《干湿循环脆性红砂岩的孔隙与声发射特征》
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摘 要：为研究脆性红砂岩在干湿循环条件下,孔隙率变化情况、变形破坏特征以及声发射特征,进行了10次干湿循环试验.结果表明,最初的孔隙变化主要是小开孔隙过渡为大开孔隙,随循环进程小开孔隙呈小幅度波动,但大开孔隙呈对数增长;干燥、饱和的单轴抗压强度均呈对数降低趋势;而结合声发射特征曲线可以更合理地把脆性红砂岩单轴压缩过程划分为3个显著阶段：裂隙压密阶段、弹性变形阶段、宏观破坏阶段.随干湿循环次數的增多,因孔隙的逐渐扩大、增多,压密阶段的声发射事件有逐渐增多的趋势;累计计数的突变可以作为弹性变形阶段后岩石内部关键断裂初始扩展、贯通的依据;宏观破坏阶段声发射累计计数占比随循环次数有降低趋势,脆性红砂岩低次干湿循环的变形破坏高度集中在宏观破坏阶段,随着循环次数的增加,孔隙的增大、增多,变形破坏有提前发生的趋势,大量声发射活动逐渐提前,且破坏形式有脆性破坏向延性破坏的过渡趋势.
关键词：干湿循环;红砂岩;孔隙率;声发射
中图分类号：TU458+.3
文献标识码： A
国内外学者利用声发射技术研究岩石的变形破坏过程,已取得了很多有意义的研究成果[1-5].目前,对于声发射在水岩作用、干湿循环条件下岩石受力变形破坏过程中的声发射特征研究也有大量的试验成果.赵勇刚[6]等考虑水温因素分四组试样模拟风化后的红砂岩,在单轴压缩条件下和原状样红砂岩的声发射特性进行了对比研究,分析了不同条件下红砂岩破坏的声发射机理;李地元[7]等为研究干湿循环作用下红页岩的静态力学特性对不同干湿循环次数下的红页岩进行单轴压缩试验,并进行了变形破坏阶段划分;宋朝阳[8-9]等对比分析了不同干湿循环作用次数后的岩样的变形破坏特征,系统地讨论了破坏过程中声发射参数的变化特征,并对其细观劣化机理进行了分析.
已有的研究成果[10-17]为在特定环境中岩石受力变形破坏过程的声发射特征研究提高了认识、奠定了理论基础.但结合孔隙变化趋势对干湿循环条件的声发射特征研究还较少,而经历干湿循环后岩石内部结构、孔隙等均有改变,这种变化趋势更能被声发射特征所体现.所以,本文以脆性红砂岩为研究对象,从孔隙因素讨论其经历干湿循环后岩石内部结构、孔隙的变化趋势,以及分析在单轴压缩过程中声发射特征参数与应力、应变之间的关系,本文的研究成果可以通过孔隙的演化规律进一步认识水岩作用下岩石的单轴压缩过程及声发射特征,可以为类似研究提供参考.
1试验材料及方案
1.1试验材料
所选取试样为贵州赤水丹霞地貌区广泛出露的白垩系嘉定群上段砂岩,该段砂岩呈巨厚至块状,近水平状产出.取样点为一采石场,可取较深微风化砂岩进行加工制样,参照规范制作50 mm×100 mm的标准圆柱试件.
在试验前对砂岩试样进行岩石薄片鉴定,镜下鉴定结果为长石石英砂岩.矿物的成分是影响岩石脆性的主要因素,而该试样对脆性矿物石英的含量达78%.岩样矿物含量见表1,镜下显微照片如图1所示.
1.2试验方案
为研究干湿循环条件下脆性红砂岩的声发射特征,共设计完成10次干湿循环,并分别完成1、3、6、10次干湿循环后的干燥、饱和状态单轴抗压强度试验,共制备4（拟定循环）×2（干燥、饱和）×4（平行试样）等于32个样.将“烘干24 h—完全浸水静置48 h—煮沸强制饱和6 h”视为1次干湿循环过程,在循环过程中测量砂岩试样的质量变化.
2试验结果分析
2.1孔隙率变化规律分析
岩石是一种多孔结构材料,其孔隙及裂隙有大部分是相互连通、和大气相通,而有少部分是独立、形成密闭微空间,所以可把岩石中总的孔隙分为开孔隙和闭孔隙,其中开孔隙按开口规模细分为大开孔隙、小开孔隙.
干湿循环过程中试样在大气压力和室温条件下完全浸水静置48 h,这一自由吸水过程是在常温常压下进行,一般认为水只能进入试样的大开孔隙.因此可用48 h的自由吸水率换算试样的大开孔隙率nb,即：
nb等于VbV×100%等于ρdWaρw等于ρdWa ,（1）
Wa等于mw1ms×100%. （2）
其中：Vb为大开孔隙体积;V为总体积;ρd为干密度;ρw为水的密度,取1 g/cm3;Wa为自由吸水率;mw1为常温常压下自由吸入水的质量;ms为试样干质量.
一般认为试样在高温高压下能进入所有开孔隙中,因此可用煮沸6 h强制饱和后的饱和吸水率换算试样的总开孔隙率no,即：
no等于VoV×100%等于ρdWpρw等于ρdWp ,（3）
Wp等于mw2ms×100%.（4）
其中：Vo为总开孔隙体积;Wp为饱和吸水率;mw2为煮沸6 h强制饱和条件下吸入水的质量;其余符号同上.而小开孔隙率na即：
na等于no-nb. （5）
对于试验数据的处理,剔除异常后取平均值,根据10次干湿循环过程中的测量结果,并通过式（1）至（5）换算后,脆性红砂岩试样的总开孔隙率从13.59%增至14.34%,总体呈近线性增长,增幅约55%,见图2（a）;循环过程中试样的大开孔隙率从887%增至9.66%,总体呈近对数增长,增幅约90%,见图2（b）;而小开孔隙率在循环过程中呈不规律变化,且波动幅度不大,基本在4.4%～48%间,见图2（c）.
根据图2各孔隙与干湿循环的关系曲线,干湿循环作用会在一定程度扩大原有孔隙,或形成新孔隙.循环初期,即循环1至3次,部分小开孔隙加速扩大过渡至大开孔隙,所以体现出小开孔隙率减小而大开孔隙增大,但总孔隙率变化不大;红砂岩填隙物中有约7%为粘土矿物,随着干湿循环推进,3至7次循环在岩石内部胶结薄弱的地方,亲水性很强的粘土矿物被溶解,形成新的小开孔隙并且大开孔隙增多、增大,所以总孔隙率增长幅度逐渐变大;而8至10次循环主要由小开孔隙逐步扩大转变为大开孔隙,胶结薄弱的亲水矿物已于前期被溶解带走,剩下的物质其结构较为稳定,新孔隙生成少,所以总孔隙增长幅度小.
2.2单轴抗压强度变化规律分析
红砂岩试样的单轴抗压强度随干湿循环次数的增多而呈对数降低,如图3,拟合关系为：
干燥状态抗压强度Rd等于Rd1-7.69ln（n）,
饱和状态抗压强度Rw等于Rd1-2.62ln（n）.
其中Rd1、Rd1分别为干湿循环1次干燥、饱和状态的单轴抗压强度.从对数系数大小来看干燥状态单轴抗压强度降幅较饱和状态大,即受干湿循环作用影响较大.
与未经过干湿循环的单轴抗压强度（72.5 MPa）相比,循环1次后饱和状态单轴抗压强度急剧下降,降幅达20%,循环越往后抗压强度降低幅度越小.若按拟合关系计算,两种状态随循环次数增多其抗压强度均趋近于一渐进值,饱和状态趋近45 MPa、干燥状态趋近75 MPa.从单轴抗压强度的变化趋势进行分析,干湿循环6次前降幅较大,而后渐平稳,也反映出前几次循环对红砂岩劣化影响最大,随干湿循环的进行,其内部矿物结构是一个不稳定至渐稳定的过程,初期的孔隙增大、增多,亲水矿物被溶解、胶结能力降低等,均是不稳定的因素.
而根据应力-应变曲线,无论是干燥或者饱和状态,该类红砂岩试样即使在循环多次后,其应力-应变曲线表现出在弹性变形阶段后发生完全破坏均较突然、迅速.其峰值强度阶段的应变约2%～3%,在变形很小的情况下就趋于发生破坏,说明试验所选研究对象即赤水红砂岩脆性特征明显.
2.3声发射特征分析
试验中常用的声发射参数有振铃计数、幅度、能量等.一般说的声发射计数即振铃计数就是通过设置一个阈值电压,超过此阈值电压的那些电压会形成矩形脉冲,我们对这些矩形脉冲进行计数,在一定程度可以反映聲发射信号中的幅度,其变化趋势可反映出试样在单轴压缩破坏过程中其内部裂纹发出的声发射信号的强烈程度.本文选择用累计振铃计数进行干湿循环条件下脆性红砂岩的声发射特征分析.
以饱和状态为例,进行单轴压缩过程中的声发射试验,根据试验结果,得到不同干湿循环次数下脆性红砂岩的时间-应变-累计计数关系曲线,见图4.
不考虑循环次数从时间-应变-累计计数曲线的整体分析.起初,累计计数曲线小幅度上凸增长的阶段,为岩石单轴压缩过程中的裂隙压密阶段,该阶段声发射累计计数有小幅度突增,是因为岩石孔隙和微裂隙被集中压密所导致的声发射事件激增.而压密后,岩石内部结构更为致密、均匀,表现出一定的弹性特征,声发射活动较少,累计计数曲线近似直线变化且增长较为缓慢,该段为弹性变形
阶段.累计计数直线段后紧接着有大幅度突变上升,该阶段为塑性变形至完全破坏阶段,随荷载的加大岩石内部大量裂纹的产生、扩展和贯通,该阶段声发射活动频繁、剧烈.
如图3、图4,若只根据单轴压缩过程中的应变-时间、应力-应变的关系曲线,常规变形破坏中的稳定破裂发展阶段、累进性破坏阶段在脆性红砂岩的单轴压缩过程已不明显,所以,结合声发射特征曲线可以更合理地划分为3个表现显著的阶段：裂隙压密阶段、弹性变形阶段、宏观破坏阶段.
根据时间-应变-累计计数曲线对脆性红砂岩试样在单轴压缩过程中的阶段进行划分后,可分别得到其在干湿循环1、3、6、10次单轴压缩裂隙压密阶段累计计数占总比的8%、16%、24%、27%,即随着干湿循环次数的增多,压密阶段的声发射事件有逐渐增多的趋势,在前6次循环尤为明显,再结合上述孔隙率的分析,即在前6次干湿循环中孔隙率的增大也最明显,所以对裂隙压密阶段声发射活动影响较大,也进一步验证了干湿循环后会造成孔隙增加或扩大.
根据图3、图4,进入弹性变形阶段后从应变变化趋势是难以判断岩石内部关键断裂扩展及贯通的,而声发射的突变现象可以作为该特征点的判断依据.通过累计计数的统计分析,干湿循环1、3、6、10次在该特征点即进入宏观破坏阶段时的累计计数占总体的比例分别约13%、29%、40%、41%,即在宏观破坏阶段中声发射累计计数占比分别为87%、71%、60%、59%,说明脆性红砂岩低次干湿循环的变形高度集中在宏观破坏阶段,随着循环次数的增加,岩石内部孔隙、微裂隙增多、扩大,压缩过程中岩石内部的变形破坏、声发射活动也逐渐提前.
而从脆性红砂岩试样在破坏时的特征来看（图5）,干湿循环低次的时候试样破坏瞬间猛烈、碎石块弹出很远,破坏面形态主要呈X状共轭斜面以及垂直竖面,其破坏机制以张拉为主;循环到高次后破坏瞬间较温和、碎石块溅出距离较近,除低次循环的两种破坏形态外,破坏面还有呈单斜面,这是由于破坏面上的剪切应力大于其极限应力,其破坏机制以剪切破坏为主.综上分析,循环低次脆性红砂岩内部储存应变能的能力较强,而高次循环后,岩石内部更趋于靠裂隙的扩展、颗粒的错动而释放应变能,所以脆性红砂岩在干湿循环条件下,其破坏形式有脆性破坏向延性破坏的过渡趋势.
3结论
（1）红砂岩在干湿循环条件下,循环初期主要是小开孔隙向大开孔隙的过渡,总孔隙变化不大;循环中期因粘土矿物的溶解、胶结薄弱带的破坏等导致小开、大开孔隙都有显著的增长,总孔隙在这一阶段增幅明显;循环后期岩石内部结构、矿物均逐渐稳定,各孔隙增幅渐降低.
（2）干湿循环作用对脆性红砂岩的影响程度随着循环次数的增多而降低.循环初期、中期是因为孔隙的逐渐扩大、增多,以及亲水矿物逐步溶解及胶结薄弱带的破坏;随循环继续进行,孔隙增长缓慢、岩石内部结构逐渐趋于稳定,所以循环后期劣化幅度小、较平稳.
（3）干湿循环条件下红砂岩的单轴抗压试验中,干燥、饱和状态破坏时的应变约2%～5%,脆性特征明显;在弹性变形阶段后发生完全破坏均较突然、迅速,应力-应变、应变-时间曲线不能明显地表现出常规变形破坏中的稳定破裂发展阶段、累进性破坏阶段;根据声发射特征曲线可以更合理地将脆性红砂岩的单轴压缩过程划分为3个表现显著的阶段：裂隙压密阶段、弹性变形阶段、宏观破坏阶段.
（4）随着干湿循环次数的增多,压密阶段的声发射事件有逐渐增多的趋势,主要是因为孔隙的逐渐增大、增多导致;弹性变形阶段后累计计数的突变可以作为岩石内部关键断裂初始扩展、贯通的依据,且该特征点后的宏观破坏阶段声发射累计计数占比随循环次数有降低趋势,说明脆性红砂岩低次干湿循环的变形高度集中在宏观破坏阶段,随着循环次数的增加,岩石内部孔隙、微裂隙增多、扩大,所以变形破坏、声发射活动也逐渐提前,且破坏形式有脆性破坏向延性破坏的过渡趋势.
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（责任编辑：曾晶）
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红砂岩和声发射引用文献:
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