吴贤振教授：冻融作用下类砂岩材料声发射特性研究取得新进展

日前，江西理工大学资源与环境工程学院、稀有金属资源安全高效开采江西省重点实验室吴贤振教授团队在《金属矿山》杂志在线首发了《冻融作用下不同粒径类砂岩材料声发射特性试验研究》一文。该成果受到国家自然科学基金项目（编号：52464007，51664018，52164004）资助，团队曾鹏副教授为本文通信作者。

岩石是由不同种类矿物按照一定方式组成的集合体，矿物颗粒作为关键组成部分，其尺寸大小对岩石力学特性具有重要影响。由于不同粒径岩石的冻融损伤机制各异，导致其物理力学特性也表现出明显不同。因此，开展冻融作用下不同粒径岩石的力学及声发射特性相关试验研究，对边坡、隧道围岩等岩石工程的稳定性分析与控制具有现实意义。

为研究冻融作用对不同粒径岩石力学特性的影响，吴贤振教授团队选用0.125~0.25 mm、0.3~0.5 mm、0.6~1 mm 3种粒径的石英砂、水泥及硅粉为主要原材料，在保证水化反应充分的前提下，制备孔隙率相近的3种粒径类砂岩试样。然后对3种粒径的类砂岩试样进行不同循环次数的冻融试验，再对冻融后试样进行单轴压缩声发射（AE）试验，重点研究冻融作用下不同粒径类砂岩的物理力学特性及其试样破坏过程的声发射特征，探索冻融作用下粒径尺寸对岩石力学及声发射特性的影响。

本项研究主要结论：

（1）随着冻融循环次数增加，不同粒径试样谱面积逐渐增大，小孔隙占比逐渐减小，大、中孔隙占比逐渐增加，单轴抗压强度与弹性模量逐渐降低，变化幅度随着粒径的增加逐渐增大。

（2）声发射振铃计数的演化过程呈现出明显的阶段性特征，可分为平静、缓增、骤增3个阶段。随着冻融循环次数的增加，声发射累计振铃计数呈先增后减的变化趋势，粗粒试样在冻融20次后达到极大值，中、细粒试样在冻融40次后达到极大值。

（3）声发射值根据其变化规律可分为3个阶段：波动上升阶段、剧烈下降阶段、平稳阶段。声发射值在平稳阶段波动幅度显著减小，且随着粒径的增大，其整体大小呈现下降趋势。粗、中、细粒冻融类砂岩声发射值波动幅度显著减小，且分别降至0.8、1.25和1.65，这一现象可作为相应粒径冻融类砂岩材料失稳破坏的前兆信息。

1 试样制备及相关试验

1.1 试样制备

结合相关研究成果，并综合考虑各种原材料特点，制作不同粒径类砂岩试样，具体配比为：32.5R普通硅酸盐水泥:石英砂:硅粉:水:减水剂:悬浮稳定剂=10:10:1.2::0.1:0.006（为水的含量比值，由初步制样试验结果确定）。细、中、粗粒试样使用的石英砂粒径分别为0.125~0.25 mm、0.3~0.5 mm、0.6~1 mm。

为探究水用量对不同粒径类砂岩孔隙率的影响规律，按照上述配比，在其余成分配比不变的前提下，每种粒径试样设置5种不同的水灰比：0.3、0.325、0.35、0.375、0.4（仅通过增加水的用量调控水灰比），对应的值为：3、3.25、3.5、3.75、4。3种粒径试样分别对应5种水灰比，共计15组，每组3个试样，制样48 h后脱模，放入恒温恒湿标准养护箱中养护28 d。养护完成后进行超声波测试，剔除纵波波速差异较大试样。

初步制得试样平均孔隙率，如图1所示，当孔隙率为13%时，粗、中、细粒试样所对应水灰比分别为0.322、0.336、0.357，对应的值分别为3.22、3.36、3.57。以此水灰比批量制取不同粒径试样，剔除部分不符合试验要求试样，测得到粗、中、细粒试样实际平均孔隙率分别为12.88%、13.3%、13.12%。测试试样密度、弹性模量、泊松比、抗压强度、抗拉强度，并与砂岩相关参数对比分析，两者物理力学参数相近，由此说明所制备试样可归为类砂岩材料。

图1 不同水灰比下试样孔隙率

1.2 试验方案

对3组粒径试样分别进行循环次数为0、20、40、60、80次的冻融试验。其中，冻结温度为-10 ℃、融化温度为20 ℃、冻结时间为2 h、融化时间为2 h。冻融试验前，试样先放入真空饱和仪进行饱水处理，压强设置为-0.1 MPa，饱水时间为48 h，饱水后用保鲜膜完全包裹，防止水分流失。试样完成相应次数的冻融循环后，放入核磁共振仪检测，再进行单轴压缩声发射试验。试验采用RMT-150C岩石力学加载系统，以0.002 mm/s的加载速率进行位移控制。通过PCI-Ⅱ型声发射仪采集试样破坏过程的声发射信号，声发射传感器类型为nano30，前置放大增益设为40 dB，采样率为1 MSPS，门槛值为45 dB。

2 物理力学特征

2.1 孔隙率与孔径分布

对不同粒径试样进行核磁共振检测，分别得到冻融0、20、40、60、80次后试样的分布曲线如图2所示。随着冻融循环次数增加，3种粒径试样的谱峰面积均有不同程度的增加。冻融循环80次后，粗粒试样孔隙率增加了3.22%，增长率为24.79%；中粒试样孔隙率增加了3.07%，增长率为23.6%；细粒试样孔隙率增加了2.51%，增长率为19.78%。随着粒径的增大，试样孔隙率的增长率呈上升趋势，冻融作用对粗粒径试样的劣化损伤更为显著。

（a）粗粒

（b）中粒

（c）细粒

图2 3种试样的谱分布图

为定量描述试样内部孔隙结构的变化，将弛豫时间＜10 ms的孔隙视为小孔，10 ms＜＜100 ms的孔隙视为中孔，＞100 ms的孔隙视为大孔。孔径占比变化规律如图3所示。随着冻融循环次数增加，3种试样小孔占比逐渐减小，大、中孔隙占比则有所上升。经历80次冻融循环的粗、中、细粒试样，其小孔占比下降幅度分别为3.34%、2.89%、1.82%，中孔占比增加幅度分别为34.10%、23.83%、18.76%，大孔占比增加幅度分别为92.21%、67.95%、51.39%。粗粒试样大孔占比的变化幅度远高于中、小孔，表明粗粒试样冻融过程中往往伴随着更多大孔隙产生。

（a）粗粒

（b）中粒

（c）细粒

图3 3种试样中孔径分布占比变化规律

2.2 应力—应变曲线

不同冻融循环次数粗、中、细粒试样单轴压缩应力—应变曲线如图4所示。不同冻融循环次数试样的应力—应变的变化规律较为相似，可划分为孔隙压密阶段（Ⅰ）、弹性变形阶段（Ⅱ）、塑性变形阶段（Ⅲ）及峰后阶段（Ⅳ）4个阶段。随着冻融循环次数的增加，试样内部孔隙不断扩展、微小损伤逐渐积累，压密阶段的持续时间增加，弹性阶段斜率与塑性变形阶段应力水平降低，峰后阶段试样破坏程度加剧。

（a）粗粒

（b）中粒

（c）细粒

图4 不同冻融次数3种粒径类砂岩应力—应变曲线

2.3 单轴抗压强度与弹性模量

图5和图6分别为单轴抗压强度和弹性模量随冻融循环次数变化规律。冻融循环80次后，粗、中、细粒试样的单轴抗压强度劣化度分别为41.68%、37.06%、24.64%，弹性模量劣化度分别为46.29%、40.86%、37.11%。随着粒径的增加，单轴抗压强度和弹性模量下降速率呈增长趋势。试样粒径越大，其受冻融循环的劣化作用越显著。

图5 单轴抗压强度随冻融循环次数变化规律

图6 弹性模量随冻融循环次数变化规律

3 声发射特性

3.1 声发射振铃计数

图7~图9为3类试样应力—振铃计数—累计振铃计数与时间关系曲线。不同冻融循环次数类砂岩振铃计数演化曲线变化规律相近，总体可分为平静、缓增、骤增3个阶段：① 平静阶段，试样原生裂隙缺陷逐渐被压密，使得其内部整体趋于完整，声发射活跃度处于较低水平；② 缓增阶段，在外部荷载的持续作用下，试样原生裂纹逐渐扩展、次生裂纹不断萌生与发育，表现为声发射振铃计数增加；③ 骤增阶段，试样接近峰值应力时，区域裂纹迅速汇聚后大范围贯通，声发射振铃计数出现峰值，随后振铃计数保持高水平但增速减缓。

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图7 粗粒试样声发射振铃计数、振铃累计数及应力随时间变化特征

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图8 中粒试样声发射振铃计数、振铃累计数及应力随时间变化特征

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图9 细粒试样声发射振铃计数、振铃累计数及应力随时间变化特征

统计得到3种粒径类砂岩试样声发射累计振铃计数变化规律如图10所示。随冻融循环次数的增加，3种试样声发射累计振铃计数整体呈先增后减的变化趋势。主要原因是冻融循环初期试样内部微裂纹不断扩展，有利于荷载作用下局部破裂产生，累计振铃计数增加。随着冻融循环次数的增加，微裂隙不断贯通，在外荷载作用下微破裂减少，累计振铃计数降低。此外，冻融过程中冰晶生长产生的压力易在颗粒边界处集中，粗粒试样晶体粒度大，颗粒边界少，产生的局部应力高，使得颗粒间结构更易被破坏。粗粒试样冻融损伤进程快于中、细粒试样，冻融20次后达到极大值，中、细粒试样冻融40次后达到极大值。

图10 声发射累计振铃计数变化特征

3.2 声发射

统计分析得到不同冻融循环次数下3种粒径试样的声发射值—应力随时间变化曲线如图11~图13所示。根据声发射值演化特征，将其划分为3个阶段，即为初期波动上升阶段I、剧烈下降阶段II和平稳阶段III。

声发射值在第Ⅰ阶段达到峰值后整体呈下降趋势，表明在加载初期试样内部以小尺寸裂纹扩展为主，进入第Ⅱ阶段后试样内部破坏形式则逐渐变为大尺度破坏。进入平稳阶段Ⅲ，声发射值趋于平稳，在较小范围内波动。不同粒径试样的声发射值在此阶段存在差异，具体来说，粗粒试样进入该阶段后值降至0.8以下，分布区间为0.45~0.8；中粒试样进入该阶段后值降至1.25以下，分布区间为0.5~1.25；细粒试样进入该阶段后值降至1.65以下，分布区间为0.75~1.65。因此，当粗、中、细粒试样的声发射值分别降至0.8、1.25、1.65以下，且波动幅度显著减小，可作为相应试样破坏的有效预测预警信息。

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图11 粗粒试样声发射值—应力随时间变化特征

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图12 中粒试样声发射值—应力随时间变化特征

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图13 细粒试样声发射值—应力随时间变化特征

成果来源

吴贤振，丁辉，曾鹏，赵奎，杨贤达，李从明，杨砚．冻融作用下不同粒径类砂岩材料声发射特性试验研究[J/OL].金属矿山，1-14[2025-03-28].

作者简介

验室主任。《金属矿山》青年专家学术委员，《地质与勘探》、《成都理工大学学报（自然科学版）》青年编委，成都理工大学首届优秀研究生导师团队成员，“自然资源部西藏主要成矿带大型-特大型矿床勘查评价和研究科技创新团队”和“自然资源部高层次科技创新人才工程科技创新团队”骨干成员，主要从事青藏高原及周缘铜多金属矿床的研究与找矿勘查工作，先后参与多个大型-超大型矿床的勘查评价，主持国家自然科学基金、国家重点研发计划专题、四川省自然科学基金及各类横向项目10余项，发表文章70余篇，主编专著2部，参编教材2部

吴贤振，江西理工大学采矿工程系教授、博士、博士研究生导师。现任江西理工大学党委研究生工作部部长、研究生院院长、学科建设办公室主任。主要从事岩石力学、采矿理论与技术、边坡稳定、爆破振动等方面的教学与科研工作。江西省安监局非煤矿山安全组专家、江西省中青年骨干教师、中国冶金教育学会学科建设先进工作者、江西理工大学优秀研究生指导教师。主持各类科研项目10余项，获江西省研究生教学成果一等奖1项，指导的多名学生分别获江西省优秀硕士学位论文、宝钢优秀学生奖、中国有色金属学会科技论文优秀奖。在《岩石力学与工程学报》《岩土力学》《煤炭学报》《金属矿山》等期刊发表论文60余篇，出版学术专著1部。

曾鹏，江西理工大学采矿工程系副教授、博士（后）、博士研究生导师。现任江西理工大学采矿工程系主任。主要从事矿山岩石力学与工程稳定性、金属矿山复杂难采矿体开采方面的研究工作。江西省应急管理厅专家，中国绿色智能矿业网智库理事会理事，《金属矿山》青年专家学术委员。获省部级科技进步奖一等奖1项、二等奖1项，行业协会二等奖1项，指导学生获省部级等各类荣誉10余项；主持国家自然科学基金项目2项，国家重点研发计划项目课题子任务1项，省部级及企事业单位项目7项，作为项目骨干参与国家级、省部级及企事业单位委托等各类科研项目50余项。出版学术专著2部，发表论文60余篇，申请专利20余项。

《金属矿山》简介

《金属矿山》由中钢集团马鞍山矿山研究总院股份有限公司和中国金属学会主办，主编为中国工程院王运敏院士，现为北大中文核心期刊、中国科技论文统计源期刊（中国科技核心期刊）、中国精品科技期刊（F5000顶尖学术论文来源期刊）、中国百强报刊、RCCSE中国核心学术期刊（A）、中国期刊方阵双百期刊、国家百种重点期刊、华东地区优秀期刊，被美国化学文摘（CA）、美国剑桥科学文摘（CSA）、波兰哥白尼索引（IC）、日本科学技术振兴机构数据库（JST）等世界著名数据库收录。主要刊登金属矿山采矿、矿物加工、机电与自动化、安全环保、矿山测量、地质勘探等领域具有重大学术价值或工程推广价值的研究成果，优先报道受到国家重大科研项目资助的高水平研究成果。根据科技部中国科技信息研究所发布的《2024中国科技期刊引证报告（核心版）》，《金属矿山》核心总被引频次位列26种矿业工程技术学科核心期刊第1位；根据中国知网发布的《中国学术期刊影响因子年报》（2024版），《金属矿山》学科影响力位居73种矿业期刊第9位。

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