測臨空面附近的損傷破壞情況是可行的。

2)試樣內部裂紋萌生及其向臨空面的擴展破壞，會引起內部磁粉密度的變化，進而影響磁感應強度值的變化，脫落破壞點處的磁感應強度降幅較大。從監測點正好位于內部裂紋擴展投影至表壁線上的監測數據來看，其臨空點處(T-2試樣的2-5號監測點)的磁感應強度直接從未加載前的0.9 mT減低至0。表明裂紋擴展破壞點處是磁感應強度變化幅度較大的點。

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