DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2019.05.016

不同加载速率下岩石红外辐射效应的试验研究

周子龙，常银，蔡鑫

(中南大学 资源与安全工程学院，湖南 长沙，410083)

摘要：为研究加载速率对岩石试样红外辐射效应的影响，对花岗岩进行不同加载速率下单轴压缩实验，监测其红外辐射的变化。研究结果表明：随着加载速率增加，花岗岩试样抗压强度逐渐增加，从初始加载直至破坏的时间明显减少，初始压密阶段变长，弹性阶段的斜率逐渐变小；加载速率对红外辐射效应的影响体现在红外热像和平均红外辐射温度变化量上，在花岗岩红外热像图上表现为热像图上的高温区域不断扩大；试样的平均红外辐射温度变化量(△t_AIR)随着加载速率提高逐渐增大；在较高加载速率下，△t_AIR曲线的斜率呈指数函数增大，即花岗岩试样的红外辐射效应越来越明显。

关键词：加载速率；红外辐射；平均红外辐射温度变化量

中图分类号：TU45；O434.3        文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2019)05-1127-08

Experimental study of infrared radiation effects of rock with different loading rates

ZHOU Zilong, CHANG Yin, CAI Xin

(School of Resources and Safety Engineering, Central South University, Changsha 410083, China)

Abstract: In order to reveal the influence of loading rate on infrared radiation effects of rock specimens, uniaxial compression experiments of granite at different loading rates were carried out. The variation of infrared radiation was monitored. The results show that compressive strength increases gradually with the increase of loading rate and the time decreases evidently from initial loading to final failure, and the initial compaction stage of the stress-strain curve becomes longer. The slope of the elastic stage gradually decreases. The effect of loading rate on infrared radiation mainly reflects on infrared thermal image and average infrared radiation variation. High temperature region is expanded continuously on thermal image with the increase of loading rate. Average infrared radiation temperature variation (△t_AIR) also increases gradually. At higher loading rate, slope of △t_AIR curve increases exponentially, i.e., the infrared radiation effect of granite is significantly affected by loading rate.

Key words: loading rate; infrared radiation; variation of average infrared radiation temperature

加载速率是影响岩石力学性质的重要因素，尤其在矿山的采矿生产活动中，若巷道掘进速率过大，则可能导致围岩片帮甚至引起岩爆等灾害，对矿山的生产安全造成严重威胁。研究表明，岩石的破坏不仅体现在力学性质上，而且体现在受载过程中释放的各种物理特征特别是红外辐射特征上：因此，研究不同加载速率下岩石的力学特性及红外辐射特征对于指导矿山生产很有必要。对红外辐射的研究最初是在地震方面，通过研究发现在震前多出现热红外异常。为了进一步研究地震的热红外机制，自20世纪90年代以来，人们开展了岩石加载过程红外辐射的研究，模拟地震孕育过程中热红外异常。由于在矿山资源开采过程中，采动留下的矿柱受到各种应力作用，最终会发生破坏。导致这种破坏的因素多种多样，破坏的机理也不尽相同，在破坏过程中会释放红外辐射能，因此，可以对矿柱进行红外辐射监测。这种监测由于是非接触式监测，可以极大方便监测过程，逐渐用于对矿山开采变形进行监测；此外，利用红外热成像技术可以检测金属和混凝土构件内部缺陷，并对其使用寿命进行评估。LUONG^[1-4]在混凝土中使用了热成像技术，从应力耦合的角度出发，研究了混凝土在破坏过程中的红外辐射规律，提出可以用于对材料进行无损和非接触性检测，之后又将这项技术应用于岩土和其他材料的检测中。邓明德等^[5]通过对干燥和含水岩石标本单轴加压，发现岩石含水后其红外辐射能力比干燥岩石的红外辐射能力低，并且在加载过程中，辐射能力随应力增大而增大，含水岩石的增加量大于干燥岩石的增加量；此外，邓明德等^[6]认为红外热像仪接收到的红外辐射能量由温度T产生的辐射能E₁和由应力产生的辐射能E₂叠加产生，由此可用总能量E反演温度和应力，并且在实验中基本实现了等温加载，发现混凝土的红外辐射能量随压力变化而发生显著变化，证明了机械力能够直接引起固体物质(混凝土、岩石等)的红外辐射能量发生变化，不需要经历生热中间物理过程。WU等^[7-9]通过对煤样在单轴加载及单轴循环加载进行红外监测，发现在煤岩和砂岩受压过程中，会出现3类红外热像特征和3类红外辐射温度特征，提出0.79σ_c(σ_c为单轴抗压强度)附近区域为监测的“应力警戒区”，随压应力、剪应力上升，岩石试块的红外辐射强度总体呈上升趋势，而拉应力对岩石试块的红外辐射影响不大，基本看不到明显异常。WU等^[10-15]对岩石在加载过程中产生红外辐射的影响因素(加载速率、加载方式、岩性)及机理进行了分析和讨论，研究了岩石变形过程中红外辐射的变化，发现加载岩石红外辐射变化规律受2种热效应即热弹效应和摩擦热效应控制，这2种热效应在不同加载阶段所起的作用不同，并在此基础上提出了遥感岩石力学的概念，对不同条件下岩石破裂和破坏的红外图像异常及温度-时间曲线异常分别进行了阐释。董玉芬等^[16]通过分析岩石的破裂演化过程并对岩石变形过程中产生的红外辐射进行研究，发现微破裂伴随产生红外辐射，微破裂越强，所产生的红外辐射就越强，红外热像图显示就越明显。GONG等^[17-20]在水平、60°倾角及竖直的层状岩体中模拟巷道开挖，并用红外热像仪进行监测，得出平均红外温度随时间的变化特点，运用小波去噪和MIF等技术对红外图像进行了优化，由此用于分析巷道破坏的微观过程。张艳博等^[21-22]选择含圆孔岩石作为试样，利用单轴加载实验系统和红外热像仪并结合数值模拟分析手段，使用RFPA软件对模型受力及破裂过程的热辐射时空演化特征进行了实验研究，分析了水对岩石红外辐射规律的影响，发现水对粉砂岩破裂红外辐射敏感性影响较大，存在1个临界转换点(水的质量分数为1.464%)：当水的质量分数小于1.464%时，水的质量分数越大，红外辐射对应力的敏感性增强，反之，敏感性相对减弱；当水的质量分数低于2.563%时，红外辐射温度降幅随水的质量分数增大而增大，反之，红外辐射温度降幅减小。马立强等^[23]通过在岩体内部钻孔，利用红外测温仪测量岩体孔内的温度，得到孔内红外辐射温度与载荷、应力、应变的线性关系，并提出用参照试样对红外热像去噪^[24-25]，用原始红外图像序列和逐差红外图像序列的平均红外温度和方差作为指标对红外辐射进行分析，并对4个指标进行评价^[26]。宋义敏等^[27]以红外热像仪结合数字散斑相关方法作为观测手段，对煤试件进行实验研究，观测和分析煤试件的变形演化、温度演化及其二者的对应变化关系。唐阳等^[28]利用红外热像仪结合PFC2D数值模拟软件，研究了单轴压缩加载条件下试块的温度场与细观损伤情况，发现可利用离散单元法模拟热学温度场环境下混凝土的破坏过程。杨阳等^[29]基于分形维数、方差对饱水粉砂岩在加载破坏过程中红外辐射温度场进行了探讨，指出分形维数相较于方差更有其优越性，更能表现出岩石的红外前兆。目前，人们就加载速率对红外辐射效应的研究较少。为此，本文作者利用红外热像仪作为监测设备，开展不同加载速率下花岗岩试件的单轴压缩实验，以便揭示加载速率对花岗岩试样力学和红外辐射效应的影响，对岩石的破坏过程进行更加全面了解。为便于分析岩石试样表面在加载过程中红外辐射温度的演化，减少因环境及人为因素对红外温度的影响，对加载过程中获得的热像图进行差值处理，以加载前的热像作为初始热像，加载后的每帧热像都与初始热像作差值，对差值后图像的辐射温度场变化进行分析^[30]。

1  实验设计

1.1  实验设备

实验加载设备采用中南大学高等研究中心INSTRON 1346万能材料实验机，最大载荷量程为2 MN，载荷测量精度在±0.5%以内；红外辐射探测装置采用美国FLIR SYSTEMS公司的SC7300M型非制冷红外热像仪，探测器类型为焦平面阵列MCT探测器，热像仪像素分辨率为320像素×256像素，波长范围为3.7~4.8 μm，温度灵敏度为0.01 ℃，图像采样频率设定在10~100 Hz之间。

1.2  实验方案

实验使用的试样为花岗岩，加工成标准的长×宽×高为50 mm×50 mm×100 mm的长方体试样9块。试件加载两端打磨抛光，保证其表面平整度符合实验规程。将全部试样置于烘烤箱中烘烤24 h，取出待其降至常温。

本次实验采用位移控制方式，分别以0.1，0.2，0.3和0.4 mm/min的加载速率对试样进行加载。考虑到岩石材料的各向异性和不均质性，在单个加载速率下加载3个试样，取实验结果平均值。实验开始时，将红外热像仪、静载实验机同时开启，保证各系统的数据记录在时间上保持同步。

将红外热像仪放置在岩石试样正前方1 m左右的位置，观察试样在单轴加载下红外辐射变化情况。在除仪器方向外其他3个方向放置隔离板，只留下1个方向开口用于监测，以便最大程度地减小周围环境对岩石辐射的影响，同时防止岩石破坏后飞溅出来的碎片损坏仪器及其他设备。在实验过程中，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。试件放置后，对其温度进行监测，待试件表面温度均匀时，开始进行实验。

2  实验结果分析

2.1  不同加载速率下花岗岩的力学性质

表1所示为不同加载率下花岗岩试样的力学参数及实验结果，其中△t_AIR表示试样表面平均红外辐射温度变化量^[24]。从表1可以看出：抗压强度随着加载速率增大而增大；当加载速率从0.1 mm/min提高到0.4 mm/min时，抗压强度从120.05 MPa(试样GCD2)增大到138.78 MPa(试样GCD12)，大约增大15.6%；而与此相反，加载时间随着加载速率增大逐渐减小，低加载速率下加载时间变化较大，在较高加载速率下，加载时间的变化逐渐减小；在不同加载速率下测得的峰值强度对应的峰值应变随着加载速率增加有波动，离散性较大，但总体来说，峰值应变随加载速率增大而增大。不同加载速率下花岗岩试样的应力-应变关系如图1所示。从图1可见：当加载速率为0.1 mm/min时，应力-应变曲线弹性阶段的曲线斜率略大于其他加载速率下的曲线斜率，加载初始时的压密阶段较短；在加载速率为0.4 mm/min时，应力-应变曲线弹性阶段的斜率明显较小，压密阶段较长；在加载速率为0.2 mm/min和0.3 mm/min时，应力应变曲线变化很小，基本无差异。

表1  不同加载速率下试样参数

Table 1  Sample parameters at different loading rates

图1  不同加载速率下的应力-应变曲线

Fig. 1  Stress-strain curves at different loading rates

2.2  不同加载速率下花岗岩的红外热像特征分析

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2所示为4种不同加载速率花岗岩试样在不同应力水平下的典型红外差值热像。各试样端部升温速度比中间位置的升温速度高，其原因可能是受载时存在端部效应，压头和底座与试样接触面之间产生摩擦而产生热量。从图2可以看出：压缩过程中试样表面的红外辐射温度场呈现非均匀变化，但整体趋势是升高。将各加载速率下的热像温度设定在相同的区间内，可以看到试件几乎都是从两端开始升温，而后延伸到其他部分，其原因是试样两端受到力的作用，其温度首先升高。热像图中温度区间均设定为-0.1~0.4 ℃，使各加载速率下的红外热像具有可比性。热像粉色区域不断扩大，说明随着加载速率提高，试样表面整体红外温度越来越高。加载速率对试样表面的红外辐射影响较大，其中，当加载速率为0.4 mm/min时，黑色区域充满了热像，这说明峰值强度时刻几乎试样整个表面升温都在0.4 ℃及以上。加载速率为0.1 mm/min时的加载热像如图2(a)所示，可见在峰值强度时，试件表面的红外温度最高为0.54 ℃，最低为-0.15 ℃，相差0.69 ℃。加载速率为0.4 mm/min时的加载热像如图2(d)所示，可见在峰值强度时，试样表面的红外温度最高为1.33 ℃，最低为-1.03 ℃，相差2.36 ℃，这与较低加载速率下的温度有明显差别，说明加载速率越大，试样最高温度越来越高，最低温度也越来越低，即试样表面温度相差越大。同时，当加载速率逐渐增大时，实际受压试样在破坏时碎屑飞溅速度越快，即破坏越剧烈，但看不到试样表面温度分布与实际试样表面破坏时的剧烈程度相互对应。可以认为，试样在峰值时刻平均红外辐射温度越高，试样的破坏越剧烈。

2.3  不同加载速率下花岗岩△t_AIR特征分析

对花岗岩试样进行不同加载速率下的常规压缩实验，以时间为横轴，平均红外辐射温度变化量△t_AIR为纵轴，绘制不同加载速率下的△t_AIR与时间的关系曲线，如图3所示。

图2  不同加载速率下花岗岩试样的典型红外热像对比

Fig. 2  Comparison of typical infrared thermal images of granite samples at different loading rates

图3  不同加载速率下花岗岩受压过程平均红外辐射温度与时间的关系

Fig. 3  Relationship between average infrared radiation temperature and time during granite compression under different loading rates

从图3可以看到：随着加载速率增大，△t_AIR上升速度加快，当加载速率从0.1 mm/min提高到 0.4 mm/min时，试样的平均红外辐射温度变化量曲线的斜率逐渐增大。其原因是：一方面，随着加载速率增大，试样从初始加载到破坏的时间缩短，而且试样破坏前的最高温度也随之增加；另一方面，从加载时间来说(见表1)，当加载速率从0.1 mm/min增大到0.2 mm/min时，加载时间大约减少250 s，而平均红外辐射温度变化量曲线的斜率没有明显增大；而当加载速率从0.2 mm/min提高到0.3 mm/min时，加载时间减少约120 s，平均红外辐射温度变化量曲线的斜率较之前有了很大提高；当加载速率从0.3 mm/min提高到0.4 mm/min后，加载时间基本上没有变化，而△t_AIR大幅度升高(此处根据多个试样的平均值获得)。这说明花岗岩的红外辐射效应在加载速率较低时不太明显，而在较高的加载速率下，红外辐射效应受加载速率非常大。图4所示为△t_AIR 曲线斜率与加载率关系曲线，进一步证实了上述规律(图4中k为△t_AIR曲线的斜率，ν为加载率，R²为拟合程度)。

4种不同加载速率下花岗岩试样的平均红外辐射温度变化量△t_AIR及应力随时间的变化曲线见图5。从图5可见：在加载速率较低时，△t_AIR曲线波动较大，近似呈台阶状上升(图5(a))，应力-时间曲线在峰值附近有明显的应力调整，△t_AIR曲线的总体趋势和应力-时间曲线总体趋势一致性较差；而当加载速率逐渐增大时，应力-时间曲线峰值附近无明显调整，说明试样随着加载速率增大，脆性增强，且△t_AIR曲线逐渐平滑(见图5(b))，曲线逐渐向应力-时间曲线趋势调整，其与应力-时间曲线的一致性逐渐增强。

图4  平均红外辐射温度变化量曲线斜率与加载速率的关系

Fig. 4  Relationship between slope of average infrared radiation temperature and loading rate

2.4  分析与讨论

由斯蒂芬-玻尔兹曼定律可知物体的热力学温度越高，其所有波段上的总体辐射强度越强^[31]。在较低加载速率下，花岗岩试样在压缩过程中其内部的微破裂发育及扩张较充分，因而辐射强度较高，微破裂出现所导致的摩擦热效应是岩石表面的△t_AIR曲线波动性较大的主要原因，张性微破裂使热力学温度下降，而剪性微破裂使热力学温度上升^[31]，导致传递到表面的热力学温度相差较大，表现在红外温度也相差较大；而在高加载速率下，试样内部的微破裂不够发育，来不及充分产生和扩张，受张性破裂和剪性破裂的影响较小，导致传递到试样表面的温度变化比较小。此外，随着加载速率增大，△t_AIR曲线和应力-时间曲线的一致性越来越好，即红外温度和应力的相关程度越来越好。由于各种因素导致的红外温度体现在试样表面差异非常小，因此，试样表面破坏位置不能与红外温度的分布相对应，这与实际观察到的岩石表面破坏结果相吻合。

邓明德等^[6]认为在等温加载条件下，应力可以直接引起物体红外辐射能量的变化，而不需要经历生热物理过程，即应力可以单独引起辐射变化，并提出红外热像仪接收到的红外辐射能量由温度产生的辐射能E₁和由应力产生的辐射能E₂叠加产生，这就可以很好地解释实验现象。在低加载速率下，花岗岩试样的应力增速较慢，而试样内部的摩擦生热使得热力学温度发生变化，在这种条件下，应力对辐射能量的影响较小，所以，△t_AIR曲线和应力变化曲线的一致性较差；随着加载速率增大，应力增速较快，试样内部的摩擦生热成分较少，应力对红外辐射的影响程度逐渐变大，△t_AIR曲线和应力变化曲线的一致性越来越好。这也可以从图5得到证实。随着应力增大，低加载速率下的岩石试样温度变化基本无差别，而高加载速率(如0.3 mm/min以上)的岩石试样温度变化明显，与低加载速率下的试样差别较大，说明在高加载速率下，红外温度的变化在很大程度上取决于应力变化。

图5  不同加载速率下花岗岩试样的△t_AIR与外载荷随时间的关系

Fig. 5  Relationship between △t_AIR and external loads of granite samples and time at different loading rates

图6  平均红外辐射温度变化量△t_AIR 随应力的变化曲线

Fig. 6  Relationship between average infrared radiation temperature variation (△t_AIR) and stress

3  结论

1) 花岗岩试样的抗压强度随加载速率增大，加载速率从0.1 mm/min增大到0.4 mm/min，抗压强度约增大12.5%；加载时间随加载速率增大逐渐减少，两者都呈指数函数变化。

2) 加载速率在红外热像上的影响主要体现在高温区域逐渐扩大，低加载速率下红外温度整体较低。

3) 平均红外辐射温度变化值△t_AIR 曲线在加载速率较低时波动性较大，与应力-时间曲线的一致性较差，这主要与岩石内部的破裂类型有关；而当加载速率较高时，应力-时间曲线较平滑。△t_AIR曲线与应力-时间曲线的一致性较好。△t_AIR曲线的斜率随加载速率增大呈指数函数增大，即加载速率越高，红外辐射效应越明显。

4) 试样在受压过程中表面温度分布和实际破坏位置无明显对应关系，在较高加载速率下，试样表面平均红外辐射温度变化量越大，同时试样破坏越剧烈，碎屑的飞溅速度更快，可以认为，平均红外辐射温度变化量越大，试样破坏越严重。

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(编辑  陈灿华)

收稿日期：2018-07-10；修回日期：2018-09-21

基金项目(Foundation item)：国家重点基础研究发展规划(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