賈 蓬，錢一錦，王 茵，王琦偉

東北大學資源與土木工程學院，沈陽 110819

花崗巖作為理想的高放射廢料封存巖石材料，其高溫下物理力學特性研究對高放射廢料深埋工程的安全性具有重要意義[1-5].熱損傷巖石破裂過程中的聲發(fā)射（AE）活動的研究一直廣受關注.研究發(fā)現，巖石進行熱損傷處理時的溫度越高，巖石在破壞過程中聲發(fā)射振鈴數量增多，但聲發(fā)射能量降低[6-8].熱損傷巖石從加載到破壞過程中的聲發(fā)射活動具有明顯的階段性，Zhao 等[1]研究了熱損傷北山花崗巖單軸壓縮過程中的聲發(fā)射響應，發(fā)現聲發(fā)射累計振鈴的演化可以分為三個典型階段：加載初期聲發(fā)射無明顯活動對應巖石內部孔隙壓密裂紋閉合，聲發(fā)射累計計數曲線增加階段對應巖石內部新生裂紋的開展，聲發(fā)射累計計數曲線高速率增長階段對應巖石的破壞；Rong等[9]對熱處理后的花崗巖和大理巖單軸壓縮條件下的聲發(fā)射活動進行研究發(fā)現，累計聲發(fā)射計數和聲發(fā)射振鈴計數的變化規(guī)律與應力應變密切相關，隨熱處理溫度升高，巖石的初始熱損傷越嚴重，導致巖石在初期變形階段聲發(fā)射活動越劇烈.Yu等[10]結合DIC(Digital image correlation)與AE 對北山花崗巖熱沖擊后的物理力學性能研究時同樣發(fā)現，隨著花崗巖熱損傷加劇，加載初期的聲發(fā)射活動會變得活躍；Ge 和Sun[11]通過聲發(fā)射信息研究了熱沖擊后花崗巖單軸壓縮時裂紋的發(fā)育規(guī)律，發(fā)現聲發(fā)射b值與花崗巖應力變化具有對應關系，特別是當應力接近峰值時b值會進入迅速下降段達到最小值，同時熱損傷的加劇會導致b值的增加；鄧龍傳等[8]和Shao 等[12]將熱損傷花崗巖破裂過程中的聲發(fā)射活動分為四個特征階段，其中裂紋的萌生和擴展對應于累計聲發(fā)射計數曲線線性增加階段.上述研究為利用聲發(fā)射分析高溫花崗巖的損傷破裂奠定了基礎，但對于高溫熱損傷花崗巖在不同應力階段的聲發(fā)射特征參數的變化規(guī)律以及主頻峰值頻率的分布特征的研究還不多見.

巖石在破壞過程中裂紋的開裂機制可以通過聲發(fā)射參數RA 和AF 值綜合表征.如董隴軍等[13]分析了花崗巖單軸壓縮裂紋發(fā)育各個階段過程中的RA 值和AF 值，得出花崗巖進入裂紋不穩(wěn)定發(fā)育階段對應RA 值的低位攀升以及AF 值的高位降低；何滿潮等[14]通過研究卸載狀態(tài)下北山花崗巖的RA 值和AF 值，揭示了裂紋類型在卸載狀態(tài)下的發(fā)育規(guī)律；Du 等[15]研究了巖石在拉、壓、剪和三點彎曲荷載作時的AF 值與RA 值的演化差異，發(fā)現AF 值與RA 值均與荷載作用方式中產生的微裂紋類型密切相關；Wang 等[16]利用基于AF 值與RA值確定了各向異性頁巖在循環(huán)載荷下的裂紋模式和演變，其研究結果表明當加載方向平行于夾層平面時，破壞時主要產生剪切裂紋；甘一雄等[17]基于聲發(fā)射參數RA-AF 值數據分布特點，在對花崗巖劈裂破壞試驗進行聲發(fā)射監(jiān)測時發(fā)現，盡管花崗巖最終破壞模式是以張拉為主的劈裂破壞，但是最終破壞時仍然存在大量剪切裂紋活躍發(fā)育的現象；吳順川等[18]對比華鎣山隧道掘進爆破過程中的聲發(fā)射監(jiān)測結果的RA 值與AF 值在不同傳播距離下的分布規(guī)律，結果表明RA 值與AF 值可作為巖體破壞的監(jiān)測指標，巖體急劇破裂過程中會產生大量RA 值較大，AF 值較小的聲發(fā)射信號；劉希靈等[19-20]對花崗巖與大理巖巴西劈裂試驗過程中聲發(fā)射RA 值與AF 值的變化趨勢進行研究，探討劈裂荷載作用下巖石聲發(fā)射特征與微觀破裂機制的關系，研究結果表明聲發(fā)射RA 值、AF 值、裂紋模式的分布受巖石結構影響，但巖石裂紋演化過程不受其影響.然而目前對于經歷不同溫度熱損傷的花崗巖在受壓過程中其RA 和AF 的變化規(guī)律尚不明確.

綜上所述，為研究高溫熱損傷花崗巖在不同應力階段的聲發(fā)射特征參數的變化特征及其破裂機制，從而揭示熱損傷程度對花崗巖單軸壓縮不同應力階段的聲發(fā)射特征及破裂機制的影響.本文對經歷不同溫度熱處理后的花崗巖試樣開展單軸壓縮試驗，實時監(jiān)測壓縮過程中的聲發(fā)射活動信息，分析不同應力階段各溫度熱損傷花崗巖的AE振鈴數、AE能量、峰值頻率和RA-AF變化規(guī)律，討論了AE能量集中度參數的變化特征及能量集中度破壞前兆.

1 試驗準備

1.1 試件制備

本試驗選用的花崗巖來自于湖南省長沙市某礦區(qū)，依據國際巖石力學試驗建議[21]，制備的單軸壓縮試驗巖樣尺寸為直徑50 mm 高100 mm 的標準圓柱巖石試件，花崗巖巖樣進行拋光處理以確保巖樣表面平整度符合文獻[21]要求，本研究共設置25、200、400 和600 ℃四個溫度組，為盡量避免試驗誤差與偶然性，對每組溫度準備三組平行試驗組.

采用MYC-5 電窯箱式高溫爐對標準花崗巖巖樣分別進行加熱至目標溫度值，為確保巖樣充分加熱，加熱速率設置為5 ℃·min-1，加熱至目標溫度后的花崗巖巖樣進行4 h 的保溫處理，并置于爐內冷卻至室溫，以避免過高的溫度梯度產生的熱沖擊損傷對試驗結果產生影響.

1.2 試驗設備

單軸加載試驗采用YAG-3000KN 微機控制伺服壓力機系統(tǒng)上進行，豎向最大試驗壓力為3000 KN，壓力機整體剛度大于3 GN·m-1.根據文獻[21]，加載采用位移控制，最大主應力方向位移加載速率為0.002 mm·s-1.圖1 為加載裝置及聲發(fā)射設備圖，單軸加載試驗中進行聲發(fā)射活動監(jiān)測.聲發(fā)射試驗系統(tǒng)采用美國物理聲學公司的PCI-II 型聲發(fā)射試驗系統(tǒng)，傳感器選用中心響應頻率為125 kHz 的NANO30 型諧振式傳感器.聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)的前置增益設定為40 dB，采集振鈴信號時的閾值門檻為40 dB，傳感器布置方式如圖1 所示.

圖1 單軸壓縮加載示意圖Fig.1 Uniaxial compression loading diagram

2 試驗結果及討論

2.1 高溫花崗巖基本力學參數

圖2 為單軸壓縮加載條件下高溫處理后花崗巖的典型應力-應變曲線，且各溫度熱損傷花崗巖的基礎物理力學參數如表1 所示.可以看出，隨溫度升高，花崗巖巖樣的縱波波速下降明顯，熱損傷處理溫度為600 ℃時，平均縱波波速較25 ℃時降低約63.7%.單軸壓縮條件下花崗巖應力曲線存在明顯的壓密階段、彈性階段、破壞階段和峰后階段，當花崗巖巖樣達到單軸壓縮峰值抗壓強度時，應力-應變曲線變現出多峰現象，花崗巖的峰值抗壓強度均隨溫度升高逐漸降低，600 ℃時花崗巖平均強度降低了50.82%.由縱波波速與單軸抗壓強度隨溫度變化可見高溫對花崗巖具有明顯的劣化作用.

表1 熱損傷花崗巖基礎物理、力學參數Table 1 Physical and mechanical parameters of the thermally damaged granite samples

圖2 不同溫度處理后花崗巖的單軸壓縮應力-應變曲線Fig.2 Stress-strain curves of granite under uniaxial compression after thermal treatment

2.2 高溫花崗巖不同受壓階段的聲發(fā)射特征分析

聲發(fā)射信號可以反映巖石內部破壞演化對應的裂紋萌生、成核、擴展和貫通，其變化趨勢與巖石在受荷過程中的變形、應力變化具有明顯的對應關系，劉斌和Wu 等學者[22-23]認為可根據聲發(fā)射信息的時間分布特點對巖石的應力狀態(tài)進行了階段劃分，以25 ℃花崗巖單軸壓縮條件下的聲發(fā)射和應力曲線為例（如圖3 所示），依據聲發(fā)射演化特征，可將單軸壓縮條件下花崗巖的應力曲線劃分為4 個典型階段：①裂紋壓密階段（階段Ⅰ），無聲發(fā)射活動，聲發(fā)射累計計數曲線為平直線；②裂紋萌生及穩(wěn)定發(fā)育階段（階段Ⅱ），該階段前期少量聲發(fā)射活動，后期聲發(fā)射活動產生，聲發(fā)射累計計數曲線前期線性增長后期偏離線性增長；③裂紋非穩(wěn)定發(fā)育階段（階段Ⅲ），聲發(fā)射活動劇烈，聲發(fā)射累計計數非線性增長；④峰后破壞階段（階段Ⅳ），試件達到峰值強度后.從圖中可以看出，裂紋壓密階段聲發(fā)射活動稀少，巖樣內部微裂紋、孔隙發(fā)生閉合，應力曲線斜率不斷增加.隨著荷載增加至起裂應力點，巖石內部裂紋開始萌生并不斷發(fā)育，進入裂紋萌生及穩(wěn)定發(fā)育階段（階段Ⅱ），出現明顯的聲發(fā)射活動，應力曲線進入線性變形階段到破壞階段的過渡區(qū).破壞前，巖石內部裂紋在持續(xù)增加的荷載作用下進入不穩(wěn)定發(fā)展階段，聲發(fā)射活動顯著上升，累計聲發(fā)射曲線快速上升.峰后階段的聲發(fā)射信號逐漸減少并趨于平靜，巖石破壞.

圖3 25 ℃花崗巖單軸壓縮AE 計數、AE 累計計數及應力隨時間演化(UC1-1)Fig.3 Evolution of AE counts, AE cumulative counts and stresses of granite with time under uniaxial compression at 25 ℃ (UC1-1)

圖4 給出了熱損傷花崗巖聲發(fā)射振鈴計數、累計振鈴計數曲線、聲發(fā)射能量、軸向應力隨時間的變化規(guī)律，各階段聲發(fā)射特征參數列于表2.由表2 可知，各溫度熱損傷花崗巖在裂紋壓密階段聲發(fā)射活動不明顯，僅在該階段末期產生少量低能量AE 事件.熱處理溫度升高，花崗巖內部初始熱損傷越嚴重，裂紋壓密階段AE 事件越活躍，且AE 事件釋放的能量小幅增加，但是該階段持續(xù)時間縮短，表明花崗巖巖樣內部初始熱損傷越嚴重，在荷載作用下越容易開裂.荷載增大，各溫度熱損傷花崗巖進入裂紋萌生及穩(wěn)定發(fā)育階段，AE累計計數曲線呈現線性上升趨勢，AE 能量增大.可以發(fā)現熱處理溫度越高，花崗巖裂紋萌生及穩(wěn)定發(fā)育階段持續(xù)時間越長，說明花崗巖表現出漸進破壞特征.各溫度熱損傷花崗巖裂紋非穩(wěn)定發(fā)育階段AE 事件數目激增，AE 累計計數曲線進入階梯式非線性增長階段.

表2 熱損傷花崗巖各應力階段聲發(fā)射事件特征Table 2 Characteristics of acoustic emission events of thermally damaged granite at each stress stage

圖4 各溫度熱損傷花崗巖應力及聲發(fā)射隨時間的演化規(guī)律.(a) 25 ℃ (UC1-1); (b) 200 ℃ (UC2-1); (c) 400 ℃ (UC4-1); (d) 600 ℃ (UC6-3)Fig.4 Evolution of stress and acoustic emission parameters of thermally damaged granite at different temperatures: (a) 25 ℃ (UC1-1); (b) 200 ℃ (UC2-1); (c) 400 ℃ (UC4-1); (d) 600 ℃ (UC6-3)

2.3 高溫損傷花崗巖聲發(fā)射峰值頻率的分布特征

采用快速傅里葉變換（FFT）對所采集到的聲發(fā)射波形的峰值主頻進行收集，不同溫度花崗巖破裂過程中聲發(fā)射峰值頻率主頻特征及峰值頻率主頻分布密度圖如圖5 所示.可以看出，所有溫度花崗巖單軸壓縮過程中的峰值頻率主要分布在0 kHz至350 kHz 之間，表現出明顯的帶狀分布特征，其信號頻率區(qū)間及主頻帶可以分為：低頻信號（0～100 kHz）、中低頻信號（100～150 kHz）、中高頻信號（200～270 kHz）、高頻信號（280～330 kHz）和超高頻信號（350～500 kHz）.

從圖5 中可以看出，加載初期最先出現低頻信號，其他頻率區(qū)間的信號較少，熱處理溫度越高，低頻信號的數量越多，同時其余主頻帶的峰值頻率信號也越早出現，說明熱損傷越嚴重的巖樣，在加載初期越容易產生高頻破裂信號；由圖5 可知，隨著荷載增加，各溫度熱處理巖樣內部裂紋開始孕育并進入穩(wěn)定發(fā)育階段，峰值頻率開始集中分布在低、中低、中高以及高頻范圍內，熱處理溫度越高，各主頻帶范圍越寬，表明熱損傷越嚴重的巖樣在裂紋穩(wěn)定發(fā)育階段產生的峰頻信號分布更加發(fā)散；當巖樣進入裂紋不穩(wěn)定發(fā)展階段時，聲發(fā)射信號大量出現并聚集分布，該階段峰值頻率表現出主頻帶變寬、高頻信號多于低頻信號的特征，說明此時巖樣內部裂紋開展劇烈，此外，在該階段出現了超高頻信號，但是熱處理溫度越高，超高頻信號越少；巖樣失穩(wěn)破壞時巖樣破壞時出現了“多峰現象”，這是由于花崗巖在壓縮過程中的“互鎖效應”造成的[24]，即在破壞面緊密貼合時產生的摩擦力使得巖石強度產生強度回升.峰值強度后應力降低，峰值頻率信號減少，當應力曲線下降至低點時，峰值頻率信號消失，峰后階段，巖樣徹底破壞，峰值頻率不再呈現明顯的帶狀分布特征，聲發(fā)射信號進入峰后不可控階段.

如上所述，花崗巖單軸受壓過程中AE 計數特征、AE 能量特征、峰值頻率分布特點等聲發(fā)射信息均與花崗巖的熱損傷程度有關.熱處理溫度改變了花崗巖內部微觀結構，從而造成其聲發(fā)射特征的改變.各溫度熱處理后花崗巖的偏光顯微圖如圖6 所示，圖中①為晶間裂紋，②為晶內裂紋，③為穿晶裂紋.可以看到，25 ℃時，花崗巖內部存在少量的原生裂紋與孔隙，礦物晶粒之間黏結緊密，因此抵抗破壞的能力更強；隨著熱處理溫度逐漸增高，由200 ℃和400 ℃熱損傷花崗巖的偏光顯微圖可以看到，礦物顆粒在受熱膨脹失配產生的熱應力作用下，晶間裂紋進一步發(fā)育、擴展的同時，晶內裂紋開始發(fā)育并聯結，內部結構遭到破壞，晶粒間的相互作用降低；在熱處理溫度由400 ℃升高至600 ℃的過程當中，由于石英會產生由α 至β 的相變[1,24]，導致晶格遭到嚴重破壞，穿晶裂紋大量發(fā)育并聯結成網，巖石內部結構明顯破壞.可見由于溫度應力導致花崗巖晶粒之間的相互作用減弱和晶粒承載能力下降，在較低的荷載作用下，裂紋即發(fā)生擴展，從而產生中、高頻主頻帶的聲發(fā)射信號；隨著荷載的進一步增加，巖樣骨架承載能力下降而破裂，裂紋大量開展，聲發(fā)射信號弱但數量增多，各個主頻帶分布范圍逐漸變寬.

2.4 基于RA-AF 的高溫花崗巖裂紋擴展機制分析

利用聲發(fā)射波形參數的RA 值（上升時間/振幅）與AF 值（平均頻率）可對巖石在失穩(wěn)破裂過程中裂紋開裂機制進行識別.通常認為，張拉裂紋開裂時，具有較低RA 值和較高的AF 值，而剪切裂紋開裂時具有較高的RA 值和較低的AF 值[14-15,17,25]，如圖7 所示.

圖7 RA-AF 數據分布特征與裂紋類型之間的關系Fig.7 Relationship between RA-AF data distribution characteristics and cracking mechanism

圖8 為不同溫度熱損傷花崗巖不同加載階段對應的RA-AF 數據分布圖.可以發(fā)現花崗巖在壓密 初期RA 值較 低，RA 主要 分布 在0～8 ms·V-1間，同時AF 主要分布在0～0.3 MHz 間，此階段裂紋開裂較少，且以張拉裂紋與拉剪復合裂紋為主.熱處理溫度升高，該階段RA 分布范圍由2 ms·V-1小幅的增加至8 ms·V-1，AF 值由0.2 MHz 少量增加至0.3 MHz，表明熱損傷越嚴重的花崗巖在裂紋壓密階段伴生少量剪切裂紋.當花崗巖在荷載作用下進入裂紋萌生及穩(wěn)定發(fā)育階段時，RA 值分布范圍逐漸增加，RA-AF 數據開始集中在0 MHz＜AF＜0.2 MHz和0＜RA＜10 ms·V-1的范圍，且AF＞0.2 MHz 的數據點開始增多，表明在該階段主要產生拉剪混合裂紋，拉裂紋逐漸活躍.此外，隨熱處理溫度升高，裂紋萌生及穩(wěn)定發(fā)育階段集中產生更多低AF 值(0～0.2 MHz)、高RA 值(大于10 ms·V-1)的數據點，說明熱損傷嚴重的花崗巖在裂紋萌生與穩(wěn)定發(fā)育階段更容易產生剪切裂紋.裂紋進入非穩(wěn)定發(fā)育階段時，RA-AF 數據點逐漸沿RA 值增大的方向延展，且高RA 值(大于20 ms·V-1)的信號也同時集中在相對較高的AF 值（0.05～0.1 MHz）的范圍內，表明該階段在產生大量拉伸裂紋與拉剪裂紋的同時，剪切裂紋開始萌生并進一步發(fā)育擴展；在失穩(wěn)破壞階段，巖樣內部宏觀裂紋大量形成并貫通，產生數量較多的高頻信號，該階段的RA-AF 分布表現為高RA 值且高AF 值，值得注意的是RA 值在該階段出現了從10 至102的數量級的提升，表明花崗巖單軸壓縮在最后破壞直至停止加載的過程中產生數量較多、尺寸較大的剪切裂紋，這些剪切裂紋與拉伸裂紋、拉剪復合裂紋相互交錯聯結，最終導致花崗巖最終發(fā)生破壞，聲發(fā)射信號突增并伴隨有超高頻信號的產生.從圖8 可以看出，熱處理溫度對于裂紋非穩(wěn)定擴展階段與破壞階段的RAAF 的分布特征的影響不明顯.

圖8 熱損傷花崗巖各應力階段RA-AF 數據分布情況.(a)壓密階段；(b)裂紋萌生及穩(wěn)定發(fā)育階段；(c)裂紋非穩(wěn)定發(fā)育階段；(d)峰后破壞階段Fig.8 Distribution characteristics of RA-AF data at each stress stage: (a) crack compaction stage; (b) crack emergence and stable development stage; (c)crack unstable development stage; (d) post-peak damage stage

圖9 為各溫度熱損傷花崗巖的單軸壓縮破壞模式.主要是以劈裂為主的拉剪復合破壞，根據圖8在各階段的RA-AF 數據分布特征可知，盡管花崗巖的最終破壞模式表現為張拉破壞，但破壞同時伴隨有大量剪切裂紋的發(fā)育和擴展，這與Du 等[15]和甘一雄等[17]等的試驗現象一致.

圖9 各溫度熱損傷花崗巖破壞模式.(a) 25 ℃; (b) 200 ℃; (c) 400 ℃; (d) 600 ℃Fig.9 Failure modes of the thermally damaged granite samples: (a) 25 ℃; (b) 200 ℃; (c) 400 ℃; (d) 600 ℃

2.5 基于聲發(fā)射能量集中度的高溫花崗巖破裂前兆特征分析

圖10 各溫度熱損傷花崗巖應力-時間、ρ-時間曲線（注：階段Ⅰ, 裂紋壓密階段；階段Ⅱ, 裂紋萌生及穩(wěn)定發(fā)育階段；階段Ⅲ, 裂紋非穩(wěn)定發(fā)育階段；階段Ⅳ, 峰后破壞階段）.(a) 25 ℃ (UC1-1); (b) 200 ℃ (UC2-1); (c) 400 ℃ (UC4-1); (d) 600 ℃ (UC6-3)Fig.10 Stress-time curve and ρ-time curve of thermally damaged granite at different temperatures (Note: Stage I, crack compaction stage; Stage II,crack emergence and stable development stage; Stage III, crack unstable development stage; Stage IV, post-peak damage stage): (a) 25 ℃ (UC1-1);(b) 200 ℃ (UC2-1); (c) 400 ℃ (UC4-1); (d) 600 ℃ (UC6-3)

經過突變點A 后，花崗巖內部裂紋發(fā)育進入不穩(wěn)定階段，ρ曲線進入突降階段，拉伸裂紋與拉剪混合裂紋大量發(fā)育的同時剪切裂紋進一步發(fā)育擴展，ρ曲線快速下降，說明花崗巖內部產生了少量高強信號[6]，這與2.3 節(jié)中的分析結論，即花崗巖在該階段逐漸產生少量超高頻信號一致，表明內部裂紋在該階段連接形成宏觀大裂紋，最后花崗巖在荷載作用下產生破壞.

3 結論

為揭示熱損傷程度對花崗巖單軸壓縮不同應力階段聲發(fā)射特征及損傷機制的影響，本文對25、200、400 和600 ℃熱損傷花崗巖開展了單軸壓縮試驗，分析不同溫度熱損傷花崗巖的AE 振鈴數、AE能量、峰值頻率和RA-AF 信息，得到了AE 能量集中度參數的變化特征及能量集中度破壞前兆.主要結論如下：

(1) 各溫度熱處理后花崗巖單軸壓縮過程中聲發(fā)射發(fā)育特征變化表明熱損傷越嚴重，花崗巖越早進入裂紋萌生及發(fā)育階段，聲發(fā)射峰值頻率越早產生中、高頻破裂信號，且主頻帶分布范圍越寬，破壞時超高頻信號越少.

(2) RA-AF 信號分布特征可以表征各溫度熱損傷花崗巖各應力階段產生的裂紋類型.花崗巖由裂紋壓密階段加載至破壞階段過程中，RA-AF 信號分布特征說明剪切裂紋活動逐漸活躍.且熱損傷花崗巖在壓力作用下更易在產生剪切裂紋，熱損傷溫度越高，剪切裂紋越發(fā)育.

(3) 基于花崗巖單軸壓縮過程中聲發(fā)射信息的能量集中度曲線包含三個主要階段：初始不規(guī)則波動階段、穩(wěn)定階段和突降階段，分別與裂紋壓密階段、裂紋萌生及穩(wěn)定發(fā)育階段和裂紋非穩(wěn)定發(fā)育階段具有明顯對應關系.能量集中度曲線的穩(wěn)定發(fā)育階與突降階段之間的突變點可以作為花崗巖單軸壓縮條件下的破壞前兆.