DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2018.05.021

单轴载荷下不同含水率砂岩力学和红外辐射特征

周子龙¹，熊成¹，蔡鑫¹，赵源¹，李夕兵¹，杜坤²

(1. 中南大学 资源与安全工程学院，湖南 长沙，410083；

2. 中南大学 高等研究中心，湖南 长沙，410083)

摘要：为揭示水对砂岩受力和红外辐射特性影响，开展不同含水率砂岩的单轴压缩试验，并进行红外辐射监测。研究结果表明：随着含水率增加，砂岩的单轴压缩强度、弹性模量逐渐降低，说明水对岩石的力学性质起到了一定的“软化”作用；含水率对砂岩红外辐射特性影响较大，砂岩含水率越高，其从初始时刻到最高应力时刻的升温幅度越大；含水率越高的砂岩试样表面平均红外辐射温度(AIRT)随时间变化的波动越小，温度随应力增加而增加的趋势越明显；含水岩石在临破裂前红外热像变化较平稳，没有温度异常，而对于干燥岩石，其临破裂前表面平均红外辐射温度突然增大，出现较明显的高温异常条带。

关键词：岩石力学；红外辐射；含水率；平均红外辐射温度(AIRT)；高温异常条带

中图分类号：TU452        文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2018)05-1189-08

Mechanical and infrared radiation properties of sandstone with different water contents under uniaxial compression

ZHOU Zilong¹, XIONG Cheng¹, CAI Xin¹, ZHAO Yuan¹, LI Xibing¹, DU Kun²

(1. School of Resources and Safety Engineering, Central South University, Changsha 410083, China;

2. Advanced Research Center, Central South University, Changsha 410083, China)

Abstract: In order to investigate the effect of water on mechanical and infrared radiation properties of rock, a series of uniaxial compressive tests were conducted on sandstone specimens with different water contents, and the infrared radiation characteristics were monitored. The results show that with the increase of water content, both of uniaxial compressive strength and elastic modulus of specimens decrease, which indicates that the sandstone becomes “soft” when the water content increases. Water contents have great influence on the infrared radiation characteristics of rocks. For specimen with higher water content, the amplitude of temperature rising is greater, and the variation of average infrared radiation temperature(AIRT) with time has smaller fluctuation. The temperature shows a more obvious increasing trend with the increase of external load. For wet specimens, the AIRT changes mildly with the increase of loading, and there is no temperature anomaly on the surface. However, AIRT of dry specimens increases abruptly and high-temperature anomaly strips can be monitored.

Key words: rock mechanics; infrared radiation; water content; average infrared radiation temperature(AIRT); high- temperature anomaly strip

岩石的变形破坏过程是一个能量释放的过程，伴随着自身温度的变化而变化^[1]。红外技术作为一种无损监测手段，可以无接触地对岩石表面的辐射温度变化进行实时监测，因此，是一种理想的研究岩石力学行为的途径。早在20世纪80年代末，GORNY等^[2]在研究中亚地区地震时，发现地震前卫星热红外异常现象。近年来，越来越多的科研工作者开始对岩石加载过程中的红外辐射规律进行研究。耿乃光等^[3]对26种岩石进行了试验，发现岩石的红外辐射温度随岩石的应力增大而增大。邓明德等^[4-5]通过试验和总结归纳的方法，发现岩石临近破裂前会出现明显的温度突增和红外图像升温异常现象。王述红等^[6-8]对岩石加载变形和破裂前的红外热像特征进行了研究，发现岩石剪切破裂位置的红外图像出现高温异常条带，并且微破裂强度与红外辐射强度具有正相关关系。谭志宏等^[9]研究了含缺陷花岗岩破坏过程中的红外热像，发现试件产生主破裂时，局部破坏区域会产生高温条带。张艳博等^[10]研究了含孔岩石加载过程的热辐射温度场变化特征，总结出应力场与红外辐射温度场具有良好的对应关系。在自然界中，岩石含水率往往不同，而且水对岩石的各种特性有较大影响，红外特性也不例外。邓明德等^[11-12]研究了水对岩石红外辐射特征的影响，发现水的作用比较明显，干燥岩石在破裂前会出现显著增温现象，而饱和岩石不会出现此现象。目前，研究者对红外辐射研究工作大多只针对岩石的干燥、饱和这2种状态展开，对岩石的不同含水状态研究较少。考虑到水对岩石性能的影响是动态连续过程，而且在实际工程状态下，完全干燥和饱和岩体并不是常态，介于饱和与干燥之间的含水率状态更符合工程实际，为此，本文作者对不同含水率岩石加载过程中的红外特性进行研究，以便为更好地指导工程实践提供参考。

1  试验

1.1  不同含水率试样的制备

红砂岩吸水效果好，颗粒粒度均匀，因此，试验所用的岩样选为红砂岩。为了使试验结果具有可比性，要求所有试样取自同块完整性和均质性都较好的砂岩。试验所用试样都加工成直径为50 mm、长径比为2.0的圆柱体，并对试样进行打磨，以保证两端表面平行度在0.05 mm以内，表面平整度在0.02 mm以内。试样加工完后，测定所有试样质量及波速，从中挑选出密度和波速均相近的试样用于试验。所选出的试样平均密度为2.294 50 t/m³，平均纵波波速为2.692 15 km/s。

本试验的干燥试样通过将岩样放入烘烤箱中进行干燥处理而得，烘烤时长为48 h，烘烤温度为105 ℃。烘烤完毕后称质量，且认为此时的含水率为0。

试验中，其他含水率试样通过干燥试样在水中浸泡制得，不同含水率试样的浸泡时间依据砂岩的含水率-时间曲线进行控制。在同一批加工试样中，随机选取3个试样经干燥处理后放在水箱中浸泡，每隔一段时间取出，擦干表面水分，放置于精度为0.01 g的电子天平上称质量，重复上述步骤，直到质量不再变化为止。试样含水率的计算公式为

式中：为试样含水率，%；m_w为试样浸泡后的质量，kg；m_d为试样干燥时的质量，kg。

根据试验结果绘制的试样含水率随浸泡时间变化曲线如图1所示。由图1可知：砂岩试样从干燥达到饱和状态大概需要24 h，饱和试样的含水率约为3.5%。因此，本试验决定采用4种含水率水平的试样进行静态压缩试验，分别为0，1.0%，2.0%和3.5%。对于每种含水率，制作3个试样用于单轴压缩试验。将制作好的试样立即用塑料保鲜膜包裹好，以便最大限度地防止含水率发生变化。

图1  试样含水率随时间变化曲线

Fig. 1  Variation of water content with time for sandstone

1.2  试验设备与方法

利用中南大学高等测试中心的电液伺服控制材料试验机(MTS-647)，对不同含水率砂岩试样进行单轴压缩试验。所有试验均采用位移控制的加载方式，要求加载速率恒定在0.15 mm/min。

在力学试验过程中，采用红外热像仪(SC7300M)同步记录不同含水率试样压缩过程中的红外辐射特性。红外热像仪像素分辨率为320×256像素，波长范围3.7~4.8 μm，温度灵敏度为0.01 ℃，采样频率设为25 Hz。

试验进行前，在试验机3个方向放置隔离纸板，只留下1个方向开口用于热像监测。为了防止岩石破坏后飞溅出来的碎片损坏仪器，将红外热像仪放置在开口监测方向的正前方1 m左右位置。同时，保证红外热像仪与静载试验机同时开启，力学结果和红外结果记录保持同步。

在本次实验中，为了尽可能地减小环境因素对含水率带来的影响，采取了以下措施：调节空调将试验室温度控制在27 ℃左右；拆除试样的保鲜膜后立即进行试验；在试验过程中，关闭室内门窗，拉上窗帘，禁止人员走动，尽可能减少实验现场的空气流动。同时，在实验过程中，试样因受压排水也可能会导致实际含水率与设定值不相符。但本实验研究的重点是砂岩的力学特征和红外辐射特征随含水率的变化趋势，因此，极小的含水率误差并不影响实验效果。

2  试验结果与讨论

2.1  不同含水率砂岩力学参数变化规律

表1所示为不同含水率砂岩的力学参数，图2所示为4种含水率砂岩的应力-应变曲线。从图2可以看出：不同含水率试件在受压过程中的应力-应变曲线形状大体相似；在达到峰值前，经过小段压密过程后应力增大；应力-应变曲线部分近似为线性，即试件在此区间处于弹性变形阶段；到达峰值强度后，不同含水率的试件应力均迅速下降到0 MPa，表明在试件被破坏后，不同含水率试件都立刻失去了承载能力。然而，由于含水率不同，试件也表现出差异：随着含水率增大，试件的峰值强度递减；弹性阶段更短，峰值应变逐渐减小，说明水对岩石的力学性质起到了一定的“软化”作用。

图3所示为不同含水率砂岩抗压强度变化规律。从图3可以看出：随着含水率增大，砂岩的抗压强度递减。这表明水对砂岩起到了软化作用，含水率为0时的平均抗压强度为67.16 MPa，而饱和时的抗压强度为46.81 MPa，饱水软化后强度降低约30%。

图2  不同含水率砂岩的应力-应变曲线

Fig. 2  Stress-strain curves of sandstone with different water contents

表1  静态压缩试验试样参数

Table 1  Specimen parameters and test results in static compressive tests

图3  砂岩抗压强度随含水率的变化规律

Fig. 3  Variation of compressive strength with water contents

图4所示为不同含水率砂岩的弹模变化规律。从图4可以看出：随着砂岩含水率增大，其弹性模量不断减小，达到饱和时下降幅度约18%，进一步显示了水对岩石的软化作用^[13-14]。

2.2  加载过程中红外热像特征

通过红外热像可以实时观测岩石试样在加载过程中表面热场的分布和变化特征。图5所示为4种不同含水率砂岩试样在不同应力状态下的典型红外热像照片。各砂岩试样端部升温速度均比中间位置的升温速度高，其原因可能是砂岩受载时的泊桑效应，压头和底座与试样接触面之间产生摩擦而产生热量。从图5可以看出：在压缩过程中，砂岩试样表面的红外辐射温度场呈现非均匀变化，但整体趋势都为升温；随着含水率增大，砂岩红外辐射温度的变化趋势更加明显，而含水率较低的砂岩温度场变化呈现相对无序状态。在图5(a)到图5(b)所示红外热像可见：试样的中间部分整体表现为降温，而在由图5(c)到图5(d)所示红外热像可见试样表现为升温。该规律在平均红外辐射温度(AIRT)曲线的分析中更容易看出。在破坏瞬间，含水率为1%，2%和3.5%的砂岩温度场变化都相对平稳，而干燥的砂岩则出现1条由应力集中或摩擦效应引起的局部辐射温度显著增加的条带^[9]，见图5(d)红圈所标注部分。

图4  砂岩弹模随含水率的变化规律

Fig. 4  Variation of elastic modulus with water contents

图5  不同含水率砂岩在加载过程中典型红外热像对比

Fig. 5  Typical infrared thermographics of sandstone with different water contents in compression processes

2.3  加载过程中辐射温度变化规律

岩石试样表面的平均红外辐射温度(AIRT)反映整个岩石试样的红外辐射能量，是表征岩石加载过程中红外辐射变化特征的1个重要指标。各含水率峰值载荷前AIRT增幅(Δt)和单位应力AIRT增幅(Δt/σ)统计结果见表2。

图6所示为4种不同含水率砂岩试样的AIRT及外载荷随时间的变化曲线。从图6可见：低含水率砂岩的AIRT曲线在变化过程中的相对波动很大，而含水率越高的砂岩，AIRT曲线的变化越平稳，相对波动越小；同时，随着含水率增加，AIRT曲线和外载荷曲线变化的一致程度逐渐增加；对含水率较低的试样，随着载荷增大，其温度变化并不明显；而对含水率较高的试样，随着载荷增大，其温度不断升高，两者具有较好的同步性，这与刘善军等^[12]的研究结果是一致的。从图6(a)可见：含水率为0的试样SC1-1在加载初期，AIRT变化趋势表现为震荡降低，在加载后65 s左右约8%峰值载荷时出现1个低温极值，降温幅度约为0.1 ℃；随后，曲线开始震荡回升，在140 s再次出现低温极值，而后回升，整体上振荡较大。

表2  红外辐射试验试样参数

Table 2  Specimen parameters and test results in infrared radiation

图6  不同含水率砂岩平均红外辐射温度(AIRT)及外载荷随时间的变化曲线

Fig. 6  Variation of AIRT and external load of specimen with different water contents

图7(a)所示为压缩过程中不同含水率砂岩的辐射温度变化曲线。从图7(a)可以看出：不同含水率砂岩由加载到最终破坏均表现为温度增加，但当含水率为0时，在低应力和中等应力阶段，干燥砂岩的温度变化为负增值；加载开始时，温度便波动下降，当应力到达8%峰值应力时出现低温极值；之后，随着应力继续增加，温度稍有回升，在19%峰值应力时，温度回升至与初始温度基本持平；在19%到23%峰值应力阶段，温度再次迅速降低，随着应力增大，辐射温度保持动态平稳至40%峰值应力，约27 MPa；到30 MPa时，温度再次迅速回升到初始温度水平，直到应力增至50 MPa时，温度一直在负增值水平上震荡；在高应力阶段，当应力达到50 MPa即约75%峰值应力后，温度变化转为正增值，但增速不大。然而，在58~60 MPa即约87%峰值应力时，温度突然增大，对应时刻的红外热像出现高温条带，如图7(b)所示。当最终应力达到67 MPa左右时，试样发生破裂。在中低应力阶段，干燥砂岩出现多次由初始温度水平到降温到回升至初始温度水平循环，而含水率为1.0%的砂岩除了在0～5%峰值应力阶段温度出现震荡外，其他阶段均与含水率为2.0%和3.5%的潮湿砂岩一样，随着应力增大，温度变化始终为正增值，并且温度增大的趋势随着砂岩含水率的增大也表现得越来越明显。

图8所示为破坏前增温幅度(峰值应力时温度与初始温度之差)和单位应力增温幅度随着含水率的变化曲线。从图8可见：随着含水率升高，AIRT的增加幅度逐渐增大，单位应力的AIRT增加幅度也逐渐增大：含水率为0的试样AIRT平均增幅为0.21 ℃，即当试样达到饱和时，试样的AIRT平均增幅达0.76 ℃，约为干燥试样的3.6倍。干燥试样的单位应力AIRT平均增加幅度约为0.00 316℃/MPa，饱水试样的单位应力AIRT平均增加幅度约为0.01 567 ℃/MPa，约为干燥试样的5倍。

图7  不同含水率砂岩温度随应力水平变化曲线

Fig. 7  Relationship between temperature of specimen with different water contents and stress level

图8  破坏前AIRT增幅和破坏前单位应力AIRT增幅与含水率关系

Fig. 8  Relationship between increment of AIRT and AIRT per unit stress and water content before failure

不同含水率砂岩在加载初期升温趋势方面出现差异的原因可能是：砂岩在加载初期要经过短暂压密阶段。由于原生裂隙和孔隙的存在，砂岩在压密过程中会因排出孔隙中的空气而带走一部分热量^[15]。随着含水率增大，原生裂隙或孔隙渐渐被水颗粒所填充，所以，在加载初期排出空气这一现象会随之减弱。而与空气相比，水的流动性要弱得多。因此，由于水存在黏滞性，在加载初期阶段，水因受挤压而排出的现象要远远比空气中的弱。同时，由于加载后水颗粒与砂岩颗粒摩擦会产生热量，因此，随着含水率增大，砂岩的AIRT曲线在初始阶段的上升趋势更加明显。

水对岩石红外辐射温度升温幅度的影响可以从热弹效应和微破裂效应2个角度进行解释：1) 热弹效应认为，岩石受压时温度上升，且压缩量越大，温度上升越多。根据试验结果，在相同载荷条件下，随着含水率增大，岩石对应的应变越大，故岩石的平均红外辐射温度增加越大；2) 岩石微破裂理论认为，岩石内部拉伸微裂隙的产生会吸收热量，进而可能导致岩石温度下降。张超等^[16-17]通过声发射的方法研究单轴压缩过程中干燥和饱和砂岩的微裂隙的发育情况，结果表明饱水试件声发射事件率比干燥试件的低，说明在单轴压缩过程中，含水岩石产生的微裂隙更少，故吸收热量越少。因此，随着含水率增大，单轴压缩过程中岩石的平均红外辐射温度增加越大。

利用含水率越高的砂岩峰值载荷前的升温幅度越高这一现象，可以逆向对砂岩岩体的含水率进行评估。辐射温度变化规律反映岩石受力作用下的微破裂行为，干燥砂岩破坏瞬间会出现红外图像异常。这表明在工程实践中，可以用辐射方法对岩体工程灾害进行监测，实现预测预警的作用。

3  结论

1) 随着含水率增大，砂岩试样的单轴抗压强度和弹性模量都随之降低，应力-应变曲线的弹性阶段越短，水对岩石的力学性质起到了一定的“软化”作用。

2) 随着含水率增大，砂岩的温度曲线和外载荷曲线随时间变化的同步性越好，温度曲线的相对震荡也越小，温度随应力增加而增加的规律越明显。对含水率越高的砂岩，其峰值应力前的升温幅度越大。

3) 在压缩过程中，干燥砂岩在临破裂前出现图像异常即出现高温条带，而潮湿砂岩不具备该图像特征。干燥砂岩的温度-应力曲线存在低温极值和临破裂前温度突增现象，而潮湿砂岩不具有这些特征。

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(编辑  陈灿华)

收稿日期：2017-05-10；修回日期：2017-07-12

基金项目(Foundation item)：国家重点基础研究发展计划(973计划)项目(2015CB060200)；国家自然科学基金资助项目(41772313) (Project(2015CB060200) supported by the National Basic Research Development Program (973 Program) of China; Project(41772313) supported by the National Natural Science Foundation of China)

通信作者：周子龙，博士，教授，博士生导师，从事采矿与岩石力学研究；E-mail: zlzhou@csu.edu.cn