粒度对红砂岩力学性质影响规律与机制试验研究

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(山东科技大学 矿山灾害预防控制省部共建国家重点实验室培育基地，山东 青岛 266590)

粒度对红砂岩力学性质影响规律与机制试验研究

陈绍杰，郭宇航，黄万朋，尹大伟

(山东科技大学 矿山灾害预防控制省部共建国家重点实验室培育基地，山东 青岛 266590)

为研究颗粒粒度对岩石力学特性的影响规律，对不同粒度红砂岩进行了单轴压缩与巴西劈裂拉伸试验。研究表明：红砂岩试验试件密度、单轴抗压强度、弹性模量和单轴抗拉强度最大离散系数分别为0.74%、6.65%、1.12%、9.64%，试验所用红砂岩试件均质性良好；当砂岩颗粒粒度较大时，砂岩单轴抗拉强度、单轴抗压强度、弹性模量等都呈现偏低特征，细粒红砂岩单轴抗压强度、弹性模量、单轴抗拉强度分别是粗粒红砂岩1.28倍、1.19倍、1.62倍。颗粒作为砂岩最基本构成单位，其大小差异导致砂岩内部空间结构的改变，造成其矿物成分、微细观组构特征呈现差异性，进而影响其宏观物理性质，最终决定不同粒度红砂岩石具有相异力学特性。

粒度；红砂岩；力学特性；影响规律；影响机制；试验

Abstract: In order to study the influence regularity and mechanism of particle size on the mechanical properties of rock, uniaxial compression tests and Brazil splitting tests were carried out on red sandstone with different particle sizes. The results show that the red sandstone specimens have good homogeneity, with the maximum dispersion coefficient of the density, uniaxial compressive strength; elastic modulus and uniaxial tensile strength being 0.75%, 6.66%, 0.78% and 9.64% respectively. The uniaxial compressive strength, elastic modulus and uniaxial tensile strength decrease with the increase of particle size. The uniaxial compressive strength, elastic modulus and uniaxial tensile strength of fine-grained red sandstone are 1.28 times, 1.19 times, and 1.62 times of that of coarse grained red sandstone respectively. As the most basic unit of sandstone, particles have different sizes which give rise to the variety of sandstone internal spatial structure and the differences of mineral composition and micro structure characteristics, further affecting the macroscopic physical and mechanical properties and ultimately determining the different mechanical properties of red sandstone with different particle sizes.

Keywords: particle size; red sandstone; mechanical properties; influence regularity; influence mechanism; experiment

岩石是一种由矿物颗粒胶结而成的各向异性集合体[1]，矿物颗粒性质会影响岩石内部微细观组份结构，从而造成岩石力学性质的差异。对于同种岩性岩石，其颗粒与胶结物的矿物成分基本一致，力学性质差异主要是由于颗粒粒度和微细观结构造成的。

国内外对影响岩石力学性质的诸多因素开展了大量研究，颗粒基本性质与宏观岩石力学特性密切相关，而岩石颗粒粒度是影响其强度、变形以及破坏等力学行为的重要基础因素之一。不同颗粒粒度岩石内部空间结构与矿物组分具有较大差异，造成不同的岩石力学性质，因此粒度对岩石力学特性的力学试验规律及内在机制仍需进一步研究。鉴于此，本文以均质性较好的不同粒度红砂岩为研究对象，在岛津AG-X250电子万能试验机上进行了单轴压缩和巴西劈裂试验，研究了粒度对红砂岩力学性质影响规律与内在机制，对认识颗粒粒度对岩石力学特性的影响特征具有重要意义。

1 不同粒度红砂岩力学特性试验

1.1 试件制备

试验选用均质性较好的红砂岩，取自山东省临沂市莒南县地下50～60 m。岩块呈褐红色，质地均匀，同粒度岩块色泽统一。如图1所示，光学显微镜下，试验中细粒度红砂岩粒径为0.005～0.07 mm，粗粒度粒径0.07～0.3 mm，分别称之为细粒红砂岩和粗粒红砂岩。

图1 两类红砂岩粒度

红砂岩岩块加工成50 mm×100 mm的圆柱体标准试件与50 mm×25 mm的圆盘试件，并使试件端面平面度公差小于0.05 mm，断面不平整度小于0.002 mm[13]。加工获得部分试件如图2所示，圆柱体标准试件分为A～F六组，其中A、E两组为细粒红砂岩试件，B、C、D、F为粗粒红砂岩试件；巴西圆盘试件分为TA～TF六组，其中TA、TE两组为细粒红砂岩试件，TB、TC、TD、TF为粗粒红砂岩试件。

图2 红砂岩试件

1.2 试验方案

采用MP1002电子天平对红砂岩试件进行质量测量，设备测量范围10 mg～1 000 g。采用光学数码显微镜DVM2500观测并统计红砂岩粒度。采用岛津AG-X250电子万能试验机进行单轴压缩试验及巴西劈裂试验，加载方式均采用位移控制加载，加载速率设定为0.01 mm/s。巴西劈裂试验每组六个试件，单轴压缩试验每组三个试件。

为考查红砂岩试件的均质性，准确获得不同粒度红砂岩力学特性，首先进行粗粒、细粒红砂岩离散性分析，具体方案如下：测量试件的直径、高度、质量等基本物理参数后计算试件密度值，进行密度离散性分析；采用单轴压缩试验与巴西劈裂试验结果进行强度等力学特征的离散性分析。

2 试验结果与分析

2.1 离散性分析

根据密度值与单轴压缩试验结果。采用公式(1)分别计算每组试件密度、单轴抗压强度、弹性模量和单轴抗拉强度离散系数，分析其离散性。计算结果见表1。

(1)

由表1可知，每组试件密度离散系数最大0.74%，单轴抗压强度离散系数最大6.66%，弹性模量离散系数最大1.12%，单轴抗拉强度离散系数最大9.64%。各组试件密度值、弹性模量、峰值强度离散系数均在低范围内波动，说明所选用红砂岩均质性较好，离散性小，可用以研究不同粒度条件下红砂岩力学特性，正确反应粒度对红砂岩岩石力学性质的影响规律。

表1 离散系数表

2.2 巴西劈裂试验结果与分析

2.2.1 巴西劈裂抗拉强度特征

巴西劈裂试验测得数据见表2，细粒红砂岩抗拉强度介于5.05～8.28 MPa之间，其平均值为7.01 MPa；粗粒红砂岩抗拉强度介于3.44～5.25 MPa之间，其平均值为4.32 MPa；细粒红砂岩强度是粗粒红砂岩1.62倍。

表2 巴西劈裂试验结果

图3 抗拉强度平均值

(由左向右编号分别为：TA-4、TC-4)

图5 红砂岩单轴抗压强度、弹性模量与密度关系

如图3所示，相比由粗颗粒胶结组成的红砂岩试件(TB、TC、TD、TF)，较细颗粒胶结组成的红砂岩试件(TA、TE)整体具有偏高的抗拉强度。随粒度变大，红砂岩试件抗拉强度变小，呈现出相反趋势，同时试件密度值随粒度增大而增大。

2.2.2 巴西劈裂拉伸破坏特征

巴西劈裂试验试件破坏特征如图4所示，对于试件破坏形式，经巴西劈裂试验的细粒、粗粒红砂岩试件无较大差别，试件基本沿对称轴破裂；而在破碎程度上，细粒红砂岩试件破坏后破碎程度较大，完整性偏低，试件承载破坏时崩裂、解体的特性较之粗粒红砂岩试件严重。

2.3 单轴压缩试验结果与分析

2.3.1 单轴压缩强度特征

单轴压缩试验测得数据见表3，细粒红砂岩单轴抗压强度介于105.91～123.67 MPa之间，其平均值为117.42MPa；弹性模量介于7 742.23～7 997.10 MPa之间，其平均值为7 851.00 MPa。粗粒红砂岩单轴抗压强度介于83.32～96.39 MPa之间，其平均值为91.56 MPa；弹性模量介于6 413.06～6 686.75 MPa之间，其平均值为6 584.47 MPa。细粒红砂岩单轴抗压强度是粗粒红砂岩1.28倍，弹性模量是粗粒红砂岩1.19倍。

如图5所示，相较由粗颗粒胶结组成的红砂岩试件(B、C、D、F)，较细颗粒胶结组成的红砂岩试件(A、E)整体具有偏高单轴抗压强度和弹性模量。随粒度增大，红砂岩试件单轴抗压强度和弹性模量减小，呈现出相反趋势，并且试件密度值随粒度增大而增大。

2.3.2 单轴压缩破坏特征

单轴压缩试验的试件破坏特征如图6所示，经单轴压缩试验的细粒、粗粒红砂岩破坏形式较为相似，总体破坏形式以成45°剪切破坏为主，部分试件破坏后以圆锥体形式存在；而在破碎程度上，细粒红砂岩试件破坏后都表现出较大破碎程度，完整性偏低，试件崩裂、解体特性较之粗粒红砂岩试件严重，而较粗粒度试件能够保留基本的试件完整性。

表3 单轴压缩试验结果Tab.3 Uniaxial compression test results

(由左向右编号分别为：A-2、E-6、C-6、F-12)

3 影响规律与机制分析

3.1 粒度对红砂岩力学性质影响规律分析

粗粒红砂岩与细粒红砂岩全应力-应变曲线在各个阶段表现出不同特征。如图7所示，该岩样具有较完整的压密阶段和弹性阶段，但弹塑性阶段未出现或出现过程短，到达峰值时，应力-应变曲线瞬间跌落，细粒、粗粒红砂岩具体区别之处如下：

1) 压密阶段：粗粒红砂岩的压密阶段相对较长，试件经过相当长的加载过程后进入下一变形阶段，说明较粗粒红砂岩内部构造含有更多空隙、微孔洞等缺陷，岩石颗粒的胶结程度不完全，内部整体性差，宏观表现出较为劣化的力学性质。

2) 弹性阶段：曲线弹性变形期间，粗粒红砂岩加载过程比细粒红砂岩短，并且弹性模量偏低。表明较细粒红砂岩刚度大，抵抗弹性变形的能力强，具有更好的整体性。

3) 弹塑性阶段：曲线以近似直线的趋势到达其峰值强度，而粗粒红砂岩曲线在到达峰值强度前仍具有一定的平滑区域。说明由较粗颗粒胶结而成的红砂岩试件比较细粒红砂岩塑形特性好，而较细细粒度红砂岩试件曲线未出现或极少出现弹塑性阶段，内部构造严密。

4) 破坏阶段：试件到达峰值强度后很快破坏，细粒、粗粒红砂岩均瞬间破裂，伴随有巨大爆裂声；相较细粒红砂岩，粗粒红砂岩破坏时的应变值偏大，说明其承受载荷后具有偏高的变形特性，但相较一般岩石仍具有极大的脆性特性。

粒度对红砂岩力学特性影响效果见表4，当红砂岩颗粒粒度较大时，砂岩单轴抗拉强度、单轴抗压强度、弹性模量等都呈现偏低特征，而密度却呈相反结果，残余试件亦具有较好完整性；而较细粒红砂岩内部构造严密，具有颇高强度特性，并且脆性特征明显，试件破坏时产生巨大爆裂声。

3.2 粒度对红砂岩力学性质影响机制分析

红砂岩主要由碎屑矿物和黏土矿物组成，黏土矿物是主要胶结物，碎屑颗粒是组成红砂岩的基础物质单位，影响红砂岩岩石力学性质重要因素之一是颗粒粒度。

图7 单轴压缩全应力-应变曲线

分 类 单轴抗拉强度/MPa单轴抗压强度/MPa弹性模量/MPa密度/(g/cm3)残余试件完整性细红砂岩7.01117.427851.002.38低↓↓↓↓↓粗红砂岩4.3291.566584.472.42高

注：箭头为降低符号

图8 粗粒、细粒红砂岩示意图Fig.8 Schematic diagram of coarse grained and fine grained red sandstone

红砂岩宏观特性由其微细观结构决定，颗粒作为砂岩最基本构成单位，其大小差异导致砂岩内部空间结构的改变，如图8所示。砂岩矿物颗粒较细时，碎屑矿物颗粒所占比重会相应增加，而发挥胶结作用的粘土性矿物颗粒比重降低，进而改变红砂岩的矿物组分，同时矿物组分的改变导致红砂岩本身质量的变化，造成红砂岩标准试件密度值的不同，这与粗粒、细粒红砂岩试件呈现出不同密度值的试验结果相符合。

红砂岩平均粒度小时，碎屑颗粒平均密度高，岩块整体密实程度较高，颗粒与颗粒之间、颗粒与胶结物之间接触面积增加，颗粒粘结作用能力变强，胶结物与碎屑颗粒之间的胶结作用效果变强，使其宏观力学特征表现出偏高的抗压、抗拉性能及脆性特征，并且红砂岩试件到达其承载极限破坏时，细粒试件残余部分完整性偏低，试件崩解、解体特性严重。

颗粒粒度与红砂岩矿物组分、密实程度、矿物颗粒之间的接触面积和胶结程度密切相关。粒度通过影响红砂岩矿物成分、胶结方式、组构特点等微细观特征，改变其宏观物理力学特性，当红砂岩矿物组分和组构特点改变时，表征其宏观物理特征的密度等指标会产生相应变化，而其承受载荷时强度等特征也将呈现出不同之处。红砂岩因碎屑粒度不同形成相异微细观结构，进而导致其宏观物理力学性质的差别，最终决定不同粒度红砂岩具有相异岩石力学性质。也即是说，颗粒粒度是影响红砂岩岩石力学性质的内在因素，是引发红砂岩物理力学性质差异的基础诱因。

4 结论

通过对两种粒度红砂岩进行的系列岩石力学试验得出如下结论：

1) 较细颗粒红砂岩结构致密，具有偏低的变形特性，失去承载能力时，岩石破碎程度高，并且其内部颗粒之间的胶结程度比粗粒度红砂岩完善，试件的密实性更好，宏观表现为细粒度颗粒胶结组合成的红砂岩抗拉性能、抗压性能更好，呈现出细粒度，低密度，高强度的规律性。

2) 粒度影响砂岩基本物理性质与力学特性，较细粒度颗粒胶结组成的红砂岩试件具有颇高的单轴抗拉强度、单轴抗压强度与弹性模量，并且细粒红砂岩单轴抗压强度、弹性模量、单轴抗拉强度分别是粗粒红砂岩1.28倍、1.19倍、1.62倍。

3) 粒度通过改变红砂岩内部空间结构特征影响红砂岩矿物成分、胶结方式、组构特点等微细观特征，导致不同粒度红砂岩宏观物理力学特性互有差别。颗粒粒度是影响砂岩岩石力学性质的内在因素，是引发砂岩物理力学性质差异的基础诱因。

[1]POTYONDY D O,CUNDALL P A.A bonded-particle model for rock[J].International Journal of Rock Mechanics & Mining Sciences,2004,41:1329-1364.

[2]JOHANSSON E.Technological properties of rock aggregates[D].Lulea:University of Technology,2011.

[3]LINDQVIST J E,ÅKESSON U,MALAGA K.Microstructure and functional properties of rock materials[J].Materials Characterization,2007,58:1183-1188.

[5]孟召平,彭苏萍,傅继彤.含煤岩系岩石力学性质控制因素探讨[J].岩石力学与工程学报,2002,21(1):102-106. MENG Zhaoping,PENG Suping,FU Jitong,et al.Study on control factors of rock mechanics properties of coal-bearing formation[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2002,21(1):102-106.[6]孟召平,彭苏萍,屈洪亮.煤层顶底板岩石成分和结构与其力学性质的关系[J].岩石力学与工程学报,2000,19(2):136-139. MENG Zhaoping,PENG Suping,QU Hongliang,et al.The relationship between composition and texture of sedimentary rock and its mechanical properties in the roof and floor[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2000,19(2):136-139.

[7]邹航,刘建锋,边宇，等.不同粒度砂岩力学特性和渗透性实验研究[J].岩土工程学报,2015,37(8):1462-1468. ZOU Hang,LIU Jianfeng,BIAN Yu,et al.Experimental study on mechanical and permeability properties of sandstone with different granularities[J].Chinese Journal of Geotechnical Engineering,2015,37(8):1462-1468.

[8]左建平,柴能斌,赵灿,等.门头沟玄武岩细观矿物组成与宏观力学行为的关联性研究[J].应用基础与工程科学学报,2015,23(5):942-951. ZUO Jianping,CHAI Nengbin,ZHAO Can,et al.Investigation on the relationship between of micro/meso mineral composition and macro mechanical behavior of Moutougou basalt[J].Journal of Basic Science and Engineering,2015,23(5):942-951.

[9]陈佃浩,李廷春,吕学安,等.红砂岩不同张开度表面裂隙三维扩展模式研究[J].山东科技大学学报(自然科学版),2016,35(5):63-69. CHEN Dianhao,LI Tingchun,LÜ Xuean,et al.Three-dimensional extension mode of red sandstone with different opening surface cracks[J].Journal of Shandong University of Science and Technology (Natural Science),2016,35(5):63-69.

[10]韩铁林,陈蕴生,宋勇军，等.不同应力路径下砂岩力学特性的试验研究[J]．岩石力学与工程学报，2012，31(增2):3659-3966． HAN Tielin,CHEN Yunsheng,SONG Yongjun,et al.Experimental study of mechanical characteristics of sandstone under different loading paths[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2012,31(S2):3659-3966．

[11]刘先珊,许明．粒度分布对胶结砂岩力学特性的影响[J].中国石油大学学报(自然科学版),2014,38(5):142-148. LIU Xianshan,XU Ming,Effects of particle size distribution on mechanical characteristics of cemented sandstone[J].Journal of China University of Petroleum (Natural Science),2014,38(5):142-148.

[12]康瀚.不同粒度砂岩三轴压缩力学特性试验研究[J].路基工程,2013(6):94-96. KANG Han.Experimental study on mechanical characteristics of triaxial compression of sandstone in different sizes[J].Subgrade Engineering,2013(6):94-96.

[13]国际岩石力学学会实验室和现场试验标准化委员会.岩石力学试验建议方法[S].北京:煤炭工业出版社,1982:2-10.

(责任编辑：傅 游)

ExperimentalStudyofInfluenceRegularityandMechanismofParticleSizeonMechanicalPropertiesofRedSandstone

CHEN Shaojie, GUO Yuhang, HUANG Wanpeng, YIN Dawei

(State Key Laboratory of Mining Disaster Prevention and Control Co-founded by Shandong Province and Ministry of Science and Technology, Shandong University of Science and Technology, Qingdao, Shandong 266590, China)

UT458

A

1672-3767(2017)06-0008-07

10.16452/j.cnki.sdkjzk.2017.06.002

2017-04-10

国家自然科学基金项目(51474134，51774194，51774195)；山东省自然科学基金杰出青年基金项目(JQ201612)；山东省重点研发计划(2017GSF17112)；中国博士后科学基金项目(2016M5906467)

陈绍杰(1978—)，男，副教授，博士生导师，主要从事采矿工程、岩石力学方面的教学与研究工作. E-mail：chensj@sdust.edu.cn 郭宇航(1992—)，男，山东菏泽人，硕士研究生，主要从事采矿工程方面的研究，本文通信作者. E-mail：yuhang1506@163.com