600 ℃内高温状态花岗岩遇水冷却后力学特性试验研究

 通过对600 ℃内高温状态花岗岩遇水冷却后的力学特性试验研究及花岗岩体遇水热破裂劣化机制的探讨,发现高温状态花岗岩遇水冷却过程中,由于岩体内温度急剧变化,岩体内产生热破裂或热冲击现象,岩体力学性能劣化,从而导致超声波速、单轴抗压强度、抗拉强度及弹性模量随温度逐渐减小。具体表现为：(1) 高温状态花岗岩遇水冷却后超声波速随着经历温度的升高呈负指数函数关系降低;(2) 花岗岩经过高温遇水冷却处理,峰值应力和峰值应变及其单轴抗压强度都受到很大影响;(3) 高温状态遇水冷却处理对花岗岩的抗拉强度影响明显,抗拉强度随温度的变化规律符合负指数函数关系;(4) 高温状态花岗岩遇水冷却后其弹性模量随温度的升高呈负对数规律减小。     

实时温度与循环载荷作用下花岗岩单轴力学特性实验研究

采用多功能岩石高温三轴实验机,通过实验对比分析花岗岩在实时温度和循环载荷作用下的单轴应力–应变特性,揭示温度与循环载荷对其力学特性的影响规律,研究表明:(1)实时温度下花岗岩的单轴抗压强度和弹性模量随温度升高总体呈下降趋势。极限应变随温度的变化规律呈"W"型,即25℃～200℃,极限应变随温度升高而降低;200℃～300℃,随温度升高而增大;300℃～500℃,随温度升高而降低;500℃～600℃,随温度升高而升高;(2)经应力循环后其弹性模量普遍提高,但温度不同提高的幅度不同,100℃时提高的幅度最小,400℃时提高的幅度最大,提高值主要发生在第2次应力循环,从第2～50次的应力循环中弹性模量的变化较小;(3)在25℃和600℃,花岗岩经有限的几次循环后便发生破坏,强度较应力循环前有所降低,而在其他温度点,经应力循环后其强度有不同程度的提高;(4)花岗岩在100℃和400℃温度条件下,经过50次应力循环后的极限应变值大于无应力循环的极限应变,其他温度点的变化非常微小。研究结果对涉及温度和循环应力同时作用下岩石类工程稳定性研究具有重要的理论意义和应用价值。     

花岗岩高温后的超声特性及力学性能研究

采用RSM-5N非金属超声检测分析仪和液压伺服试验系统装置,研究了不同温度等级(25～1 000 ℃)作用后花岗岩的超声特性以及力学性能。结果表明:(1)高温后花岗岩的纵波波速、波幅,波形以及单轴抗压强度都和温度的变化密切相关。(2)随着温度等级的增高,纵波波速100 ℃之前先是增加,100 ℃之后开始减小,高温后波形和波幅整体上由整齐变混乱,尤其在600 ℃变化最明显。(3)随着温度的增加,花岗岩试样逐渐由灰褐色变成灰白色,同时质量也随着温度的增加而减小,试样脆性增加,变得轻脆易碎。(4)400 ℃之前花岗岩单轴抗压强度随着温度的增加变化不明显。但是经历400 ℃之后,强度开始随温度等级的下降而下降,经历过1 000 ℃高温后的抗压强度降低到25 ℃的37%左右。     

低温条件下花岗岩力学特性试验研究

 从辽宁锦州拟建地下储库工程现场钻取典型花岗岩岩芯,进行不同冻结温度(－10 ℃～－50 ℃)和不同含水状态(干燥和饱和)的单轴及三轴压缩试验,分析岩石的变形破坏规律、干燥和饱和状态抗压强度以及三轴剪切强度参数c,j 值随温度的变化关系。试验结果表明：(1) 无论干燥还是饱和试样,微风化花岗岩单轴及三轴抗压强度随着低温温度的降低而提高,但呈现非线性增加的趋势,得到花岗岩抗压强度随低温温度变化的非线性关系拟合式,并认为微风化花岗岩存在一个抗压强度趋于稳定的温度界限值,此值约为－40 ℃;(2) 微风化花岗岩在干燥和饱和条件下,黏聚力c值随温度的降低而增大,在干燥条件下尤为明显。干燥条件下,微风化花岗岩内摩擦角随低温温度降低变化较小,摩擦角基本保持在57°左右,饱和条件下,微风化花岗岩内摩擦角随温度降低而增加, 由－10 ℃～－50 ℃增长幅度约为3.43%。该研究成果可为液化天然气(LNG)的低温地下存储提供一定的力学参数依据。     

考虑温度效应的花岗岩蠕变损伤本构关系研究

 为了解核废料处置库围岩在不同温度下的蠕变损伤特性,基于不同温度(20 ℃～300 ℃)下花岗岩单轴抗压蠕变的试验结果,分析温度对花岗岩整个蠕变损伤过程的影响特征,认为温度对花岗岩的瞬时弹性模量产生热损伤并加速花岗岩的后续蠕变损伤过程。基于西原模型,引入瞬时热损伤变量和考虑温度效应的蠕变损伤变量,建立温度作用下花岗岩的蠕变损伤本构模型。通过不同温度下花岗岩的蠕变试验数据对建立的蠕变损伤模型参数进行识别,得到不同温度下蠕变损伤模型的材料参数。通过比较蠕变损伤模型的理论结果和试验结果发现,该模型能够很好地反映花岗岩不同阶段的蠕变特性,表明该模型的合理性和正确性。分析模型参数随温度的变化规律,结果表明：随着温度的上升,花岗岩的蠕变损伤破坏时间迅速减小,并满足负指数衰减规律;随着温度的上升,花岗岩的蠕变阶段的破坏特征从脆性向延性转变,其破坏特征参数满足负指数增加规律;随着温度的上升,花岗岩的松弛时间迅速减小。     

温度影响下花岗岩冲击倾向及其微细观机制研究

为考察温度对岩石冲击倾向性的影响,在实时高温(25℃～850℃)和高温热处理后(25℃～1200℃)2种情况下对花岗岩岩样进行单轴压缩和断口电镜扫描试验,结果表明:(1)实时高温下,岩石冲击倾向性随温度的升高存在2个阈值温度,第一阈值温度范围为150℃～250℃,第二阈值温度范围为500℃～600℃。从25℃到第一阈值温度,冲击倾向性指标大幅增大,从强冲击倾向演化为极强冲击倾向;从第一阈值温度到第二阈值温度,冲击倾向性指标略微下降,表现为极强冲击倾向;从第二阈值温度到试验终温,冲击倾向性指标大幅急剧下降,表现为弱冲击倾向或无冲击倾向。(2)高温后冷却情况下,随温度的升高岩样冲击倾向性总体呈逐渐下降趋势,25℃～200℃表现为较强冲击倾向,200℃～800℃表现为中等冲击倾向,800℃后表现为无冲击倾向。(3)5种冲击倾向性指标相比,有效冲击能指数和剩余能量指数较能反映真实的冲击倾向性,其余3种指标因为考虑不全面而产生误差。(4)得到4种典型的应力-应变曲线形态,并分析不同加温方式和温度段与各形态的对应关系。(5)对宏微观破坏形态进行分析,高温后岩样随冲击倾向性的减弱,破坏机制依次为张拉破坏、张剪破坏和剪切破坏,呈现脆性机制向延性机制转变的趋势。     

不同温度条件下硫化橡胶拉伸特性的研究

通过对一种硫化橡胶在变温条件下进行的单轴拉伸实验，考察了硫化橡胶在变温、大变形条件下的力学特性．结果表明：在低温范围（30～60℃）内拉伸比加大时，应力下降较大；在高温范围（120～160℃）内拉伸比加大后，应力下降则不明显．同时，经过数学拟合，确定了不同温度下Mooney-Rivlin方程中的2个重要参数C1和C2．随着温度的升高，C1和C2呈现出相反的变化趋势．     

花岗岩断裂韧度的高温效应

本文对作为核废料贮存母岩的花岗岩断裂韧度的高温效应进行了比较系统的研究。在室温至300℃范围内,获得了直接测定的花岗岩临界应力强度因子K_1C随温度变化的规律性试验结果。发现了一个门槛温度。高于这个门槛温度,花岗岩断裂韧度迅速下降。结合电镜观察,对该现象的机理进行了分析。本文指出,门槛温度应作为选择核废料贮存母岩的重要指标之一。     

微波照射下花岗岩尺寸效应试验研究

深地层采矿是未来发展的趋势,而地层中岩块的大小不具有规律性。为了探究微波照射下深层岩石的尺寸效应规律,降低深地层采矿的开挖难度,保证深地层采矿的安全,以微波辅助破岩技术为基础,对不同尺寸的花岗岩微波照射以进行试验研究。采用超声波检测仪测量其内部裂隙发育情况,采用红外摄像机测量其温度变化情况,采用伺服机测量其单轴抗压强度及单轴抗拉强度,最终得到微波照射下花岗岩尺寸效应的普遍规律:1)一定范围内的微波照射能够减弱岩石的尺寸效应,且照射功率越大,减弱效果越明显;2)在相同的照射条件下,微波对花岗岩的加热程度随着试件高宽比的增大而增大,而次加热效果仅与试件尺寸有关;3)存在一个最合适的高宽比,能够既经济又有效地使微波对岩石的损伤效果达到最佳。     

高温静水应力状态花岗岩中钻孔围岩的 流变实验研究

 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×400 mm的内含f 40 mm钻孔的花岗岩体高温三维静水应力状态的流变特性进行了深入的研究。研究结果表明：(1) 花岗岩是由多种晶体胶结而成的脆性坚硬岩石,5 000 m静水应力以内及600 ℃以内的恒温恒压状态下,花岗岩中钻孔围岩主要表现为稳态蠕变;当应力达到5 000 m静水应力,温度为600 ℃时的蠕变为非稳态蠕变。(2) 高温静水应力状态下花岗岩中钻孔围岩蠕变过程存在应力阈值和温度阈值。(3) 热力耦合作用下钻孔围岩内部晶间胶结物及晶粒内部产生的位错及微破裂过程,是高温高压下钻孔围岩蠕变存在温度阈值和应力阈值的主要原因。(4) 高温静水应力状态下,含有钻孔的花岗岩体流变破坏的应力为5 000～6 000 m的静水应力(125～150 MPa),温度为500 ℃～600 ℃,破坏形式为压裂破坏、压剪破坏或两者相结合。同时,获得了600 ℃以内及埋深6 000 m以内静水应力条件下,不同温度不同埋深静水应力状态下花岗岩中钻孔围岩的蠕变率参数,为高温岩体地热开发钻井井壁稳定性研究提供了重要的力学参数依据。     

高温后混凝土损伤评估的声发射试验研究

为研究高温后混凝土的损伤特征,对25~900℃范围10种温度水平的混凝土立方体试块进行单轴压缩和变幅循环加卸载试验,同步进行声发射采集。试验结果表明高温后试块表观特征、受压破坏形态、力学性能、加载过程中的Kaiser效应和声发射速率过程参数均能有效表征高温对混凝土的损伤作用;以声发射速率过程理论和损伤力学建立的高温后混凝土损伤模型,实现了利用初始损伤因子D0对高温后混凝土损伤程度进行定量评估。     

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。     

负温钢纤维混凝土单轴压缩试验与分析

利用岩石力学试验系统(RMT)对负温钢纤维混凝土进行了单轴压缩试验,测得了0、-5、-10、-15、-20℃钢纤维混凝土的应力应变曲线、杨氏模量、变形模量以及泊松比。试验结果表明随着温度的下降,材料的极限强度提高,杨氏模量上升,脆性加大。最后分析了负温钢纤维混凝土单轴抗压强度的特征及其影响因素。     

循环单轴应力和循环温度作用下玄武岩力学性质初探

对玄武岩在循环单轴应力–温度作用下的力学性质进行初步的试验研究。开展应力上限为80%和65%单轴抗压强度、温度上限为60℃和90℃的循环单轴应力–温度试验以及循环后的单轴压缩试验。试验结果表明:循环应力和循环温度作用具有"叠加"效应;循环应力上限为80%单轴抗压强度时,玄武岩随循环次数增加逐渐损伤,在循环中破坏;应力上限65%抗压强度且温度上限60℃时,玄武岩随循环次数增加逐渐硬化,在循环中不会发生破坏;损伤岩样峰值应变经历初始阶段、等速阶段和加速阶段,残余应变具有较大波动性;损伤岩样峰值割线模量先迅速降低,后缓慢降低,在临近破坏时急剧减小,应力上限大时峰值割线模量的降低程度大;应力上限相同,温度上限大的损伤岩样破坏循环数小;硬化岩样峰值应变和残余应变随循环次数增加而减小,峰值割线模量、割线弹性模量和卸载模量随循环次数增加而增大,温度上限大时岩样模量增加幅度小;硬化岩样受循环作用后,抗压强度较初始强度提高;岩石破坏时峰值应力与峰值割线模量定义的损伤因子线性相关程度高。     

单轴压缩下高温盐岩的力学特性研究

 对不同温度下(20 ℃～700 ℃)及高温后(100 ℃后,200 ℃后)喜马拉雅山盐岩进行单轴压缩破坏试验,获得其受高温作用的力学特征和破坏形态,探讨峰值应力、峰值应变和弹性模量的变化规律,并重点分析高温下其应力–应变曲线的特殊性。研究结果如下：当温度低于120 ℃时,盐岩的抗压强度和弹性模量随温度的升高而降低,120 ℃～200 ℃时,随温度的升高而增加;在较高温度下(500 ℃及以上),盐岩的内部结构发生突变,峰值应力大大降低;盐岩的应力–应变曲线在不同温度区间有较大差异,170 ℃是其发生突变的阈值;当温度为170 ℃～400 ℃时,盐岩呈现出明显的应变硬化特性;喜马拉雅山盐岩所能承受的极限温度不超过700 ℃;与同等高温下相比,经历100 ℃和200 ℃高温后的盐岩,其承载能力降低,变形及弹性模量较小,其内部出现较多裂纹,整体性较差。     

溶浸-应力条件下钙芒硝孔隙率变化规律研究

采用原位溶浸法开采钙芒硝矿,会使钙芒硝内部物理结构改变,随之会引起其力学性能及渗透性的改变,从而影响原位溶浸开釆效率。利用μCT225kVFC型显微CT试验系统,得到不同溶浸温度、单轴压缩条件下钙芒硝内部结构CT图像,通过孔隙率值的变化归纳出钙芒硝变形和溶蚀规律。研究表明:钙芒硝在35 ℃水中溶浸10 h后发生膨胀,在1 MPa轴向载荷下,处于孔裂隙压密向弹性变形过渡阶段;钙芒硝在浸泡后孔裂隙增长明显,施加1 MPa轴向载荷后,孔裂隙增长不明显;溶浸温度为65 ℃时,钙芒硝孔隙率增长值最大;95 ℃时,孔隙率增长率最大,孔隙变化最明显。研究结果对钙芒硝矿床开采利用具有重要参考价值。     

高温后PVA纤维增强水泥基复合材料力学性能试验研究

对经过100℃、200℃、400℃、600℃高温处理后的聚乙烯醇纤维增强水泥基复合材料(PVA-ECC)进行了单轴压缩试验、单轴拉伸试验、剪切试验和四点弯曲试验,对不同温度下的试验结果进行了对比分析,拟合了高温后PVA-ECC各项性能的退化曲线,并通过扫描电镜观察了微观结构。结果表明:PVA-ECC在常温下能够表现出良好的变形能力;当温度由常温升至100℃时,抗压强度大幅下降,继续升至200℃时则有一定提高;当温度超过200℃以后,抗压强度、抗拉强度和极限拉应变均降低,试件由延性破坏变为脆性破坏;常温下,PVA-ECC试件表面密实完整,经过400℃高温处理后,试件呈现出稀疏多孔结构,温度超过600℃时,试件表面呈片状、海绵状形态。     

高温作用后钼尾矿混凝土单轴受压性能试验研究

为研究钼尾矿混凝土高温后的单轴受压力学性能,进行了不同目标温度（20,200,300,400,600,800 ℃）条件下钼尾矿混凝土的轴心抗压强度、峰值应变、弹性模量、泊松比、破坏形态及质量变化的试验研究。结果表明：钼尾矿混凝土试件的质量损失率随温度的升高而增加,在800 ℃时质量损失率平均为6.52%;轴心抗压强度随温度的升高而逐渐降低,800 ℃时与常温相比平均降低70.04%,且随钼尾矿掺量的增加而降低;而峰值应变随温度的升高先减后增;弹性模量和泊松比都随温度的升高而降低,在800 ℃时弹性模量和泊松比平均比常温降低88.22%和35.66%。对于弹性模量,大体上随着钼尾矿掺量的增大而减小;而对于泊松比,钼尾矿掺量100%的混凝土略大于掺量50%的混凝土。根据试验结果,建立了钼尾矿混凝土高温后的单轴受压应力-应变本构方程。