循环载荷下岩石断裂韧性降低对亚临界裂纹扩展和断裂过程区(FPZ)的微观结构研究
Nazife Erarslan
土耳其阿达纳科技大学澳大利亚昆士兰大学
文章历史:2014年3月21日收到，2016年3月21日收到，2016年4月27日接受，2016年5月11日在线提供
关键词:亚临界断裂过程带(FPZ)岩石断裂韧性岩石疲劳
这项研究通过分析实验室直径压缩试验的结果，获得了布里斯班凝灰岩亚临界裂纹扩展的微观力学和微结构动力学所需的讨论样本。通过研究模式Ⅰ(拉伸)断裂韧性(KIC)对静态和循环载荷的响应，研究在没有化学物质腐蚀的纯机械载荷下的岩石强度变化。在某些情况下，与静态情况相比，裂纹可能在较低的负载水平下扩展。这种现象被称为亚临界裂纹扩展，取决于断裂过程区(FPZ)的行为。从极限载荷和出现人字形裂纹前的损伤机制来看，循环载荷下的KIC响应不同于静载荷下的响应。对于最大振幅增加的循环载荷试验，静态KIC最大降低43%。对人字形缺口裂纹尖端的表面进行详细的扫描电子显微镜检查，结果表明两种加载方法都会导致圆盘岩石试样的疲劳。与静态断裂相比，循环加载试样的主要区别在于，循环加载下颗粒破坏形成晶间裂纹，而静态加载下沿裂解面形成光滑明亮的裂纹。本研究认为，联锁胶结颗粒、水泥体积、水泥矿物学等岩石结构特征对岩石的损伤行为、FPZ发展和亚临界裂纹扩展起着非常重要的作用。
1介绍
矿物学和岩石力学工程师之间的跨学科合作预计将有助于研究发现影响岩石强度和岩石破裂的微结构和矿物学特征。具体来说，专门从事矿物成像的工程师将与专门从事岩石力学和数据分析的工程师合作，在新的应用中应用矿物成像技术和其他新技术。岩石断裂力学研究在能源生产技术和故障预测等许多当前感兴趣的领域得到了迅速的应用。在自然资源开发中的应用包括水力压裂，以实现石油、天然气和地热能的最佳开采；原位煤制气和油页岩干馏炉的破碎；以及更有效的岩石爆破技术。岩石断裂力学涉及地壳、岩体和完整岩石中从微米到千米级的裂缝的形成和生长。这包括由非均质岩石结构引发的新裂缝；在拉伸和压缩条件下，原有裂缝的打开、闭合、滑动和扩展；以及与宏观裂缝和断层形成相关的复杂裂缝/孔隙/颗粒相互作用。断裂和断层在世界范围内的重要性在于其对资许多断层和裂缝中的资源的提取有重要意义，这是目前可行的技术。因为，含裂缝的资源储层一直难以有效地勘察，对勘探、开发和精确的储层模拟和油藏管理提出了严峻的挑战。更精准的裂缝预测和特征描述有很大潜力通过提高勘探和恢复过程的成功率和效率来提高产量。大多数岩石材料的破坏本质上是一个裂纹萌生和扩展的过程。引起现代断裂力学演变的Griffith理论（Griffith，1920）认为，结构中固有缺陷的扩展是加载脆性材料失效的根源。但是裂纹的萌生、扩展和试件失效并非同时发生，而是分别有一个特定的断裂过程。然而，从预先存在的裂纹尖端开始的裂纹，称为初级裂纹，不一定导致失效，因为这种初始裂纹扩展可能在一定的应力水平上停止。随着载荷的增加，二次裂纹发展并扩展，直至达到边界，导致最终试件失效，或直至二次裂纹作为一次裂纹之间的韧带，形成最终失效面（Griffith，1920）。Horii和Nemat Nasser（1985、1986）通过分析这些失效模式的数学模型、压缩裂纹扩展的新的闭合形式，解析实验结果，发展了轴向分裂和断裂的微观力学。
1.1。脆性岩石中预先存在裂纹的LEFM方法
脆性固体的拉伸断裂相对简单，且易于理解：应力强度k，当尖端超过临界应力强度（或断裂韧性）kc，单一裂纹不稳定地扩展。裂缝然后以稳定的方式生长，直到它们开始相互作用；相互作用增加了驱动裂纹扩展的应力强度，并导致不稳定性和最终失效（Ashby和Hallam，1986，Haeri等人，2014年）。
当弹性和各向同性介质中的单个裂缝处于远场拉伸（sigma;）下时，如图1所示，模式Ⅰ（拉伸）应力强度系数Ki取决于远场应力（sigma;）和裂纹的半长（a）。
长度为2a的贯穿裂纹在无限平面内与均匀应力场sigma;成直角的应力强度是：
（Whittaker etAl，1992）。
（1）
经典的断裂力学认为，从断裂端开始的断裂
（2）
其中kic是模式Ⅰ断裂韧度，是指在给定环境条件下的材料常数，可通过实验室试验确定。亚临界裂纹扩展理论表明，当：
（3）
断裂力学中最基本的参数之一是临界断裂韧性（kic），它描述了材料对裂纹扩展的抵抗力。kic是一种重要的材料性能，它对应于裂纹萌生和随后扩展所需的应力强度因子的临界状态。因此，评估抗裂纹扩展能力对于理解脆性材料结构的行为至关重要。然而，在承受长期荷载的系统中，经典断裂力学方法不起作用，裂纹扩展可能发生在应力强度因子的值上，该值可能大大低于临界值。这种现象称为亚临界裂纹扩展。这种缓慢而稳定的（亚临界）裂纹扩展被认为是许多材料（如蠕变）的时间和变形率依赖性失效特征的主要原因。大量实验研究表明，岩土材料的亚临界破坏以大量微裂纹的发展为特征，甚至在加载试样中出现主裂纹之前就观察到了（Skripka等人，1989）。为了确保岩体结构的长期稳定性，例如地下发电厂、储存液化石油或天然气的洞穴或地下放射性废物的储存库，有必要了解岩石随时间变化的特性。提出了几种可能的机制来解释亚临界裂纹扩展现象。这些机制包括应力腐蚀、溶解、扩散、离子变化和微塑性（Atkinson，1984；Atkinson和Meredith，1987）。亚临界裂纹扩展的重要性在于它对断裂模式几何形状施加了基本控制。在研究大型边坡、地下洞室、隧道和核废料库等的长期稳定性时，时变损伤（蠕变）是一个重要的考虑因素。在长期荷载作用下的系统中，亚临界裂纹扩展是导致岩石随时间变化变形和破坏的主要机制（Celestino等人，1995；Costin和Holcomb，1981；Evans，1972；Xiao等人，2010）。当应力小于材料强度或小于断裂韧性时，裂纹、缺陷、空洞和其他小裂纹往往会缓慢增长。在特定的环境和材料条件范围内，亚临界裂纹的特殊机制将占主导地位（Shen和Rinne，2007；Ko，2008；Koetal.，2008a）。
在一些疲劳研究中，脆性材料在循环载荷下的损伤累积可以用“蠕变”和“应力腐蚀”来解释（Atkinson，1984年；Atkinson和Meredith，1987年；Celestino等人，1995年；Costin和Holcomb，1981年；Evans，1972年；Miura等人，2003年；Xiao等人，2010年）。应力腐蚀是岩石亚临界裂纹扩展的最常见机制。在某些情况下，另一个重要的机制是疲劳裂纹扩展。应力腐蚀和疲劳是岩石亚临界裂纹扩展的主要机制（Atkinson和Meredith，1987；Costin和Holcomb，1981）。岩石和陶瓷应力腐蚀裂纹扩展的大多数实验工作都采用了最初开发的测定金属材料断裂韧性的方法。腐蚀环境是水，在这些金属材料的实验中，存在着一种化学活性环境。然而，一些机制是作为亚临界裂纹增长的附加机制，例如循环疲劳（Costin和Holcomb，1981；Hsih和Thompson，1973；Kim和Mubee，1981）。本研究认为疲劳裂纹是主要的裂纹扩展机制。因此，本文的主要目的是为了发现由于微机械结构变化引起的应力腐蚀环境。因此，利用扫描电镜直接观察CCNBD试件主裂纹尖端前的FPZ，为本研究提供了一种合适的观察技。本研究旨在加深对无腐蚀性化学环境下机械载荷作用下岩石亚临界裂纹扩展和强度变化的微观力学和微观结构动力学的理解。
1.2。岩石断裂过程
在岩石中，裂纹尖端的非线性加工区是由裂纹尖端的瞬时性中的化学裂纹引起的，因此被称为裂纹尖端微裂纹区或断裂加工区（FPZ）。FPZ是伴随裂纹萌生和扩展的区域，其中发生非弹性材料响应（图2）。Schmidt（1979）提出了描述岩石中裂纹尖端FPZ形状的最大正应力准则。该标准基于以下假设，即当裂纹尖端附近的局部最大主应力达到岩石的极限单轴拉伸强度（sigma;t）时，由于过度拉伸应力而形成FPZ。裂纹尖端附近的主应力可得到如下： （4）
代入由等式得出的最大主拉应力sigma;1。（4）当sigma;1=sigma;t yield时，FPZ的形状如下：
（5）
由于许多标准不考虑FPZ以外的应力重分布，岩石中FPZ的实际尺寸应较大。文献中假定宏观裂纹由裂纹尖端后的无牵引长度加上FPZ组成。该区域中的闭合力代表尚未破裂或接触的材料的阻力，是裂纹张开的函数。因此，裂纹尖端后普遍存在未断裂/互锁韧带，表明裂纹必须进一步张开以克服闭合力。从物理上讲，这一区域可能是由晶粒间局部应力的变化和预先存在的微裂纹引起的，因此这两个区域之间的区别可能不明显（Labuz等人，1987）
- 试验岩石及试验方法
在静态和循环荷载试验中均使用了大块布里斯班凝灰岩。布里斯班凝灰岩是布里斯班第一条高速公路隧道Clem7的主岩，具有典型的97兆帕单轴抗压强度（UCS）、25 GPa杨氏模量和15兆帕拉伸强度，取芯样。Clem7隧道主岩中发现两种类型的凝灰岩：焊接凝灰岩和分层非焊接凝灰岩或蚀变凝灰岩。里斯班焊接凝灰岩是一种含流纹岩成分的粗粒块状岩石，具有较粗的颗粒，形成斑状结构。石英和长石斑晶的尺寸为1-3毫米，嵌入由多晶硅石构成的基质中。小泡经常出现。焊接凝灰岩新鲜时为浅灰至深灰色，但颜色可为粉色、紫色、白色、绿色或橙色，在风化状态下有一些棕色铁染色。相反，分层未焊接凝灰岩可能与断层作用有关。分层非焊接凝灰岩通常为浅灰色至乳白色，具有沙状结构。为进行岩石学分析，准备了每个样品的薄片。薄片的岩石学图像如图3a和图b所示。这两个凝灰岩样品主要由石英和钾长石组成，含有少量的菱铁矿（碳酸铁）和沸石矿物。一般来说，石英和长石矿物单独嵌入原生硅质隐晶质胶结物中，而没有互锁。火成岩中的隐晶质结构是一种非常精细的晶体集合体，矿物中的隐晶质结构意味着即使在岩石学显微镜下也无法区分单个晶体。通过薄片分析，观察到二次碳酸盐水泥替代一次二氧化硅隐晶质水泥。此外，在某些地区原生长石被蚀变为粘土矿物（主要是高岭石和伊利石），这种水泥填补了原生二氧化硅隐晶质水泥中的空隙。薄片研究进一步表明，次级微晶石英水泥存在于初级隐晶水泥和置于该微晶石英水泥中的一些石英矿物中(图3b)。
在静态和循环试验中均采用了开裂的V形缺口巴西圆盘（CCNBD）试样。CCNBD方法在试样制备简单和试验所需的还原材料方面优于其他国际岩石力学学会（ISRM）提出的断裂韧性试验。也不需要对CCNBD试样进行预裂，因为它使用了一个V形缺口，在试验过程中会自动预裂，并形成稳定的裂纹扩展。CCNBD方法比其他ISRM方法的另一个优点是提高了精度；每个测试都有更高的负载能力和一致的结果。圆盘试样在平行于径向静态压缩载荷方向的径向载荷下，裂纹倾角为零（beta;=0°）。采用负载控制测试方式，持续加载直至失效。最大记录负载和计算的静态KIC值来自ISRM标准测试。.几何图形如图4a所示。缺口厚度t为1.5 mm，试样b为25 mm。内部V形缺口裂纹长度2a0为16-18 mm，外部V形缺口裂纹长度2a1为36-37 mm。所有几何尺寸应转换为与试样半径和直径相关的无量纲参数。试样尺寸见建议的ISRM方法（ISRM，1995）。量纲初始裂纹长度（alpha;o=a0/r）、无量纲最终缺口裂纹长度（alpha;1=a1/r）和无量纲数量（alpha;b=b/r）是CCNBD试样的三个基本尺寸。一些制备的CCNBD样品如图3b所示。测量了裂纹位移作为裂纹口张开位移（CMOD）。将一个用于测量缺口开口的卡规连接到穿过V形缺口的试样上，并使用Instron 2670系列裂纹开口位移计测量CMOD（图4b）。
对于单调CCNBD试验，在缺口裂纹倾斜角为零（beta;=0°）的压缩线荷载下对圆盘试样（巴西圆盘）进行试验，以提供模式I荷载条件。对于直径压缩载荷试验，使用Instron液压伺服控制试验系统，并使用根据试验类型（即单调载荷或循环载荷）分别配置的加载架。在试验过程中，使用计算机数据记录器连续记录载荷、直径位移和裂纹口位移。静态测试是按照ISRM指令（ISRM，1995）进行的。
在循环试验中，四个振幅值的斜坡型和正弦波形型径向压缩循环荷载，随着平均应力水平的增加，以相同的增大谷值开始。这种对岩石KIC的处理方法被称为“增加循环荷载”，以前文献中没有报道过。为了获得文献中的S \n曲线，进行了正弦循环加载试验，说明了加载到某个峰值应力的试件破坏所需的N的增加会使岩石持续削弱。曲线上的一般程序是减少从一个试验到另一个试验的最大施加载荷，直到达到试件的疲劳寿命（无失效）。在文献中，S \n曲线概念已用于圆柱形岩石样品单轴压缩载荷下的疲劳研究（Haimson和Kim，1971年；Haimson，1978年；Singh，1989年）。然而，目前的研究是文献中首次得出循环载荷下疲劳导致断裂韧性退化的S \n曲线。所有试验的加载频率为1赫兹。图5给出了循环加载的说明。选择4个不同的振幅来研究疲劳对布里斯班凝灰岩KIC的影响：10%静极限载荷（SUL）下为0.45千牛，20%SUL下为0.9千牛，30%SUL下为1.35千牛，40%SUL下为1.8千牛。
- 实验结果
第一系列循环试验采用正弦波循环荷载进行，与前面章节中的CCNBD试样一样。加载频率为1赫兹，裂纹位移以CMOD测量。从循环试验得出的第一个重要结论是，断裂韧性计算中使用的破坏载荷被重复加载削弱，达到静态KIC的35%。
对10个CCNBD焊接布里斯班凝灰岩试件进行了一系列递增循环加载试验。使用ISRM（1995）建议的方法，计算布里斯班凝灰岩在静载荷下的断裂韧性值为1.23MParadic;m。与静态断裂韧性值相比，表1给出了由于循环载荷增加而导致的断裂韧性降低。
这一比较的主要目的是表明，由于岩石疲劳导致的I型应力强度（ki）系数的降低，最终失效载荷明显降低。结果表明，裂纹尖端应力强度值（ki）低于临界应力强度值（KIC），裂纹扩展
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