單軸壓縮下大理巖細(xì)觀裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)研究

武沂泉 曹后龍

(國(guó)核工程有限公司，上海 200233)

0 引言

巖石是由多種礦物晶粒、孔隙和膠結(jié)物組成的復(fù)合體，隨機(jī)分布有微觀孔隙和裂紋。這些微孔隙和裂紋對(duì)巖石強(qiáng)度及變形特性有很大影響。巖石的宏觀破壞與微裂紋的萌生、發(fā)展和貫通密切相關(guān)。對(duì)于巖石這類材料，Michael E Kassner等［1］學(xué)者認(rèn)為只有建立多尺度的力學(xué)模型才能真正了解微裂紋起裂的機(jī)理。近年來(lái)，掃描電鏡(SEM)作為一種巖石細(xì)觀損傷的檢測(cè)方法的應(yīng)用，進(jìn)一步推動(dòng)了對(duì)巖石細(xì)觀裂紋擴(kuò)展的研究工作。Robina H C等［2］于1996年研究了初始微裂紋密度和巖石微顆粒尺寸對(duì)于Yuen Long大理石巖樣單軸壓縮強(qiáng)度的影響。Yossef H Hatzor等［3］于1997年研究了白云石的細(xì)觀結(jié)構(gòu)與微裂紋起裂的初始應(yīng)力和試樣最終強(qiáng)度之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)巖石微結(jié)構(gòu)對(duì)其強(qiáng)度極限的影響非常大。許江［4］于1986年采用帶有加載裝置的光學(xué)顯微鏡對(duì)砂巖完成了不同加載階段的裂紋損傷分析。趙永紅等［5-7］研究了帶斜向中心割縫的大理巖板中破裂的發(fā)生與擴(kuò)展過(guò)程，李煉等［8］研究了花崗巖的微裂紋的發(fā)展過(guò)程。

本文采用了帶有加載裝置的掃描電鏡(SEM)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)觀測(cè)系統(tǒng)，利用此系統(tǒng)對(duì)大理巖試件進(jìn)行了單軸壓縮下的SEM觀測(cè)試驗(yàn)和基于SEM圖像的數(shù)字化定量分析研究，獲取了大理巖在各級(jí)荷載下的大量細(xì)觀圖像，利用數(shù)字圖像處理技術(shù)，對(duì)大理巖試件在受單軸壓縮時(shí)所產(chǎn)生的細(xì)觀裂紋的萌生、擴(kuò)展過(guò)程進(jìn)行了定性和定量分析，得到細(xì)觀裂紋擴(kuò)展的規(guī)律。

1 壓縮過(guò)程SEM觀測(cè)試驗(yàn)試件制備及試驗(yàn)設(shè)備

為了保證試樣性質(zhì)的均一性，嚴(yán)格密集采樣。所選用的大理巖以白色為主，局部略帶黑色，由碳酸鹽礦物成分組成，細(xì)粒變晶結(jié)構(gòu)為主，部分為粗粒變晶結(jié)構(gòu)，宏觀均勻一致。

本文用到的SEM下的壓縮試件，是從100 mm×50 mm(高×直徑)的大理巖宏觀試樣經(jīng)切割、打磨形成的15×4×2(長(zhǎng)×寬×厚)的SEM下壓縮試件，為了進(jìn)行掃描電鏡觀測(cè)，對(duì)試件表面進(jìn)行拋光及鍍金處理。

試驗(yàn)裝置系統(tǒng)主要包括:日本HITACHI S-570掃描電子顯微鏡(分辨率3.5 nm，最大加速電壓30 kV，放大倍數(shù)不小于5萬(wàn)倍)和由中科院力學(xué)所自行開發(fā)研制的伺服加載系統(tǒng)(荷載范圍0 N～2 000 N，測(cè)量誤差為±0.5 N，拉壓最大行程0 mm～10 mm，位移測(cè)量誤差為0.001 mm)。

2 加載過(guò)程中圖像的獲取與處理

將經(jīng)過(guò)清洗、干燥、鍍金后的試件放在加載裝置上進(jìn)行加載。在加載初期，以100 N作為一個(gè)步長(zhǎng)進(jìn)行加壓。當(dāng)出現(xiàn)明顯細(xì)觀裂紋時(shí)，縮小步長(zhǎng)至50 N繼續(xù)加載，直至試樣破壞。每個(gè)步長(zhǎng)大約持續(xù)1 min～2 min。在加載的過(guò)程中利用SEM對(duì)試件表面細(xì)觀裂紋進(jìn)行了拍攝，考慮到圖像放大倍數(shù)和圖像顯示范圍的相互制約，結(jié)合文獻(xiàn)［9］［10］和本次試驗(yàn)的具體情況，放大倍數(shù)采用30倍，100倍為主，得到一系列各級(jí)荷載下的細(xì)觀裂紋擴(kuò)展情況的圖像。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和數(shù)字圖像處理的發(fā)展，使得通過(guò)分析巖石試件細(xì)觀圖像得到巖石細(xì)觀結(jié)構(gòu)參數(shù)量化信息成為可能。本試驗(yàn)根據(jù)SEM圖像的特點(diǎn)，基于MATABLE編制開發(fā)的巖石細(xì)觀結(jié)構(gòu)SEM圖像處理程序［9］對(duì)本試驗(yàn)中的掃描圖片進(jìn)行圖像處理，實(shí)現(xiàn)從SEM圖像(見圖1a))到程序識(shí)別后的二值化圖像(見圖1b))的轉(zhuǎn)化，并進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)從二值化圖像上對(duì)裂紋的長(zhǎng)度、面積等細(xì)觀數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確獲取。

圖1 處理前后圖像

3 微裂紋發(fā)展過(guò)程定性分析

加載過(guò)程的應(yīng)力應(yīng)變曲線見圖2，σc為加載應(yīng)力應(yīng)變曲線的極限應(yīng)力。在未加荷載時(shí)，見圖3a)，大理巖試件表面初始損傷很小，表面微裂紋較少，從細(xì)觀尺度上存在明顯的不均勻性。當(dāng)軸向應(yīng)力達(dá)到20 MPa(0.25σc)時(shí)，見圖3b)，試件表面變化不是很明顯，這些微裂紋方向均與軸向荷載方向一致或成小夾角，且在寬度上都很細(xì)。當(dāng)達(dá)到40 MPa(0.5σc)時(shí)，見圖3c)，在原有基礎(chǔ)上微裂紋有所擴(kuò)展，此時(shí)已出現(xiàn)明顯發(fā)育的分叉裂紋，這主要是由大理巖這種巖石的致密結(jié)構(gòu)和初始損傷較小引起的，微裂紋數(shù)量明顯增多，方向基本上與加載方向一致或成較小夾角。繼續(xù)加載達(dá)到60 MPa(0.75σc)，見圖3d)，此時(shí)，分叉裂紋極其發(fā)育，微裂紋明顯變粗并伴隨一些細(xì)裂紋的閉合，這是巖石在損傷演化過(guò)程中應(yīng)力集中消弛現(xiàn)象，即原有的局部應(yīng)力集中發(fā)生調(diào)整、消散和轉(zhuǎn)移。裂紋兩側(cè)的相對(duì)位移多是垂直裂紋的橫向拉開，主裂紋正逐漸在分叉裂紋的基礎(chǔ)上慢慢形成。當(dāng)加載到軸向應(yīng)力為80 MPa(σc左右)，見圖3e)，此時(shí)主裂紋基本沿加載軸方向以張開形式快速擴(kuò)展，主裂紋不斷變粗，周圍的微裂紋由于主裂紋的擴(kuò)展導(dǎo)致能量的轉(zhuǎn)移，部分出現(xiàn)閉合、消失，裂紋兩側(cè)以張拉位移為主伴隨著縱向的剪切錯(cuò)動(dòng)，直至宏觀裂紋的形成，試件發(fā)生破壞。

圖2 加載過(guò)程應(yīng)力應(yīng)變曲線

4 微裂紋發(fā)展過(guò)程定量分析

通過(guò)對(duì)大量圖片信息的統(tǒng)計(jì)分析，可以獲得微裂紋細(xì)觀參數(shù)隨應(yīng)力狀態(tài)的變化規(guī)律。本文對(duì)裂紋擴(kuò)展過(guò)程中的裂隙方位角、長(zhǎng)度、面積進(jìn)行量化分析，其結(jié)果見表1。由表1以及圖4，圖5可見微裂隙方位角加載過(guò)程中變化不大，保持與加載方向成較小的夾角，隨著應(yīng)力的增大裂紋趨向軸力方向，裂紋總長(zhǎng)度及面積隨著應(yīng)力的增大持續(xù)增長(zhǎng)，增長(zhǎng)速率隨應(yīng)力的增大而提高，面積增長(zhǎng)的速率要大于長(zhǎng)度增長(zhǎng)的速率，在60 MPa～80 MPa裂紋的長(zhǎng)度、面積增長(zhǎng)最快，可見這一階段是裂紋的不穩(wěn)定擴(kuò)展階段。

圖3 不同應(yīng)力下SEM圖像

表1 不同應(yīng)力下細(xì)觀參數(shù)統(tǒng)計(jì)表

圖4 微裂紋長(zhǎng)度—應(yīng)力圖

圖5 微裂紋面積—應(yīng)力圖

5 結(jié)語(yǔ)

1)利用掃描電鏡(SEM)，對(duì)大理巖試件的細(xì)觀裂紋在荷載作用下進(jìn)行跟蹤觀測(cè)，得到細(xì)觀裂紋擴(kuò)展過(guò)程圖像，運(yùn)用圖像處理技術(shù)對(duì)圖像進(jìn)行處理，提取了圖像的信息。

2)加載初期由于初始損傷和細(xì)觀的不均勻性的存在，造成試件局部應(yīng)力集中，出現(xiàn)拉裂紋，在加載過(guò)程中分叉裂紋極其發(fā)育。

3)加載后期主裂紋基本沿加載軸方向以張開形式快速擴(kuò)展，主裂紋不斷變粗，周圍的微裂紋由于主裂紋的擴(kuò)展導(dǎo)致能量的轉(zhuǎn)移，部分出現(xiàn)閉合、消失，裂紋兩側(cè)以張拉位移為主伴隨著縱向的剪切錯(cuò)動(dòng)，直至宏觀裂紋的形成，試件發(fā)生破壞。

4)微裂紋擴(kuò)展方向幾乎平行于加載方向，微裂紋總長(zhǎng)度及面積隨著應(yīng)力的增大持續(xù)增長(zhǎng)，增長(zhǎng)速率也不斷增大。

［1］Michael E Kassner，Sia Nemat-Nasser，Zhigang Suo，et al.New Directions in Mechanics［J］.Mechanics of Materials，2005(37):231-259.

［2］Robina H C，Wong K T，Chau P Wang.Microcracking and Grain Size Effect in Yuen Long Marbles［J］.International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences，1996，33(5):479-485.

［3］Yossef H Hatzor，Alon Zur，Yaakov Mimran.Microstructure effects on microcracking and brittle failure of dolomites［J］.Tectonophysics，1997(281):141-161.

［4］許 江.對(duì)單軸應(yīng)力狀態(tài)下砂巖微觀斷裂發(fā)展全過(guò)程的試驗(yàn)研究［J］.力學(xué)與實(shí)踐，1986，8(4):24-28.

［5］趙永紅，黃杰藩，王 仁.巖石破裂發(fā)育的掃描電鏡即時(shí)研究［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，1992，11(3):284-294.

［6］趙永紅，黃杰藩，王 仁.破裂帶發(fā)育的SEM實(shí)驗(yàn)研究及其對(duì)地震前兆的啟示［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，1993，36(4):453-462.

［7］趙永紅，黃杰藩，侯建軍，等.巖石細(xì)觀破裂的實(shí)驗(yàn)觀測(cè)研究及其對(duì)了解地震活動(dòng)的啟示［J］.地球物理學(xué)報(bào)，1995，38(5):627-635.

［8］李 煉，徐 鉞，李啟光，等.花崗巖漸進(jìn)破壞過(guò)程的微觀研究［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2002，21(7):940-947.

［9］朱珍德，渠文平，蔣志堅(jiān).巖石細(xì)觀結(jié)構(gòu)量化實(shí)驗(yàn)研究［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2007，26(7):1313-1324.

［10］渠文平.基于數(shù)字圖像處理技術(shù)的巖石細(xì)觀量化試驗(yàn)研究［D］.南京:河海大學(xué)碩士學(xué)位論文，2006.