Формирование и развитие очага разрушения при деформации природных гетерогенных материалов

УДК 620.191:678.067

ФОРМИРОВАНИЕ И РАЗВИТИЕ ОЧАГА РАЗРУШЕНИЯ ПРИ ДЕФОРМАЦИИ ПРИРОДНЫХ ГЕТЕРОГЕННЫХ МАТЕРИАЛОВ

© М.Г. Менжулин, Х.Ф. Махмудов, В.С. Куксенко, У. Султонов

Ключевые слова: деформация; микротрещина; очаг разрушения; шлиф.

Исследована структура и ее влияние на зарождение микротрещин в образцах гранита и мрамора. Нагружение производилось в управляемом прессе в камере высокого давления. Акустическая эмиссия использовалась для управления режимом нагружения. При появлении очага разрушения образец разгружался. Делались шлифы в месте образования очага разрушения, на которых измерялись размеры зерен и микротрещин. Результаты сопоставлялись с аналогичными данными, полученными на образцах до нагружения. Обсуждены вопросы переноса результатов на большие масштабы и прогнозирование макроскопического разрушения.

Гетерогенность твердых тел играет определяющую роль в процессах деформирования и разрушения. Для природных материалов (горных пород) она проявляется на всех масштабных уровнях, от блочного строения земной коры до зернистого строения лабораторных образцов. В данной работе исследовались образцы гранита Вестерли, которые являются наиболее используемыми в мировой практике, поскольку сравнительно однородны.

Методы исследования и экспериментальные результаты. Количественный микроанализ осуществлялся двумя методами. Первый метод - метод оптической микроскопии с подсчетом трещинных параметров в больших нестандартных шлифах (метод ВНИГРИ) [1]. Этот метод дает нам и качественную характеристику, и количественную. С помощью этого метода можно выделить генерации трещин (т. е. последовательность их происхождения или образования), выделить системы трещин (т. е. их ориентировку) и типы трещин (т. е. это трещины скола, отрыва или сдвига). Кроме того, под микроскопом измерялась длина трещин (Ь), их раскры-тость (В) и подсчитывалось количество трещин (М).

Второй метод дает возможность в автоматическом режиме на приборе Квантимет 720 подсчитать элементы структуры и построить распределение числа зерен по их размерам.

Гранит Вестерли является довольно сложным природным композитом. Основные породообразующие минералы: кварц - 30 %, полевые шпаты - 30 %, плагиоклазы - 30 %, темноцветные минералы - биотит - 10 %.

Кроме этого в исходном шлифе можно выделить 2 типа трещин: 1 - это внутризерновые трещины и 2 тип -это открытые межзерновые, т. е. развиты по границам зерен.

Объектами исследований были выбраны три разновидности горных пород: мрамор СаСО3 (Чичканское месторождение), гранит (Кыртаволгинское месторождение) и песчаник 8;02136-иН20 (Джергаланское месторождение). Цилиндрический образец гранита диаметром 75 мм и высотой 190 мм нагружался управляемым прессом одноосносжимающей нагрузкой (в данном эксперименте 50 МПа) [2, 3]. Образец был покрыт

защитной полимерной рубашкой, через которую вмонтированы приемники акустических сигналов (АС). Кроме того, использовались датчики и приемники для измерения скорости прохождения упругих волн как для измерения изменений дилатансии образца в процессе деформирования, так и для повышения точности лоци-рования мест образования трещин. Для управления режимом нагружения была разработана система автоматического контроля, так чтобы интенсивность акустической эмиссии (АЭ) не превышала выбранной величины. На этой стадии образец был разгружен.

После этого были вырезаны шлифы параллельно торцевой плоскости, так чтобы вскрывалась очаговая область образца и проведены измерения размеров зерен и микротрещин, аналогичные полученным для исходного образца.

Микроскопический анализ шлифов показал различные структурные изменения, зарождение и развитие микротрещин. Как было отмечено выше, гранит состоит в основном из четырех основных минеральных компонентов. Все эти минеральные компоненты по-разному ведут себя при деформировании, и поэтому механизм разрушения зависит как от самих минералов, так и от их ориентировки и структурных особенностей самой породы.

Рассмотрим более подробно поведение этих минералов при деформировании. С помощью 1-2 методов были построены графики распределения зерен по размерам как для исходного, так и деформированного образцов гранита (рис. 1).

Из рис. 1-2 видно, что кривая для деформированного образца смещается в левую сторону, что говорит о дроблении зерен на более мелкие фракции. В основном дробятся зерна большего размера, а именно, размер которых превышает 0,5 мм.

Для того чтобы выяснить, какой именно минерал дробится больше, строились графики (гистограммы) для каждой группы минералов отдельно. Из этих гистограмм стало ясно, что основной вклад в разрушение вносят зерна кварца.

На рис. 2 приведены гистограммы распределений зерен кварца.

1667

Рис. 1. Кумулятивная зависимость числа зерен от их размеров N

~г~

0.4

I

0.б

и

L, мм

Рис. 2. Распределение зерен кварца по их размерам в исходном образце

Можно видеть существенные изменения в этих распределениях. Общее распределение смещается в сторону мелких зерен.

Обсуждение результатов. В данной работе основное внимание уделено изменениям в зернистой структуре. В целом происходит дробление зерен, и размеры зерен уменьшаются. Сопоставление структурных изменений для различных минералов, составляющих образец, можно видеть, что после деформации образца разные минералы по-разному реагируют на деформацию, что обусловлено как различной пластичностью, так и геометрическими особенностями. Зерна кварца являются наиболее упругими и хрупкими, и дробление в зернах кварца происходит за счет образования внут-ризеренных трещин. На рис. 2 приведены распределения числа зерен от их размеров для исходного образца зависимость 1 и после его деформирования 2. Можно видеть существенные изменения в этих распределениях. В целом, распределение сдвигается в сторону

меньших размеров. Наиболее интересный результат заключается в появлении неких характерных размеров, т. е. дробление происходит таким образом, что крупные зерна распадаются на зерна определенных характерных размеров. Это позволяет объяснить иерархию размеров структурных элементов горных пород, исследованных в работе [4, 5] на различных масштабных уровнях от микроскопических зерен до блоков, составляющих земную кору.

Итак, можно выделить два основных результата, выявленных в данной работе. Во-первых, очаг разрушения не является отдельной магистральной трещиной, а представляет собой некий объемный объект, направленность которого определяется напряженным состоянием образца, и второе - структура в очаге разрушения приобретает некие характерные размеры. Можно отметить, что разломы в земной коре, сопровождаемые землетрясениями, также являются объемными объектами [5], и ширина разломов может достигать десятков и сотен метров. Это еще раз свидетельствует о самоподобии в процессах разрушения на различных масштабных уровнях, причем это самоподобие связано не только с образованием трещин, но и существенными структурными перестроениями.

ЛИТЕРАТУРА

1. Smekhov E.M. Theoretic and methodic principles of the search for the crack’s collectors of petroleum and gas. Leningrad: “Nedra” Publishers, 1974 (in Russian).

2. Махмудов Х.Ф. Поляризация мрамора в поле упругих сил при различных температурах // Деформация и разрушение материалов. 2012. № 8. С. 41-45.

3. Махмудов Х.Ф. Термоактивационный механизм релаксации меха-ноэлектрических эффектов в твердых диэлектриках // Журнал технической физики. 2011. Т. 81. Вып. 1. С. 76-81.

4. Махмудов Х.Ф., Куксенко В.С. и др. Структурные изменения при деформации природных гетерогенных материалов // ФТПРПИ. 2009. № 4. С. 55-59.

5. Куксенко В. С., Махмудов Х.Ф., Манжиков Б.Ц. Концентрационная модель разрушения твердых тел и прогнозирование катастрофических ситуаций крупномасштабных объектов. ФТПРПИ. 2010. Т. 4. С. 29-40.

БЛАГОДАРНОСТИ: Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (грант №11-05-00320-а).

Поступила в редакцию 10 апреля 2013 г.

Menzhulin M.G., Makhmudov Kh.F., Kuksenko V.S., Sulto-nov U. FORMATION AND DEVELOPMENT OF FOCUS DESTRUCTION OF NATURAL STRAIN HETEROGENEOUS MATERIALS

The structure and its effect on the nucleation of microcracks in the samples of granite and marble is studied. The loading was done in a controlled press in the pressure chamber. Acoustic emission was used to operate the load. At the destruction the sample chamber was unloaded. Thin sections were made at the place of the source of destruction, which were measured by the size of grains and microcracks. The results were compared with similar data obtained for the samples before loading. The issues of transfer of results on a large scale and predict the macroscopic fracture.

Key words: deformation; microcracks; focus destruction; grinding.

2

0

0

1668