巖石破裂全過程數(shù)字化細觀損傷力學試驗研究

1數(shù)字界面觀測試驗材料薄視結(jié)構(gòu)的發(fā)展是宏觀力學行為的改變，這是固體力學和材料科學的熱點。對于巖石這類材料,MichaelE.Kassner等學者認為,只有建立多尺度的力學模型才能真正了解微裂紋起裂的機制,并應(yīng)在細觀尺度上對脆延性材料進行深入研究。近年來,出現(xiàn)了基于掃描電鏡(SEM)的巖石損傷的檢測方法,進一步推動了對巖石細觀損傷及其擴展的研究工作。Batzle等觀測不同溫度條件下微裂紋與外荷載的相互關(guān)系。H.C.Robina等于1996年研究了初始微裂紋密度和巖石微顆粒尺寸對于YuenLong大理石巖樣單軸壓縮強度的影響。YossefHatzor等于1997年研究了白云石的細觀結(jié)構(gòu)與微裂紋起裂的初始應(yīng)力和試樣最終強度之間的關(guān)系,發(fā)現(xiàn)巖石微結(jié)構(gòu)對其強度極限的影響非常大。Wu等于2000年利用光學顯微鏡和SEM研究了DarleyDale砂巖在壓縮破壞中的各向異性損傷的微觀力學演化過程,得到了微裂紋密度與應(yīng)變之間的關(guān)系。國內(nèi)學者許江等于1986年采用帶有加載裝置的光學顯微鏡對砂巖完成了不同加載階段的裂紋損傷分析。盧應(yīng)發(fā)等和張梅英等完成了大理巖靜態(tài)和循環(huán)荷載試件的電鏡分析。凌建明等用掃描電鏡進行了不同巖石材料的實時加載觀測,建立了脆性巖石細觀損傷模型。趙永紅等研究了帶斜向中心割縫的大理巖板中破裂的發(fā)生與擴展過程。李煉等研究了花崗巖的微裂紋的發(fā)展過程。上述研究有力地推動了巖石損傷檢測技術(shù)的發(fā)展,為巖石破壞機制的研究起到了積極的推動作用。然而,在試驗中把數(shù)字化定量觀測和在位觀測兩者有機結(jié)合起來的報道還較為鮮見,隨著數(shù)字圖像處理技術(shù)的發(fā)展,使得這種結(jié)合成為了可能。本文設(shè)計了巖石破裂全過程跟蹤的細觀力學試驗方案,借助掃描電鏡(SEM)設(shè)備,對四川錦屏大理巖在單軸壓縮的條件下的細觀結(jié)構(gòu)演化過程進行了基于SEM圖像的數(shù)字化定量分析研究,實現(xiàn)了將數(shù)字化定量觀測和在位觀測的有機結(jié)合,為細觀損傷巖石力學的理論分析與數(shù)值計算奠定了試驗基礎(chǔ)。2試驗加載與數(shù)據(jù)采集同步化巖石破裂全程跟蹤細觀力學試驗方案可以實現(xiàn)單軸壓縮、單軸拉伸及三點彎曲條件下巖石破裂全過程觀測的細觀力學試驗,通過對荷載、變形的伺服控制,有效地實現(xiàn)了試樣加載與數(shù)據(jù)采集同步化。試驗過程中,可以對試樣表面的微裂紋萌生、破裂全過程進行實時觀測、記錄,并對某個微裂紋進行局部顯微放大觀測記錄,通過數(shù)據(jù)處理得到裂紋的長度、寬度、周長、方位角、面積等基本幾何參數(shù)。2.1掃描電子顯微鏡和伺服加載系統(tǒng)本次試驗是在中國科學院力學研究所非線性力學國家重點實驗室(LNM)固體力學室進行的。主要試驗裝置系統(tǒng)(見圖1)包括:日本HITACHIS-570掃描電子顯微鏡(分辨率為3.5nm,最大加速電壓為30kV,放大倍數(shù)≥50000)和由力學所自行開發(fā)研制的伺服加載系統(tǒng)(荷載范圍為0~2000N,測量誤差為±0.5N,拉壓最大行程為0~10mm,位移測量誤差為0.001mm)。加載系統(tǒng)通過裝載不同的夾具,以實現(xiàn)對巖石試樣進行單軸壓縮、單軸拉伸及三點彎曲細觀力學試驗。2.2巖塊的試樣加工巖石試樣采自四川錦屏二級水電站工程現(xiàn)場的大理巖,為了保證試樣性質(zhì)的均一性,嚴格密集采樣。所選用的大理巖以白色為主,局部略帶黑色,由碳酸鹽礦物成分組成,細粒變晶結(jié)構(gòu)為主(圖2(a)),部分為粗粒變晶結(jié)構(gòu),硬度為3.5~4.0(圖2(b)),宏觀均勻一致,其主要礦物成分有方解石、少量鎂欖石和磁鐵礦等,主要化學成分為Ca和Mg。巖塊從現(xiàn)場取回后,進行試樣加工。試樣的加工流程具體如下(見圖3、4):(1)首先將大型巖塊利用切割等方法制成多個200mm×200mm×50mm的小巖塊;(2)從小巖塊中選取幾塊,使用數(shù)控玻璃切割機床制成10個20mm×10mm×2mm的試樣;(3)利用高速精密超聲波打孔機床ZXYJ200-17A在試樣中部制作45°通透裂紋;(4)對試樣進行拋光,以增加試樣表面的平整度,有利于增加采集的圖像清晰度;(5)將拋光后的試樣在丙酮溶液進行5min的超聲波清洗處理,以除去試樣表面由于加工等原因產(chǎn)生的細微顆粒,然后干燥12h;(6)將干燥后的試樣放置在鍍金盤上固定,使用SCD050sputtercoater設(shè)備進行試樣的鍍金;(7)利用細簽字筆在試樣上適當位置標記記號,以方便試驗觀測與圖像采集。2.3圖像放大個數(shù)在巖石受載荷過程中,用掃描電鏡觀測和記錄在不同水平外載下試樣表面各部位微裂紋的發(fā)育、匯集的情況。而在數(shù)字圖像采集方面,主要有兩個問題需要考慮:(1)由于圖像放大倍數(shù)和圖像顯示范圍的相互制約,所以圖像放大倍數(shù)決定了觀測細觀裂紋的尺度及效果。為了達到微觀尺度觀測的效果,結(jié)合文獻[14-15]和本次試驗具體情況,采用放大倍數(shù)以50倍、100倍、300倍為主,同時兼顧觀測效果,對局部區(qū)域也采用500倍及1000倍的放大倍數(shù)。(2)在確定了放大倍數(shù)的條件下,圖像的采集數(shù)量和順序共同決定了微裂紋數(shù)量等信息的統(tǒng)計準確性,為了獲取較為全面的信息,利用預先在試樣上做的標記,采用從上而下分層,每層從左而右的采集順序,以達到獲取最大信息量和避免圖像信息的重復獲取的目的。同時,為了減少小試樣的屈服對試驗結(jié)果的影響,試驗時盡量加快采集圖片的速度。2.4sem數(shù)據(jù)處理方法：巖石薄觀察結(jié)構(gòu)2.4.1電子顯微鏡圖像分析數(shù)字圖像處理(digitalImageprocessing)又稱為計算機圖像處理(computerImageprocessing),擁有精度高、處理內(nèi)容豐富、可進行復雜的非線性處理特點。其中一個主要分支是圖像分析或景物分析。此類處理的輸入仍然是圖像,但所要求的輸出是已知圖像或景物的描述,而描述一般針對圖像或景物中的特定區(qū)域或目標,掃描電子顯微鏡圖像的數(shù)據(jù)化就屬于此類處理。通過編寫基于Matlab圖像處理工具箱的圖像識別程序,實現(xiàn)對SEM圖像數(shù)據(jù)的獲取(圖5)。2.4.2sem圖像退化試驗SEM圖像在形成、傳輸和記錄過程中,由于受多種因素的影響,圖像的質(zhì)量會有所下降,典型表現(xiàn)為圖像模糊、失真、有噪聲等。引起圖像退化的原因很多,有光學系統(tǒng)的像差、成像設(shè)備與物體之間的相對運動及圖像處理過程中的失真等。本試驗方案處理圖像退化的方法分為試驗階段與圖像處理階段兩個方面。試驗階段主要是儀器的工作狀態(tài)要求良好,工作環(huán)境應(yīng)保持常溫、安靜等。圖像處理階段主要通過以下步驟進行:①為防止圖像讀入時產(chǎn)生比例失真,增加幾何處理功能,使得程序可以根據(jù)掃描電鏡圖像的像素大小設(shè)置處理圖像大小;②對圖像進行灰度插值,再利用圖像的均衡反相功能,進行整體上的灰度修正,突出SEM圖像中微裂紋信息;③運用數(shù)學形態(tài)學中區(qū)域生長算法,對微裂紋圖像進行分割、識別,以減少圖像的退化。3試驗結(jié)果及分析3.1試驗的有效性、準確性此處選取1#試樣的一處微裂紋的萌生、生長及貫通來分析說明試驗的有效性與正確性。本文試驗分析中所提到的裂紋,除指明預制裂紋外,均指新發(fā)育的裂紋。3.2統(tǒng)計和分析實驗數(shù)據(jù)3.2.1微裂紋幾何數(shù)據(jù)利用自行編制開發(fā)的巖石細觀結(jié)構(gòu)SEM圖像處理程序,對1#試樣(見圖6)該處微裂紋的萌生、發(fā)育、生長及貫通的SEM圖片進行數(shù)據(jù)化分析,得到1#試樣破裂全過程(圖7、8)的微裂紋的幾何數(shù)據(jù)如下(圖中應(yīng)力數(shù)值為試樣軸向力方向的平均壓應(yīng)力σ):對應(yīng)于不同應(yīng)力狀態(tài)的各個微裂紋的面積、長度、方位角、平均寬度及周長,由于數(shù)據(jù)過多,此處僅僅列舉部分,見表1。在微裂紋的基本幾何數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上,經(jīng)過統(tǒng)計分析得到如下數(shù)據(jù):應(yīng)力-微裂紋總面積圖(見圖9),應(yīng)力狀態(tài)-方位角表(表2),裂紋1與裂紋2的面積、平均寬度、長度及方位角變化見表3。3.2.2微觀組織分布在加載初期,由應(yīng)力-應(yīng)變曲線OA段(圖10)及微裂紋總面積(圖9中σ=20MPa與σ=30MPa)可見,大理巖試樣中晶粒間的微孔隙在外荷載作用下被壓密實,晶粒承載面逐漸增加,從而產(chǎn)生宏觀上剛度增加的效應(yīng)。同時,伴隨晶粒間的相互錯動、摩擦,致使相鄰晶體界面上相互嵌結(jié)的部分,在發(fā)生摩擦、錯動時被破碎成細小碎粒,從而增加了晶粒間相互接觸界面的復雜性。壓實與破碎的同時進行,使得微裂紋總面積變化不大,且以壓實占優(yōu)(見圖9)。這一階段的范圍和曲線變化特征主要與試樣的初始損傷及晶粒物理性質(zhì)有關(guān),由于此大理巖試樣主要以細粒變晶結(jié)構(gòu)為主,故晶粒間微孔隙所占體積比例較大,因此,壓實過程OA段所占范圍比例較大。隨著加載的進行,AB段中曲線的斜率明顯增大,反映出材料在加荷過程中出現(xiàn)局部非線性變形,致使剛度增大,在宏觀尺度上巖樣整體仍處于彈性階段。細觀尺度上,隨著位于預制裂紋角端處晶粒變形的積累,晶粒間產(chǎn)生較大的錯動,在預制裂紋角端處形成大量繞晶細觀裂紋,同時由于晶粒各自的幾何物理性質(zhì)差異及試驗中應(yīng)力分布不均勻造成的區(qū)域性應(yīng)力集中,造成細觀微裂紋在此時主要呈彌散分布狀態(tài),其間相互匯集出現(xiàn)但比例不大(圖7(d))。在荷載繼續(xù)增加的作用下,先前的彌散細觀微裂紋在由試樣特定的細觀組構(gòu)所決定的應(yīng)力-應(yīng)變條件下以張開方式沿大致垂直于預制裂紋方向的生長,同時在微裂紋附近區(qū)域造成新的應(yīng)力分布不均,產(chǎn)生新的彌散微裂紋,如此反復,數(shù)條微裂紋匯集成為兩條較長較寬的微裂紋(圖7(e)),微裂紋的總面積急劇增加(見圖9)。當荷載增加至較高水平時(圖7(f)),新生微裂紋的方向由大致垂直于預制裂紋方向逐漸向加載軸方向轉(zhuǎn)動,在此方向上有優(yōu)勢的裂紋2明顯比裂紋1在長度、面積和寬度上都生長迅速(見表3),同時在裂紋的形式上,一些晶粒內(nèi)開始出現(xiàn)不同于繞晶細觀裂紋的穿晶細觀裂紋,此時的穿晶裂紋數(shù)量較少,處于彌散狀態(tài),基本不互相匯集連通。當應(yīng)力進一步增大時,應(yīng)力-應(yīng)變曲線中的BD段,此段過程極短,對于極限應(yīng)力點處(C點)的巖石細觀狀態(tài)難以用SEM捕捉圖像,是試樣最后的破壞階段。在細觀尺度下,此時主裂紋基本沿加載軸方向以張開形式快速擴展(圖7(g)),試樣的有效承載面積也隨之快速減少,造成在試樣的微裂紋密集區(qū)域應(yīng)力高度集中。這時細觀裂紋產(chǎn)生的方式主要以穿晶細觀裂紋為主,同時在晶粒內(nèi)萌生了大量的相互交錯的次生微裂紋,晶粒強度迅速降低,使得試樣處于不穩(wěn)定的平衡狀態(tài)。在微小的擾動下,試樣將發(fā)生脆性破壞。當保持σ=60MPa進行觀測,發(fā)現(xiàn)裂紋仍不斷擴展,這表明晶粒的變形、裂紋的擴展等所耗能量此時已經(jīng)不足以平衡所積累的能量釋放。當加載至約σ=61MPa時(見圖10),主裂紋沿與加載軸近似平行方向迅速貫通,試樣發(fā)生軸向劈裂,產(chǎn)生一個貫穿整個試樣的剪切破壞面(圖8)。3.2.3過程微裂紋間距參數(shù)間距是微裂紋特征的一個重要參數(shù),它直接反映微裂紋的分布情況,并表征巖石的損傷程度和滲透性。本文沿用文獻方法,采用裂紋間距(λ)計算公式為式中:L為斷面上沿某一方向剖線的長度;NLC為長L的剖線通過的微裂紋的數(shù)量。對含預制裂紋試樣1~6#進行全過程微裂紋間距統(tǒng)計(見圖11)。采用非參數(shù)檢驗中的K-S檢驗對微裂紋間距進行假設(shè)檢驗,可以發(fā)現(xiàn)微裂紋間距s近似服從指數(shù)分布,指數(shù)分布的密度函數(shù)為式中:λ為正常數(shù)。采用點估計方法算出不同壓力下微裂紋間距分布參數(shù),見圖12。圖12中,5個點在折線外,其中有2個點在(20,0.002)處重合;折線上共有37個點,故可以認為折線為含預制裂紋試樣1~6#的微裂紋平均間距分布參數(shù)在單軸受壓過程中變化過程線。試樣破壞過程中,由于σ≤30MPa時,試樣微裂紋變化中的壓密過程占優(yōu)勢,平均間距分布參數(shù)為0.001;當由σ=30MPa直到破壞,微裂紋各種損傷破裂占優(yōu),平均分布參數(shù)增加至0.002,且保持不變?？梢?雖然破壞過程中,微裂紋在某些區(qū)域集中,但微裂紋的分布依然是相對均勻的且分布形式保持不變,服從某一指數(shù)分布,直至試樣最終破壞。4“微裂紋響應(yīng)面”“應(yīng)-變(1)設(shè)計了巖石破裂