對巖石、有機(jī)玻璃在單軸壓縮條件下的熱輻射特征進(jìn)行比較
由于大多巖石（尤其地殼表層巖石）為脆性材料，它與其他黏性及黏彈性材料的物理力學(xué)性質(zhì)明顯不同。為更好了解巖石受力的紅外輻射特征、進(jìn)而揭示巖石受力產(chǎn)生熱效應(yīng)的物理機(jī)制，作者進(jìn)行了有機(jī)玻璃單軸壓縮的紅外輻射觀測實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)因內(nèi)部結(jié)構(gòu)的差異，使得有機(jī)玻璃與巖石受力后的紅外輻射特征有明顯不同。本文對此進(jìn)行研究，并對兩種材料的熱力耦合效應(yīng)的機(jī)制進(jìn)行討論。
任何固體在彈性階段都存在熱彈效應(yīng)，即當(dāng)材料受壓時(shí)溫度上升，而受拉時(shí)下降，有機(jī)玻璃和巖石也都遵從此規(guī)律。然而，巖石在彈性階段除存在熱彈效應(yīng)外，還存在空隙氣體逸出的吸熱效應(yīng)，即巖石受壓時(shí)導(dǎo)致內(nèi)部空隙氣體的逸出，從而引起溫度下降，產(chǎn)生吸熱效應(yīng)。這樣對于不同種類的巖石，因內(nèi)部所含空隙多少的差異會產(chǎn)生不同程度的的吸熱效應(yīng)，從而造成不同的溫度變化類型。對于致密、空隙較少的巖石，產(chǎn)生的吸熱效應(yīng)微弱，在彈性變形階段主要存在熱彈效應(yīng)，這樣巖石在壓縮過程中溫度隨應(yīng)力的上升呈現(xiàn)線性增長的規(guī)律；而對于內(nèi)部空隙較多的巖石，產(chǎn)生的吸熱效應(yīng)強(qiáng)烈，熱彈效應(yīng)低于氣體逸出吸熱效應(yīng)，則溫度下降。當(dāng)兩種效應(yīng)基本平衡時(shí)，溫度保持恒定。因此巖石在彈性壓縮階段溫度隨應(yīng)力的變化不像有機(jī)玻璃那樣呈現(xiàn)單一上升趨勢，而是因巖石種類的不同呈現(xiàn)不同的變化形式。
當(dāng)固體在應(yīng)力作用下進(jìn)入塑性變形階段時(shí)，熱力耦合效應(yīng)要比彈性階段復(fù)雜得多，而且不同的材料由于在微觀結(jié)構(gòu)上的不同，因而產(chǎn)生的熱力耦合效應(yīng)所服從的規(guī)律也不同。如均質(zhì)與非均質(zhì)材料、各向同性與各向異性材料、晶體與非晶體材料、韌性與脆性材料在非彈性階段所服從的熱力耦合效應(yīng)規(guī)律都不相同。因此，材料在非彈性階段的熱力效應(yīng)研究的難度要比彈性階段大得多。到目前為止，即使對于同一種材料，也沒有一個通用的定律和公式來統(tǒng)一表達(dá)非彈性階段的熱力耦合關(guān)系，更多的是停留在實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上的經(jīng)驗(yàn)公式。其中，關(guān)于均質(zhì)體、各向同性材料如金屬、聚合物的研究相對較多，而關(guān)于復(fù)雜材料――巖石的研究則相對較少。巖石是典型的脆性材料，與韌性材料的顯著區(qū)別是在屈服階段微觀結(jié)構(gòu)上產(chǎn)生大量的微破裂，而伴隨微破裂的產(chǎn)生會導(dǎo)致與韌性材料不同的熱效應(yīng)，即摩擦熱效應(yīng)。對于不同性質(zhì)的微破裂，其摩擦熱效應(yīng)也會有所不同。當(dāng)微破裂的性質(zhì)為張性時(shí)，破裂面間不發(fā)生摩擦，因而無摩擦熱效應(yīng)產(chǎn)生，此時(shí)由于破裂體積發(fā)生膨脹而產(chǎn)生吸熱的熱彈效應(yīng)，使得溫度略有下降；而當(dāng)微破裂的性質(zhì)為剪性時(shí)，破裂面會發(fā)生錯動和摩擦，因而有摩擦熱效應(yīng)產(chǎn)生，必然導(dǎo)致溫度上升和高溫紅外輻射。
因此，對于巖石材料，由彈性階段進(jìn)入塑性階段時(shí)，伴隨微破裂的產(chǎn)生巖石表面的溫度場發(fā)生分異、產(chǎn)生條帶狀熱異常，張性微破裂使溫度下降，剪性微破裂使溫度上升。而且隨著微破裂的發(fā)展，帶狀熱異常發(fā)生遷移擴(kuò)展。對于有機(jī)玻璃，當(dāng)變形由彈性階段進(jìn)入塑性階段時(shí)，材料不發(fā)生微破裂，只是內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)發(fā)生流動性變化，由此導(dǎo)致的熱塑效應(yīng)只是溫度隨應(yīng)力增長的速度減慢，并不會發(fā)生局部的分異現(xiàn)象，且材料在塑性階段后并不發(fā)生破壞。而進(jìn)入黏性階段，發(fā)生的熱黏效應(yīng)使溫度的上升速度又加快。
巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)2007年同。本文基于實(shí)驗(yàn)結(jié)果對巖石、有機(jī)玻璃在單軸壓縮條件下的熱輻射特征進(jìn)行了比較，發(fā)現(xiàn)：（1）兩種材料在不同的應(yīng)力階段均呈現(xiàn)不同的紅外輻射特征，紅外輻射特征與應(yīng)力狀態(tài)存在對應(yīng)關(guān)系；（2）在熱像的變化特征上，有機(jī)玻璃不存在分異現(xiàn)象，而巖石多出現(xiàn)條帶狀的破裂異常前兆；（3）在AIRT的變化特征上，有機(jī)玻璃隨壓力的增長呈現(xiàn)分階段的直線上升，而巖石因種類的不同呈現(xiàn)多種變化形式，且在破裂前存在AIRT的異常變化前兆。對兩種材料的熱力耦合機(jī)制討論認(rèn)為：因內(nèi)部結(jié)構(gòu)不同，兩種材料加載過程中產(chǎn)生熱效應(yīng)的機(jī)制不同。巖石在加載過程中存在熱彈效應(yīng)、氣體逸出吸熱效應(yīng)以及微破裂產(chǎn)生的摩擦熱效應(yīng)，而有機(jī)玻璃存在熱彈效應(yīng)、熱塑效應(yīng)和熱黏效應(yīng)。這些機(jī)制上的不同導(dǎo)致兩種材料受力紅外輻射特征的差異。
