热处理砂岩细微观损伤演化及断裂试验研究

羿士龙

(渝黔渝万铁路有限责任公司，重庆 404100)

0 引言

众多学者对不同温度下岩石的宏观物理力学特性展开了大量的研究，并取得了许多关于岩石热损伤断裂方面的研究成果，但从微观损伤及宏观断裂角度分析热处理岩石失效机制的研究较少。因此，本文借助MTS816岩石力学试验、CT扫描、核磁共振成像等方法，探究不同热处理砂岩细微观损伤演化规律及断裂机制。

1 试验方法

1.1 样品准备

研究的岩样取自郑万铁路重庆段雷家坡隧道，该岩样自然状态下呈灰白色，颗粒粒度中等，体积密度为2400kg/m3，纵波波速为3500m/s，孔隙度为10.86%，矿物成分主要以石英和长石为主。

为减少样品之间的差异性，所有试样均取自于同一块岩样，并对岩样进行初始波速筛选。对筛选后的试样进行切割和打磨，按照ISRM标准加工成50mm×100mm的标准试样。之后，对试件分组进行高温加热预处理，加热温度分别为常温、200℃、400℃、600℃、800℃和1000℃共6种工况。为确保试件完全加热，加热至目标温度后在炉子内恒温3h，然后冷却至常温后进行核磁共振成像和力学测试[1]。

1.2 试验装置

试验装置借助MTS 816材料力学试验机并结合PCI-2声发射仪。整个加载过程采用位移控制，速率设置为0.1 mm/min，声发射门槛值和采样频率分别为40dB和1MHz。同时，为探究不同温度作用下砂岩试样细微观损伤演化及断裂特征，借助CT扫描仪和核磁共振仪对不同温度作用下砂岩的裂纹演化特征进行分析。

2 试验结果分析

2.1 砂岩细观损伤表征的观察方法

岩石矿物成分对其物理力学性质的影响起着决定性作用，热处理砂岩的核磁成像结果可直接获得孔隙大小的分布演化特征。具体步骤为：沿着试样的直径方向成像，图像中的圆形光区为样品图像，图像中亮白色区域为水分子信号，白点越多，孔径越大，对应的孔隙度越大。为形成对比，利用图像处理软件进行归一化处理，随着温度的增加，热处理后砂岩细微观孔隙结构明显较常温作用变大，表明试样内氢氦分子含量随着温度的增加逐渐增大。对比图像，可以清楚地反演不同温度下砂岩的损伤演化过程。

2.2 不同温度作用下砂岩宏观破断表观形态

经过高温热处理后，岩样内部铁元素矿物发生化学反应，热处理作用使四价铁元素转变为二价或三价铁氧化物。不同温度作用后砂岩表观形态见图1。

图1 不同温度作用后砂岩表观形态

从图1明显发现，低温处理作用时，岩样颜色未发生改变。当温度增至400℃，试样表观颜色逐渐发生变化，由灰白色向浅红色过渡，随着温度的进一步提高，由浅红色逐渐变为深红色。进一步推测出该砂岩受温度作用后其矿物物理性质突变的临界温度为400℃[2]。

2.3 不同温度作用下砂岩内部裂纹结构演化规律

2.3.1 CT扫描图像及二值化处理

在完成单轴压缩试验后，借助美国西门子公司生产的CT无损检测装置（SOMATOM Scope 24排螺旋CT）对不同温度处理后的砂岩试样进行扫描，X射线显微层析图像是电子在X射线管中撞击钼钨合金靶产生的，电子流为345mA，加速电压130kV，螺旋扫描最长时间为100s。采用X射线计算机断层扫描技术对热处理后的砂岩断裂形态进行扫描分析，沿着试样直径方向由前到后获得连续的切片图像，间隔为0.5mm，因此，整个试样获得大约400张CT切片图像。

为分析不同高度砂岩内部裂纹断裂形态特征，通过选取不同位置的典型切片图像进行分析，沿着试样高度方向，间隔20 mm取一张切片图像。另外，为获得试样内部裂纹结构图像，需要对CT扫描原始图像进行去噪及二值化处理。不同温度作用下砂岩试样CT扫描原始图像及二值化处理见图2。

图2 不同温度处理后砂岩试样CT扫描及二值化

从图2可得知，从CT扫描原始切片图中可看到试样表面有明显的亮点，主要因为测试砂岩主要由石英、长石和碳酸钙组成，三者密度不同，亮点代表密度较大的基质颗粒，暗点代表密度较小的矿物颗粒。通过二值化处理，不同温度作用下砂岩CT图像主要呈现出黑白两色，其中黑色代表岩石基质，白色代表裂纹，岩石基质和裂纹结构黑白分明，便于鉴别。另外，随着温度增加，裂纹断裂复杂程度逐渐减小，该现象进一步证实了高温对岩石内部产生某种程度的损伤[3]。

2.3.2 CT扫描图像重构及裂纹提取

为进一步揭示砂岩内部完整裂纹的断裂贯通特征，借助Avizo软件对CT扫描二维切片图像进行重构，获得不同温度处理砂岩内部裂纹结构特征，从而揭示不同温度作用下裂纹断裂贯通破坏特征。不同温度作用下CT重构图像见图3。

由图3可知，随着温度的增加，岩样内部裂纹结构特征越来越简单，三维重构后的裂纹结构可以直观反应高温处理后岩样内部微裂纹的损伤发育及宏观裂纹的断裂演化。

图3 不同温度作用下砂岩CT图像重构

通过对不同温度作用下砂岩裂纹断裂扩展行为进行定性分析，可以进一步探究高温处理后岩石受载变形破坏后，其内部裂纹的演化特征。不同温度作用下砂岩裂纹三维重构结构见图4。

图4 不同温度作用下砂岩三维裂纹特征

图4直观地再现了不同温度作用下砂岩试样的裂纹断裂演化特征。从图4中还可得知，随着温度的增加，砂岩试样的断裂破坏模式由脆性向塑性转化。当温度低于600℃时，试样内部出现明显的脆性断裂特征，但当温度高于600℃时，试样的破断特征由脆性逐渐转变为塑性[4]。

2.4 不同温度作用下砂岩微观裂纹演化规律

2.4.1 声发射演化特征

声发射监测技术是监测受载岩石类材料从微裂纹损伤到宏观破坏全过程的一种有效方法，声发射信号与岩石内裂纹萌生、扩展和贯通密切相关。根据受载岩石加载变形的特点，可以把整个加载过程分为四个阶段，分别为压密阶段、线弹性变形阶段、屈服阶段及峰后阶段。总体来说，峰值应力前声发射事件活动较少，当轴向应力增至峰值附近时，尤其进入峰后阶段，声发射信号密度及较大量级的声发射事件急剧增加。另外，累积声发射能量-时间曲线呈现出由平缓向急剧上升的变化趋势，见图5。

图5 常温下典型试样声发射能量及累计能量演化规律[3]

2.4.2 微观裂纹演化规律

为了表征加载过程中岩样的裂纹演化规律，通过对声发射计数、持续时间、上升时间和振幅等参数的关系计算得到间接的声发射参数，比如AF和RA。

式中：

C——声发射计数；

DT——持续时间。

式中：

RT——上升时间；

A——振幅。

基于先前研究结论，对参数RA和AF二者之间的比例关系可确定裂纹类型，以往研究得到拉伸和剪切裂纹的比例为1∶70。因此，采用类似方法对不同温度作用下砂岩的微观裂纹进行表征分析。不同温度作用下砂岩微观裂纹演化[5]见图6。

从图6可直观得知，在较低温度热处理作用时，试样内剪切裂纹占优，即破断机制以剪切断裂为主。随着热处理温度的增加，试样内剪切裂纹占比逐渐增加，该现象也进一步说明热处理后，岩石内大量微观裂纹萌生发育，高温热处理后试样内的拉伸裂纹急剧增多。然而，剪切裂纹呈现出相反的变化趋势，即试样内由剪切裂纹主导逐渐向拉伸裂纹主导过渡。

图6 不同温度作用下砂岩微裂纹演化特征

3 结束语

基于CT扫描和核磁共振图像对其细微观损伤演化机制进行研究，主要结论如下：

（1）随着温度的增加，热处理后砂岩细微观孔隙结构明显较常温下变大，试样内水分子含量随着温度的增加逐渐增大，进一步从细观尺度上解释不同温度处理后砂岩裂纹损伤机制。

（2）当温度低于600℃时，试样内出现明显的脆性破断特征，但当温度高于600℃时，试样破断特征由脆性逐渐向塑性转变。

（3）高温热处理后试样内的拉伸裂纹逐渐增多，而剪切裂纹逐渐减少，随着温度升高，试样内由剪切裂纹主导逐渐向拉伸裂纹主导过渡。

（4）不同温度、应力作用后，砂岩的力学指标发生变化，为隧道钻眼深度、炮孔布置、装药量提供了指导依据，同时为隧道安全、快速穿过埋深大的高地热、高应力、岩爆段落施工提供了指导借鉴意义。