不同温度作用后灰岩声发射特征研究

发布日期：2017-06-13 00:18　　　浏览次数：次

0 引言

温度是影响岩石力学性能的一个主要因素，在石油及天然气的地下贮存及开采、地热资源的开发与利用、岩石地下工程灾后重建等都涉及到高温后岩石的强度及变形特性。近些年来，中外学者通过不同的方法对高温下岩石的力学性质进行了研究。声发射检测作为声学无损检测中一种重要的方法，能够准确判断岩石内部缺陷的损伤程度，反映岩石的损伤演化过程，目前其在岩石研究中的应用价值越来越大。岩石声发射理论与应用已经取得很大的成果。为了更好地了解不同温度下灰岩的损伤演化规律，本文对单轴压缩荷载作用下不同温度的灰岩变形损

伤及声发射特性进行了研究。

1 试验概述

1.1 试验材料

试验对象为采自山东省临沂市莒南县的灰岩，该灰岩在自然状态下呈灰色，表面可见鮞粒纹理，质地较均匀，矿物成分主要以方解石、白云石为主。将灰岩试样加工成标准圆柱体，规格为准500 mm×100 mm，上、下面平行度在0.05 mm 以内，试样基本尺寸和加工精度均符合岩石试验标准。试样的含水量为天然含水量。

1.2 试验加热设备

高温加热设备—马弗炉，试验采用CTM300A型灰分挥发分测定仪（马弗炉）对试样进行焙烧。试样在高温炉进行高温加热，指定温度分别为25 ℃（常温）、50 ℃、100 ℃、200 ℃、300 ℃、340 ℃、400 ℃、450 ℃、500 ℃、550 ℃、570 ℃、600 ℃、700 ℃、800 ℃、900 ℃，每个温度梯度制2 个灰岩平行样品。达到指定温度后在炉内恒温30 min，以保证灰岩试样内部受热均匀，最后自然冷却至常温，以备后续试验。

1.3 声发射设备

本试验采用的是SAMOS PCI-8 声发射系统。试验采用的传感器为Nano30；为了解决低能量声发射信号在传输过程中的衰减，安装型号1220A-AST 作为前置放大器，增益大小设置范围为10~40 dB。为保证传感器与岩石样本之间的耦合效果，在样本与传感器之间的接触部位均匀涂抹凡士林，再用胶带将岩石样本和传感器紧密地固定在一起。

2 试验结果分析

2.1 表观现象及微观现象在对加热后的岩样进行质量测量的过程中，还

可以观察到岩样表面颜色的变化。常温下灰岩岩样的颜色为灰黑色，表面有光泽，500 ℃ 时，岩样表面已开始变成白色，到700 ℃时，岩样表面几乎全部变成白色，加热到800 ℃和900 ℃时的岩样不仅表面全部变为白色，且厚度比之前增加，表皮有些部分开始被破坏，出现脱落现象。由于主要矿物成分的分解产物为CaO、MgO 等白色的氧化物，可以推测为灰岩表面的白色物质的主要成分。在高温作用后，直接把灰岩试样放置在空气中，灰岩试样外表生成的氧化物会直接与空气中的水分发生化学反应，造成了灰岩试样表面白色物质的脱落现象。

2.2 岩石声发射特性分析

岩石的峰值强度总体上呈下降趋势（见图1）。岩石峰值强度的变化反映出岩石物理性质的变化。随着温度的上升，一些物质如Mg（HCO3）2，CaCO3的分解导致岩样原有的结构受到破坏，同时也会产生一些微裂隙。由于Mg（HCO3）2、CaCO3、MgCO3等物质发生分解所需要的温度条件的不同，结构遭到的破坏也不同，反映出的峰值强度也不同。

从低温（小于500 ℃）到高温，试样被轴向压坏所需要的时间逐渐缩短，如图2 所示。试样加载到破坏所需时间总体趋于下降。对比图1 和图2，灰岩所需的加载时间与灰岩的峰值强度成正比关系。总体上都趋于下降，又均在550 ℃左右有所回升。

图3 为试样AE 次数和应力随时间变化的曲线图，可以看出，虽然加载条件相同，但是岩样声发射活动表现的不太一致。并且高温的岩样遭到破坏用时较短。而且在低温时，岩样的声发射现象总体上与岩样的单轴压缩过程一致，在弹性阶段岩石声发射处于平静期，以孔隙、微裂隙的压密以及骨架的压缩变形为主，压力达到峰值强度时，岩样发生大量声发射现象。在岩样破坏的瞬间，声发射能量最大，且声发射振铃计数最大，这与试验过程中观察到岩样在破坏一瞬间非常强烈相对应。500℃之后的岩样在单轴试验中，由于岩样内部结构破坏较大，岩样声发射出现很多波动，此时岩样以新裂隙的产生和压缩为主，因此岩样出现蠕变现象。高温下的岩样峰值强度逐渐下降，且破坏的速度较快，逐渐不符合灰岩单轴压缩变形特征。岩样的一个共同的特点是岩样破坏前后声发射事件数快速增多。这反映岩石在达到峰值强度时大量微裂纹的扩展、宏观裂纹之间的沟通、裂纹之间岩桥快速破坏，这种宏观破坏释放的声发射事件能量很大，甚至人耳都能听到岩石破碎的声音。

在常温下，岩样在加载之后即进入弹性变形阶段，并且该阶段一直持续岩样的弹性极限处，岩石弹性极限后，声发射现象又趋于稳定，过了峰值强度后，岩样失去承载能力，声发射现象变少，这与实验过程中观察到岩样在破坏一瞬间非常强烈相对应。低温的岩样内部都出现新裂隙，导致岩样在未到峰值强度的时候，在外力的作用下，新裂隙闭合和一些微裂隙的出现使岩样出现大量声发射现象。200 ℃~500 ℃时，岩样峰值强度基本没有变化，而且该区段的岩样在弹性变形阶段声发射现象逐渐增多，这说明温度的作用导致岩样的脆性发生转变，岩石内部由于温度的升高，一些胶结物开始分解，由此产生很多微裂隙，同时一些化合物开始分解。500 ℃~600 ℃时，岩样声发射现象较多，而且岩样声发射现象变的不规整。这是因为MgCO3在500 ℃~600 ℃发生分解作用，所以，岩样在MgCO3发生分解后产生很多裂隙，由于岩样MgCO3含量较高，所以岩样结构受到的破坏较大，在受到压力岩样声发射现象较早。虽然MgCO3发生分解，但是作为主体的CaCO3还未发生分解，所以，岩石的主体还在，岩石还有一定的强度。当岩样温度为600 ℃~900 ℃时，岩样内部出现很多气孔，这样，岩石内部碎屑物质含量增多。当外力加载时，岩石内部气孔、裂隙和碎屑物质开始压缩，产生大量声发射现象。温度的增加也使得岩样蠕性增加。由于CaCO3

在850 ℃~900 ℃时发生分解，因此当温度大于900 ℃时，岩样的主体结构受到破坏，所以900 ℃的岩样强度降低，在外力加载时岩石即发生声发射现象，由于岩样失去强度，岩样的声发射数较少。

3 结语

（1）声发射现象能很好地表现出岩石单轴压缩现象。在岩样处于弹性变形时，岩样声发射现象处于平静期，不存在凸起。当岩样达到峰值强度时，岩样趋于破坏时，声发射现象较明显。这也与试验时岩样将要破坏时发出爆裂声一致。

（2）温度作为影响灰岩的一个重要因素，主要是由于灰岩所含物质在不同温度下发生不同化学反应的原因。因此灰岩所含物质含量的不同，不同温度对其影响也不同。

（3）灰岩的峰值强度在高温下整体趋于下降，灰岩遭到破坏所需的时间与灰岩峰值强度成正比。灰岩在700 ℃左右失去原有的强度。

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