岩石断裂测试

一、应用场景

岩石是一种具有天然缺陷的具有强烈不均质性的三相介质。相较于传统均质材料的断裂问题，岩石的物理特性和其所在的复杂的地质条件对于研究岩石的力学性质，尤其是断裂过程中的力学行为与性质带来了巨大的挑战。而脆性岩石是指变形小于3%即发生断裂岩石种类，因其强度高、稳定性好被广泛地应用为岩土工程的物质基础。但是，脆性岩石的断裂的裂纹尖端基本上没有塑性区域，在工程实际中常常发生毫无征兆的断裂，造成巨大的生命财产损失。因此，脆性岩石断裂被认为是最危险的断裂形式。脆性岩石的断裂问题一直是国内外学者研究的热点也是难点问题之一。其中，裂纹快速扩展过程中裂纹尖端场或损伤断裂过程区的行为和理解，对于建立模型描述岩石材料动态断裂显得尤为重要，进而影响到断裂参数的确定问题。而为了达成以上目标，首先要解决的问题就是如何在超高时间分辨的条件下拍摄到清晰的岩石断裂过程图片，为了达到这一目的，就需要更快的高速快门。

二、应用案例

传统研究脆性岩石断裂过程的传统高速摄影采用的方法是不断提高相机的快门时间从而提高记录事件的时间分辨率。因为缩短了快门时间，单位曝光时间内的光通量减少，就必须提高相机传感器的感光度，或对试件用大功率LED灯进行补光。但因超快相机传感器的限制，现阶段的超快相机的快门速度至多达到10-7s。这个量级的时间分辨率就必须在捕捉更多的断裂事件和清晰的图像需求之间被迫二选一。这就造成了在捕捉断裂过程中裂纹尖端出现模糊、虚影等现象。而采用激光的脉冲特性作为快门就可以在保证光强的条件下同时具有了超快分辨的能力。

本方法使用了Sagittar-SLR激光器作为激光源，可以实现100k-500k@18W可调重复频率，可以保证相机在超快时间分辨条件下仍具有足够高的光强能够满足相机要求的最高照度。在使用时我们将一束激光用分光镜分为两束再通过反射镜调整光路，同时用扩束镜和准直镜将激光均匀的投射在试样表面。Sagittar-SLR激光器（均匀性参数）可以使试件表面光照均匀，不产生阴影，使断裂的全过程可以被清晰的拍摄到。此外，此设备的稳定性十分出众，在长时间运行后，亮度不出现波动，这在进行复杂的光路调试时非常具有优势。同时，激光器的体积较小，方便对其进行搬运，调整角度。

因为采用激光作为“光快门”，因此，拍摄的时间分辨率完全由激光的半高宽决定。借助于激光超快超短的脉冲特性，实现了岩石材料断裂过程的超快时间分辨，本课题组借助于这一设备完成的相关成果发表在Zhang, M., Li, D., Yang, L., Chen, L., Shen, M., Huo, J., & Li, Y. (2022). An ultrafast time-resolution method based on picosecond pulsed laser for determining rock fracture toughness at multipoint during the crack propagation. Scientific Reports, 12(1), 4550. doi:10.1038/s41598-022-08428-1。