熱處理砂巖細微觀損傷演化及斷裂試驗研究

羿士龍

(渝黔渝萬鐵路有限責任公司，重慶 404100)

0 引言

眾多學者對不同溫度下巖石的宏觀物理力學特性展開了大量的研究，并取得了許多關于巖石熱損傷斷裂方面的研究成果，但從微觀損傷及宏觀斷裂角度分析熱處理巖石失效機制的研究較少。因此，本文借助MTS816巖石力學試驗、CT掃描、核磁共振成像等方法，探究不同熱處理砂巖細微觀損傷演化規律及斷裂機制。

1 試驗方法

1.1 樣品準備

研究的巖樣取自鄭萬鐵路重慶段雷家坡隧道，該巖樣自然狀態下呈灰白色，顆粒粒度中等，體積密度為2400kg/m3，縱波波速為3500m/s，孔隙度為10.86%，礦物成分主要以石英和長石為主。

為減少樣品之間的差異性，所有試樣均取自于同一塊巖樣，并對巖樣進行初始波速篩選。對篩選后的試樣進行切割和打磨，按照ISRM標準加工成50mm×100mm的標準試樣。之后，對試件分組進行高溫加熱預處理，加熱溫度分別為常溫、200℃、400℃、600℃、800℃和1000℃共6種工況。為確保試件完全加熱，加熱至目標溫度后在爐子內恒溫3h，然后冷卻至常溫后進行核磁共振成像和力學測試[1]。

1.2 試驗裝置

試驗裝置借助MTS 816材料力學試驗機并結合PCI-2聲發射儀。整個加載過程采用位移控制，速率設置為0.1 mm/min，聲發射門檻值和采樣頻率分別為40dB和1MHz。同時，為探究不同溫度作用下砂巖試樣細微觀損傷演化及斷裂特征，借助CT掃描儀和核磁共振儀對不同溫度作用下砂巖的裂紋演化特征進行分析。

2 試驗結果分析

2.1 砂巖細觀損傷表征的觀察方法

巖石礦物成分對其物理力學性質的影響起著決定性作用，熱處理砂巖的核磁成像結果可直接獲得孔隙大小的分布演化特征。具體步驟為：沿著試樣的直徑方向成像，圖像中的圓形光區為樣品圖像，圖像中亮白色區域為水分子信號，白點越多，孔徑越大，對應的孔隙度越大。為形成對比，利用圖像處理軟件進行歸一化處理，隨著溫度的增加，熱處理后砂巖細微觀孔隙結構明顯較常溫作用變大，表明試樣內氫氦分子含量隨著溫度的增加逐漸增大。對比圖像，可以清楚地反演不同溫度下砂巖的損傷演化過程。

2.2 不同溫度作用下砂巖宏觀破斷表觀形態

經過高溫熱處理后，巖樣內部鐵元素礦物發生化學反應，熱處理作用使四價鐵元素轉變為二價或三價鐵氧化物。不同溫度作用后砂巖表觀形態見圖1。

圖1 不同溫度作用后砂巖表觀形態

從圖1明顯發現，低溫處理作用時，巖樣顏色未發生改變。當溫度增至400℃，試樣表觀顏色逐漸發生變化，由灰白色向淺紅色過渡，隨著溫度的進一步提高，由淺紅色逐漸變為深紅色。進一步推測出該砂巖受溫度作用后其礦物物理性質突變的臨界溫度為400℃[2]。

2.3 不同溫度作用下砂巖內部裂紋結構演化規律

2.3.1 CT掃描圖像及二值化處理

在完成單軸壓縮試驗后，借助美國西門子公司生產的CT無損檢測裝置（SOMATOM Scope 24排螺旋CT）對不同溫度處理后的砂巖試樣進行掃描，X射線顯微層析圖像是電子在X射線管中撞擊鉬鎢合金靶產生的，電子流為345mA，加速電壓130kV，螺旋掃描最長時間為100s。采用X射線計算機斷層掃描技術對熱處理后的砂巖斷裂形態進行掃描分析，沿著試樣直徑方向由前到后獲得連續的切片圖像，間隔為0.5mm，因此，整個試樣獲得大約400張CT切片圖像。

為分析不同高度砂巖內部裂紋斷裂形態特征，通過選取不同位置的典型切片圖像進行分析，沿著試樣高度方向，間隔20 mm取一張切片圖像。另外，為獲得試樣內部裂紋結構圖像，需要對CT掃描原始圖像進行去噪及二值化處理。不同溫度作用下砂巖試樣CT掃描原始圖像及二值化處理見圖2。

圖2 不同溫度處理后砂巖試樣CT掃描及二值化

從圖2可得知，從CT掃描原始切片圖中可看到試樣表面有明顯的亮點，主要因為測試砂巖主要由石英、長石和碳酸鈣組成，三者密度不同，亮點代表密度較大的基質顆粒，暗點代表密度較小的礦物顆粒。通過二值化處理，不同溫度作用下砂巖CT圖像主要呈現出黑白兩色，其中黑色代表巖石基質，白色代表裂紋，巖石基質和裂紋結構黑白分明，便于鑒別。另外，隨著溫度增加，裂紋斷裂復雜程度逐漸減小，該現象進一步證實了高溫對巖石內部產生某種程度的損傷[3]。

2.3.2 CT掃描圖像重構及裂紋提取

為進一步揭示砂巖內部完整裂紋的斷裂貫通特征，借助Avizo軟件對CT掃描二維切片圖像進行重構，獲得不同溫度處理砂巖內部裂紋結構特征，從而揭示不同溫度作用下裂紋斷裂貫通破壞特征。不同溫度作用下CT重構圖像見圖3。

由圖3可知，隨著溫度的增加，巖樣內部裂紋結構特征越來越簡單，三維重構后的裂紋結構可以直觀反應高溫處理后巖樣內部微裂紋的損傷發育及宏觀裂紋的斷裂演化。

圖3 不同溫度作用下砂巖CT圖像重構

通過對不同溫度作用下砂巖裂紋斷裂擴展行為進行定性分析，可以進一步探究高溫處理后巖石受載變形破壞后，其內部裂紋的演化特征。不同溫度作用下砂巖裂紋三維重構結構見圖4。

圖4 不同溫度作用下砂巖三維裂紋特征

圖4直觀地再現了不同溫度作用下砂巖試樣的裂紋斷裂演化特征。從圖4中還可得知，隨著溫度的增加，砂巖試樣的斷裂破壞模式由脆性向塑性轉化。當溫度低于600℃時，試樣內部出現明顯的脆性斷裂特征，但當溫度高于600℃時，試樣的破斷特征由脆性逐漸轉變為塑性[4]。

2.4 不同溫度作用下砂巖微觀裂紋演化規律

2.4.1 聲發射演化特征

聲發射監測技術是監測受載巖石類材料從微裂紋損傷到宏觀破壞全過程的一種有效方法，聲發射信號與巖石內裂紋萌生、擴展和貫通密切相關。根據受載巖石加載變形的特點，可以把整個加載過程分為四個階段，分別為壓密階段、線彈性變形階段、屈服階段及峰后階段。總體來說，峰值應力前聲發射事件活動較少，當軸向應力增至峰值附近時，尤其進入峰后階段，聲發射信號密度及較大量級的聲發射事件急劇增加。另外，累積聲發射能量-時間曲線呈現出由平緩向急劇上升的變化趨勢，見圖5。

圖5 常溫下典型試樣聲發射能量及累計能量演化規律[3]

2.4.2 微觀裂紋演化規律

為了表征加載過程中巖樣的裂紋演化規律，通過對聲發射計數、持續時間、上升時間和振幅等參數的關系計算得到間接的聲發射參數，比如AF和RA。

式中：

C——聲發射計數；

DT——持續時間。

式中：

RT——上升時間；

A——振幅。

基于先前研究結論，對參數RA和AF二者之間的比例關系可確定裂紋類型，以往研究得到拉伸和剪切裂紋的比例為1∶70。因此，采用類似方法對不同溫度作用下砂巖的微觀裂紋進行表征分析。不同溫度作用下砂巖微觀裂紋演化[5]見圖6。

從圖6可直觀得知，在較低溫度熱處理作用時，試樣內剪切裂紋占優，即破斷機制以剪切斷裂為主。隨著熱處理溫度的增加，試樣內剪切裂紋占比逐漸增加，該現象也進一步說明熱處理后，巖石內大量微觀裂紋萌生發育，高溫熱處理后試樣內的拉伸裂紋急劇增多。然而，剪切裂紋呈現出相反的變化趨勢，即試樣內由剪切裂紋主導逐漸向拉伸裂紋主導過渡。

圖6 不同溫度作用下砂巖微裂紋演化特征

3 結束語

基于CT掃描和核磁共振圖像對其細微觀損傷演化機制進行研究，主要結論如下：

（1）隨著溫度的增加，熱處理后砂巖細微觀孔隙結構明顯較常溫下變大，試樣內水分子含量隨著溫度的增加逐漸增大，進一步從細觀尺度上解釋不同溫度處理后砂巖裂紋損傷機制。

（2）當溫度低于600℃時，試樣內出現明顯的脆性破斷特征，但當溫度高于600℃時，試樣破斷特征由脆性逐漸向塑性轉變。

（3）高溫熱處理后試樣內的拉伸裂紋逐漸增多，而剪切裂紋逐漸減少，隨著溫度升高，試樣內由剪切裂紋主導逐漸向拉伸裂紋主導過渡。

（4）不同溫度、應力作用后，砂巖的力學指標發生變化，為隧道鉆眼深度、炮孔布置、裝藥量提供了指導依據，同時為隧道安全、快速穿過埋深大的高地熱、高應力、巖爆段落施工提供了指導借鑒意義。