高温状态下大理岩力学性能实验研究

采用电液伺服材料力学试验系统对常温～800℃高温作用下大理岩的力学性能进行了研究,考察了大理岩的全应力 应变曲线、峰值应力σp、峰值应变εp、弹性模量E等量的变化特征。结果表明：随受热温度升高大理岩的峰值应力和弹性模量不同程度上渐次降低,尤其是在不同温度段岩石强度降低具有突变性,而峰值应变不同程度渐次增长。800℃时大理岩的延性明显增强,应力达到峰值后,应变仍表现出缓慢增加特性,但最终大理岩破坏方式仍以脆断为主。研究结果一定程度上反映了大理岩在温度作用下内部结构变化的特征,可为相关岩体工程设计与研究提供参考。     

Effect of Elevated Temperatures on Mechanical Performance of Normal and Lightweight Concretes Reinforced with Carbon Nanotubes

An experimental program was developed to evaluate the effect of multi-walled carbon nanotubes (MWCNTs) inclusion on elevated temperature properties of normal weight concrete (NWC) and lightweight concrete (LWC). The mechanical performance was assessed by conducting material property tests namely compressive strength (f’_c,_T), tensile strength (f’_t,T), mass loss (M_T), elastic modulus (E_T), compressive toughness (T_c) and stress–strain response under unstressed and residual conditions in the range of 23°C to 800°C. The mechanical properties were measured by heating 100?×?200 mm cylindrical specimens to 200°C, 400°C, 600°C and 800°C at a heating rate of 5°C/min. Results show that the inclusion MWCNTs in cementitious matrices enhanced the fire endurance. The relative retention of mechanical strength and mass of concretes modified with MWCNTs was higher. The stress–strain response of specimens modified with MWCNTs was more ductile. Microstructural study of cyrofractured samples evidenced the homogenous dispersion of nano-reinforcements in host matrix. Furthermore, the data obtained from high temperature material property tests was utilized to develop mathematical relationships for expressing mechanical properties of modified mixes as a function of temperature.     

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。     

不同温度条件下煤系砂质泥岩力学特征试验研究

 利用RMT–150B岩石力学试验系统和GD–65/150高低温环境箱,对煤系砂质泥岩在25 ℃～55 ℃温度下的力学特性开展试验研究,分析不同温度下砂质泥岩的应力–应变全过程曲线、峰值应力、峰值应变、弹性模量以及变形模量受温度的影响。研究结果表明,不同温度下砂质泥岩的力学特性有差异。随着温度的升高,其峰值应力、峰值应变逐渐降低,但在40 ℃前后峰值应力和峰值应变随温度的升高其减小幅度不同,峰值应力值从25 ℃到40 ℃降幅达22.1%,从40℃到55℃降幅达4.3%,峰值应变从25 ℃到40 ℃减小了12.9%,从40 ℃到55 ℃应变减小了29.9%;弹性模量随着温度的升高呈线性减小;变形模量随着温度的升高呈线性增大。研究结果对实施深部煤炭的安全高效开采以及深部软岩工程灾害的预测和控制具重要的理论意义和实用价值。     

高性能轻骨料混凝土高温后受压本构关系研究

通过对无纤维全轻混凝土、无纤维次轻混凝土、钢纤维全轻混凝土、钢纤维次轻混凝土进行25、200、400、600、800℃五个温度水平的高温后力学性能试验，研究高温作用对未掺钢纤维和掺入不同体积掺量钢纤维增强轻骨料混凝土力学性能的影响。研究结果表明：随受火温度升高，高性能轻骨料混凝土的强度、弹性模量逐渐下降，立方体抗压强度和弹性模量下降幅度大于轴心抗压强度，纵向峰值应变和横向变形逐渐增大，应力-应变曲线渐趋扁平，上升段线性段比例变小，曲线与横轴包围面积逐渐减小;高性能全轻和次轻混凝土均表现出比普通混凝土更好的抗火性能，但是在高温800℃后，高性能轻骨料混凝土也发生了爆裂，掺入钢纤维后并没能消除爆裂现象，但是减小了高温后试块的表面裂缝宽度；钢纤维改善了高温前后轻骨料混凝土的力学性能，使高温前后轻骨料混凝土的弹性模量和峰值应变均有一定程度的提高。通过回归分析，建立高性能轻骨料混凝土的单轴受压分段应力-应变本构方程，其与试验结果吻合较好。     

Residual compressive behaviour of pre-heated high-performance concrete with blast–furnace–slag

An experimental program was designed and carried out to study the residual compressive behaviour of high-performance concrete (HPC) with blast–furnace–slag (BFS) at elevated temperatures ranging from 20 to 800 °C. The residual cube compressive strength is examined and the relationship between the residual compressive strength and temperature is investigated based on the heated cube specimens (100×100×100 mm³) tested on a universal test machine. In addition, on the basis of the heated prism specimens (100×100×300 mm³) tested on an electro-hydromantic rigidity servo test machine, the complete stress–strain curves are obtained, and the effects of temperatures on the residual prism compressive strength, the strain, and the elastic modulus etc are analysed. An approximate formula for the stress–strain relationship of HPC–BFS after exposure to temperatures is proposed.     

High Temperature Mechanical Properties of High Strength Structural Steels Q550, Q690 and Q890

This paper reports the results of an experimental study on high temperature mechanical properties of high strength structural steel produced in accordance with Chinese materials standards. Steady-state tensile coupon tests were carried out on specimens made of China grade steels of Q550, Q690 and Q890. Nine elevated temperature levels up to 800°C were considered. The elastic modulus, yield strength, ultimate strength and ultimate strain were derived from the measured stress–strain curves. A model was developed to predict the high temperature properties of these steels using an approach developed by the National Institute of Standards and Technology and by calibrating the model parameters to the test data. The test results are compared to other tests on high strength steels reported in literature. The test results are also compared to predictions of high temperature properties from various building codes and other standards. The study found that steel grade has significant effect on the reduction factors. The difference between the reduction factors of elastic modulus for Q690 and Q550 was 30% at 600°C. In this study, reduction factor is defined as the ratio of the high temperature property to the corresponding room temperature property. The study also found that the material models in current codes are not applicable to the investigated high strength steels.     

粗晶大理岩单轴压缩力学特性的静态加载速率效应及能量机制试验研究

 加载速率对岩石力学性质具有重要影响,影响的程度与岩石本身的微结构和加、卸载应力路径及状态等密切相关。基于静态加载速率范围内的9个不同等级应变率下粗晶大理岩单轴压缩试验,研究加载应变率对岩石的应力–应变曲线、破坏形态、强度、弹性模量及变形模量与应变能耗散及释放的影响规律,探讨岩石损伤演化的能量机制。根据总体积应变及裂纹体积应变与起裂及扩容应力的相关性,确定各应变率下岩石起裂及临界扩容应力。加载应变率大约以1×10－3 s－1为分界点,小于该值时应力–应变曲线峰值点附近仍存在一定的塑性屈服或流动段,超过该值后表现为“折线”型。随着加载应变率的增加,岩样破裂模式由张剪型逐渐过渡到张性劈裂甚至劈裂弹射。一般而言,起裂及临界扩容应力和峰值应力均随加载速率增大而增大,且起裂及临界扩容应力越接近峰值强度,但当应变率为1×10－4～1×10－3 s－1时,上述值均出现一个相对低值区间,这与粗晶大理岩的微结构特征相关。起裂应力、临界扩容应力、弹性模量及变形模量均与峰值强度线性相关。单轴压缩下峰前能量耗散量越多,强度越高,峰后可释放弹性应变能和释放速率越大,岩石的张性贯通破裂特性愈强,破裂块数越多。能量耗散使岩石损伤而强度丧失,而能量释放使岩石宏观破裂面贯通而整体破坏。     

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。     

高温后大理岩的冲击力学特性试验研究

 利用分离式霍普金森压杆设备对经历不同高温冷却后大理岩的冲击力学特性进行试验研究,得到不同高温作用后大理岩冲击压缩的应力–应变曲线,分析高温后大理岩纵波波速的变化及在冲击荷载作用下的峰值应力、峰值应变、弹性模量随温度的变化规律。研究结果表明,高温后大理岩的纵波波速随着温度的升高近似线性下降;在800 ℃之前,同一冲击加载速率作用下大理岩的峰值应力随着温度的提高变化并不明显,在800 ℃之后,峰值应力迅速减小;在600 ℃之前,同一冲击加载速率作用下大理岩的峰值应变随着温度的提高无明显变化,但在600 ℃之后,峰值应变随着温度的提高近似线性增加;总体上,弹性模量随着温度的升高呈现降低的趋势,且经历的温度越高,弹性模量下降的幅度越大。结合高温后岩石内部微观结构特征的变化,对大理岩冲击力学特性随温度的变化进行分析。     

高温中纤维纳米混凝土单轴受压应力-应变关系

通过纤维纳米混凝土棱柱体试件在25～800℃高温中的单轴受压试验,研究了温度、钢纤维体积率、纳米二氧化硅和纳米碳酸钙掺量对纤维纳米混凝土高温中轴压性能的影响。结果表明,随温度升高,纤维纳米混凝土峰值应力和初始弹性模量显著降低,峰值应变明显增大;随钢纤维体积率增大,高温中纤维纳米混凝土峰值应力和峰值应变不断提高,初始弹性模量有所下降;随纳米材料掺量增加,高温中纤维纳米混凝土峰值应力、峰值应变和初始弹性模量均呈增大的趋势,纳米二氧化硅的效果好于纳米碳酸钙。在分析试验结果的基础上,提出了考虑温度、纤维和纳米材料影响的高温中纤维纳米混凝土峰值应力、峰值应变和初始弹性模量的计算公式以及高温中纤维纳米混凝土单轴受压应力-应变关系式。     

高温下大理岩力学性质的试验研究

 对徐州大理岩在常温至800 ℃下的力学性质进行试验研究,详细分析高温下及高温后大理岩的峰值应力、峰值应变、弹性模量以及应力–应变全过程曲线等随温度的变化情况,并通过扫描电镜对不同温度状态下大理岩的细观特征进行初步探讨。研究表明,随温度的上升大理岩的体积增大,而其质量及密度下降;低于400 ℃,大理岩的力学性质变化不大;高于400 ℃,大理岩的峰值应力和弹性模量均有不同幅度的降低,峰值应变随温度的升高而大幅增加;经800 ℃高温作用后大理岩的结构整体发生转变导致其力学性质发生突变;大理岩高温后的强度指标(峰值应力、弹性模量)低于其高温下的强度指标,同时,大理岩高温后的峰值应变低于其高温下的值。200 ℃以下大理岩断面微裂纹主要为张性裂纹,600 ℃以上大理岩出现缩聚裂纹和剪性裂纹且逐渐增多;高温后大理岩微裂纹的扩展、贯通比高温下更为明显。     

高温后再生混凝土单轴受压应力-应变关系试验研究

利用废弃混凝土经机械破碎后制成的再生粗、细骨料,制作168个不同再生粗、细骨料取代率尺寸为100mm×100mm×300mm的再生混凝土试件,经历20～800℃作用后进行单轴受压应力-应变全曲线试验,分析了不同再生粗、细骨料取代情况和经历温度对再生混凝土峰值应力、峰值应变、弹性模量、泊松比和单轴受压应力-应变全曲线的影响。结果表明：相同温度作用后,随着不同再生骨料取代率的增加,峰值应变增大,弹性模量减小,单轴受压应力-应变曲线峰值应力减小,峰值应变增大,脆性增大;随着经历温度的升高,峰值应变与泊松比先降后增,并在温度400℃后增幅最大,而峰值应力与弹性模量均持续减小,应力-应变曲线渐趋扁平,与横轴包围面积显著减小;再生粗、细骨料单独掺入对混凝土受力性能的影响比较一致,同时掺入时性能退化较快。通过回归分析,建立各组再生混凝土试件单轴受压分段式应力-应变本构方程。     

经历高温后花岗岩与混凝土力学性质的试验研究

对经历高温后的花岗岩和高强混凝土的力学性能进行了试验研究。比较分析了经历不同温度作用后花岗岩和混凝土的应力-应变全过程曲线、峰值应力、峰值应变和弹性模量的变化情况。研究表明:随受热温度的升高,花岗岩和高强混凝土的强度、弹性模量逐渐下降,峰值应变逐渐增大。高温后花岗岩具有明显不同于高强混凝土的特点,受热温度低于400℃,花岗岩的力学性质变化很小,而混凝土的力学性质迅速劣化。高温对混凝土力学性质的影响程度比对花岗岩要明显。     

Investigation on physical and mechanical properties of bedded sandstone after high-temperature exposure

Uniaxial compression tests were carried out on bedded sandstone to explore the effect of exposure to high temperatures on the physical and mechanical properties of the specimens. The influences of testing temperature and bedding orientation on the physical and mechanical properties and failure behaviors of the bedded sandstone were analyzed. The results show that for sandstone with a constant bedding orientation, as the temperature increases, the P wave velocity first increases and then decreases, while the mass and density decrease. The mechanical properties of bedded sandstone, including its compressive strength and elastic modulus, first increase and then decrease with increasing temperature, and a thermal temperature of 400 °C was identified as the transition temperature, above which considerable changes in the mechanical properties were observed. In addition, the P wave velocity, strength, and elastic modulus also varied with increasing bedding orientation, which indicated that the bedded sandstone exhibits anisotropy in its P wave velocity, strength, and elastic modulus. The P wave velocity gradually increases with increasing inclination angle, and the fluctuation in the anisotropic degree of the P wave velocity remains small as the temperature increases. The strength and elastic modulus of the bedded sandstone exhibit U-shaped variations with increasing bedding orientation, and the anisotropy degree first increases and then decreases with increasing temperature. Furthermore, the failure modes are closely related to the designed heat treatment temperature and bedding orientation and can be generally classified into four categories: shearing across the rock matrix and bedding planes, shearing combined with tensile splitting, shearing along the bedding planes, and shearing combined with tensile splitting along the bedding planes. Finally, the effect of high temperatures on the mechanical properties of bedded sandstone was further revealed by means of SEM analysis from a microstructure point of view.

     

循环载荷下岩体能量特征及变形参数分析

 以RMT–150C岩石力学测试系统为平台,进行不同应力水平和加载速率条件下不同种类岩石材料的循环载荷试验。在对加、卸载应力–应变曲线进行分区的基础上,定义卸载过程中的能量消耗率,探讨岩石损伤破坏过程中能量的转化,同时定量分析弹性模量,泊松比和残余应变等变形参数的变化规律。研究结果表明：应力水平、加载频率越高,岩性越强,则滞回圈的面积,加载过程中做的功,卸载过程中释放的弹性能越大,岩石越软,能量消耗率越高;岩体未到达峰值抗压强度前,应力水平越高,弹性模量就越大,这说明在岩体抗压强度范围内,越高的载荷下,空隙和微缺陷被压密后,岩体相同载荷增量下的变形能力明显减弱。同时分析认为：频率升高到一定程度会导致疲劳强度的降低。整体而言,岩石轴向及横向相对残余应变均随着循环次数的增加而逐渐减小。     

混凝土动态抗压特性的试验研究

为了明确混凝土在动态荷载作用下的力学特性,应用MTS试验机,对C40混凝土在应变速率为10<'-5>～10<'-2> s<'-1>范围内进行单轴抗压试验.系统研究了不同应变速率下混凝土的抗压强度、弹性模量、峰值应变等抗压力学特性,分析了混凝土抗压强度、弹性模量等与应变速率之间的关系.试验结果表明:混凝土抗压强度、弹性模...     

含水量对沉积岩力学性质及其冲击倾向性的影响

 通过试验和统计分析系统研究不同含水条件下煤系沉积岩石力学性质及其冲击倾向性,建立岩石力学性质及其冲击倾向性与含水量之间的相关关系和模型,揭示含水量对岩石力学性质及其冲击倾向性的控制机制。研究表明：岩石单轴抗压强度和弹性模量值随含水量的增加而降低;不同岩性岩石单轴抗压强度和弹性模量值受含水量的影响程度不同,降低的速率受岩性所控制。在干燥或较少含水量情况下,应力–应变曲线在峰值强度后岩石表现为脆性和剪切破坏,具有明显的应变软化特性,且随着含水量的增加,峰值强度后岩石主要为塑性破坏,应变软化特性不明显。随着含水量的增加,岩石脆性指标修正值(BIM)逐渐增加,弹性变形指数逐渐减小,岩石在受力过程中储存的弹性应变能随含水量的增加而急剧减少,而消耗的塑性永久变形能相对增加,即岩石的冲击倾向性随含水量的增加而显著降低。     

节理对砂岩变形及破坏特征影响研究

工程岩体一般都含有各种不同级别的地质构造节理和软弱面,使得岩体的强度弱化。含有节理的岩体和完整岩石具有完全不同的力学性质。本文在三轴压缩试验的基础上,对不同节理倾角的三峡库区砂岩开展研究,探讨其变形及破坏特征。试验结果表明:①在同种围压下,节理岩样峰值强度的大小关系为:σ_60°<σ_30°<σ_90°<σ_完整。②相同围压下,完整岩样弹性模量及变形模量均高于节理岩样,随着围压升高,岩样弹性模量和变形模量逐渐增大,其增长速度随围压增大而逐渐降低。③在低围压下(＜5 MPa),节理倾角对岩样弹性模量和变形模量影响较大,相比完整岩样有较大幅度地降低,其中30°倾角和60°倾角岩样降低程度较高,弹性模量最高达31%,变形模量最高达40%;随着围压增大(大于10 MPa),节理倾角对岩样变形参数影响逐渐减小,相比完整岩样,节理岩样弹性模量降低幅度小于15%,变形模量降低幅度小于10%。④节理倾角和围压对岩石的破坏机制均有较大的影响,节理倾角及围压不同,岩样破坏形式不同。     

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。