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摘 要：

获得脆性相似材料是开展岩体工程脆性破坏相似模拟试验的前提。为研究配比、胶结材料、颗粒级配等因素对相似材料强度和脆性的影响及控制机制，采用声发射、核磁共振仪、电镜扫描等开展了系统试验。结果表明：(1)常规砂-水泥-石膏胶结的相似材料中水泥的占比是控制材料强度的关键因素，但配比改变对相似材料脆性影响不大。(2)加入水玻璃和石灰胶结材料的试样压缩全过程声发射显著增多，加入石灰或改善材料中骨料的颗粒级配可有效提高相似材料的脆性。(3)改善骨料颗粒级配的相似材料其单轴压缩全过程曲线及声发射特征与脆性岩石压缩全过程演化曲线及声发射特征相似，是用以模拟岩石脆性破坏过程及声发射演化的理想材料。(4)通过核磁共振与电镜扫描分析不同相似材料孔隙及胶结特征可知，相似材料孔隙量与孔隙结构与材料脆性密切相关；胶结材料对骨料颗粒包裹情况是材料脆性的重要决定因素。研究成果对岩土工程相似模拟试验具有参考价值。

关键词：

崩塌;物理模型;声发射;相似材料;脆性指数;

作者简介：

余琪(1998—),女，硕士研究生，主要从事岩体崩塌方面研究。

*陈世万(1990—),男，副教授，硕士研究生导师，博士，主要从事岩土工程与核废料地质处置方面的研究。

基金：

贵州省科学技术基金项目([2020]1Y185);

国家自然科学基金项目(4216020116);

引用：

余琪, 陈世万, 杨贵, 等. 岩体崩塌模拟试验脆性岩石相似材料研究[J]. 水利水电技术(中英文), 2022, 53(9): 210- 220.

YU Qi, CHEN Shiwan, YANG Gui, et al. Study on brittle rock similar materials for simulative experiment of rock mass collapse[J]. Water Resources and Hydropower Engineering, 2022, 53(9): 210- 220.

0 引 言

我国西南岩溶山区地质条件复杂，硬脆性岩体密集分布，岩体崩塌灾害频发严重危害人民生命财产安全。岩体失稳过程极为迅速，具有典型的脆性破坏特征，传统基于位移的理论和技术难以有效对岩体崩塌监测预警。研究表明，微震/声发射监测技术与方法可为岩体工程灾变提供有效预警。为认识岩体破裂过程裂纹发展诱发声发射/微震信号特征，室内相似模拟试验是重要手段，而获得脆性相似材料，特别是破坏过程中声发射/微震演化规律与岩石脆性相似的材料，是开展岩体破裂相似模拟试验的关键。因此，开展室内崩塌相似模拟试验获得脆性相似材料对研究脆性岩体崩塌的规律和机制对危岩体崩塌预警十分重要。

国内外学者在相似模型材料配制方面已开展大量研究。国外常用的相似材料主要以铅氧化物 (PbO或Pb3O4) 、重晶石粉作为骨料， 并选取砂子或小圆石作为辅助材料， 胶结剂主要是以石膏混合物和环氧树脂两种材料为主。国内在大型工程相似模型试验研究前期通常以配置高容重、低强度、低弹模的相似材料为主。以韩伯鲤等、马芳平等、王汉鹏等学者为代表，分别研制出了MIB、NIOS、IBSCM三种新型地质力学模型材料，配置出的材料性能稳定无毒、成本低廉且可在较大范围内调节材料力学性质，得到广泛应用。史小萌等以重晶石粉和石英砂为骨料，以水泥、石膏为胶结剂，分析了不同因素对材料力学性能的影响，并总结出了相似材料的配比经验公式。

此外，还有许多学者针对不同试验需求开展了针对性研究。阮博等以铁粉、石英砂、黏土为岩体磁性相似材料，铁粉、重晶石粉、石膏为结构面相似材料研究了铁磁性岩石的相似材料力学特性。刘永莉等通过对砂、水泥、石膏、硅藻土、红黏土和泥灰岩粉等材料进行调节模拟出同一原岩不同风化状态的物理特性。高会会等基于正交试验方法，以新型注浆材料AG-C溶液、不同级配石英砂、膨润土为原料，研制了可用于水下振动台试验的软弱夹层物理模型相似材料。杨旭等针对红层软岩以铁粉、钡粉为骨料，加入石膏、生石灰配制了结构连接弱、亲水性强、透水性弱，遇水极易软化的相似材料。储昭飞等针对具有变形大、强度低及显著流变特性的软岩以精铁粉、重晶石粉和石英砂为骨料，酒精松香溶液为胶结剂，液压油为黏滞剂，研制出新型软岩流变相似材料(IBSRO)。代树红等以细沙、滑石粉为骨料，石膏为胶结剂，液体石蜡为调节剂配制了具有不同物理力学性能及水理性的流-固耦合模型试验相似材料。郭健等基于正交试验设计方法以重晶石粉、石英砂、石膏和水为原料开展试验研究了结构面相似材料。吴锦华等以重晶石粉、石英砂、石膏和水为原料配置了泥灰岩相似材料，模拟研究了各因素对相似材料物理力学指标的影响规律。

为研究深部工程岩爆突变脆性破坏过程，李天斌、王志佳、周辉等学者以石英砂、水泥、石膏等为主要材料并加入其他掺和剂配制了具有岩爆倾向硬脆性相似材料。钟雨奕等采用岩爆相似材料进行二维应力隧道岩爆物理模型试验，研究高地应力条件下(侧压力系数λ=2)隧道围岩岩爆等脆性破坏特征。潘一山等采用相似材料模拟方法并借助数字散斑观测技术对深部岩巷开挖过程中围岩应力演化特征、变形破坏规律进行分析，揭示了深部岩巷围岩稳定性控制机理。

上述研究成果为岩石相似材料的性质奠定了基础，但目前大部分学者的研究主要针对材料强度、弹性模量及密度相似性，脆性相似材料研究较少，没有针对应力应变曲线及声发射演化过程做出研究，而相似材料破坏过程中声发射演化规律与原岩脆性破坏相似，是岩体崩塌相似模拟试验的关键。基于此，本文以石英砂、水泥、石膏、石灰、水玻璃为主要材料开展岩石脆性相似材料的配比试验研究，试验成果可为危岩体崩塌破坏监测预警提供理论依据。

1 试验设备及试验方法

1.1 试验设备

单轴压缩试验采用WAW-1000 kN型电液伺服万能试验机，声发射信号监测采用美国物理声学公司PCI-2声发射系统[见图1(a)]。采用低场核磁共振仪(MesoMR12-060H-I)测量试样孔隙度及孔径分布[见图1(b)]。破坏后的微观形貌分析采用Coxem EM-30台式扫描仪。

图1 试验设备

1.2 材料配比

为研究材料配比、胶结材料、颗粒级配对相似材料脆性的影响，本试验设置常规配比组，水玻璃胶结材料组，生石灰胶结材料组和改善颗粒级配组。其中，常规配比组以砂胶比、水泥石膏比为变量，得到不同配比材料的抗压强度和弹性模量并以此为基础，通过加入不同掺和剂得到不同脆性特征的相似材料。

1.2.1 常规配比组

常规配比组采用石英砂为骨料，石膏、水泥为胶结材料，配制过程中加入3%硼砂作为缓凝剂以防止石膏凝结过快(记为CG组)。配比方案如表1、表2所列，其中石英砂粒径为40 80目，石膏粉为280目，水泥325目。为方便描述，下文应用配比号对表中配比数据进行说明，第一位数字代表砂胶比；第二、三位数字代表胶结物中水泥 石膏的比例关系；如337,表示砂胶比3 1,一份胶结物中水泥：石膏比例为3 7。

1.2.2 水玻璃及石灰胶结材料组

研究表明，石灰和水玻璃可提高相似材料脆性。为研究水玻璃对材料脆性的影响规律及内在机制，通过常规试验获得满足强度相似比的材料配比，向水中加入质量占比为3%的水玻璃搅拌至完全溶解，倒入材料中均匀搅拌制样(记为SBL组)。在此基础上，采用石灰替换石膏进行对比试验，以研究石灰胶结材料对脆性的增强作用 (记为SH组)。

1.2.3 改善骨料颗粒级配组

常规配制组中石英砂颗粒为均匀粒径，但考虑到颗粒级配对混凝土材料的力学性能有较大影响，因此需在合理范围内改变骨料颗粒级配并开展试验，以揭示颗粒级配对相似材料力学特性的影响(记为KL组)。不同粒径的骨料在总骨料质量占比分别为40 80目占40%,20 40目为30%,10 20目为30%。

1.3 试样制作

根据文献[23]采用ϕ50 mm 100 mm的模型试件进行单轴压缩试验。按照配比依次称取骨料、胶结材料以及总质量占比为20%的水倒入搅拌机进行搅拌，随后倒入模具内振捣夯实，待试件静置1 d后脱模，并在标准状态下养护14 d后开展力学试验，养护中的试样如图2所示。为控制样品均一性，试验前对试样称重并测量尺寸(见表3),各组试样尺寸差异不超过 2%,密度差异不超过 2%,样品均一性好，满足预期。

图2 相似模型材料标准试样

2 试验结果及分析

2.1 常规配比组力学特性与声发射演化分析

对不同配比的相似材料试样采用0.4 mm/min的速率进行位移控制加载，不同配比试样的应力-应变曲线如图3所示。由图3(a)可知，调节砂的配比后试样的抗压强度在小范围内变化，具体表现为：当水膏比为3 7时，抗压强度的变化范围为0.3 0.5 MPa; 当水膏比为5 5时，变化范围为0.7 1.1 MPa; 当水膏比为8 2时，变化范围为1.6 2.0 MPa。

图3 常规配比材料物理力学性质

图3(b)为不同配比试样的抗压强度和密度，可以看出材料的密度在1.53 1.83 g/cm3的范围内浮动；在砂胶比相同时，材料密度和单轴抗压强度均随着水泥相对含量的增加而增大。改变胶结材料的配比后，弹性模量也随着水泥占比的增加而增强。试验各物理力学参数分布范围如下：密度为1.53 1.83 g/cm-3,单轴抗压强度为0.3 2.0 MPa, 弹性模量为0.054 0.405 GPa。

图4为常规配比材料试样压缩过程中应力-应变曲线及声发射演化。由图4可知，常规配比相似材料峰值后应力降低缓慢，表现较强的延性；试样加载阶段声发射信号较少，各阶段无明显差异，即使在峰前屈服、峰值段和峰后段，都未出现明显声发射。可见常规配比相似材料试样压缩过程中脆性不明显，且试样内裂纹演化并未产生与岩石材料相似的声发射现象。

图4 常规配比相似材料单轴压缩应力-应变曲线及声发射演化

2.2 胶结材料对相似材料力学性质的影响

2.2.1 水玻璃胶结组力学试验结果

根据常规配比试验结果，382配比材料的强度对模拟岩体崩塌更为适宜，以382配比为基础，加入水玻璃研究相似材料的脆性。图5为水玻璃胶结相似材料单轴压缩试验结果。相对于常规配比组，水玻璃胶结相似材料的应力-应变曲线和声发射均表现脆性增强，应力-应变曲线峰后段跌落更为明显，压缩全过程的声发射明显增多。然而，声发射演化曲线与脆性岩石压缩破裂全过程存在明显差异，缺失破坏前裂隙加速扩展导致声发射撞击数突增的现象。因此，水玻璃胶结相似材料难以模拟脆性岩石。

图5 水玻璃胶结相似材料单轴压缩过程声发射演化

2.2.2 石灰胶结组力学试验结果

以常规配比382为基础，采用石灰替换石膏进行对比试验。图6为典型石灰胶结相似材料的单轴压缩应力-应变曲线及声发射演化。由图6可知，在应力达到峰值前，声发射信号较少且分布均匀；在即将达到峰值前的微破裂加速扩展阶段，声发射撞击数急剧增加，与脆性岩石临破坏时声发射活动剧增一致。但是由于应力-应变曲线表现出明显延性特征，与脆性岩石单轴压缩力学曲线有明显差异，因此难以模拟脆性岩石。

图6 加生石灰相似材料单轴压缩过程声发射演化

2.2.3 改善骨料粒径级配组力学试验结果

图7为改善颗粒级配相似材料单轴压缩应力-应变曲线及声发射演化。应力-应变曲线及声发射演化规律均与典型脆性岩石破裂一致。在孔隙压密阶段，孔隙闭合过程使应力-应变曲线呈下凹，声发射活动较强；在弹性压缩阶段，应力-应变曲线近于直线，声发射活动减弱；而在峰前裂隙加速扩展阶段，应力-应变曲线斜率降低，弹性模量减小，声发射出现激增；峰后应力突降，表现出显著脆性特征。

图7 改善骨料颗粒级配相似材料单轴压缩过程声发射演化

2.3 不同配比组试样破坏形态

图8为不同胶结物配比的试样单轴压缩破坏形态。可见，常规配比试样主裂纹角度为64.6 ,试样峰后缓慢软化，表现为剪切破坏[见图8(a)];水玻璃胶结试样也存在一个剪切破坏面，主裂纹角度为75.8 [见图8(b)];石灰胶结试样主要为劈裂破坏，主裂纹由上端面贯通至下端面，角度为87.1 ,并伴生较多小型劈裂裂纹[见图8(c)];改善颗粒级配的试样主要为劈裂破坏，主裂纹由上端面贯通至下端面，角度为84.1 [见图8(d)]。

图8 不同配比试样破裂形态

2.4 脆性计算方法及脆性结果

目前国内常用的脆性评价方法主要有矿物组分法、岩石力学参数法、应力应变曲线法、硬度和断裂韧度法等。综合对比采用应力应变曲线法中能量法对脆性指标进行表征，计算方法如下

式中，σP为峰值应力；σr为残余应力；εp为峰值应变；εr为残余应变；W1为岩石破坏时所释放弹性能；W2为峰前储存总能量。

指数B14越大，岩石脆性越大。

选取典型试样进行脆性分析，通过式(1)得到脆性指数曲线如图9所示。由图9可知，加入水玻璃、石灰和改变颗粒级配后相似材料的脆性有明显提高，与试样破裂过程在声发射演化以及破裂形态较好吻合。

图9 不同配比试样脆性指数

3 讨 论

3.1 破坏过程相似材料与岩石声发射演化相似性

为进一步对比分析不同配比材料的脆性特征，选取典型脆性岩石灰岩开展单轴压缩试验，得到破坏全过程的声发射演化。图10为不同材料破坏过程的声发射累积撞击数演化。由图10可知，CG组、SBL组声发射随着应变增大而递增，峰前裂隙加速扩展阶段声发射没有明显变化；SH组和KL组在峰前裂隙加速扩展阶段累积撞击数激增，与灰岩原岩破裂时声发射特征基本一致。

图10 几种材料典型声发射演化曲线

3.2 相似材料强度及脆性控制因素

3.2.1 相似材料强度控制因素

相似材料配比试验中，改变掺砂率，仅可小范围内调节抗压强度；胶结材料中水泥的占比是决定单轴抗压强度的关键，抗压强度随着水泥含量的增加而显著增大。试样配置过程中，胶结材料中各物质发生复杂的水化反应生成无定形水化硅酸钙凝胶(C-S-H)、钙矾石(AFT)、单硫型水化硫酸铝钙(AFM)和Ca(OH)2,使材料由流动状态逐渐转变为塑性状态，最后凝结硬化。当水泥含量增加时，水化作用增强，生成更多的结晶物使其强度得到提高。

3.2.2 不同相似材料微观孔隙结构

图11为不同配比相似材料核磁共振T2谱图及孔径分布。SBL组及SH组试样T2谱图呈单峰特征，CG组、KL组试样呈双峰特征。试样孔隙中流体弛豫时间T2与孔隙大小具有相关性。CG组试样弛豫时间主要分布在1 100 ms, 孔径分布为0 0.4 μm, 以大孔为主，试样内部疏松多孔，这种疏松孔隙结构导致试样脆性差；加入水玻璃胶结材料的SBL组试样弛豫时间主要分布在0.01 1 ms范围内，孔径分布在0 0.1 μm, 以小孔为主，加入水玻璃材料后试样内生成结晶物填充于大孔隙中，使孔隙减小，胶结程度提高，因而试样脆性得到提高；加入生石灰胶结材料的SH组试样弛豫时间主要分布在0.1 1 ms, 孔径分布在0 0.1 μm, 加入石灰后试样内部生成氢氧化钙等晶体填充于大孔中，降低大孔尺寸，脆性提高，试样呈单峰特征与真实岩样有差异。颗粒级配良好的KL组试样弛豫时间为0.1 100 ms, 孔径分布在0 0.4 μm, 以中孔为主，由于骨料颗粒尺寸差异，使孔隙呈现双峰特征，与脆性岩样峰特征相同。可见，相似材料的脆性与试样孔隙结构、孔隙量以及胶结情况密切相关。

图11 T2弛豫时间谱与孔径分布

3.2.3 不同相似材料微观胶结特征

扫描电镜试验是观察水泥、混凝土微观形貌最常用的一种方式。采用扫描电镜分别对4组样品进行观察。由图11可知，各组试样骨料相和基体均结合紧密，没有明显的界面过渡区，块状表面分布着许多球状及絮状微颗粒。CG组材料试样中可以明显观察到C-S-H凝胶相互黏结形成密实的絮状结构，未见明显的Ca(OH)2晶体，胶结物与骨料结合度较好，但胶结物对颗粒包裹程度较低。SBL组试样中可以看到更多交错网状结构的C-S-H凝胶产物包裹住砂粒，由于水玻璃的加入，球状C-H-S上附着针状结晶物。加入石灰胶结材料的SH组中可看到交错的柱状C-S-H凝胶产物、Ca(OH)2晶体和部分棒状的AFT、AFM、碳酸钙晶体，胶结物对颗粒包裹程度更好；同时石灰属气硬性胶结材料，可与水反应生成氢氧化钙晶体，Ca(OH)2与二氧化碳结合产生CaCO3晶体，使其脆性提高。KL组可清晰看到部分Ca(OH)2晶体、球状与柱状C-S-H凝胶产物与少量针状的AFT,AFM,断面较崎岖复杂，胶结材料与细骨料混合组成胶结体包裹大颗粒骨料，形成更好胶结效果。可见胶结材料生成产物AFT、AFM、CaCO3等的总量及对骨料的包裹情况决定了相似材料的脆性：生成水化产物越多、对骨料颗粒包裹越充分，相似材料的脆性越高。

3.3 研究的不足之处及后续可进一步开展的研究方案

本文主要针对相似材料力学特性和声发射演化规律进行脆性评价，未对每种掺和剂对材料脆性的影响进行定量研究。后续可针对不同掺和剂含量进行正交试验，研究更加详细配比材料的脆性指标。

图12 不同材料试样SEM形貌

4 结 论

本文通过力学试验及声发射监测研究了不同配比相似材料的脆性特征。通过对相似材料的变形破坏、声发射、扫描电镜以及核磁共振测试结果综合分析，主要结论如下：

(1)常规砂-水泥-石膏胶结的相似材料的力学特性表明，水泥用量的增多直接导致力学特性的增强。当水泥占比在7.5%、12.5%、20%之间变化时，材料的单轴抗压强度由0.3 MPa增至1.84 MPa, 弹性模量由0.143 GPa增至0.18 GPa, 密度由1.61 g/cm3增至1.8 g/cm3。

(2) 加入水玻璃试样的声发射撞击数明显增多，但力学曲线并未表现出脆性破坏特征；加入石灰胶结材料试样的声发射脆性特征较明显但力学曲线表现出明显延性特征；改善骨料颗粒级配的试样在峰前裂隙加速扩展阶段出现应力骤降和声发射撞击数突增，与脆性岩石变形破坏及声发射特征相似。

(3)通过核磁共振与电镜扫描分析不同配比材料的微观孔隙结构及胶结特征可知：加入水玻璃组和石灰胶结材料组的孔径分布均为0 0.1 μm, T2谱图呈单峰分布；常规配比组和改善颗粒级配组的孔径分布均为0 0.4 μm, T2谱图呈双峰分布，与典型脆性灰岩的双峰分布形态相似。

(4)通过对比分析不同配比相似材料的力学曲线和声发射演化，以及观察微观孔隙结构和胶结特征可知，改善颗粒级配的相似材料是模拟岩石脆性破坏过程及声发射演化的理想材料。

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