《INTERNATIONAL JOURNAL OF ROCK MECHANICS AND MINING SCIENCES》：Experimental study on shear behavior and brittle-ductile transition of cement-rock interfaces: Insights from microcrack evolution via DIC
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Jia-Le Li|高峰赵|Kostas Senetakis中国天津大学土木工程学院水利工程智能建造与运行国家重点实验室，天津，300072摘要了解岩石与结构材料之间的界面行为对于评估和确保岩土工程及采矿工程应用（如灌浆和回填）中的结构稳定性至关重要。这项小规模研究可以提供更精细
Jia-Le Li|高峰赵|Kostas Senetakis
中国天津大学土木工程学院水利工程智能建造与运行国家重点实验室，天津，300072
摘要
了解岩石与结构材料之间的界面行为对于评估和确保岩土工程及采矿工程应用（如灌浆和回填）中的结构稳定性至关重要。这项小规模研究可以提供更精细的分析，包括捕捉界面附近的局部应力集中和微裂纹扩展行为，这些在大型样本中容易被平均化和掩盖。本研究使用了一种定制的微观力学测试仪，并结合了数字图像相关（DIC）技术，来研究在不同正常约束条件下小规模模拟水泥-岩石系统的界面剪切行为。结果表明，随着约束条件的增加，界面的行为从脆性转变为韧性，这与局部带的微裂纹演化模式有关，表现为粘结样本的分离膨胀向整体膨胀的转变。根据约束程度的不同，膨胀过程大致分为三个阶段；然而，DIC测量并未显示出局部带的大小与约束条件之间的任何相关性。水泥-岩石界面的强度包络线满足莫尔-库仑（MC）破坏准则，并具有拉伸截止值，在粘结破坏后转变为以摩擦为主的无粘性界面。剪切速度效应引起的峰值力和剪切行为的变化在水泥-岩石界面处表现出来。就剪切疲劳行为而言，能量在弹性形式和塑性形式之间的转换很大程度上受到剪切位移的影响。总体而言，这项小规模界面研究为弱不连续界面的本构行为和建模提供了见解，包括参数选择、速率效应和能量演化，具有在地下岩土/采矿工程项目中评估风险的潜在应用。
引言
水泥浆回填（CPB）技术用于岩土和采矿结构（即地下矿腔）的机械稳定，减少了潜在不稳定性的地质环境和结构风险，1,2并且在过去几十年中受到了越来越多的研究和应用关注。3这种技术的一个缺点是，由于水泥-岩石界面的粘结性能较弱，裂缝容易在界面处产生并扩展，4,5这可能对工程结构的安全性和可用性构成威胁。6以往的研究主要关注这些系统在单轴压缩强度方面的变化。7,8如图1所示，由于拱效应的发生，回填物底部的垂直压力低于上覆岩层的重量。9压力的传递主要与水泥浆和岩壁之间的相互作用（包括摩擦和粘结机制）有关。3因此，由拱效应引起的应力重分布10,11将影响界面的剪切行为，因此深入研究剪切性能对于确保这些系统的稳定性至关重要。12因此，详细评估界面处的断裂起始和扩展过程对于了解水泥-岩石界面的机制是必要的。
许多研究人员已经评估了这类结构的界面行为，包括在恒定约束载荷下的变形行为13,14、化学影响引起的水泥材料的剪切行为15、固化温度16以及粘结剂含量9。值得注意的是，地质材料中的断裂扩展对约束压力非常敏感。17, 18, 19具体来说，在较低约束压力下，地质材料将发生准脆性破坏20，而随着约束压力的增加，韧性行为将占主导地位21，且主导机制与破坏模式有关。水泥-岩石界面包含微孔和/或微裂纹；因此，它在较低约束条件下表现为膨胀性破坏模式，而在较高约束条件下则表现为伴有剪切增强的压实作用的碎裂流动22。这种从脆性到韧性行为的转变通常与损伤极限、裂纹扩展和能量耗散有关。了解这种转变有助于了解不同应力状态下水泥-岩石界面的可能损伤模式及其对整个水泥-岩石系统机械行为的影响。
根据以往的研究，除了约束压力外，温度和应变率效应也会影响水泥-岩石系统的变形机制。22,23例如，随着压力和温度的升高，与晶体塑性相关的热诱导变形将变得占主导地位，导致均匀塑性流动的发生。已发表的研究还报告称，随着固化时间的延长，水泥材料的水化程度增加会增强水化颗粒的强度，但由于变形抗力的增加，韧性本身会降低。24然而，当采用较高粘结剂含量时，剪切应力-位移曲线将保持弹塑性，与固化时间无关。9值得注意的是，随着正常载荷的增加，水泥-岩石界面的峰值剪切应力和韧性将得到增强25,26这源于界面内部空隙的压实和接触表面的增加。24材料韧性的增强与裂纹尖端附近塑性区的形成有关12；因此，了解微裂纹的起始和演化机制有助于探索剪切中的脆性/韧性行为。尽管已经有多种尝试研究水泥-岩石界面的剪切行为，但很少有研究探讨涉及的微观力学，特别是剪切行为的变化、微裂纹的演化及其与正常载荷、剪切速度以及其他因素的相关性。
在这项工作中，使用了一种定制的微观力学测试仪结合DIC技术来研究在四种不同约束压力下小规模水泥-岩石界面系统的剪切行为和微裂纹演化。通过拉伸和剪切试验确定了水泥-岩石界面以及无粘性界面（即粘结破坏后的界面）的强度包络线。此外，还研究了速度对剪切行为和峰值力的影响，以加深我们对相关机制的理解。最后，通过循环剪切试验分析了能量的演化，进一步了解了水泥-岩石系统的疲劳行为。
章节片段
原材料和生产工艺
通常认为水泥与水混合是一种有效的人工粘结剂，在回填工程中得到广泛应用。在这项工作中，使用了由香港Green Island Cement Ltd.生产的普通波特兰水泥（OPC）I型27来制备样品，而选择了一种具有粗粒结构的花岗岩作为界面测试的天然基准材料。这种花岗岩来自中国湖南省。
不同正常载荷下界面的剪切行为
图6显示了在不同正常载荷下水泥-岩石界面的剪切行为。此外，还绘制了对应于两种材料粘结破坏后的无粘性界面的剪切行为，以供比较。需要注意的是，无粘性界面的力-位移曲线是基于相同的剪切路径获得的（即，将两个样品放回原位并重新施加正常载荷）。
界面的剪切膨胀行为
界面在剪切过程中表现出膨胀行为。我们结合了非接触式位移传感器获得的位移数据和DIC衍生的局部变形场来研究这一现象背后的内在机制。图11给出了载荷-位移曲线和垂直位移曲线（压缩对应于正测量值，膨胀对应于负测量值）。
剪切速度效应
分析了在10 N正常载荷下剪切速度对水泥-岩石界面剪切行为的影响。如图16所示，在相对较低的滑动速度下，水泥-岩石界面的机械行为表现出明显的韧性。随着速度的增加，行为逐渐转变为脆性模式（见v = 1.0 mm/h），这与界面内微裂纹的演化有关。
结论
这项工作进行了一项小规模实验研究，使用数字图像相关（DIC）技术在各种正常约束条件下研究了水泥-岩石界面的剪切行为。主要发现如下：
- (1)
随着正常约束的增加，水泥-岩石界面的剪切行为从脆性转变为韧性，这与微裂纹的演化模式有关，表现为界面处的分离膨胀向整体膨胀的转变。
CRediT作者贡献声明
Jia-Le Li：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，可视化，验证，方法论，研究，正式分析，数据管理，概念化。Gao-Feng Zhao：撰写 – 审稿与编辑，监督，资源管理，项目管理，方法论，研究，概念化。Kostas Senetakis：撰写 – 审稿与编辑，监督，资源管理，项目管理，方法论，研究，概念化。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。
致谢
该研究得到了国家自然科学基金（项目编号：12472405）、香港城市大学（项目编号：7020027）和香港城市大学（项目编号：9610604）的资助。感谢这些资助机构的财务支持。第一作者感谢中国科学协会青年人才支持计划下的博士生特别项目的支持。
