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分析不同配比类岩石材料的学特性及声发射特性研究

作者:2018-10-01 01:00阅读:文章来源:未知

  摘要:为了模拟矿物颗粒大小组成对声发射的影响, 采用两种粒径的石英砂 (0.10.2 mm, 0.631 mm) , 按不同配比 (0.5∶1, 1∶1, 1∶0.5) 混制成3组类岩石材料试件, 并对试件进行了单轴压缩声发射试验。试验结果表明:3组不同配比试件的变形特征与天然岩石材料的比较一致, 其变形破坏过程都经历了4个阶段, 即:初始压密、弹性变形、塑性变形、裂纹加速扩展至试件破坏;随着细颗粒比例的增大, 试件的单轴抗压强度逐渐增大。通过分析3组同配比试件的声发射试验参数, 得到声发射事件率-时间与应力的关系, 累计声发射事件率与时间、应力的关系, 结果表明, 类岩石材料的声发射特性与天然岩石材料的声发射特性比较相似。

  关键词:类岩石材料; 颗粒配比; 单轴压缩试验; 声发射;

工程力学

  Mechanical and Acoustic Emission Characteristics of Rock-like Materials with Different Proportioning

  LIAO Xin ZHENG Xiaolong LI Qisen HUANG Chao ZHAO Kui KUANG Zeliang

  School of Resources & Environment Engineering, Jiangxi University of Science and Technology

  Abstract:

  In order to simulate the influences of mineral grain compositions on the acoustic emission, two kinds of quartz sand with different grain sizes respectively as 0.10.2 mm and 0.631 mm were used to mix and produce three groups of rock-like samples with various ratios of 0.5∶1, 1∶1 and 1∶0.5.Then, the uniaxial compression experiments of acoustic emission were conducted.The experimental results showed that the deformation characteristics of the three groups of samples were consistent with those of the natural rock materials.The deformation process had experienced four stages, namely, initial compaction, elastic deformation, plastic deformation and crack propagation to specimen failure.With the increase of the grain ratio, the uniaxial compressive strength of the samples gradually increased.By analyzing the acoustic emission experimental parameters of the three groups of samples, the relationships between the acoustic emission event rate with time and stress were obtained, as well as the relationships between the accumulative acoustic emission event rate and time with stress.The results indicated that the acoustic emission characteristics of rock-like materials were similar to those of natural rock materials.

  Keyword:Rock-like material; Grain ratio; Uniaxial compression experiment; Acoustic emission;

  0 引言

  目前, 国内外许多矿山已进入或即将进入深部开采。深部原岩处于高地应力、高温等不同于浅地表的复杂环境。由于原岩取样困难以及很难开展现场试验, 因此很有必要开展类岩石材料声发射特性研究, 对于金属矿山的深部开采和岩体工程地设计具有现实的指导意义。在类岩石材料的研究中也有学者进行过研究。黄彦华等对类岩石材料试验和数值模拟相结合的尺寸效应研究得出试样高径比在2.0~2.5较合理[1]。左保成等[2]对灰岩的相似材料进行了试验, 认为用石英砂、石膏和水泥来模拟岩体介质是可行的;王汉鹏等[3]以石英砂为骨料研制出一种新型的地质力学模型相似材料铁晶砂胶结料 (IBSCM) ;蒲成志等[4]通过室内试验与数值模拟的手段对类岩石材料的破坏机理进行探究。然而, 对不同配比类岩石材料的力学特性和声发射特性相关的研究鲜有提及, 因此本文在进行类岩石材料单轴压缩的试验基础上, 通过不同的配比来模拟岩石材料内部颗粒大小组成对声发射的影响。

  在岩石材料的力学特性和声发射特性等研究方面国内外众多学者做了大量的工作[5]。赵奎等[6]通过单轴加载岩石破坏全过程的声发射试验, 用参数法确定了Kaiser点;曾鹏等[7]对花岗岩岩石材料研究了声发射AE的不可逆性的特征, 确定了Kaiser点的主频范围;吴贤振等[8]着重对比了四种岩石材料的力学性质, 通过计算分维D值来反映试件内部裂痕的演化过程;李庶林等[9]研究了在反复加卸载试验过程中岩石材料破裂过程的声发射特性, 并且验证得到了Kaiser效应现象和Felicity现象, 得到在人为卸载时岩石也会产生明显的声发射现象。尹贤刚等[10]对塑性阶段明显和不明显的岩石进行了研究, 得到塑性阶段明显的岩石在破坏前存在声发射“相对平静的现象”;张宁博等[11]通过对大理岩进行不同应力路径下声发射特性进行比较, 提出次主比来反映声发射特征。而声发射技术能够持续的、实时的监测材料内部的微裂痕从萌生、扩展到最后贯通的过程, 因此可以通过AE技术来研究类岩石材料的变形和破坏性过程, 对于金属矿山矿岩稳定性监测、预测和理论等具有指导意义。

  1 石英砂类岩石材料声发射特性

  1.1 试件制备

  类岩石材料声发射试验以纯度为99.9%的高纯石英砂 (晶体颗粒) 为骨料, 采用两种不同的颗粒粒径, 分别为0.1~0.2 mm和0.63~1 mm, 并以0.5∶1, 1∶1, 1∶0.5的不同配比均匀配合进行浇筑, 采用标准325号硅酸盐水泥为胶结剂, 质量浓度为70%, 灰沙比 (质量比) 为1∶4, 均为50 mm×100mm (高径比为2∶1) 的圆柱形试件, 置于标准恒温、恒湿养护箱里进行养护28d, 试件见图1。

  图1 试验前的所有试件

  

  1.2 实验设备及加载方式

  本次试验的主要设备有:RMT-150C岩石力学液压伺服试验加载系统和美国声学物理公司PAC研制的PCI-II型声发射。本次试验对所有试件都采用一次性加载至破坏的单轴压缩加声发射试验, 试验加载均为位移控制, 加载速率为0.002mm/s。声发射门槛设置为40dB。在进行声发射试验前, 由于表面的颗粒对声发射的检测信号有很大的影响, 对试件表面需要清理干净, 并涂抹耦合剂。

  2 试验结果与分析

  2.1 石英砂类岩石材料试件的单轴压缩变形特征

  在相同的试验环境下 (同加载方式、加载速率) 对2个粒级的石英砂的3组不同配比 (0.5∶1, 1∶1, 1∶0.5) 类岩石材料试件和天然花岗岩进行单轴试验, 试验得出试件的变形破坏特性大致相同, 但也存在少许的差异。试验数据见表1, 3组类岩石材料具有代表性的试件应力-应变曲线见图2, 天然花岗岩的应力件应力-应变曲线见图3。

  从图2可知, 这3组不同配比的石英砂类岩石材料试件的破坏变形特征类似于天然岩石破坏变形, 同时可以看出, 石英砂配比 (0.1~0.2) mm∶ (0.63~1) mm) 从0.5∶1到1∶1, 1∶0.5, 随细颗粒比例增大, 对应试件的单轴抗压强度也相应的增大, 变形破坏是个缓慢的过程, 可大致分为4个阶段:初始压密;弹性变形;塑性变形;裂纹加速扩展至试件破坏。

  (1) 初始压密阶段。在图2的应力-应变曲线图中可以看出, 最开始的加载阶段试验曲线都有个下凹的趋势, 那是因为颗粒的大小不同, 试件在胶结的过程中内部存在很多孔隙以及微空隙。这些微裂隙都是不均匀的相对弱结构, 因受到载荷的作用而发生闭合, 故在应力-应变曲线上反应出在较小的应力作用下试件表现出较大的变形。这一阶段试样的应变ε通常由εf与εt组成, 即:

  式中, εf表示为石英砂胶结试件内部原有的空隙、孔隙等发生闭合时产生的应变;εt表示为试件本身因受荷载发生弹性压缩而产生的应变。

  图2 不同配比试件的应力-应变曲线

  图3 岗岩材料的应力-应变曲线

  (2) 弹性变形阶段。石英砂类岩石材料试件在经过开始的压密阶段后变的密实, 同时随着荷载的不断增加试件颗粒间的孔隙进一步压缩密实, 此过程的变形就进入弹性阶段。在对应的应力-应变曲线的斜率接近定值。在初始变形阶段基础上, 随着应力的增大, 试件内的空隙、微裂隙进一步压密, 但并没有达到使试件达到裂纹产生, 扩展的程度。

  (3) 裂纹产生以及逐渐扩展阶段 (塑性变形阶段) 。随着荷载的继续增大, 试样内相对弱的结构会萌生微裂隙, 把荷载卸除后, 内部的质点不能够再恢复到原来的位置, 对应的应力-应变曲线段是上凸下弯段, 运用相应的力学理论对试验的受力情况进行分析, 得到试样的相对薄弱结构部位的应力水平达到了一定的水平程度, 但此时的应力并超过其的极限值, 结构内部开始萌生新的微裂纹, 微裂纹裂隙急剧演化, 新萌生的裂纹和之前形成的裂纹一并随机、无序的扩展, 继而到达峰值强度后的弱化阶段。

  表1 试验结果  

  (4) 失稳破坏阶段 (主裂痕产生阶段) :随着受力的增大, 石英砂胶结试件里面原有的小裂隙会逐渐扩展, 慢慢有的部分出现分叉和汇合的情况, 应力的持续增大, 微裂隙甚至不断出现吞并、汇合贯通, 进而形成主裂纹, 试样也在主裂痕产生后沿着主裂纹的方向破坏, 在试样除主裂纹的其他部位就很少甚至没有破坏产生。在试样的大破裂过程中试样加载聚集的能量会释放出来, 让试件失去承载能力继而完全破坏。

  从图2中, 对比3组不同颗粒配比试件的应力-应变曲线可知, 试件的单轴抗压强度随细颗粒比例的增大, 试件的变形减小, 塑形减弱, 当应力到达峰值后, 试件的破坏速度缓慢, 表现出很强的延性。在线弹性阶段, 变形曲线的斜率随细颗粒的增多而增大, 表明弹性模量随细颗粒的增多而增大。0.5∶1破坏后下降的比较平缓, 表现出较好的延展性, 而1∶1和1∶0.5的试件随细颗粒比重增加, 破坏后曲线下降的比较快, 塑性越来越明显。

  2.2 石英砂类岩石材料的声发射特性

  岩石材料的变形破坏过程伴随着AE (声发射) 事件, 并且AE在统计参数上与和微破裂活动的可对比性强[2]。本次试验关注的是通过类岩石材料不同颗粒大小配比来模拟岩石材料内部颗粒大小组成的影响, 并重点关注由两种不同大小颗粒的3种不同配比制成的类岩石材料在峰值前4个不同的变形阶段的声发射特性, 并且结合应力-AE事件率与时间曲线、应力-AE累计事件数与时间的特征曲线, 分析了3种配比的类岩石材料在单轴压缩条件下的声发射特征。试验结果见图4。

  (1) 初始压密阶段。对比三组试件的声发射特征图, 可以清楚的看到, 声发射事件率在初始压密阶段就存在一定水平的声发射事件率, 这说明在一开始类岩石材料内部存在明显的微孔隙、空隙。试件一经压密释放弹性波, 出现一定水平的声发射事件率。

  (2) 弹性变形。随着应力的增加, 0.5∶1和1∶1组的试件在此阶段AE事件率达到了峰值点, 说明类岩石材料试件在此时已经完全压密。而1∶0.5组的AE事件率峰值点出现在初始压密阶段末期, 表明试件内部的微小孔隙比另外两组的少。

  (3) 塑性变形。从图4中曲线的BC段 (塑性阶段) 可以看出, 声发射事件率在这个阶段呈现下降的趋势, 这也可以反应出声发射事件率在此阶段是减少的。

  (4) 失稳破坏阶段 (主裂痕产生阶段) 。在此阶段试件声发射事件率在应力峰值点会出现小波峰。

  对比3组不同配比颗粒大小的类岩石材料试件的声发射事件率-时间-应力的关系曲线可知, 在单轴受压条件下其变形特点与天然岩石的相似, 都先后经历4个阶段:初始压密;弹性变形;塑性变形;裂纹加速扩展至试件破坏。只是3种不同颗粒配比的模拟材料试件在4个阶段的耗时有所不同, 但3种不同配比颗粒的模拟材料试件在4个阶段的声发射特性大致相同, 也存在一些差异。在3组试件中存在的主要差异是随细颗粒比重地增大, BC段 (塑性阶段) 的耗时越来越短, 大约耗时分别为在200, 150, 100s, 占整个实验阶段的时间比例也越来越小。在图4中可以明显地得到3组不同配比试件的峰前声发射事件率, 以及峰值前声发射事件率分别占整个过程的声发射事件率的比例为85%, 86.4%, 85.5%都在比较接近的范围内。3组试件的声发射事件率的峰值点都是在对应的峰值应力前, 在试件破坏时事件率又会出现小波峰。

  声发射的平静期指的是一个“相对的平静”现象, 是指试件在受载荷变形压缩的过程中尤其是在应力达到峰值前的时候声发射信号突然减弱或者监测不到的现象。出现声发射“相对平静期现象”的主要原因可能是岩石材料在主破裂前内部发生应力松弛和应力重新调整。1∶0.5配比的试件在塑性阶段会出现了声发射“相对平静的现象”, 而配比0.5∶1和1∶1的类岩石材料试件没有出现声发射相对平静的现象, 因为配比1∶0.5的试件内部微孔隙比其它2组试件 (配比1∶1和0.5∶1) 的小。

  图4 不同颗粒配比材料的声发射特征曲线

  3 结论

  (1) 2种不同粒径石英晶体颗粒的3组不同配比类岩石材料的试件变形破坏过程与天然岩石材料的变形破坏过程相似, 都大致分为4个阶段:初始压密, 弹性变形, 塑性变形, 裂纹加速扩展至试件破坏。

  (2) 从0.5∶1到1∶1, 1∶0.5不同质量配比的类岩石材料试件的单轴抗压强度随细颗粒比例的增大而逐渐增大。随着细颗粒比例增大, 类岩石材料试件内部微裂隙呈减少的趋势。

  (3) 在不同颗粒配比的类岩石材料试件中, 3组试件声发射特性比较接近, 与天然岩石试件的声发射特性比较类似。颗粒的大小组成与声发射平静期的出现没有明显的规律, 颗粒配比为0.5∶1和1∶1的试件在破坏前的塑性阶段没明出现声发射“相对平静的现象”, 而配比为1∶0.5的试件在塑性变形阶段出现有声发射相对平静的现象。本次试验是探讨类岩石材料的声发射特性, 有可能与声发射相对平静的现象与材料颗粒大小组成无关。有可能与试件本身的差异性有关, 试件在浇筑的过程中由于颗粒比较均质, 大颗粒石英晶体很难和水泥浇筑在一起。

  参考文献
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