基于磁场理论的矿岩加载损伤破坏表征研究*

王明旭，许梦国，赵文斌，张玉山

(1. 武汉科技大学 资源与环境工程学院，湖北 武汉 430081；2. 武汉科技大学 冶金矿产资源高效利用与造块湖北省重点实验室，湖北 武汉 430081)

0　引言

无论对于配比试样，还是钻孔切割打磨的矿岩，尤其是内部节理较发育的矿岩，在单轴或三轴加载过程中，其内部的损伤破坏，特别是临空面的损伤破坏监测情况都很难通过相关的仪器设备进行监测。目前对加载破坏的试件进行内部损伤破坏的仪器主要有声发射仪[1]、CT扫描仪、电镜扫描仪(截面)、X射线透射仪。声发射仪对试验过程中的周环境要求较高，试样或试件主要是内部损伤破坏时产生的弹性波被贴置表壁的探头接收。对于承载能力强的岩石试件，声发射现象明显，而对于配比试样，如果强度较低，在加载过程中的声发射现象并不明显。而CT扫描仪、电镜扫描仪、X射线透射仪等监测成本较高。如何更方便、成本更低地监测大量低强度配比试样的损伤破坏情况，是一个值得深入研究的课题。本文是在研究考虑时间效应的充填体与围岩相互力学作用机理的室内模拟配比试验中探索出的一种通过加入磁粉配比成型后充磁的磁感应强度测量方法来研究接触面或接触带附近的损伤破坏情况。

目前利用磁场理论测量配比试样或岩石磁感应强度的研究方式主要有2种。一种是自然界有一些岩石本身所具有的微磁性或受压产生的电磁辐射。在外加应力作用下发生的磁感应强度变化[2]，如应力对磁组构[3]，应力对磁性特征[4]，应力对磁场空间分布[5]以及岩石破裂产生的磁信号和电信号的变化[6-8]。同时节理[9]、温度[10-12]等也会对电磁辐射产生影响，所以可以利用岩石的这种特性进行加载过程中弱磁感应强度的测量。另一种是外加磁场源，主要是在配比试样或岩石试件中埋置高强磁铁增加磁辐射以进行加载试验。对于第一种方式，依靠岩石本身具有的在加载过程中的磁感应强度变化进行测量，对测试仪器的精度和可操作性的要求较高，不具有开展相关研究工作的普适性。第二种方式在配比试样中埋置磁铁，如张功义等[13]将φ20 mm×12 mm预埋至100 mm×100 mm×100 mm的水泥和铁矿粉的配比试样中，于莹[2]在花岗岩中埋置尺寸为φ8 mm×12 mm的钕铁硼磁芯，直接研究矿岩在加载过程中的磁感应强度变化。考虑到研究的方便性，在这种方式的基础上创新性地提出在配比试样中加入磁粉进行加载试验。

本文在配比试样中使用了更小的φ5 mm×2 mm的钕铁硼磁铁进行相关的研究。以单个钕铁硼磁铁为例，辐射范围在40 mm以内具备磁感应强度的可测性(见图1)，超过这个距离磁场强度值很微小，几乎难以测量。

图1　不同距离的磁感应强度值Fig.1　Magnetic induction values at different distances

通过对直径为5 mm，高度为2 mm的小型钕铁硼强磁体进行不同距离的特斯拉计测量。从小磁铁侧边开始，随着距离的增大，小磁铁磁感应强度折减迅速。抵近小磁铁侧边测量时其磁感应强度值为29 mT(1 mT=10高斯)，到距离10 mm处时已经衰减至2.4 mT。而在磁铁侧边和上下表面测量的磁感应强度差别较大，在磁铁上下表面测量值达236 mT。当2个磁铁上下叠加时，抵近2个磁铁的底部测量其值为31 mT，距离10 mm时是3 mT，到20 mm时磁感应强度衰减为0。当3个磁铁叠加时，抵近底部的磁感应强度为26 mT，距离10 mm时为4 mT，而抵近3个叠加磁铁的中间磁铁时其磁感应强度为48 mT。

这种方式，通过增加钕铁硼磁铁的大小和个数，能够显著提高所研究的配比试样或岩石试件的磁感应强度。可对试验所研究的一般尺寸来说(100 mm×100 mm×100 mm范围内)，脆性磁铁的加入影响了试样的受力力学特性。为此本文提出了直接将钕铁硼磁粉与配比试样进行混合，充磁处理之后进行相关配比试样的加载试验。对于磁粉，其多见于作为磁力模型试验的模型材料[14]。

1　试样的制作及加载

1.1　试验方案的选择

如果直接用高强磁铁为矿粉充磁，效果不理想。将高强磁铁放在铁矿粉中3 d后，用特斯拉计测量的磁化矿粉接触处的磁感应强度从0.1～0.3 mT不等，部分区域甚至完全没有磁感应强度。为此单纯的以矿粉的充磁特性进行研究，试验效果不太理想。为了验证磁粉的充磁效果，需要用高强磁铁为配比试样中的磁粉充磁，然后测量磁粉分布于配比试样中所产生的磁感应强度值。

通过拜斯特1 000倍电子显微成像设备观察，对未加磁粉和加了磁粉的试样进行微观对比，发现未加磁粉的试样微观呈灰黑色，矿粉颗粒粒径较大，而加入了磁粉后，磁粉填充了大部分矿粉颗粒孔隙，接触较紧密，颜色呈棕灰色(见图2)。

图2　配比试样的微观成像 Fig.2　Microscopic image of the ratio sample

1.2　试样的制作

以水泥：矿粉配比为1∶6模拟矿石。为了验证磁粉加入监测的效果，在原有的矿岩配比中加入少量矿粉，经过力学测试和磁感应强度测量，最后确定水泥∶矿粉∶磁粉按照1∶6∶0.139的比例进行配比制样(见图3)，其7 d的单轴抗压强度平均值为1.085 MPa。对于加入磁粉的试样配比，如果磁粉加入量过多，导致试样本身的磁感应强度大，形成磁感应强度叠加覆盖，就会影响到监测效果。通过对钕铁硼磁粉加入的配比试样测试试验，选择了能在试样表壁产生磁感应强度最小值为0～0.2 mT的点1～3个为宜。对于圆柱体试样(D=50 mm，H=100 mm)，磁粉的加入量以1%～5%为宜。

图3　试样的制作、布点及加载Fig.3　Sample preparation, placement and loading

2　试样磁感应强度的测量

加载设备采用WAW-300微机电液伺服万能试验机进行轴向加载。加载速度先是进行位移控制，位移加载速度为0.01 mm/s，待荷载达到0.5 kN后，调整为试验力控制，加载速率为0.001 kN/s。相较未加入磁粉的1∶6的水泥矿粉试样，加入磁粉后的试样颜色由深黑色变为黑褐色。为了比较试样在加载过程中的磁感应强度的变化情况，将圆柱试件临空面布置40个监测点。比对特斯拉计的探头大小，通过修正液在相应点处做大小相仿的类圆形白点记号。

对于竖直面，距离上下两端临空面10 mm开始布点，每隔20 mm垂直布点。对于水平面，将圆柱体临空面分为8等分进行布置。分别选择在未加载时、加载至1.5 kN保持、加载破坏后进行不同布点的测量。仪器选用WT10A型特斯拉计(量程选择200 mT，分辨力为0.1 mT)进行测量。为了便于比较试样不同加载时的磁感应强度的变化情况，按照同一要求，将磁感应强度值用圆圈表示，圆圈直径表示测得的磁感应强度的大小值。

为了更好全面展示试件临空面监测到的磁感应强度值，将圆柱试件表壁展开，成为长方形。

2.1　磁感应强度理论

磁感应强度即磁通强度，是指通过与该点磁力线垂直的小面积内的磁通量大小，单位为特斯拉T。它由磁化强度和磁场强度组成，即：

B=M+4πH

(1)

式中：B为磁感应强度；M为磁化强度；H为磁场强度。

2.2　试件表壁磁感应强度分布

图4是T-1试样分别在加载前、加载至0.764 MPa(加载试验力1.5 kN)、加载破坏后的40个监测点处的磁感应强度值。加载前的磁感应强度值用实划线表示，加载至0.764 MPa时用虚线段表示，加载破坏后的磁感应强度值用间隔圆点表示。

图4　不同加载情况下的磁感应强度值Fig.4　The magnetic induction intensity under different loading conditions

图5至图6是T-2试样在加载前和加载破坏后的磁感应强度值。加载前，2-3监测点的磁感应强度值为0，1-3，3-3，2-4，5-4，2-6，3-7的值都比较小。加载破坏后，1-4，1-5，1-7，1-8，2-7监测点损伤破坏脱落。而1-3，2-3，2-4，2-5，3-3监测点的磁感应强度已经变为0，5-5，3-7监测点的值仅为0.1 mT。

图5　未加载时各监测点磁感应强度Fig.5　The magnetic induction intensity of each monitoring point when not loaded

图6　加载破坏后各监测点磁感应强度Fig.6　The magnetic induction intensity of the monitoring points after loading

2.2　试件表壁裂纹扩展

从图7可以看出，T-1试样的破坏主要在底部发生破坏，而T-2试样除了底部发生局部破坏外，还从上表面开始出现了3处Y型裂纹扩展破坏。

图7　试样表壁裂纹扩展Fig.7　Surface crack propagation of specimen

从图8对T-1试样底部的磁感应强度变化情况来看，加载破坏后，各监测点磁感应强度变化增加的偏多。而对于裂纹扩展线较近的图8(b)，加载过程中，各监测点的磁感应强度全部降低，而加载破坏后，各点磁感应强度变化并不明显。

图8　T-1试样加载前后磁感应强度变化Fig.8　Changes of magnetic induction intensity before and after T-1 sample loading

图9　竖向y-2和y-5系列监测点加载破坏前后磁感应强度变化值Fig.9　Vertical y-2 and y-5 series monitoring points before and after the destruction of the magnetic field strength changes

在T-2试样中，x-5系列监测点正好处于内部裂纹萌生演化将到表壁时，朝表壁两边扩展，其内部裂纹投影至表壁正好在x-5系列监测点上。从图9可以看出，在T-2试样中，y-2系列监测点处于表壁裂纹附近，上部区域加载破坏后磁感应强度值增加，随着2条裂纹合并并向试样下部延展，裂纹附近的监测点处磁感应强度值变化不大，既有微弱的降低点，也有较小的增加点。而y-5系列监测点就不一样，除了1-5号监测点由于试样表壁破坏较严重发生脱落无法测量外，其他各监测点的磁感应强度值都在减小。特别是3-5号监测点从4.1 mT降低到0.8 mT，4个监测点平均降幅达到85.03%。

2.3　试件表壁二维扫描

为了更好的表征试样在加载破坏后的表壁裂纹扩展破坏情况，通过二维扫描设备对损伤破坏脱落区域进行二维扫描。由于矿粉颜色呈深黑色，对破坏脱落区域进行二值图的二维扫描效果不太明显。为了解决这个问题，在损伤破坏区域涂抹荧光剂进行扫描，能够将加载破坏试样的破坏区进行二值图再现(见图10至图11)。

图10　试件T-1表壁扫描二值图Fig.10　Specimen T-1 Table-wall scanning binary image

图11　试件T-2表壁扫描二值图Fig.11　T-2 surface of the specimen scanning two-value map

3　讨论

1)利用磁场理论，首次提出了将磁粉与配比试样进行混合，然后通过钕铁硼磁铁或充磁机进行充磁。试样在加载过程中的内部损伤破坏，特别是接近临空面的损伤破坏产生的磁粉密实程度的改变，通过特斯拉计测量磁感应强度的变化来表征损伤破坏情况，属于物理性的表征手段，具有测量的可核查性和重复性，有别于其他的测量表征手段。

2) 通过磁感应强度的变化与试件表壁裂纹的扩展联系起来，能够找寻两者之间的规律，建立裂纹扩展与磁感应强度变化的对应关系。同时如果磁感应强度变化能与试样的声发射试验或CT扫描试验等结合起来，寻找二者之间的损伤破坏规律，将是很有意义的课题。目前有学者做了类似的相关工作，即通过核磁共振测井探测岩石内部磁场梯度[15]，还有学者对岩石密度及磁化率与反射光谱特征关系[16]展开研究。

3)对于深色试样，特别是文中的深黑色矿粉，表壁除了裂纹的扩展外，还有破坏严重的脱落区，这时使用二值图的二维扫描设备进行扫描工作，效果不理想。通过在试件表壁破坏区域涂抹荧光物，再进行扫描，能够避免深色试件或试件表壁因试验过程中的各种物质的粘附导致的扫描不明显。

4)磁粉加入配比试样充磁之后进行加载过程中的磁感应强度变化测量的监测方式如果能够得到很好利用，还可以用在节理发育或有夹石的岩石测量中。通过使用盐酸或盐水浸泡含有节理或夹石的岩石，待节理裂隙中的泥灰物或能浸泡的夹石溶解，再将单纯加水混合或石蜡熔化后和矿粉混合液均匀充填至节理裂隙中或夹石空区中，就能够很好的监测到节理裂隙的发育情况，也能够通过这种方式监测加载过程中的节理裂隙损伤破坏演化情况，这项创新工作正在开展之中。

5)磁感应强度测量这种非完全接触式的表征手段，如果能有配套的磁感应强度分布的空间测量设备，通过磁粉加入配比试样中进行加载，就能够通过磁感应强度大小的空间分布可视化，测量试样整个内部的损伤破坏情况。这种方式成本较低，没有CT扫描的高投入，也不需要断面的电镜扫描，更不需要X射线投射的损伤检测的繁琐，将会成为表征配比试样或试件内部损伤破坏的较好方式。

6)针对标准圆柱试样来说，未加载前的40个监测点的磁感应强度测量结果显示，各处的磁感应强度差别较大，并不具备一定的规律性，说明可以撇开完全是磁感应强度叠加所致的原因。这其中主要有几个方面的原因：一是水泥、矿粉和磁粉之间拌和不均匀；二是在拌和均匀的情况下，也存在配比试样内部空隙的存在；三是目前采用的钕铁硼磁铁充磁或是采用充磁机充磁，相关的定量定位的充磁效果无法达到。如果在以后的试验研究或工业应用中，能够避免上述3种情况的发生，就能够充分发挥磁粉及磁场理论所带来的表征手段的丰富性和方便性。

4　结论

1)通过将磁粉加入到配比试样中进行加载破坏过程中的磁感应强度变化测量，特别是监测临空面附近的损伤破坏情况是可行的。

2)试样内部裂纹萌生及其向临空面的扩展破坏，会引起内部磁粉密度的变化，进而影响磁感应强度值的变化，脱落破坏点处的磁感应强度降幅较大。从监测点正好位于内部裂纹扩展投影至表壁线上的监测数据来看，其临空点处(T-2试样的2-5号监测点)的磁感应强度直接从未加载前的0.9 mT减低至0。表明裂纹扩展破坏点处是磁感应强度变化幅度较大的点。

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