基于磁場理論的礦巖加載損傷破壞表征研究*

王明旭，許夢國，趙文斌，張玉山

(1. 武漢科技大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院，湖北 武漢 430081；2. 武漢科技大學(xué) 冶金礦產(chǎn)資源高效利用與造塊湖北省重點實驗室，湖北 武漢 430081)

0　引言

無論對于配比試樣，還是鉆孔切割打磨的礦巖，尤其是內(nèi)部節(jié)理較發(fā)育的礦巖，在單軸或三軸加載過程中，其內(nèi)部的損傷破壞，特別是臨空面的損傷破壞監(jiān)測情況都很難通過相關(guān)的儀器設(shè)備進行監(jiān)測。目前對加載破壞的試件進行內(nèi)部損傷破壞的儀器主要有聲發(fā)射儀[1]、CT掃描儀、電鏡掃描儀(截面)、X射線透射儀。聲發(fā)射儀對試驗過程中的周環(huán)境要求較高，試樣或試件主要是內(nèi)部損傷破壞時產(chǎn)生的彈性波被貼置表壁的探頭接收。對于承載能力強的巖石試件，聲發(fā)射現(xiàn)象明顯，而對于配比試樣，如果強度較低，在加載過程中的聲發(fā)射現(xiàn)象并不明顯。而CT掃描儀、電鏡掃描儀、X射線透射儀等監(jiān)測成本較高。如何更方便、成本更低地監(jiān)測大量低強度配比試樣的損傷破壞情況，是一個值得深入研究的課題。本文是在研究考慮時間效應(yīng)的充填體與圍巖相互力學(xué)作用機理的室內(nèi)模擬配比試驗中探索出的一種通過加入磁粉配比成型后充磁的磁感應(yīng)強度測量方法來研究接觸面或接觸帶附近的損傷破壞情況。

目前利用磁場理論測量配比試樣或巖石磁感應(yīng)強度的研究方式主要有2種。一種是自然界有一些巖石本身所具有的微磁性或受壓產(chǎn)生的電磁輻射。在外加應(yīng)力作用下發(fā)生的磁感應(yīng)強度變化[2]，如應(yīng)力對磁組構(gòu)[3]，應(yīng)力對磁性特征[4]，應(yīng)力對磁場空間分布[5]以及巖石破裂產(chǎn)生的磁信號和電信號的變化[6-8]。同時節(jié)理[9]、溫度[10-12]等也會對電磁輻射產(chǎn)生影響，所以可以利用巖石的這種特性進行加載過程中弱磁感應(yīng)強度的測量。另一種是外加磁場源，主要是在配比試樣或巖石試件中埋置高強磁鐵增加磁輻射以進行加載試驗。對于第一種方式，依靠巖石本身具有的在加載過程中的磁感應(yīng)強度變化進行測量，對測試儀器的精度和可操作性的要求較高，不具有開展相關(guān)研究工作的普適性。第二種方式在配比試樣中埋置磁鐵，如張功義等[13]將φ20 mm×12 mm預(yù)埋至100 mm×100 mm×100 mm的水泥和鐵礦粉的配比試樣中，于瑩[2]在花崗巖中埋置尺寸為φ8 mm×12 mm的釹鐵硼磁芯，直接研究礦巖在加載過程中的磁感應(yīng)強度變化?？紤]到研究的方便性，在這種方式的基礎(chǔ)上創(chuàng)新性地提出在配比試樣中加入磁粉進行加載試驗。

本文在配比試樣中使用了更小的φ5 mm×2 mm的釹鐵硼磁鐵進行相關(guān)的研究。以單個釹鐵硼磁鐵為例，輻射范圍在40 mm以內(nèi)具備磁感應(yīng)強度的可測性(見圖1)，超過這個距離磁場強度值很微小，幾乎難以測量。

圖1　不同距離的磁感應(yīng)強度值Fig.1　Magnetic induction values at different distances

通過對直徑為5 mm，高度為2 mm的小型釹鐵硼強磁體進行不同距離的特斯拉計測量。從小磁鐵側(cè)邊開始，隨著距離的增大，小磁鐵磁感應(yīng)強度折減迅速。抵近小磁鐵側(cè)邊測量時其磁感應(yīng)強度值為29 mT(1 mT=10高斯)，到距離10 mm處時已經(jīng)衰減至2.4 mT。而在磁鐵側(cè)邊和上下表面測量的磁感應(yīng)強度差別較大，在磁鐵上下表面測量值達236 mT。當2個磁鐵上下疊加時，抵近2個磁鐵的底部測量其值為31 mT，距離10 mm時是3 mT，到20 mm時磁感應(yīng)強度衰減為0。當3個磁鐵疊加時，抵近底部的磁感應(yīng)強度為26 mT，距離10 mm時為4 mT，而抵近3個疊加磁鐵的中間磁鐵時其磁感應(yīng)強度為48 mT。

這種方式，通過增加釹鐵硼磁鐵的大小和個數(shù)，能夠顯著提高所研究的配比試樣或巖石試件的磁感應(yīng)強度?？蓪υ囼炈芯康囊话愠叽鐏碚f(100 mm×100 mm×100 mm范圍內(nèi))，脆性磁鐵的加入影響了試樣的受力力學(xué)特性。為此本文提出了直接將釹鐵硼磁粉與配比試樣進行混合，充磁處理之后進行相關(guān)配比試樣的加載試驗。對于磁粉，其多見于作為磁力模型試驗的模型材料[14]。

1　試樣的制作及加載

1.1　試驗方案的選擇

如果直接用高強磁鐵為礦粉充磁，效果不理想。將高強磁鐵放在鐵礦粉中3 d后，用特斯拉計測量的磁化礦粉接觸處的磁感應(yīng)強度從0.1～0.3 mT不等，部分區(qū)域甚至完全沒有磁感應(yīng)強度。為此單純的以礦粉的充磁特性進行研究，試驗效果不太理想。為了驗證磁粉的充磁效果，需要用高強磁鐵為配比試樣中的磁粉充磁，然后測量磁粉分布于配比試樣中所產(chǎn)生的磁感應(yīng)強度值。

通過拜斯特1 000倍電子顯微成像設(shè)備觀察，對未加磁粉和加了磁粉的試樣進行微觀對比，發(fā)現(xiàn)未加磁粉的試樣微觀呈灰黑色，礦粉顆粒粒徑較大，而加入了磁粉后，磁粉填充了大部分礦粉顆?？紫?，接觸較緊密，顏色呈棕灰色(見圖2)。

圖2　配比試樣的微觀成像 Fig.2　Microscopic image of the ratio sample

1.2　試樣的制作

以水泥：礦粉配比為1∶6模擬礦石。為了驗證磁粉加入監(jiān)測的效果，在原有的礦巖配比中加入少量礦粉，經(jīng)過力學(xué)測試和磁感應(yīng)強度測量，最后確定水泥∶礦粉∶磁粉按照1∶6∶0.139的比例進行配比制樣(見圖3)，其7 d的單軸抗壓強度平均值為1.085 MPa。對于加入磁粉的試樣配比，如果磁粉加入量過多，導(dǎo)致試樣本身的磁感應(yīng)強度大，形成磁感應(yīng)強度疊加覆蓋，就會影響到監(jiān)測效果。通過對釹鐵硼磁粉加入的配比試樣測試試驗，選擇了能在試樣表壁產(chǎn)生磁感應(yīng)強度最小值為0～0.2 mT的點1～3個為宜。對于圓柱體試樣(D=50 mm，H=100 mm)，磁粉的加入量以1%～5%為宜。

圖3　試樣的制作、布點及加載Fig.3　Sample preparation, placement and loading

2　試樣磁感應(yīng)強度的測量

加載設(shè)備采用WAW-300微機電液伺服萬能試驗機進行軸向加載。加載速度先是進行位移控制，位移加載速度為0.01 mm/s，待荷載達到0.5 kN后，調(diào)整為試驗力控制，加載速率為0.001 kN/s。相較未加入磁粉的1∶6的水泥礦粉試樣，加入磁粉后的試樣顏色由深黑色變?yōu)楹诤稚榱吮容^試樣在加載過程中的磁感應(yīng)強度的變化情況，將圓柱試件臨空面布置40個監(jiān)測點。比對特斯拉計的探頭大小，通過修正液在相應(yīng)點處做大小相仿的類圓形白點記號。

對于豎直面，距離上下兩端臨空面10 mm開始布點，每隔20 mm垂直布點。對于水平面，將圓柱體臨空面分為8等分進行布置。分別選擇在未加載時、加載至1.5 kN保持、加載破壞后進行不同布點的測量。儀器選用WT10A型特斯拉計(量程選擇200 mT，分辨力為0.1 mT)進行測量。為了便于比較試樣不同加載時的磁感應(yīng)強度的變化情況，按照同一要求，將磁感應(yīng)強度值用圓圈表示，圓圈直徑表示測得的磁感應(yīng)強度的大小值。

為了更好全面展示試件臨空面監(jiān)測到的磁感應(yīng)強度值，將圓柱試件表壁展開，成為長方形。

2.1　磁感應(yīng)強度理論

磁感應(yīng)強度即磁通強度，是指通過與該點磁力線垂直的小面積內(nèi)的磁通量大小，單位為特斯拉T。它由磁化強度和磁場強度組成，即：

B=M+4πH

(1)

式中：B為磁感應(yīng)強度；M為磁化強度；H為磁場強度。

2.2　試件表壁磁感應(yīng)強度分布

圖4是T-1試樣分別在加載前、加載至0.764 MPa(加載試驗力1.5 kN)、加載破壞后的40個監(jiān)測點處的磁感應(yīng)強度值。加載前的磁感應(yīng)強度值用實劃線表示，加載至0.764 MPa時用虛線段表示，加載破壞后的磁感應(yīng)強度值用間隔圓點表示。

圖4　不同加載情況下的磁感應(yīng)強度值Fig.4　The magnetic induction intensity under different loading conditions

圖5至圖6是T-2試樣在加載前和加載破壞后的磁感應(yīng)強度值。加載前，2-3監(jiān)測點的磁感應(yīng)強度值為0，1-3，3-3，2-4，5-4，2-6，3-7的值都比較小。加載破壞后，1-4，1-5，1-7，1-8，2-7監(jiān)測點損傷破壞脫落。而1-3，2-3，2-4，2-5，3-3監(jiān)測點的磁感應(yīng)強度已經(jīng)變?yōu)?，5-5，3-7監(jiān)測點的值僅為0.1 mT。

圖5　未加載時各監(jiān)測點磁感應(yīng)強度Fig.5　The magnetic induction intensity of each monitoring point when not loaded

圖6　加載破壞后各監(jiān)測點磁感應(yīng)強度Fig.6　The magnetic induction intensity of the monitoring points after loading

2.2　試件表壁裂紋擴展

從圖7可以看出，T-1試樣的破壞主要在底部發(fā)生破壞，而T-2試樣除了底部發(fā)生局部破壞外，還從上表面開始出現(xiàn)了3處Y型裂紋擴展破壞。

圖7　試樣表壁裂紋擴展Fig.7　Surface crack propagation of specimen

從圖8對T-1試樣底部的磁感應(yīng)強度變化情況來看，加載破壞后，各監(jiān)測點磁感應(yīng)強度變化增加的偏多。而對于裂紋擴展線較近的圖8(b)，加載過程中，各監(jiān)測點的磁感應(yīng)強度全部降低，而加載破壞后，各點磁感應(yīng)強度變化并不明顯。

圖8　T-1試樣加載前后磁感應(yīng)強度變化Fig.8　Changes of magnetic induction intensity before and after T-1 sample loading

圖9　豎向y-2和y-5系列監(jiān)測點加載破壞前后磁感應(yīng)強度變化值Fig.9　Vertical y-2 and y-5 series monitoring points before and after the destruction of the magnetic field strength changes

在T-2試樣中，x-5系列監(jiān)測點正好處于內(nèi)部裂紋萌生演化將到表壁時，朝表壁兩邊擴展，其內(nèi)部裂紋投影至表壁正好在x-5系列監(jiān)測點上。從圖9可以看出，在T-2試樣中，y-2系列監(jiān)測點處于表壁裂紋附近，上部區(qū)域加載破壞后磁感應(yīng)強度值增加，隨著2條裂紋合并并向試樣下部延展，裂紋附近的監(jiān)測點處磁感應(yīng)強度值變化不大，既有微弱的降低點，也有較小的增加點。而y-5系列監(jiān)測點就不一樣，除了1-5號監(jiān)測點由于試樣表壁破壞較嚴重發(fā)生脫落無法測量外，其他各監(jiān)測點的磁感應(yīng)強度值都在減小。特別是3-5號監(jiān)測點從4.1 mT降低到0.8 mT，4個監(jiān)測點平均降幅達到85.03%。

2.3　試件表壁二維掃描

為了更好的表征試樣在加載破壞后的表壁裂紋擴展破壞情況，通過二維掃描設(shè)備對損傷破壞脫落區(qū)域進行二維掃描。由于礦粉顏色呈深黑色，對破壞脫落區(qū)域進行二值圖的二維掃描效果不太明顯。為了解決這個問題，在損傷破壞區(qū)域涂抹熒光劑進行掃描，能夠?qū)⒓虞d破壞試樣的破壞區(qū)進行二值圖再現(xiàn)(見圖10至圖11)。

圖10　試件T-1表壁掃描二值圖Fig.10　Specimen T-1 Table-wall scanning binary image

圖11　試件T-2表壁掃描二值圖Fig.11　T-2 surface of the specimen scanning two-value map

3　討論

1)利用磁場理論，首次提出了將磁粉與配比試樣進行混合，然后通過釹鐵硼磁鐵或充磁機進行充磁。試樣在加載過程中的內(nèi)部損傷破壞，特別是接近臨空面的損傷破壞產(chǎn)生的磁粉密實程度的改變，通過特斯拉計測量磁感應(yīng)強度的變化來表征損傷破壞情況，屬于物理性的表征手段，具有測量的可核查性和重復(fù)性，有別于其他的測量表征手段。

2) 通過磁感應(yīng)強度的變化與試件表壁裂紋的擴展聯(lián)系起來，能夠找尋兩者之間的規(guī)律，建立裂紋擴展與磁感應(yīng)強度變化的對應(yīng)關(guān)系。同時如果磁感應(yīng)強度變化能與試樣的聲發(fā)射試驗或CT掃描試驗等結(jié)合起來，尋找二者之間的損傷破壞規(guī)律，將是很有意義的課題。目前有學(xué)者做了類似的相關(guān)工作，即通過核磁共振測井探測巖石內(nèi)部磁場梯度[15]，還有學(xué)者對巖石密度及磁化率與反射光譜特征關(guān)系[16]展開研究。

3)對于深色試樣，特別是文中的深黑色礦粉，表壁除了裂紋的擴展外，還有破壞嚴重的脫落區(qū)，這時使用二值圖的二維掃描設(shè)備進行掃描工作，效果不理想。通過在試件表壁破壞區(qū)域涂抹熒光物，再進行掃描，能夠避免深色試件或試件表壁因試驗過程中的各種物質(zhì)的粘附導(dǎo)致的掃描不明顯。

4)磁粉加入配比試樣充磁之后進行加載過程中的磁感應(yīng)強度變化測量的監(jiān)測方式如果能夠得到很好利用，還可以用在節(jié)理發(fā)育或有夾石的巖石測量中。通過使用鹽酸或鹽水浸泡含有節(jié)理或夾石的巖石，待節(jié)理裂隙中的泥灰物或能浸泡的夾石溶解，再將單純加水混合或石蠟熔化后和礦粉混合液均勻充填至節(jié)理裂隙中或夾石空區(qū)中，就能夠很好的監(jiān)測到節(jié)理裂隙的發(fā)育情況，也能夠通過這種方式監(jiān)測加載過程中的節(jié)理裂隙損傷破壞演化情況，這項創(chuàng)新工作正在開展之中。

5)磁感應(yīng)強度測量這種非完全接觸式的表征手段，如果能有配套的磁感應(yīng)強度分布的空間測量設(shè)備，通過磁粉加入配比試樣中進行加載，就能夠通過磁感應(yīng)強度大小的空間分布可視化，測量試樣整個內(nèi)部的損傷破壞情況。這種方式成本較低，沒有CT掃描的高投入，也不需要斷面的電鏡掃描，更不需要X射線投射的損傷檢測的繁瑣，將會成為表征配比試樣或試件內(nèi)部損傷破壞的較好方式。

6)針對標準圓柱試樣來說，未加載前的40個監(jiān)測點的磁感應(yīng)強度測量結(jié)果顯示，各處的磁感應(yīng)強度差別較大，并不具備一定的規(guī)律性，說明可以撇開完全是磁感應(yīng)強度疊加所致的原因。這其中主要有幾個方面的原因：一是水泥、礦粉和磁粉之間拌和不均勻；二是在拌和均勻的情況下，也存在配比試樣內(nèi)部空隙的存在；三是目前采用的釹鐵硼磁鐵充磁或是采用充磁機充磁，相關(guān)的定量定位的充磁效果無法達到。如果在以后的試驗研究或工業(yè)應(yīng)用中，能夠避免上述3種情況的發(fā)生，就能夠充分發(fā)揮磁粉及磁場理論所帶來的表征手段的豐富性和方便性。

4　結(jié)論

1)通過將磁粉加入到配比試樣中進行加載破壞過程中的磁感應(yīng)強度變化測量，特別是監(jiān)測臨空面附近的損傷破壞情況是可行的。

2)試樣內(nèi)部裂紋萌生及其向臨空面的擴展破壞，會引起內(nèi)部磁粉密度的變化，進而影響磁感應(yīng)強度值的變化，脫落破壞點處的磁感應(yīng)強度降幅較大。從監(jiān)測點正好位于內(nèi)部裂紋擴展投影至表壁線上的監(jiān)測數(shù)據(jù)來看，其臨空點處(T-2試樣的2-5號監(jiān)測點)的磁感應(yīng)強度直接從未加載前的0.9 mT減低至0。表明裂紋擴展破壞點處是磁感應(yīng)強度變化幅度較大的點。

[1]賈炳，魏建平，溫志輝. 峰值前后多次加載下煤樣聲發(fā)射特征[J].中國安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù), 2016,12(4): 5-9.

JIA Bing, WEI Jiangping, WEN Zhihui. Acoustic emission characteristics of coal samples under multiple loading processes before and after the peak value[J].Journal of Safety Science and Technology, 2016,12(4): 5-9.

[2]于瑩.脆性巖石擠壓斷裂過程應(yīng)力磁感強度實驗研究[D].沈陽：東北大學(xué)，2011：8.

[3]何耀宇，宋選民，李斌，等. 天然巖石單軸壓裂過程磁組構(gòu)響應(yīng)實驗研究[J].太原理工大學(xué)學(xué)報，2015，46(6)：672-679.

HE Yaoyu，SONG Xuanmin，LI Bin，et al. Natural rock fracturing process uniaxial magnetic fabric response experiment[J]. Journal of taiyuan university of technology，2015，46(6)：672-679.

[4]楊濤. 應(yīng)力作用對巖石磁性的影響[J].地球物理學(xué)進展，2011，26(4)：1175-1185.

YANG Tao. Stress effect on rock magnetism[J].Progress in Geophysics， 2011，26(4)：1175-1185.

[5]郝錦綺，錢書清，高金田，等.巖石破裂過程中的超低頻電磁異常[J].地震學(xué)報，2003，25(1)：102-111.

HAO Jinqi， QIAN Shuqing， GAO Jintian， et al. Ulf electric and magnetic anomalies accompanying anying the cracking of rock sample[J].Acta Seismologica Sinica， 2003，25(1)：102-111.

[6]趙揚鋒，潘一山. 單軸壓縮下花崗巖電磁信號的實驗研究[J]. 中國地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報，2009，20(3):132-137，141.

ZHAO Yangfeng，PAN Yishan. Study on the charge and magnetic signals of granite samples under uniaxial compression[J]. The Chinese Journal of Geological Hazard and Control，2009，20(3):132-137，141.

[7]宋曉艷，李忠輝，王恩元，等.巖石受載破壞裂紋擴展帶電特性[J].煤炭學(xué)報，2016，41(8)：1941-1945.

SONG Xiaoyan，LI Zhonghui，WANG Enyuan，et al. Charging characteristics of the crack propagation of rock under load[J].Journal of China Coal Society， 2016，41(8)：1941-1945.

[8]張琪. 天然帶磁圓柱巖石試件壓縮過程應(yīng)力磁強效應(yīng)研究[D].沈陽：東北大學(xué)，2013：49-56.

[9]萬國香.應(yīng)力波作用下巖石電磁輻射與聲發(fā)射特性研究[D].長沙：中南大學(xué)，2008：28.

[10]肖波，潘永信. 磁鐵礦的低溫磁學(xué)性質(zhì)研究進展[J]. 地球物理學(xué)進展，2006，21(2):408-415.

XIAO Bo， PAN Yongxin. Review of the low temperature magnetic properties of magnetite[J]. Progress in Geophysics，2006，21(2):408-415.

[11]張繼軍，王林軍，施凌云，等. Cd0.8Mn0.2Te晶體的磁化強度和法拉第效應(yīng)研究[J].功能材料，2011(5)：831-833, 837.

ZHANG Jijun，WANG Linjun， SHI Linyun，et al. Effects of Nb and Zr dopant content on the boundary phases and the coercivity of powder sintered Nd(Dy，Gd)-Fe(Nb，Zr，Al，Cu)-B magnets[J]. Functional Materials，2011(5)：831-833, 837.

[12]魯貽虎. Cd0.8Mn0.2Te晶體的磁化強度和法拉第效應(yīng)研究[D].寧波：寧波大學(xué)，2014:33.

[13]張功義，張軍，陳駒. 混凝土受壓過程磁場效應(yīng)的試驗研究[J].低溫建筑技術(shù)，2014(5)：1-3.

ZHANG Gongyi, ZHANG Jun, CHEN Ju. Experimental study on concrete compression process of the magnetic field effect[J]. Low Temperature Architecture Technology，2014(5)：1-3.

[14]羅先啟，葛修潤，程圣國，等.地質(zhì)力學(xué)磁力模型試驗相似材料磁力特性研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2009，2(S2):3801-3807.

LUO Xianqi，GE Xiurun，CHENG Shengguo，et al. Study of magnetic material property of geomechanical model test in electromagnet field[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2009，2(S2):3801-3807.

[15]謝然紅，肖立志. 核磁共振測井探測巖石內(nèi)部磁場梯度的方法[J].地球物理學(xué)報，2009，52(5)：1341-1347.

XIE Ranhong，XIAO Lizhi. NMP logging probing the internal magnetic field gradients of rocks[J].Chinese Journal of Geophysics， 2009，52(5)：1341-1347.

[16]徐夢龍，楊長保，劉萬崧，等. 巖石密度及磁化率與反射光譜特征關(guān)系研究[J].光譜學(xué)與光譜分析，2015，35(8)：2225-2230.

XU Menglong，YANG Changbao，LIU Wansong，et al. Study on rock density and magnetic susceptibility and reflectance spectral[J]. Spectroscopy and Spectral Analysis，2015，35(8)：2225-2230.