高温作用下花岗岩三轴蠕变特征的实验研究

采用中国矿业大学的"20MN高温高压岩体三轴试验机",对Φ200mm×400mm大尺寸花岗岩试件在高温下的蠕变特征进行了试验研究。介绍了三维应力作用下花岗岩在高温条件下的蠕变试验方法和结果,结合理论与试验结果分析,发现了花岗岩在300℃时轴压94MPa围压75MPa时花岗岩经历蠕变的第一阶段和第二阶段,蠕变变形逐渐停滞,呈现明显的稳态蠕变的特征;在400℃,轴压125MPa围压100MPa时,呈现明显的非稳态蠕变特征。试验还揭示了花岗岩的蠕变性随温度和应力的升高而增强,蠕变性态转变的温度门槛值为300℃～400℃。试验结果对核废料的深埋处置长久安全性,地热能的长期稳定开发都有重要的指导意义。     

高温三轴应力下无烟煤、气煤煤体渗透特性的试验研究

利用自主研制的600℃20MN伺服控制高温高压岩体三轴试验机系统,分别研究大尺寸(φ200mm×400mm)晋城无烟煤和兴隆庄气煤试样在恒定500m原岩应力(侧压系数1.2)条件下不同温度时渗透特性的演化规律。结果表明:(1)在室温～300℃中低温段,煤体渗透率随温度的变化存在一个阈值温度。当温度达到阈值温度时,渗透率降至最低值。(2)在300℃～600℃高温段,煤体渗透率随温度的变化存在一个峰值温度,峰值温度处渗透率为该温度段内的最大值。(3)煤体渗透率随温度的变化呈现阶段性:室温至阈值温度为第一阶段,渗透率随温度的增加而降低;阈值温度至峰值温度为第二阶段,渗透率随温度的升高而增加;高于峰值温度后,渗透率随温度的增加而降低。(4)渗透率随温度变化的阈值温度和峰值温度与煤阶有关。无烟煤渗透率的阈值温度是150℃～200℃,峰值温度为450℃～500℃,而气煤渗透率的阈值温度为200℃～250℃。     

三轴等压条件下400 ℃内褐煤变形及结构衍化实验研究

 为深入研究褐煤原位注热开采过程物性特征的衍变,应用高温高压实验平台,研究7 MPa三轴等压条件下,Φ50 mm×100 mm褐煤以3 ℃/min升温速率由室温升高到400 ℃过程中及恒温恒载5 h的变形特征规律。并应用显微CT、压汞、液氮吸附解吸方法综合分析褐煤不同孔径范围的孔裂隙衍化规律。研究发现：热力耦合作用下,褐煤变形过程可以划分为缓慢膨胀阶段(室温～170 ℃)、剧烈压缩阶段(170 ℃～289 ℃)及缓慢压缩阶段        (289 ℃～400 ℃),褐煤脆性–韧性转变临界温度为180 ℃。恒温恒载5 h过程中,褐煤轴向线应变终值随温度的升高先增大后减小,最大值为2.5%(200 ℃),最小值为1.3%(100 ℃)。褐煤最大径向累积压缩应变约为19%        (400 ℃),最大体积累积压缩应变约为41%(400 ℃)。热力耦合作用下,褐煤变形对其结构衍化有重要影响。随着温度的升高,褐煤总孔隙率表现为先增大后减小,孔裂隙率极大值为21.46%(200 ℃),最小孔裂隙率为7.61%        (23 ℃);主要孔裂隙的孔径逐渐增大。褐煤孔裂隙率衍化具有较好的分形特征,随着温度的升高,孔裂隙率的分形维数表现为先减小后增大、分形初值则先增大后减小。     

热力耦合作用鲁灰花岗岩蠕变声发射规律

研究3种试验条件(300℃轴压94 MPa围压75 MPa,400℃轴压125 MPa围压100 MPa,500℃轴压175 MPa围压125 MPa)下花岗岩体(200 mm×400 mm)的蠕变声发射规律。研究结果表明:(1)花岗岩300℃轴压94 MPa围压75 MPa蠕变试验,整个过程经历瞬态蠕变和稳态蠕变2个阶段,蠕变第一阶段声发射信号强于蠕变第二阶段声发射信号,稳态蠕变阶段声发射活动较弱,声发射频度稳定,强度逐渐降低;400℃轴压125 MPa围压100 MPa花岗岩蠕变试验只经历稳态蠕变阶段,蠕变声发射规律与300℃稳态蠕变阶段相似;500℃轴压175 MPa围压125MPa采集到的声发射信号微弱,无法说明蠕变过程中声发射规律。(2)高温高压蠕变试验中,随着温度升高,花岗岩内部发生不同程度塑性变形和局部塑性破坏,蠕变声发射信号减弱。     

南水北调西线一期工程砂岩温度、围压和水压耦合试验研究

通过不同温度(25℃～70℃)和围压(0～60 MPa)及孔隙水压力(0～10 MPa)和围压(25～60 MPa)条件下的耦合三轴试验,研究了南水北调西线一期工程砂岩的强度特性和变形特性。试验结果显示,相同温度下,三轴压缩时砂岩的强度随围压增加而增长,而变形模量随围压的增长变化不大;温度对其强度的影响比较复杂,在低围压(0～40 MPa)下,岩石的强度随温度增长,围压超过40 MPa后,强度随温度的增长有降低的趋势。平均变形模量对温度的依赖性较大,总体上随着温度增加其值得到提高。相同孔隙水压力作用下,砂岩的强度受围压控制,表现为围压越大,岩石的强度越高;相同围压条件下,孔隙水压力越高,岩石强度越低。在孔隙水压力作用下,围压越高,平均变形模量越高;在围压作用下,孔隙水压力越高,变形模量越低。     

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。     

不同温压条件下油页岩孔裂隙结构演化试验研究

为了研究进入热解状态后不同温度和压力条件对油页岩热解特性的影响,对φ7 mm×14 mm的油页岩试件进行300℃~600℃和5~15 MPa不同温压条件下且时长为12 h的热解反应试验,并综合利用显微CT、压汞和SEM试验进行精细化表征,以研究孔裂隙结构的演化特征及其规律。研究结果表明:温度是改变油页岩孔裂隙结构的最重要因素,随着温度的升高,热解破裂作用增强,尤以300℃~500℃的增幅最为明显,总孔容和孔隙率不断增大,孔径分布由小孔为主向中孔和小孔共同发育为主转变,高温作用下产生了不同尺度的裂缝,且裂缝数量逐渐增多,600℃下大裂缝的面积裂缝密度是300℃的8.1倍。外部压力的增长在一定程度上与热应力的作用共同促进了原有及新生孔裂隙团及通道的膨胀破裂,使得总孔容和裂缝数量均有所增加,在15MPa下孔隙率和面积裂缝密度均达到最大值,最大孔隙率是600℃且15MPa下的51.6%。油页岩的热解破裂作用同时受到矿物颗粒膨胀产生的热应力和干酪根的热解作用的共同影响,温度和压力的耦合作用加剧了油页岩的热解破裂程度,共同促进了孔裂隙的产生、扩展和发育。     

高温后无烟煤静动态压缩力学特性研究

为探究温度对煤岩静、动态力学特性的影响规律,首先采用箱式氛围炉在准真空环境下对直径50 mm,高度分别为100和50 mm的2组无烟煤试样进行8种温度水平的热处理(20℃~500℃),然后分别利用液压伺服试验机和分离式Hopkinson压杆对2组试样进行静态单轴压缩和动态冲击试验。此外,还通过扫描电镜和压汞试验获得各种温度后煤样的SEM图像、孔隙率及孔径分布。结果表明,煤样热损伤以300℃为界分为2个阶段,分别以解吸、热破裂等物理反应和热解化学反应为主,孔隙率逐步变大且中大孔占比逐渐增加;煤岩承载和抗变形能力都随温度升高而逐步劣化,第二阶段衰减趋势较第一阶段急剧,500℃后的静、动态抗压强度分别降至常温时的8.41%和16.94%。静载条件下煤样宏观力学性能的温度敏感性比动态冲击时显著,抗压强度和弹性模量的动态增强因子随温度的变化规律不一致。     

高温后混凝土强度及其表观特征变化规律试验研究

针对高温后混凝土力学性能衰弱的特性,采用递进循环式加热法对混凝土进行加热,分析高温后混凝土力学性能变化规律;并利用德国蔡司508体式显微镜,监测高温后混凝土表面孔隙直径、热膨胀裂纹扩展规律;最终从表观特征角度阐述其力学性能衰弱机理。结果表明:①混凝土的抗压强度随着温度升高而降低,且呈线性衰弱;②20～200、200～400℃阶段混凝土相对质量烧失率最大,均在3%左右;400～600、600～800℃阶段混凝土相对质量烧失率较小,均在1%左右;③导致强度降低的主要因素:20～200℃阶段,混凝土宏观表现为直径1～2 mm表面孔隙和长度4～10 mm孔隙周围裂纹增多;200～400℃,混凝土宏观表现为直径1～2 mm的表面孔隙、4～10 mm裂纹和长度大于10 mm的孔隙周围裂纹增多;400～600、600～800℃阶段,混凝土宏观表现为直径大于2 mm表面孔隙和长度大于10 mm孔隙周围裂纹增多。     

高温高压下花岗岩中钻孔变形失稳临界条件研究

 采用自主研制的“20 MN伺服控制高温高压岩体三轴试验机”,运用光学原理钻孔变形观测仪器,对f 200 mm×400 mm花岗岩体内含f 40 mm的钻孔在6 000 m埋深静水应力及600 ℃以内恒温恒压下钻孔变形规律及其临界失稳条件进行深入细致的试验研究和理论分析。研究结果表明：(1) 高温高压下花岗岩中钻孔变形随温度和应力的增大表现为明显的不同阶段。4 000 m埋深静水应力及400 ℃以内恒温恒压下,钻孔变形表现为明显的黏弹性变形阶段,钻孔直径虽有减小但仍处于稳定状态,并不发生破坏;4 000～5 000 m埋深静水应力及400 ℃～500 ℃时恒温恒压下,钻孔变形表现为黏弹–塑性变形阶段,钻孔围岩有破坏的趋势,孔径开始增大;5 000 m埋深静水应力及500 ℃以上时,钻孔围岩塑性区的块裂状围岩颗粒逐渐从孔壁脱落下来,钻孔发生破坏。(2) 花岗岩中钻孔围岩在超过应力阈值和温度阈值后,即5 000 m埋深静水应力及500 ℃以外时,钻孔破坏,发生塌孔现象,花岗岩颗粒从孔壁脱落下来,钻孔直径增大。(3) 钻孔围岩在高温静水应力下,岩体最终发生破坏的应力条件为5 000～6 000 m埋深静水应力(即125～150 MPa)及500 ℃～600 ℃,其破坏形式为压裂破坏、压剪破坏或两者相结合。(4) 高温高压下花岗岩中钻孔变形失稳临界条件为4 000～5 000 m埋深静水应力,400 ℃～500 ℃。同时,根据试验研究结论,运用黏弹塑性力学理论给出高温高压下钻孔变形的分析理论,建立4 000 m埋深静水应力及400 ℃以内恒温恒压下钻孔变形的黏弹性理论模型及4 000～5 000 m,埋深静水应力400 ℃～500 ℃时恒温恒压下钻孔变形的黏弹–塑性理论模型,为我国高温岩体地热(HDR)开发与利用中钻孔稳定性及维护问题、大陆科学钻探工程(CCSD)在深孔和超深孔施工过程中遇到的钻孔稳定性问题提供科学依据和理论指导。     

长焰煤热解过程中孔隙结构演化特征研究

随着煤热解温度的升高,煤孔隙结构和数量发生剧烈变化。为研究其变化规律,以长焰煤为研究对象,应用压汞法分别对300℃～600℃常规热解和600℃高温蒸气热解固体产物的孔隙结构参数进行测定和分析,计算不同热解温度下的孔隙分形维数,详细比较2种不同的热解方式下固体产物的孔隙特性。研究结果表明:(1)常规热解条件下,总孔隙体积和孔隙率随温度的演化表现为:黑岱沟煤先减小后增大,温度高于500℃后增长的速率较大,而子长煤先增大后减小再增大,增长速率最大的区段是300℃～400℃;比表面积随温度的演化表现为:黑岱沟煤一直增加,而子长煤持续减小。(2)常规热解条件下,长焰煤孔隙体积分布以中孔和大孔为主,温度超过300℃时,大孔占绝大多数;而比表面积的分布以微孔和过渡孔为主。(3)高温蒸气热解条件下,长焰煤热解固态产物的孔隙体积分布以中孔和大孔为主,大孔占主导地位,子长煤表现更为明显,大孔比例达99.91%;孔隙比表面积分布表现为:黑岱沟煤以微孔和过渡孔为主,而子长煤以大孔为主。(4)高温蒸气热解固体产物表现出更为优良的渗透性能,与注入惰性气体相比,注入高温蒸气是煤层原位热解工艺实施的最佳方法。在煤层原位热解工艺实施过程中,该研究可为煤体孔隙结构随温度变化问题提供科学依据和理论指导。     

高温三维应力下花岗岩三维蠕变的模型研究

 采用中国矿业大学的“20 MN高温高压岩体三轴试验机”进行高温三维应力下大尺寸f 200 mm×400 mm鲁灰花岗岩蠕变特性的试验研究,温度最高达600 ℃,轴向应力最高达175 MPa。研究发现：(1) 三维应力条件下鲁灰花岗岩300 ℃,500 ℃的轴向蠕变和300 ℃,500 ℃,600 ℃的体积蠕变变形均可划分为：瞬态蠕变阶段、稳态蠕变阶段和加速蠕变阶段。(2) 高温三维应力条件下,鲁灰花岗岩试样的体积、长度和半径随蠕变时间的增加出现增长,这是因为热破裂引起岩石的内部产生了大量的微裂纹,同时还发现试样的侧向比轴向变形增长的速度变形快。(3) 以试验结果为依据将静水应力引发体积蠕变,差应力引发轴向蠕变作为三维应力状态下黏弹塑性问题的假设,导出三维应力条件下Burgers体模型体积蠕变的本构方程。(4) 通过对蠕变曲线的分析发现,可以用Burgers体模型来模拟鲁灰花岗岩300 ℃,500 ℃的轴向蠕变和300 ℃,500 ℃,600 ℃的体积蠕变,并且求出模型的参数。     

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...     

树脂锚固材料的高温锚固特性及其受热解影响的CT分析

 树脂锚固材料广泛应用于岩土工程加固,但其高温下具有的热解特性直接影响材料的锚固性能。通过高温拉拔、抗压实验与CT分析相结合的方法,研究高温下树脂锚固材料的锚固力学特性及其受热解细观结构变化的影响特征。研究结果表明：(1) 高温拉拔实验中,20 ℃～250 ℃时,随着温度升高锚固力增大,250 ℃时达到峰值69.5 kN,较常温增大45.1%,这是由于树脂锚固材料内部充分固化的结果;250 ℃～350 ℃范围锚固力下降为47.2 kN,较峰值减少32.1%;但在350 ℃～400 ℃范围,模拟管中的锚固材料发生爆裂与剧烈炭化,平均锚固力下降为15.2 kN,且500 ℃～600 ℃时完全失去锚固力。(2) 高温抗压实验中,200 ℃时抗压强度达峰值65.8 MPa,较常温增加31.3%;350 ℃～400 ℃时强度较常温衰减95.2%,在600 ℃时强度衰减达99.3%。(3) CT扫描分析,350 ℃～500 ℃锚固材料平均灰度衰减22.6%,孔隙团大小增幅达199.6%。可见,350 ℃后树脂锚固材料快速热解炭化、内部孔隙剧增是造成其锚固力衰减的根本原因。     

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。     

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。