一種砂巖相似材料的聲發射性能研究

周新宇 徐永峰* 馮美生,2 葉倩華

(1.河北建筑工程學院土木工程學院,河北 張家口 075000;2.山西大同大學建筑與測繪學院,山西 大同 037000)

0 引 言

近年來,由于材料豐富、成本低廉、工藝先進,相似材料的研究被廣泛普及,可以解決由于實際環境巖體不可開采等問題.相似材料主要是利用水泥、砂子、鐵粉、橡膠粉、減水劑、水等按照一定比例混合,在基本滿足相似原理的條件下,使人工材料的物理力學性能指標和天然巖石性能指標相似.杜時貴[1]在相似材料中摻入硅粉模擬剪切結構面的物理力學性能,模擬結構面的磨損程度、粗糙系數、破壞形式均與原巖結構相似.張寧[2]在相似材料中摻入橡膠粉,改性相似材料的表觀密度.耿曉陽[3]利用高精鐵粉來提高相似材料的密度,得出粘聚力的變化與骨料及摻水量的變化有關.申艷軍[4]采用正交實驗詳細分析了骨料、膠凝材料、水灰比對相似材料強度、導熱系數的影響.胡萌[5]為了確定紅砂巖相似材料的配合比,采用四因素三水平正交方案,確定了各種摻和料對相似材料的影響.

聲發射(AE)是指材料局部因能量的快速釋放,產生并發出瞬態彈性波的現象.對聲發射現象進行分析,可以得到眾多內部破壞過程的信息.李庶林[6]基于聲發射對砂巖進行了單軸壓縮實驗,得到了全過程的力學特征與聲發射特征.周逸飛[7]通過RA-AF值對灰巖的破壞模式進行了分析,為預測灰巖破壞提供了參考依據.徐騰飛[8]基于聲發射對砂巖進行單軸加載,獲得了整個過程的定位事件圖,詳細研究了砂巖各個階段破壞情況.

模擬試驗要求模型材料據有與模擬巖性相似的力學及變形特征[9],還要求模型的幾何特征、物理常數相似.相似材料還要滿足以下條件:成本低廉,制作方便,凝固前有較好的和易性,凝固后收縮性低.表面易粘貼測試原件,后期便于施工和修補.改變材料的配比,可使材料的力學性能發生改變,以適應相似條件的需要,不易受外界條件影響,無任何對人體有害的物質.根據彈性力學方程邊界分析法,由平衡、幾何、物理及邊界條件方程可以分別推出線彈性模型與原型的基本相似判據[10]:

Cσ=CLGγ、Cε=CLCδ、Cσ=CECε,Cμ=1Cε=1,Cσ、CL、Cγ、Cε、Cδ、CE、Cμ分別為應力、幾何、體積力、應變、位移、彈性模量和泊松比的相似常數.

1 試件制備及實驗方法

1.1 試件制備

實驗所用水泥為河北金隅生產的P.O 42.5普通硅酸鹽水泥,初凝時間大于45 min,終凝試件小于10 h.砂子為河北某公司普通河砂,用篩子選出直徑0.3～0.6 mm的中砂.選用高純鐵粉,導熱性能較好.選用高效減水劑,減少水的流動性.最終水泥、砂子、水、鐵粉、減水劑的比例為1:1:0.35:0.137:0.0125.攪拌均勻后分批次倒入直徑50 mm高100 mm的混凝土電通量塑料試模,放入振動臺上震蕩三分鐘,直至模具內無氣泡冒出.放入恒溫恒濕養護室養護24 h脫模,脫模后的試件繼續放入養護室養護28 d.

1.2 試驗系統

本實驗采用HUALONG-600加載系統,最大軸向壓力可達600 kN,聲發射系統為北京軟島時代有限公司生產的DS5系列全信息聲發射信號分析儀,如圖1所示.

圖1 壓力機與聲發射儀

聲發射傳感器為RS-2A,具體聲發射參數見表1.

表1 聲發射參數

類砂巖與云岡砂巖應力應變曲線對比,如圖2所示.圖中可以看出二者均經歷了壓密階段、彈性變形階段、塑性階段及破壞階段.兩種試件的峰值強度分別為50.77 MPa和52.1 MPa,偏差系數為2.5%;彈性模量取直線或近似直線部分,分別為5.17 GPa和5.26 GPa,偏差系數為1.7%.從以上分析得知,兩類試件的力學行為及參數相差不大,據有較高的一致性.預制巖樣在實驗方面據有可行性,可用預制巖樣代替云岡砂巖進行實驗研究.

圖2 類砂巖云岡砂巖應力應變曲線 圖3 類巖石應力與振鈴計數關系曲線

2 聲發射性能研究

類巖石應力與振鈴計數隨時間的對應關系如圖3所示.

由圖3可知,隨著應力的提升,振鈴計數持續升高.壓密階段,內部裂隙及孔洞較少,類巖石端部與加載板之間摩擦產生聲發射事件,振鈴計數數量級較小.彈性階段,由于微裂隙及孔洞閉合,振鈴計數在小范圍內逐漸上升,說明類巖石在此階段內開始發生破壞.塑性階段,由于微裂隙的繼續發育及新生裂隙的出現,振鈴計數開始大幅度提高,此階段類巖石材料內部開始產生不可恢復的塑性變形.破壞階段,振鈴計數數量級達到最大值4×104,新老裂隙交錯融合形成宏觀裂縫,類巖石材料發生脆性破壞,失去承載力.破壞后的振鈴計數急劇下降,但仍維持在較高水平.說明類巖石在破壞階段,較小的壓力就可以產生較大的破壞.振鈴計數的變化較好的反映了巖石內部破壞的劇烈程度.

2.1 RA-AF分析

完整類巖石在單軸壓縮下大多呈剪切、拉伸、拉剪混合型破壞.當破壞面上的剪應力超過其抗剪強度時,發生剪切破壞;當破壞面上的拉應力超過其抗拉強度時,發生拉伸破壞.聲發射信號中可以根據RA和AF的相關性判斷材料開裂的破壞類型.RA為上升時間與幅值的比值,AF為振鈴計數與持續時間的比值,單位為kHz.其中,張拉破壞釋放的縱波能量較大,AE波形上升時間短且頻率高;剪切破壞釋放的橫波能量較大,其AE波形上升時間長且頻率低.RA和AF的比值k受材料本身性質的影響,根據前人經驗將k值取為10,如圖4所示.

圖4 RA-AF關系曲線

由圖4可以看出,類巖石呈高AF低RA值的特征.AF主要分布在50-200 kHz,數據分布向AF軸靠近,AF值越大,說明相同時間內,振鈴計數越多,RA值越小,說明相同的持續時間內,聲發射波形幅值增長越快,主要發生張拉破壞,剪切破壞較稀疏.

2.2 頻率分析

巖石受載過程中產生的大部分是無規律的離散信號,當應力水平較低時,聲發射信號原始波形以突發性信號為主,當應力水平較高時,又以連續型信號為主.傅里葉變換是一種常用的波形信號分析法,它可以將聲發射原始波形轉化為二維頻譜圖,說明受載過程中頻率與幅值的轉化關系,能較好地反映信號的全局頻譜特征.

(1)

式中:h(τ-t)為分析窗函數;w為信號頻率;A為峰頻;t為時間;f為三維時頻的演化關系圖像.頻率與時間的關系如圖5所示.

圖5 頻率與時間關系分布圖

定義0～100 kHz為低頻、100～200 kHz為中頻、200 kHz以上為高頻信號,由圖5可知,類巖石單軸加載過程中,中頻和低頻信號伴隨整個加載過程,主要以170 kHz左右得中頻信號及25 kHz和50 kHz的低頻信號為主.高頻信號出現在破壞過程的中后期,尤其在后期破裂階段居多.

2.3 損傷定位點分析

聲發射定位是利用聲發射事件產生時間與聲發射探頭接收到的時間差原理,采用單純形算法推出聲發射源位置,進而實現損傷定位.聲發射和空間定位技術相結合,分析巖石力學及變形特征,獲得砂巖在整個破裂過程中聲發射信號的動態響應.

(2)

式中:(x,y,z)為聲發射源的坐標,(xi,yj,zk)為傳感器坐標,vp為聲發射縱波波速,t為時間,to為初始時間.

由圖6可以看出,壓密階段聲發射事件數很少,只占總階段的5%,由于端部摩擦,只在右側上下端面出現,分析原因可能是由于端面打磨不平整發生了局部應力集中現象.彈性階段聲發射事件逐漸增多,占總階段的23%,遍布整個巖體.塑性階段,聲發射事件數急劇增加,聲發射事件占據整個單軸加載過程中的48%,此階段類巖石破壞過程最為嚴重,與單軸壓縮過程中的振鈴計數大幅度提升相符合.破壞階段還有較明顯的聲發射事件數分布,說明類巖石在達到破壞階段時,在短時間內就可以產生大量聲發射現象.

(a)壓密階段(b)彈性階段(c)塑性階段(d)破壞階段

(e)各個階段聲發射事件占比圖6 聲發射事件分布及各階段占比

將最終破壞時的聲發射定位圖投影到XZ、YZ平面可以看到,聲發射事件數大多呈豎向分布,尤其在試件邊緣分布較明顯,說明巖體大部分發生的是張拉破壞,有小部分為剪切破壞,證明了聲發射參數中RA-AF值的分布結果.

(a)XZ方向映射圖 (b)YZ方向映射圖圖7 XZ、YZ平面映射圖

3 結 論

本文利用水泥、砂子、鐵粉、減水劑、水按照一定比例混合,制作砂巖相似材料,研究了其聲發射特性,主要得出以下結論:

(1)類巖石與原巖峰值強度及彈性模量偏差系數分別為2.5%、1.7%,據有高度一致性,用類巖石代替原巖進行實驗具有可行性.

(2)通過聲發射參數,類巖石單軸壓縮主要為張拉破壞,破壞過程峰值頻率主要為170 kHz中頻信號.通過定位點發現,塑性階段破壞過程劇烈,破壞過程占總數的48%,破壞裂隙多分布在試件兩側.