高温影响下花岗岩孔径分布的分形结构及模型

 温度是影响岩石物理性质的重要因素,为了探究温度对岩石孔径分布的影响规律,利用压汞法测试25 ℃～1 200 ℃高温热处理后花岗岩样品的孔隙特征,并研究了不同高温影响下岩石孔隙的分形结构和孔隙率演化模型。结果表明：(1) 随着温度的升高,岩石孔隙率呈指数增加,500 ℃～800 ℃是岩石孔隙结构变化的阈值温度区间,500 ℃之前孔隙率增长较缓慢,增长幅度约50%,之后孔隙率大幅增加3～5倍;(2) 温度升高所导致的岩石新孔隙以孔径1～10 μm的中孔为主,低于500 ℃时中孔占15%左右,而后稳步上升,800 ℃时大幅增加至28.24%,1 000 ℃以后又增至40%以上,体积增长了11.8倍,这将导致岩石防渗阻渗能力大大减弱;(3) 各温度下岩石孔隙分布均具有良好的统计分形特性,孔隙分形维数在2.99～3.00范围,随温度升高,分形维数降低,且温度越高,降低幅度越大,表明孔隙均匀性增加;(4) 基于理想Menger海绵的Friesen模型预测各孔径下累计孔隙率演化误差较大,而张季如和陶高梁模型对不同高温岩石孔径分布具有良好的预测精度。研究结果将为高放核废料深层地下存储、地热开发等高温岩石工程设计及施工提供科学依据。     

高温下大理岩受压破坏的细观结构分析

探究高温对岩石的作用机制,对于解决高温岩石工程问题具有重要意义。利用日本日立公司制造S–3000 N扫描电子显微镜对在20 ℃,200 ℃,400 ℃,600 ℃,800 ℃高温作用下以及经历400 ℃,600 ℃和800 ℃高温作用冷却后受单轴压缩破坏的徐州大理岩进行表面元素分布测定、表面形貌观察和超微结构分析,以期在细观层次上对大理岩的受压变形、强度及破坏特性等做出机制性的解释。研究结果表明：常温下徐州大理岩的颗粒较为粗大,为典型解理开裂且部分颗粒内及颗粒间存在裂纹,温度升高至800 ℃时,岩样端口表面碎裂明显、颗粒变小且形态较为规整、部分区域内存在细长裂纹;高温下和高温后受压破坏的大理岩细观结构差异较大;800 ℃之前大理岩总体的质量百分比没有明显变化,温度达到800 ℃时大理岩各元素的质量百分比发生较大的变化,Ca元素的质量百分比急剧下降而Si元素的质量百分比迅速上升,说明其结构可能发生由晶态向非晶态的相转变,致使大理岩的力学指标骤降。     

高温后砂岩动态压缩条件下力学特性研究

利用分离式霍普金逊压杆装置（SHPB）进行单轴动态压缩实验,研究砂岩经历25℃～800℃高温作用冷却后,密度、纵波波速、峰值强度随温度的变化规律;同时从破坏模式、块度分布以及高速摄影特性角度分析了高温后砂岩的动态破碎特性。研究结果表明：随着温度的升高,试样的密度、纵波波速、峰值强度均逐渐减小,200℃后纵波波速降低的幅度增大,400℃～600℃之间峰值强度降低幅度较小,800℃后峰值强度急剧下降;历高温后砂岩的动态破碎特点主要为拉伸破坏,且随着温度的升高,破碎程度越大,岩块分布趋细粒化。通过高速摄影仪拍摄图象,直观地再现了岩石动态破坏过程,发现纵向裂纹沿加载方向随机分布在岩样四周,且初始载荷时岩石破碎形态不具代表性而是随着应力波多次反射才形成最终的破坏形态。     

高温后深部矽卡岩动力学特性及微观破坏机制研究

以深部700m处矽卡岩为研究对象，采用分离式霍普金森压杆装置开展不同冲击气压（0.8,1.0,1.2MPa）下常温和经历不同温度（200℃，400℃，600℃，800℃）作用后的岩石冲击压缩试验，研究深部岩石的高温动力学行为；借助SEM扫描电镜及XRD物相特征分析技术，探索矽卡岩在高温和动载作用下的微观破坏机制。结果表明：相同冲击气压作用下，随着温度的升高，矽卡岩强度劣化、延性增强；相同温度条件下，随着冲击气压的增大，矽卡岩强度和变形均增大，表现出明显的应变率效应。冲击气压增大或温度升高，矽卡岩破碎程度均越来越剧烈，破碎块度越来越小，800℃时破碎状态以颗粒较小的碎石和粉末状为主。内部组分及结构的变化是造成矽卡岩力学性能变化的主要原因，25℃～400℃矽卡岩主要为穿晶和沿晶断裂的脆性破坏；400℃～600℃为矽卡岩由脆性向塑性转化的阈值温度区间；600℃～800℃时则转变为韧窝和滑移断裂的塑性破坏。     

高温后再生混凝土受压强度退化及微观结构性能分析

为研究高温作用后再生混凝土受压强度退化机理及高温作用对再生混凝土微观结构的影响,配制C30全天然骨料混凝土和全再生骨料混凝土,观测了受0、300、400、500℃高温后两种混凝土的表观物理现象并测试其抗压强度,选取典型样本,利用超景深三维显微系统观察四种温度作用后两种混凝土的微观结构形貌,对比分析其骨料和砂浆的界面特征,从微观角度解释界面特征对其宏观受压破坏现象产生的影响。结果表明:当受热温度小于400℃时,再生混凝土强度损失率大于天然混凝土,天然混凝土抗压强度及温度稳定性较好;但当受热温度大于400℃时,再生混凝土强度损失率较小,高温稳定性较好;高温前后再生混凝土薄弱面破坏先后顺序相同。     

高温后粗砂岩常规三轴压缩变形与强度特征分析

通过对经历400℃~1 000℃高温后的粗砂岩进行常规三轴压缩试验,分析试样变形、强度和破坏特征与温度、围压的关系。结果表明:经历400℃高温后的试样围压高于20 MPa时,试样峰值强度附近出现明显屈服平台,经历超过600℃以上高温的试样均具有明显峰值点,随温度升高试样的塑性减弱脆性增强;400℃以内高温对试样的变形参数影响不大,经历超过400℃以上高温的试样的弹性模量、变形模量和极限应变随围压增加单调增加呈正相关性;试样的弹性模量和变形模量随温度升高单调降低,而峰值应变随温度升高单调增加。高温后试样峰值强度随围压增大而单调增加,符合Coulomb强度准则,综合围压影响系数为6.541;800℃以内高温对试样黏聚力、内摩擦角影响不明显,经历1 000℃高温后的试样黏聚力急剧降低,内摩擦角稍有增加;800℃以内高温对粗砂岩具有强化作用,扣除围压影响后试样材料强度与温度呈正相关,超过800℃以上高温使试样强度有所弱化,试样材料强度与温度呈负相关性;高温后试样的试验破坏角和理论破坏角基本一致,高温对试样破坏角影响较小,试验破坏角随围压增加而单调减小,围压对试样破坏角的影响大于温度的影响。     

岩石湿度对纵波速度的影响

<正> 岩石的物理力学性质测试是岩石力学工作者用以揭示岩石本质的重要方法之一。影响岩石物理力学性质的因素很多,除了岩石本身的结构构造特征和载荷条件外,岩石所处的干湿状态也是一个重要的因素。据有关资料统计表明,水的影响导致岩石抗压强度大大降低。例如:砂岩降低40％,粘土质粉砂岩降低50％,页岩降低60％,石英闪长岩降低10～40％。此外,水还对其变形特性     

热损伤花岗岩三轴卸围压力学特性试验研究

利用岩石伺服试验系统,对经历25℃~900℃作用后的花岗岩试样进行三轴卸围压试验,研究高温后花岗岩在卸荷路径下的变形特性、参数特征及破坏形态。结果表明:经历300℃后的岩样围压卸荷量最少,最容易发生破坏。基于应变围压增量比,定量揭示了卸荷破坏是由强烈的径向变形和体积扩容所致。随着温度上升,各应变围压增量比均先增大后减小,在300℃时达到最大。卸荷过程中岩样的变形模量逐渐减小,25℃~900℃之间,减小33.20%~59.11%,且温度越高减小越多,与体积应变均呈二次多项式相关;泊松比逐渐增大,25℃~900℃之间,增大164.96%~274.03%,且温度越高增加越多,与体积应变均呈线性相关。高温后的岩样在单轴压缩下均呈轴向劈裂破坏,并存在多个贯通裂纹;在三轴压缩下为宏观单一的贯通剪切破坏形态;三轴卸围压下破坏形态则比较复杂,常温时为高角度的局部剪切破坏,随温度升高,岩样变为贯通剪切破坏,到900℃时又变为局部剪切破坏。     

高温和循环高温作用后大理岩力学性能试验研究与比较

采用MTS815．03电液伺服岩石试验系统，研究了深圳罗湖建成区F8断裂带大理岩在常温（20℃）至800℃高温下和在100℃～700℃循环高温下（8～9次循环）的应力-应变特性；系统地分析比较了高温和循环高温作用对大理岩的刚度、峰值强度及变形特性等的影响。试验结果表明：温度升高，岩石弹性模量降低，强度降低，出现峰值强度时的应变增加；当温度低于400℃的试样宏观上体现出脆性破坏的特征，而加温高于400℃的试样则渐渐体现出了延性破坏特征，峰值强度渐渐变的不明显。对两种试验比较可知：同温下，在循环加高温作用下试样的弹性模量、峰值强度等比只加一次高温要低，而且当加温温度越高时。峰值强度降低越明显。出现延性破坏特征也越明显。     

高温后砂岩单轴压缩加载速率效应的试验研究

温度是影响岩石材料物理力学性质的重要因素,为考察温度对砂岩加载速率效应的影响规律,对25℃～800℃之间6种温度水平后的砂岩试样分别进行不同加载速率下的单轴压缩试验。试验结果表明：① 高温后砂岩的物理性质出现一定的劣化,由25℃升高至800℃,密度和纵波波速分别减小了5.89%和73.72%;② 随着温度的升高,砂岩峰值强度和弹性模量逐渐减小,峰值应变逐渐增大,而峰值强度随温度的变化过程受加载速率的影响较大;③ 高温后砂岩的峰值强度和峰值应变具有明显的加载速率效应,且服从正线性关系,相关性参数A表征了材料受加载速率影响的显著程度,随着温度的升高参数A呈现先减小后又增大的趋势;④随着温度和加载速率的增大,砂岩破坏形态由拉剪混合破坏逐步转化为单一斜剪破坏,破坏程度愈渐剧烈,分形维数也逐渐增大。     

高温高压下花岗岩中钻孔围岩的热物理及力学特性试验研究

 采用自主研制的20 MN伺服控制高温高压岩体三轴试验机,对f 200 mm×400mm的花岗岩体内含f 40 mm的钻孔在600 ℃以内及6 000 m埋深静水压力下钻孔围岩的热弹性变形进行深入的试验研究。根据热弹性变形试验结果反演计算出高温高压下钻孔围岩的热物理及力学特性参数,并对钻孔围岩的热物理及力学参数进行认真细致的分析。研究结果表明：(1) 高温不同埋深应力下钻孔围岩的热变形可分为3个阶段：低温热变形微弱阶段,中高温热变形快速增长阶段,高温热变形平稳阶段,且埋深(即应力大小)对于钻孔围岩的热变形具有明显的影响;(2) 高温高压下含有钻孔的花岗岩体以剪切方式破坏,花岗岩体在经历500 ℃～600 ℃的高温仍呈现出脆性特征,岩体破坏的条件为6 000 m埋深静水压力,600 ℃左右;(3) 高温下钻孔围岩的弹性模量随温度的升高呈负指数规律减小;(4) 高温下钻孔围岩的泊松比随温度的升高总体呈增大的趋势;(5) 高温不同埋深应力下钻孔围岩的热膨胀系数不同,埋深对钻孔围岩的热膨胀系数具有很大影响。研究结果可为高温岩体地热开发深钻施工及钻井围岩稳定性维护提供理论依据与技术储备。     

花岗岩高温疲劳效应研究

我国花岗岩分布十分广泛,花岗岩岩体稳定性直接关系到其上部或内部构筑物的安全。目前,关于花岗岩在高温循环作用后物理力学性质变化规律研究较少,为研究高温循环作用对花岗岩岩体物理力学性质的影响,在对花岗岩进行高温—淬火循环(100~700 ℃,循环1~7次)处理后,对花岗岩岩样进行单轴压缩试验,分析其抗压强度与弹性模量变化规律;对花岗岩岩样进行巴西劈裂试验,分析其抗拉强度变化规律。结果表明:(1)在100~700 ℃范围内,随温度升高抗拉强度、抗压强度、弹性模量变化均呈现下降趋势,其中抗拉强度降幅不断加大、弹性模量和抗压强度降幅呈现由大到小再增大的趋势;(2)在循环1~7次范围内,随循环次数增加,抗拉强度、抗压强度、弹性模量均呈现下降趋势,变化幅度在10％以内;(3)抗压强度与弹性模量变幅波动均为V字形,且V字开口方向相同,其中,随温度升高V字开口向下、随循环次数增加V字开口向上。     

岩石高温相变与物理力学性质变化

 岩石内部结构随温度升高的变化会导致其物理力学性质的改变。利用MTS伺服试验机和高温炉进行常温至800 ℃花岗岩物理力学参数随温度变化特征试验。研究结果表明：(1) 岩石物理力学性质随温度变化可划分常温～100 ℃和100 ℃～300 ℃,300 ℃～500 ℃,500 ℃～600 ℃,600 ℃～800 ℃五个阶段;前3个阶段的温度范围分别对应岩石内附着水、结合水和结构水汽化逸出的温度区间。(2) 岩石物理力学性质(抗压/抗拉强度,渗透率,波速等)在400 ℃～600 ℃的温度范围内会有显著变化;受石英由? 相变为? 相的影响,岩石体积增大,微裂隙大量增加,在573 ℃附近存在强度和波速下降的加速点。(3) 温度大于600 ℃后,岩石强度和波速会继续降低,其与固体矿物膨胀和金属键断裂引起矿物熔融破裂及相变有关。     

高温后花岗岩冲击破坏行为及波动特性研究

 采用SRM–5N超声检测分析仪和高温分离式霍普森压杆(SHPB)系统装置,分别对不同高温后花岗岩的波动特性和动态力学特性进行试验研究,分析不同温度条件对花岗岩纵波波速、波形频谱的影响,研究高温后花岗岩的动态抗压强度、峰值应变以及冲击破碎形态的变化情况。试验升温等级设为25 ℃,100 ℃,200 ℃,400 ℃,600 ℃,800℃,1 000 ℃七个等级,升温速度为10 ℃/min。试验结果表明：(1) 随着温度的增高,花岗岩试样的热损伤总体上呈逐渐增大趋势。但是100 ℃之前热损伤有所降低,出现负的热损伤,随后热损伤不断增加,直到600 ℃以后热损伤增幅开始变缓。(2) 随着温度的升高,试样的动态抗压强度总体减小,峰值应变总体增大;但是在110 ℃左右,抗压强度有所增强,峰值应变有所减小;600 ℃之后抗压强度和峰值应变分别显著减小和增大。(3) 推断110 ℃左右为花岗岩一个阈值温度,在这个温度之前,温度的对花岗岩产生负损伤,花岗岩强度增强;推断600 ℃～800 ℃范围内存在为花岗岩另一个阈值温度,超过这个温度花岗岩的力学性能发生显著变化。该方法和成果可为岩体工程施工、防火设计以及火灾后评估修复提供一定参考价值。     

基于能量演化的超深层高温页岩脆性评价方法

深层/超深层页岩气是未来勘探开发重点攻关对象。目前川东南某页岩气井的最大钻探垂深已达6 600 m,地层温度高达180 ℃。为揭示高温页岩力学性质及脆性特征,以该井垂深为5 942.34～ 5 951.75 m的龙马溪-五峰组真实岩心开展180 ℃实时高温三轴压缩实验,提出了基于矿物组分权重的能量演化脆性评价方法,并以此评价其脆性。该方法同时考虑岩石矿物组分和破坏过程中的能量演化,能更准确地定量评价高温岩石脆性。结果表明:页岩抗压强度随温度/围压的增加而增加,弹性模量、泊松比受温度/围压的影响较小;破坏模式随围压的增加由脆性张剪性贯穿多裂纹破坏向脆塑性单裂纹剪切破坏转变;计算得到该超深页岩层段脆性指数高,表明其具备形成复杂缝网的物质基础。     

高温后花岗岩能量及结构效应研究

利用MTS815电液伺服材料试验系统,研究了花岗岩在25℃～1000℃高温作用后的三轴压缩力学性能,基于D8 ADVANCE 型X射线衍射仪,研究了花岗岩经不同温度加热处理产物的物相特征。结果表明：①经历不同高温作用后,岩样三轴抗压强度、轴向峰值应变与围压呈非线性二次多项式增长关系,破坏应变能与围压呈线性增长关系。②岩样三轴抗压强度、破坏应变能随温度的升高先增大后减小,呈二次抛物线关系,400℃为最大值。③石英、长石、云母三者的最大衍射强度随温度的升高先增大后减小,400℃时达到最大,结合宏观力学试验,可以推断400℃为花岗岩的阀值温度。④石英在573℃发生由石英转变为石英的可逆反应;长石的差热曲线在700℃～900℃出现吸热谷,结构发生了由晶态向非晶态的相转变;在997℃时,云母矿物晶格破坏羟基逸出形成钠长石,这些因素共同作用使得岩样力学性能在400℃之后随着温度的升高而逐渐劣化。     

高温下盐岩的声发射特性试验研究

 利用MTS 810材料测试系统和AE21C声发射检测仪对受高温作用的喜马拉雅山盐岩在加温及加载过程中声发射的演变过程进行试验研究,分析其在20 ℃～600 ℃高温下以及高温后不同受力阶段的声发射特征。研究结果表明：加温过程中,50 ℃～400 ℃盐岩的声发射率较50 ℃时明显下降,超过400 ℃后随温度的升高盐岩的声发射活动越频繁。单轴压缩过程中,20 ℃～150 ℃时盐岩的声发射活动频率及强度随温度升高而增大,而在170 ℃～600 ℃其声发射率随温度升高而降低。170 ℃～400 ℃是盐岩自愈性得到充分体现的温度区间。在相同温度下,高温下盐岩的声发射活动弱于高温后。     

温度作用对孔隙岩石介质力学性能的影响

利用模型材料制作了孔隙岩石物理模型,利用CT扫描和统计学原理获得了物理模型内部孔隙数量、孔隙空间位置和孔隙间距等分布特征,通过不同孔隙率物理模型温度作用下的单轴压缩试验,分析了温度作用后孔隙物理模型的抗压强度、弹性模量和泊松比等力学参数与温度和孔隙率之间的关系,运用CT扫描试验探讨了温度作用下孔隙微观结构的演化规律。研究发现：孔隙物理模型与天然孔隙岩石相比具有较好的几何相似性和一致的孔隙结构分布特征;随着作用温度点的升高,同一孔隙率的物理模型的抗压强度基本呈上升趋势,孔隙率的增大减弱了温度对物理模型抗压强度的影响作用;在相同温度条件下,随着孔隙率的增加,物理模型的抗压强度呈下降趋势。随着作用温度点的升高,同一孔隙率的物理模型的弹性模量基本都呈下降趋势;随着温度的升高孔隙率对泊松比的影响逐渐减弱;温度引起物理模型内部孔隙几何形态和孔隙数量的改变是引起宏观力学参数发生变化的主要内因。150℃似乎可以作为温度对孔隙物理模型力学参数影响的一个门槛值。研究成果揭示了温度对岩石宏观力学性能及微观孔隙结构演化规律的影响机理。     

重组竹高温下单轴受压性能试验研究

高温环境下重组竹力学性能研究，是建立重组竹高温本构关系和重组竹结构抗火设计方法的基础。开展了重组竹高温环境(50~290℃，16个工况)下单轴受压试验，研究了重组竹顺纹与横纹抗压强度、弹性模量和质量损失等随温度的变化规律，给出了重组竹顺纹和横纹抗压强度、弹性模量折减系数与温度关系的经验公式，该公式适用于工程用重组竹高温受压性能参数的计算。通过各温度工况下试件的微观结构变化比较，分析了重组竹在高温环境下的受压破坏机理。结果表明：重组竹顺纹和横纹抗压强度折减与欧洲规范EN 1995-1-2中给出的木材高温抗压强度折减规律类似；重组竹高温环境下竹纤维细胞壁成分降解、细胞壁变薄及其多层结构的消失是导致其受压性能降低的主要原因。