В статье анализируется влияние ультразвуковых воздействий на состояние и свойства горных пород. Отмечается, что при длительных ультразвуковых измерениях наблюдается рост скорости продольных волн с течением времени после начала проведения экспериментов. Предполагается, что этот эффект обусловлен реакцией среды на ультразвуковую обработку, в результате которой благодаря релаксационным свойствам материала возможно изменение его структурных параметров и напряженно-деформированного состояния.
Ключевые слова : ультразвук, скорость продольной волны, горная порода, структура, эксперимент, временные зависимости.
Изучение распространения высокочастотных волн в материалах является одним из экспериментальных методов неразрушающего контроля, который успешно применяется для исследований структурных и прочностных характеристик материалов, оценки их неоднородности, эволюции их структуры при внешнем воздействии. Горные породы как природный материал в абсолютном большинстве представляют собой поликристаллические или гетерогенные минеральные системы, состоящие из совокупности отдельных элементов — зерен различных минералов, имеющих, как правило, различные упругие и прочностные характеристики. Специфика распространения упругих волн в неоднородных средах заключается в том, что изменение кинематических и динамических характеристик волн связано не только с геометрией фронта и поглощением, но и с процессами рассеяния волн неоднородностями. Характер этих процессов зависит от соотношения размеров неоднородностей и длины волны. Наличие дефектов разного масштаба или соответствующая перестройка структуры материала при внешнем воздействии приводят к изменению скоростей распространения упругих волн.
В тоже время известно, что ультразвуковые вибрации сами по себе могут влиять на физические свойства материалов и их прочность, и ультразвуковая обработка является эффективным способом воздействия на структуру материала с целью улучшения его свойств [1–5]. Прослеживается зависимость эффекта, вызываемого ультразвуком, от амплитуды сдвигающих напряжений.
В работе [1] в опытах с образцами мрамора установлено, что УЗ-вибрации существенно влияют на величины измеренных физических полей (теплового, электрического, волнового). При длительном ультразвуковом воздействии в среде возможно развитие микротрещин и пластических деформаций и в тоже время благодаря релаксационным свойствам материала залечивание очагов микротрещин, тот или иной сценарий зависит амплитуды и мощности высокочастотных импульсов, а также от структурных свойств самого материала. В экспериментах мощность вибратора составляла около 100 Вт, частота колебаний в импульсе 25 кГц и максимальная амплитуда смещений ̴ 100 мкм. По полученным в работе [2] результатам видно, что наибольший эффект релаксации достигается при амплитуде воздействия 20 МПа. В этом случае наблюдается заметное снижение внутренних напряжений и плотности дефектов в никеле, а также достигается наибольшее увеличение пластичности.
В работе [3] экспериментально показано, что действие ультразвуковых колебаний может эффективно способствовать развитию микротрещин в образцах гранита. При этом ультразвуковой генератор имел частоту вибраций 40 кГц, максимальная амплитуда смещений 22 мкм, мощность 800 Вт. Однако механизм распространения микротрещин горных пород при ультразвуковых колебаниях до сих пор остается неясным. Согласно работе [3] волна напряжений, генерируемая ультразвуковой вибрацией, передается в виде синусоидальной P-волны в образец и периодически изменяется со временем. Во временном ряду один и тот же объем гранита подвергается периодическим нагрузкам сжатия и растяжения. Для отдельной частицы гранита силовое состояние можно оценить по формуле:
где Δm — масса частицы гранита, A — максимальная амплитуда напряжений, создаваемых ультразвуковой вибрацией, f — частота ультразвуковой вибрации.
Из этой формулы следует, что сила, действующая на отдельную частицу, пропорциональна квадрату частоты ультразвуковых колебаний. Даже если ультразвуковая волна имеет небольшую амплитуду, она может генерировать большую силу возбуждения при ультразвуковом воздействии на породу из-за высокой частоты.
Для оценки влияния ультразвука на состояние и свойства горных пород нами проведены исследования образцов песчаника и мрамора, которые находились при комнатной температуре в лаборатории и были изготовлены примерно год назад до проведения испытаний. Методика и результаты настоящих исследований частично отражены в работах [6–7]. В качестве информативного параметра исследований была принята скорость продольных волн. Методика определение этого параметра хорошо отработана, проста и надежна. Использовалась серийно выпускаемая аппаратура УК-14П и комплект датчиков с собственной резонансной частотой 100 и 150 кГц. Контроль состояния образцов горных пород осуществлялся по методике прозвучивания, когда датчики располагались на противоположных гранях образцов и перемещались с шагом 3 см. Отличительная особенность экспериментов заключалось в том, что контроль за состоянием образцов горных пород осуществлялся в течение длительного времени на протяжении 10–12 месяцев. При проведении экспериментов использовались образцы мелкозернистого кварцевого песчаника и мрамора с характерными размерами 50(25)х 25(20)х15(12,5) см.
При ультразвуковом контроле образцов можно, что отметить большинство из них отличались как акустической анизотропией, так и имели отличные значения скорости продольных волн в отдельных точках при измерениях в одном направлении. Это обусловлено локальными остаточными внутренними напряжениями и микроструктурными особенностями образцов, например, с наличием микродефектов, неравномерно распределенных в их объеме. Максимальные значения скорости продольных волн для исходных образцов песчаника и мрамора составляли 5200 и 5800 м/с. Коэффициент анизотропии К а как отношение скоростей продольных волн по двум взаимно перпендикулярным направлениям для образцов песчаника равен 1,2–1,3. Экспериментальная ошибка при многократных измерениях скорости продольных волн в одних и тех же точках образцов в течение суток не превышала 3–5 %.
Результаты ультразвуковым измерений образцов песчаника и мрамора в течение длительного времени наблюдений с шагом перемещения датчиков 3 см представлены на рис. 1. На образцы песчаников № 1 и № 2 приходилось 16 измерительных точек, на образец № 3–13, а на образец мрамора — 6, что обусловлено геометрическими размерами образцов. В результате измерений получены распределения значений скорости продольной волны по длине образцов. Эти распределения, как это следует из рис. 1, для каждого образца песчаника имели свои особенности, и значительно различались по абсолютным величинам скорости в отдельных измерительных точках. Длительные наблюдения образцов песчаника и мрамора фиксировали рост скорости по абсолютной величине. Как следует из экспериментов, увеличение скорости образцов песчаника по сравнению с первоначальными значениями могли составлять до 50 %. На рис.2 представлена динамика изменения скорости продольных волн с течением времени для измерений в отдельных точках образцов. На основе анализа этих графиков можно предположить, что для образцов песчаника и мрамора ультразвуковое воздействие играет роль «спускового крючка» после чего начинается плавный рост скорости с течением времени.
а
б
в
г
Рис. 1. Значения скорости продольных волн (м/с) в различных точках измерений для образцов песчаника (а, б, в) и мрамора (г).
а
б
Рис. 2. Значения скорости продольных волн с течением времени
в различных точках измерений для образцов песчаника (а) мрамора (б)
Очевидно, что этот процесс связан с реакцией среды на ультразвуковую обработку при проведении измерений и возможен благодаря наличию различному роду дефектов — микротрещин, пор, пластических зон, а также — благодаря существующим в образцах внутренним напряжениям. В однородных образцах с малой пористостью и значениями скорости продольных волн максимально возможными для данной породы он практически не наблюдается. Можно предположить, что при ультразвуковом воздействии за счет смыкания дефектов имеет место упорядочивание структуры, изменение напряженно-деформированного состояния, улучшения акустических контактов между отдельными минеральными зернами. Для мрамора рост скорости продольных волн происходит после определенного числа циклов ультразвуковой обработки и, соответственно, времени воздействия.
Таким образом, показано, что в результате проведения неразрушаюшего ультразвукового контроля возможно изменение свойств образцов горных пород, обусловленное их структурными преобразованиями под действием ультразвуковых вибраций. Применение ультразвового метода контроля образцов сравнительно большого масштаба позволило выявить их структурные неоднородности, которые проявляется в значительном разбросе значений скорости продольных волн в отдельных точках измерения.
Литература:
- Садовский, М. А. Изменение физических свойств горных пород под влиянием ультразвуковых вибраций / М. А. Садовский, О. Г. Шамина, З. Стопинский. — Текст: непосредственный // Докл. АН СССР. — 1989. —Т. 309. — № 6. — С. 1340–1344.
- Влияние ультразвуковой обработки на структуру и механические свойства ультрамелкозернистого никеля, полученного равноканальным угловым прессованием / A. A. Самигуллина, Ю. В. Царенко, В. В. Рубаник [и др.]. — Текст: непосредственный // Письма о материалах. — 2012. — Т.2 — вып. 4. — С. 214–217.
- Dajun, Zhao Microcrack Growth Properties of Granite under Ultrasonic High-Frequency / Zhao Dajun, Zhang Shulei, Wang Meiyan. — Текст: непосредственный // Excitation Advances in Civil Engineering. — 2019. — № 4.https://doi.org/10.1155/2019/3069029.
- Yin, S. Investigation into the characteristics of rock damage caused by ultrasonic vibration / S. Yin, D. Zhao, G. Zhai. — Текст: непосредственный // International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences. — 2016. — vol. 84. — С. 159–164.
- Dajun, Zhao Research on the Influence Rule of Ultrasonic Vibration Time on Granite Damagento the characteristics of rock damage caused by ultrasonic vibration / Zhao Dajun, Yuan Peng. — Текст: непосредственный // Journal of Mining Science. — 2018. — № 54(5). — С. 751–762.
- Кочанов, А. Н. Ультразвуковой контроль и эволюция структурных изменений природных материалов / А. Н. Кочанов. — Текст: непосредственный // Международная научная конференция «Техническая акустика: разработки, проблемы, перспективы» 26–29 сентября 2016 г. Витебск, Беларусь: материалы конференции. — Витебск: УО «ВГТУ», 2016. — С. 185–187.
- Викторов, С. Д. Динамика упорядочивания микроструктуры и свойств образцов горных пород в результате взрывного воздействия/ С. Д. Викторов, А. Н. Кочанов— Текст: непосредственный // Известия РАН. Серия физическая. —2014. —Т. 78. — № 4. — С. 388–391.
