В любом материале, в том числе и в горных породах, содержатся дефекты. При нагружении тела вокруг дефекта возникает концентрация напряжений, которая вызывает рост и распространение трещин. Этот процесс приводит к формированию магистральной трещины разрушения горных пород [1, 12].
В работе [12] выдвинута гипотеза, что разрушение горных пород протекает в два этапа: первоначально формируется магистральная трещина разрыва, затем происходит сдвиг горной породы по этой трещине. В результате этих процессов в зоне магистральной трещины разрыва формируется песок трения, материал изменяет свое фазовое состояние (из твердого переходит в жидкое состояние), меняется минеральный состав материнской породы, появляются новые минералы. С физической точки зрения внешние напряжения (нагрузки) на горную породу должны реализоваться в ней в виде акустической эмиссии [2] и тепла [7]. В настоящее время недостаточное внимание уделялось экспериментальным исследованиям, направленным на оценку прочности горных пород посредством критерия «температура».
Поэтому целью данной работы является изучение изменения температуры горной породы в зоне магистральной трещины разрушения при ее сжатии и растяжении.
Методика. Объектами исследования являлись гипс и цемент марок М100 и М400. Из данного материала изготавливались образцы путем формовки гипсовой и цементной паст с последующей сушкой.
Полученные образцы испытывались на одноосное сжатие (sс) растяжение (sр) до полного разрушения по методике [9, 10].
Для регистрации температуры пород при их сжатии и растяжении использовался прибор Testo 882. Обработка термограмм выполняется с помощью программы IRSoft. Файл тепловизора сохраняет два изображения: саму термограмму и фотографию разрушения образца породы (рис. 2). В программе проводится детальный анализ объекта съемки с указанием места разрушения и определением температур материала до приложения нагрузки (t1) и после (во время) разрушения материалов (t2) в зоне магистральной трещины разрушения. После чего рассчитывалась температура в зоне разрушения (Δt) путем вычитания t1 из t2. Точность измерений температуры образцов составляла 0,1 °С.
Схема опытов по определению температуры материалов представлена на рис. 1.
На рис. 2, 3 показаны примеры термографических обследований образцов цемента и гипса при их сжатии и растяжении.
Рис. 1. Схема установки для регистрации температуры горной породы при ее сжатии: 1 – верхний и нижний пуассоны пресса; 2 – образец горной породы; 3 – тепловизор; 4 – трещины разрушения образца горной породы
Рис. 2. Термографическое обследование образца № 10 цемента М-400 при сжатии
Результаты исследований и их обсуждение
Результаты экспериментальных исследований приведены в табл. 1.
Из табл. 1 видно, что для всех исследуемых материалов значение Δt максимально при одноосном сжатии, а при растяжении Δt принимает меньшие значения. Следует отметить, что разброс экспериментальных данных достаточно большой, поэтому проведен расчет средних и стандартных отклонений. Результаты расчетов приведены в табл. 2.
Из табл. 2 видно, что с увеличением прочности на сжатие образцов температура материалов в зоне разрушения возрастает. Так, в образцах, сложенных цементом марки 100, при средней прочности на сжатие (sс) 4,52 МПа температура материала (Δt) в зоне разрушения составляет 0,88 градусов. При увеличении же прочности образцов до 34,38 МПа (цемент М400) температура увеличивается в 5,8 раза и составляет Δt = 5,06 °С. Подобная же закономерность характерна и для материалов, находящихся в условиях одноосного растяжения. Так, при средней прочности на растяжение (sр) образцов цемента М100 sр = 0,081 МПа температура материала составляет Δt = 0,16 °С при увеличении прочности до 0,520 МПа (цемент М400) температура увеличивается в 1,4 раза и составляет Δt = 1,22 °С.
Рис. 3. Термографическое обследование образца № 12 гипса при растяжении
Таблица 1
|
Номер образца |
Наименование материала |
Одноосное сжатие |
Одноосное растяжение |
||
|
Прочность на сжатие, МПа |
Превышение температур в зоне разрушения, Δt, град. |
Прочность на растяжение, МПа |
Превышение температур в зоне разрушения, Δt, град. |
||
|
1 |
Цемент М100 |
4,804 |
0,60 |
0,101 |
0,1 |
|
2 |
Цемент М100 |
4,428 |
0,60 |
0,104 |
0,1 |
|
3 |
Цемент М100 |
4,614 |
2,00 |
0,075 |
0,4 |
|
4 |
Цемент М100 |
4,258 |
0,70 |
0,059 |
0,1 |
|
5 |
Цемент М100 |
4,545 |
0,50 |
0,061 |
0,1 |
|
6 |
Цемент М400 |
47,901 |
4,50 |
0,63 |
1,1 |
|
7 |
Цемент М400 |
29,809 |
2,50 |
0,49 |
0,8 |
|
8 |
Цемент М400 |
29,954 |
8,70 |
0,58 |
2,1 |
|
9 |
Цемент М400 |
30,450 |
3,70 |
0,48 |
0,9 |
|
10 |
Цемент М400 |
33,817 |
5,90 |
0,45 |
1,2 |
|
11 |
Гипс |
11,811 |
0,40 |
0,140 |
1,5 |
|
12 |
Гипс |
18,212 |
1,10 |
0,143 |
0,9 |
|
13 |
Гипс |
11,495 |
2,90 |
0,146 |
0,9 |
|
14 |
Гипс |
10,973 |
1,70 |
0,150 |
0,4 |
|
15 |
Гипс |
13,366 |
1,40 |
0,141 |
0,6 |
Из приведенного следует, что показатель Δt следует использовать в качестве классификационного признака, по которому можно оценить предельные (разрушающие) напряжения материалов.
На основании полученной закономерности, с увеличением главных нормальных напряжений, температура материала в зоне разрушения возрастает. Поэтому можно предположить, что при нормальных напряжениях в зонах разрушения материалов больше 250 МПа, температурный фактор во многом определяет физико-химические процессы, протекающие в зоне разрушения. Так, по данным [1, 5] в зоне магистральной трещины разрушения происходит изменение структуры материнской породы, протекают твердофазные химические реакции [6] и образуются новые минералы (вещества) [15]. Н.С. Ениколопяном [3] установлено, что при сжатии до 750 МПа пятиводного кристаллогидрата сульфата меди происходят твердофазные химические реакции, которые реализуются в виде взрыва и образования нового вещества – металлической меди. Экспериментальные исследования Б.М. Чикова и др. [15] показали, что при нагружении ортопироксена (σ2 равно σ3 равно 1000 МПа и σ1 равно 2700 МПа) наблюдалось его преобразование – в зоне разрушения из ортопироксена образовались новые минералы: тальк, в меньшей мере карбонаты, плагиоклаз и другие минералы давления. Подобные же результаты получены В.И. Молчановым и др. [6].
Таблица 2
|
Номер образца |
Наименование материала |
Одноосное сжатие |
Одноосное растяжение |
||||||
|
Прочность, МПа |
Превышение температур в зоне разрушения, Δt, град. |
Прочность, МПа |
Превышение температур в зоне разрушения, Δt, град. |
||||||
|
|
s |
|
s |
|
s |
|
s |
||
|
1 |
Цемент М100 |
4,52 |
0,19 |
0,88 |
0,63 |
0,081 |
0,02 |
0,16 |
0,13 |
|
2 |
Цемент М400 |
34,38 |
7,73 |
5,06 |
2,38 |
0,520 |
0,08 |
1,22 |
0,52 |
|
3 |
Гипс |
13,17 |
2,95 |
1,50 |
0,91 |
0,144 |
0,004 |
0,86 |
0,42 |
Примечание. s – стандартное отклонение; 
–среднее.
Заключение
Экспериментально установлено, что температура материала (Δt) в зоне магистральной трещины разрушения контролируется типом материала и видом напряженного состояния (сжатие-растяжение) через физико-химико-геологические процессы, протекающие в зоне сдвига (разрушения). С увеличением прочности пород температура материалов в зоне разрушения возрастает. В условиях одноосного растяжения наблюдаются минимальные значения температуры (Δt), а в условиях одноосного сжатия она (температура) закономерно увеличивается.
Рецензенты:
Ибламинов Р.Г., д.г.-м.н., зав. кафедрой минералогии и петрографии, Пермский государственный национальный исследовательский университет, г. Пермь;
Гершанок В.А., д.т.н., профессор кафедры геофизики, Пермский государственный национальный исследовательский университет, г. Пермь.
Работа поступила в редакцию 23.09.2014.