一种砂岩相似材料的声发射性能研究

周新宇 徐永峰* 冯美生,2 叶倩华

(1.河北建筑工程学院土木工程学院,河北 张家口 075000;2.山西大同大学建筑与测绘学院,山西 大同 037000)

0 引 言

近年来,由于材料丰富、成本低廉、工艺先进,相似材料的研究被广泛普及,可以解决由于实际环境岩体不可开采等问题.相似材料主要是利用水泥、砂子、铁粉、橡胶粉、减水剂、水等按照一定比例混合,在基本满足相似原理的条件下,使人工材料的物理力学性能指标和天然岩石性能指标相似.杜时贵[1]在相似材料中掺入硅粉模拟剪切结构面的物理力学性能,模拟结构面的磨损程度、粗糙系数、破坏形式均与原岩结构相似.张宁[2]在相似材料中掺入橡胶粉,改性相似材料的表观密度.耿晓阳[3]利用高精铁粉来提高相似材料的密度,得出粘聚力的变化与骨料及掺水量的变化有关.申艳军[4]采用正交实验详细分析了骨料、胶凝材料、水灰比对相似材料强度、导热系数的影响.胡萌[5]为了确定红砂岩相似材料的配合比,采用四因素三水平正交方案,确定了各种掺和料对相似材料的影响.

声发射(AE)是指材料局部因能量的快速释放,产生并发出瞬态弹性波的现象.对声发射现象进行分析,可以得到众多内部破坏过程的信息.李庶林[6]基于声发射对砂岩进行了单轴压缩实验,得到了全过程的力学特征与声发射特征.周逸飞[7]通过RA-AF值对灰岩的破坏模式进行了分析,为预测灰岩破坏提供了参考依据.徐腾飞[8]基于声发射对砂岩进行单轴加载,获得了整个过程的定位事件图,详细研究了砂岩各个阶段破坏情况.

模拟试验要求模型材料据有与模拟岩性相似的力学及变形特征[9],还要求模型的几何特征、物理常数相似.相似材料还要满足以下条件:成本低廉,制作方便,凝固前有较好的和易性,凝固后收缩性低.表面易粘贴测试原件,后期便于施工和修补.改变材料的配比,可使材料的力学性能发生改变,以适应相似条件的需要,不易受外界条件影响,无任何对人体有害的物质.根据弹性力学方程边界分析法,由平衡、几何、物理及边界条件方程可以分别推出线弹性模型与原型的基本相似判据[10]:

Cσ=CLGγ、Cε=CLCδ、Cσ=CECε,Cμ=1Cε=1,Cσ、CL、Cγ、Cε、Cδ、CE、Cμ分别为应力、几何、体积力、应变、位移、弹性模量和泊松比的相似常数.

1 试件制备及实验方法

1.1 试件制备

实验所用水泥为河北金隅生产的P.O 42.5普通硅酸盐水泥,初凝时间大于45 min,终凝试件小于10 h.砂子为河北某公司普通河砂,用筛子选出直径0.3～0.6 mm的中砂.选用高纯铁粉,导热性能较好.选用高效减水剂,减少水的流动性.最终水泥、砂子、水、铁粉、减水剂的比例为1:1:0.35:0.137:0.0125.搅拌均匀后分批次倒入直径50 mm高100 mm的混凝土电通量塑料试模,放入振动台上震荡三分钟,直至模具内无气泡冒出.放入恒温恒湿养护室养护24 h脱模,脱模后的试件继续放入养护室养护28 d.

1.2 试验系统

本实验采用HUALONG-600加载系统,最大轴向压力可达600 kN,声发射系统为北京软岛时代有限公司生产的DS5系列全信息声发射信号分析仪,如图1所示.

图1 压力机与声发射仪

声发射传感器为RS-2A,具体声发射参数见表1.

表1 声发射参数

类砂岩与云冈砂岩应力应变曲线对比,如图2所示.图中可以看出二者均经历了压密阶段、弹性变形阶段、塑性阶段及破坏阶段.两种试件的峰值强度分别为50.77 MPa和52.1 MPa,偏差系数为2.5%;弹性模量取直线或近似直线部分,分别为5.17 GPa和5.26 GPa,偏差系数为1.7%.从以上分析得知,两类试件的力学行为及参数相差不大,据有较高的一致性.预制岩样在实验方面据有可行性,可用预制岩样代替云冈砂岩进行实验研究.

图2 类砂岩云冈砂岩应力应变曲线 图3 类岩石应力与振铃计数关系曲线

2 声发射性能研究

类岩石应力与振铃计数随时间的对应关系如图3所示.

由图3可知,随着应力的提升,振铃计数持续升高.压密阶段,内部裂隙及孔洞较少,类岩石端部与加载板之间摩擦产生声发射事件,振铃计数数量级较小.弹性阶段,由于微裂隙及孔洞闭合,振铃计数在小范围内逐渐上升,说明类岩石在此阶段内开始发生破坏.塑性阶段,由于微裂隙的继续发育及新生裂隙的出现,振铃计数开始大幅度提高,此阶段类岩石材料内部开始产生不可恢复的塑性变形.破坏阶段,振铃计数数量级达到最大值4×104,新老裂隙交错融合形成宏观裂缝,类岩石材料发生脆性破坏,失去承载力.破坏后的振铃计数急剧下降,但仍维持在较高水平.说明类岩石在破坏阶段,较小的压力就可以产生较大的破坏.振铃计数的变化较好的反映了岩石内部破坏的剧烈程度.

2.1 RA-AF分析

完整类岩石在单轴压缩下大多呈剪切、拉伸、拉剪混合型破坏.当破坏面上的剪应力超过其抗剪强度时,发生剪切破坏;当破坏面上的拉应力超过其抗拉强度时,发生拉伸破坏.声发射信号中可以根据RA和AF的相关性判断材料开裂的破坏类型.RA为上升时间与幅值的比值,AF为振铃计数与持续时间的比值,单位为kHz.其中,张拉破坏释放的纵波能量较大,AE波形上升时间短且频率高;剪切破坏释放的横波能量较大,其AE波形上升时间长且频率低.RA和AF的比值k受材料本身性质的影响,根据前人经验将k值取为10,如图4所示.

图4 RA-AF关系曲线

由图4可以看出,类岩石呈高AF低RA值的特征.AF主要分布在50-200 kHz,数据分布向AF轴靠近,AF值越大,说明相同时间内,振铃计数越多,RA值越小,说明相同的持续时间内,声发射波形幅值增长越快,主要发生张拉破坏,剪切破坏较稀疏.

2.2 频率分析

岩石受载过程中产生的大部分是无规律的离散信号,当应力水平较低时,声发射信号原始波形以突发性信号为主,当应力水平较高时,又以连续型信号为主.傅里叶变换是一种常用的波形信号分析法,它可以将声发射原始波形转化为二维频谱图,说明受载过程中频率与幅值的转化关系,能较好地反映信号的全局频谱特征.

(1)

式中:h(τ-t)为分析窗函数;w为信号频率;A为峰频;t为时间;f为三维时频的演化关系图像.频率与时间的关系如图5所示.

图5 频率与时间关系分布图

定义0～100 kHz为低频、100～200 kHz为中频、200 kHz以上为高频信号,由图5可知,类岩石单轴加载过程中,中频和低频信号伴随整个加载过程,主要以170 kHz左右得中频信号及25 kHz和50 kHz的低频信号为主.高频信号出现在破坏过程的中后期,尤其在后期破裂阶段居多.

2.3 损伤定位点分析

声发射定位是利用声发射事件产生时间与声发射探头接收到的时间差原理,采用单纯形算法推出声发射源位置,进而实现损伤定位.声发射和空间定位技术相结合,分析岩石力学及变形特征,获得砂岩在整个破裂过程中声发射信号的动态响应.

(2)

式中:(x,y,z)为声发射源的坐标,(xi,yj,zk)为传感器坐标,vp为声发射纵波波速,t为时间,to为初始时间.

由图6可以看出,压密阶段声发射事件数很少,只占总阶段的5%,由于端部摩擦,只在右侧上下端面出现,分析原因可能是由于端面打磨不平整发生了局部应力集中现象.弹性阶段声发射事件逐渐增多,占总阶段的23%,遍布整个岩体.塑性阶段,声发射事件数急剧增加,声发射事件占据整个单轴加载过程中的48%,此阶段类岩石破坏过程最为严重,与单轴压缩过程中的振铃计数大幅度提升相符合.破坏阶段还有较明显的声发射事件数分布,说明类岩石在达到破坏阶段时,在短时间内就可以产生大量声发射现象.

(a)压密阶段(b)弹性阶段(c)塑性阶段(d)破坏阶段

(e)各个阶段声发射事件占比图6 声发射事件分布及各阶段占比

将最终破坏时的声发射定位图投影到XZ、YZ平面可以看到,声发射事件数大多呈竖向分布,尤其在试件边缘分布较明显,说明岩体大部分发生的是张拉破坏,有小部分为剪切破坏,证明了声发射参数中RA-AF值的分布结果.

(a)XZ方向映射图 (b)YZ方向映射图图7 XZ、YZ平面映射图

3 结 论

本文利用水泥、砂子、铁粉、减水剂、水按照一定比例混合,制作砂岩相似材料,研究了其声发射特性,主要得出以下结论:

(1)类岩石与原岩峰值强度及弹性模量偏差系数分别为2.5%、1.7%,据有高度一致性,用类岩石代替原岩进行实验具有可行性.

(2)通过声发射参数,类岩石单轴压缩主要为张拉破坏,破坏过程峰值频率主要为170 kHz中频信号.通过定位点发现,塑性阶段破坏过程剧烈,破坏过程占总数的48%,破坏裂隙多分布在试件两侧.