鄭志遠(yuǎn),王思雯,金子梁
(中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心,北京100083)
超聲波測(cè)試作為一種無損檢測(cè)技術(shù),在巖石力學(xué)領(lǐng)域和地質(zhì)領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用.超聲波的傳播受到巖石礦物成分、結(jié)構(gòu)、孔隙度、含水量、壓力和溫度等諸多因素的影響[1-8].
關(guān)于超聲波與巖石之間的關(guān)系已有大量的研究.張洪平等通過研究聲波在巖樣內(nèi)傳播的波形規(guī)律,了解了巖樣受到外界壓力后的結(jié)構(gòu)特性,并對(duì)巖石聲波測(cè)量裝置進(jìn)行了研究[9].馬中高等通過對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的分析,提出了定量表述這種速度對(duì)有效壓力的依賴關(guān)系,可用于速度壓力校正、壓力趨勢(shì)分析及時(shí)移地震監(jiān)測(cè)分析[10].Ledebev等測(cè)定了在壓力為600 MPa、溫度為900℃的條件下含有沸石和不含沸石的玄武巖的縱、橫波波速,研究了玄武巖中水化反應(yīng)和脫水反應(yīng)對(duì)波速的影響[11].翟小潔等通過超聲波對(duì)單軸壓縮實(shí)驗(yàn)中巖石擴(kuò)容現(xiàn)象的測(cè)試,分析了超聲橫波在不同巖石壓縮過程中的傳播情況,利用超聲橫波的特性測(cè)出巖石在壓縮的不同階段的微裂紋發(fā)展情況和體積變化情況,進(jìn)一步證明不同巖石在單軸壓縮過程中擴(kuò)容的時(shí)間和程度存在差異[12].到目前為止,在水與巖石超聲性能的研究中,多數(shù)情況是將干燥狀態(tài)和飽水狀態(tài)進(jìn)行對(duì)比,而對(duì)不同吸水量情況下的研究較少.
本文以浮巖、粗面巖、流紋巖等作為測(cè)試巖樣,分析了巖石成分、吸收率、孔隙度等物理量對(duì)超聲波的影響,重點(diǎn)測(cè)量了巖石吸水量和環(huán)境溫度與超聲波傳播速度之間的關(guān)系.
實(shí)驗(yàn)主要利用聲速測(cè)量原理,使用的儀器主要為ZKY-SS聲速測(cè)定試驗(yàn)儀、DS1042C數(shù)字示波器、恒溫水浴箱等.實(shí)驗(yàn)儀器調(diào)整好后,將巖石固定在2個(gè)探頭之間,再用信號(hào)發(fā)生器發(fā)出正弦超聲波.調(diào)整信號(hào)發(fā)生器,使其發(fā)出脈沖超聲波,觀察示波器圖像,記下超聲波通過巖石的時(shí)間.通過巖石的厚度獲得超聲波的傳播速度.所謂飽水狀態(tài)是將巖石樣品浸泡在水槽中使其充分吸水,48 h后取出,測(cè)量超聲波通過的時(shí)間.巖石樣品的不同環(huán)境溫度是通過數(shù)顯恒溫水浴箱來實(shí)現(xiàn).將已達(dá)飽和狀態(tài)的巖石樣品放入一定溫度的恒溫水浴箱中充分加熱,至穩(wěn)定狀態(tài)后將測(cè)量探頭放入水浴箱內(nèi)進(jìn)行測(cè)量.巖石樣品的成分和形貌測(cè)試在北京大學(xué)測(cè)量中心完成.
實(shí)驗(yàn)樣品為浮巖、流紋巖、粗面巖.將形狀不規(guī)則的3種樣品加工成具有兩面平行的50 mm×50 mm的塊狀,如表1所示.
測(cè)量巖石吸水量時(shí)發(fā)現(xiàn),浮巖吸水量最大,樣品吸水量36.15 g,吸水量為原自然狀態(tài)下質(zhì)量的19.26%,這與浮巖本身孔隙率較大、密度相對(duì)較小有關(guān).粗面巖吸水量4.33 g,吸水量為原自然狀態(tài)下質(zhì)量的3.73%;流紋巖吸水量為2.80 g,吸水量為原自然狀態(tài)下質(zhì)量的1.17%.
表1 自然狀態(tài)下樣品的物理參數(shù)
圖1為超聲波通過不同吸水量浮巖中的傳播速度,開始傳播速度隨吸水量增加很快,但吸水量增加到一定程度,傳播速度基本趨于恒定.同時(shí)從圖中可以看出,干燥狀態(tài)與吸水后超聲波的傳播速度相差很大.在飽水狀態(tài)下,超聲波的速度為670 m/s,相對(duì)于自然狀態(tài)下速度提高了0.37倍.另外,流紋巖和粗面巖也呈現(xiàn)出隨吸水量增加速度增加的相似變化趨勢(shì).
圖1 超聲波在不同吸水量浮巖中的傳播速度
圖2 超聲波在自然狀態(tài)和飽水狀態(tài)下不同巖石中的傳播速度
圖2給出了干燥狀態(tài)和飽水狀態(tài)三者超聲波傳播速度的直觀比較.因水進(jìn)入巖石內(nèi)空隙,代替了原先空氣的位置,使得巖石整體密度增加,因此超聲波在飽水狀態(tài)下速度要快.從圖2中可以看出,粗面巖的傳播速度較快.而從它們的孔隙率中看出,粗面巖的孔隙率為1.76%,在三者中并非最大.這表明傳播速度除了與孔隙率有關(guān)外,還與其本身的其他巖性有關(guān)[7-8].
圖3是巖石樣品的SEM形貌,可直觀地看到它們的空隙和密度.流紋巖和粗面巖的密度、顆粒大小、孔隙度都很接近.相對(duì)于粗面巖和流紋巖,浮巖的顆粒較大,密度較小,空隙較大.
圖3 不同巖石的形貌
將浸泡在水中已達(dá)飽和狀態(tài)的巖石放入數(shù)顯恒溫水浴鍋內(nèi)加熱,使巖石本身達(dá)到一定溫度,將超聲探頭直接放于水內(nèi)測(cè)量在該溫度下飽水狀態(tài)巖石的速度.實(shí)驗(yàn)中以粗面巖為測(cè)試巖樣,測(cè)得的溫度對(duì)傳播速度的影響如圖4所示.可以看出,傳播速度隨溫度升高而增大.在15℃時(shí)達(dá)到了1 816 m/s,而在55℃時(shí)達(dá)到了2 114 m/s.
圖4 超聲波在粗面巖不同溫度下的傳播速度
本文對(duì)超聲波通過3種不同巖石的自然狀態(tài)、飽水過程和不同溫度下飽水狀態(tài)的速度進(jìn)行了初步測(cè)量和分析.傳播速度受巖石樣品吸水量的影響明顯,這主要是與巖石的內(nèi)部的空隙結(jié)構(gòu)有關(guān).除此之外,傳播速度還要受到巖石本身的密度、成分、所處溫度等因素的影響.
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