石膏與分口石復(fù)合材料聲發(fā)射實驗

趙挺生 ,唐紹輝 ,徐必根 ,陳天奇

(1.華中科技大學(xué)， 湖北 武漢 430000；2.長沙礦山研究院有限責(zé)任公司，湖南 長沙 410012；3.金屬礦山安全技術(shù)國家重點(diǎn)實驗室， 湖南 長沙 410012)

0 引 言

土木工程材料多為復(fù)合材料，離散性大、強(qiáng)度低，如排土場、高填方路基中的復(fù)合巖土。過去，研究人員較多地進(jìn)行巖土工程破壞過程和聲發(fā)射試驗研究，而對離散性高的復(fù)合低強(qiáng)材料的破壞過程和聲發(fā)射試驗較少。研究表明單軸抗壓強(qiáng)度>2 MPa的均值泥巖隨著荷載的增加，聲發(fā)射信號增加，破裂前聲發(fā)射信號最強(qiáng)[1]；對于單軸抗壓強(qiáng)度>30 MPa的巖石試樣，在低應(yīng)力階段，幾乎沒有聲發(fā)射活動，一般當(dāng)強(qiáng)度達(dá)到80 %以上，即臨近破壞時，聲發(fā)射活動才顯著增加；巖石的聲發(fā)射主頻與巖石的強(qiáng)度有關(guān)，強(qiáng)度越高，主頻也越高，隨著應(yīng)力的增加，巖石的聲發(fā)射主頻不會平移,應(yīng)用1 kHz 的探頭，能滿足工程巖體的穩(wěn)定性分析和冒落預(yù)報的要求[2￣3]。

均值巖石強(qiáng)度達(dá)到峰值時突然破壞，聲發(fā)射明顯增強(qiáng)，而復(fù)合低強(qiáng)相似材料，由于均值性差，出現(xiàn)聲發(fā)射的時間較早，聲發(fā)射呈逐步增加的趨勢，聲發(fā)射峰值不明顯，破壞呈漸進(jìn)性，如圖1所示[4]。

相似材料的單軸壓縮過程中產(chǎn)生較強(qiáng)的AE活動，表明相似材料模擬滑坡過程進(jìn)行AE 監(jiān)測是可行的。同時，相似材料單軸壓縮過程中的AE 活動與天然巖石的AE 活動特征有明顯區(qū)別(位移聲發(fā)射特性)，這反映了相似材料與天然巖石組構(gòu)上的差別。對邊坡模擬表明,邊坡失穩(wěn)過程中滑坡體的位移(水平與垂直)變化趨勢與監(jiān)測到的AE事件的變化趨勢是一致的，當(dāng)臨近滑坡發(fā)生時，位移和AE 事件均發(fā)生突變[5￣6]。

圖1相似材料與矽卡巖聲發(fā)射比較

石膏是易于獲得的工業(yè)原材料，分口石是巖土工程廣泛應(yīng)用的工程材料，與復(fù)合巖土工程材料特征類似[7]。為模擬復(fù)合巖土工程材料，本文采用室內(nèi)試驗方法，對石膏，石膏+分口石復(fù)合材料進(jìn)行受壓破壞過程的聲發(fā)射試驗研究。

1 試驗方案

1.1 復(fù)合材料組成與配合比

復(fù)合材料由石膏和粒徑20～30 mm分口石組成，其重量配比如下：

(1) 水∶石膏=1∶1.5;

(2) 石膏∶分口石=1∶5，水為分口石重的10%。

1.2 復(fù)合材料試樣尺寸及養(yǎng)護(hù)

每類復(fù)合材料試樣，各制作6塊，其中3塊進(jìn)行強(qiáng)度試樣，3塊進(jìn)行聲發(fā)射試驗，試樣尺寸為：

(1) 石膏試樣40 mm×40 mm。

(2) 石膏+分口石復(fù)合材料試樣100 mm×100 mm×100 mm。

由于石膏的性質(zhì)，初凝時間5 min,終凝時間20 min，因此，石膏試樣或石膏+分口石復(fù)合材料試樣均不需養(yǎng)護(hù)，試件成型后第二天即可進(jìn)行實驗。

1.3 復(fù)合材料聲發(fā)射試驗

本次實驗加載測試系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 聲發(fā)射測試系統(tǒng)示意

(1) 石膏試樣試驗。石膏試樣分兩組，一組為干燥試樣，一組為飽水試樣。

通過電動壓力機(jī)加載，用振弦式壓力傳感器測試荷載。每0.5 kN為一荷載等級，每荷載等級測量1 min的聲發(fā)射參數(shù)，并采集1 min的振動波形。試塊的破壞荷載約3 kN，強(qiáng)度約1.2 MPa。

(2) 石膏+分口石復(fù)合材料試樣試驗。通過手動壓力機(jī)加載，用振弦式壓力傳感器測試荷載。每0.5 kN為一荷載等級，在每個荷載等級測取1 min的聲發(fā)射特征參數(shù)。試塊的破壞荷載約4 kN，強(qiáng)度約0.4 MPa。

2 試驗結(jié)果分析

2.1 石膏材料試樣

試樣的破壞特征是：試塊橫向鼓出破壞，表面較多縱向裂縫。

干燥試樣編號SF-G*，飽水試樣編號SF-S*，每級荷載下的聲發(fā)射事件測試結(jié)果見表1。每一試樣的聲發(fā)射大事件累計數(shù)與荷載的關(guān)系曲線如圖3所示。

表1 干濕石膏各荷載等級下的發(fā)射實驗結(jié)果

圖3 石膏試樣隨荷載增加的聲發(fā)射大事件累計數(shù)

從試驗結(jié)果可以看出，干燥或飽水石膏試件的聲發(fā)射特征基本一致。試件在受載初期均有明顯的聲發(fā)射現(xiàn)象，隨著荷載的提高、裂縫發(fā)展聲發(fā)射頻數(shù)不斷提高，但在達(dá)到破壞荷載的50%以后，聲發(fā)射頻數(shù)降低，直至石膏試件破壞。石膏試件聲發(fā)射大事件累計數(shù)量約為巖石試件的20%。

石膏試樣的聲發(fā)射事件的振動峰值幅度為0.019 m/s2，波形頻率約為35 Hz，聲發(fā)射事件的持續(xù)時間約1.1 s。

2.2 石膏和分口石復(fù)合材料

破壞過程,首先是石膏開裂,裂隙連通，然后試塊表面出現(xiàn)較寬的縱向、斜向裂縫，隨后石子開始脫落，試塊散開，失去受載能力。

石膏+石子復(fù)合材料試樣的聲發(fā)射實驗結(jié)果見表2，聲發(fā)射大事件累計數(shù)隨荷載的變化關(guān)系如圖4所示。

可以看出，在加載初期聲發(fā)射事件較少，隨著荷載的增加聲發(fā)射事件數(shù)緩慢增加，在荷載增加到極限荷載的50%以后，試件的發(fā)射事件數(shù)開始急劇增加直至破壞。

表2 石膏+分口石復(fù)合材料試樣聲發(fā)射試驗結(jié)果

圖4 聲發(fā)射大事件累計數(shù)隨荷載變化規(guī)律

2.3 試驗結(jié)果分析

(1) 石膏材料試件受壓破壞過程具有脆性材料特性。其聲發(fā)射特征表現(xiàn)為：

受載初期即有聲發(fā)射現(xiàn)象，之后逐漸增多，到50%極限荷載后開始減少，直至破壞，聲發(fā)射大事件無平靜期;

聲發(fā)射大事件數(shù)總體較多，約為巖石材料的1/5。

(2) 石膏+分口石復(fù)合材料受壓破壞過程具有脆性破壞特征。其聲發(fā)射特征表現(xiàn)為：受載初期聲發(fā)射事件較少，試驗荷載增加到極限荷載的50%后，聲發(fā)射事件逐漸增多，直至破壞，聲發(fā)射大事件無平靜期。聲發(fā)射大事件數(shù)總體較多，其聲發(fā)射早期主要為粘結(jié)破壞產(chǎn)生，此后聲發(fā)射主要由骨料間的摩擦以及骨料破壞產(chǎn)生。

3 結(jié) 論

通過室內(nèi)試塊單向加載聲發(fā)射實驗，對石膏與石膏+分口石復(fù)合材料的聲發(fā)射特性，進(jìn)行了試驗。獲得如下結(jié)果：

(1) 兩種試樣的受壓破壞過程均呈脆性破壞特征；

(2) 兩種材料試樣的聲發(fā)射大事件數(shù)較多，約為巖石材料聲發(fā)射大事件計數(shù)的1%-20%。

(3) 脆性的石膏及石膏+分口石復(fù)合材料聲發(fā)射無平靜期現(xiàn)象。

參考文獻(xiàn)：

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