高温–水冷却花岗岩动态压缩力学特性的应变率效应研究

为探究高温–水冷却花岗岩的应变率效应,使用MXQ1700箱式气氛炉制备200℃,400℃,600℃,800℃和1 000℃共5种高温花岗岩试样并用水冷却,随后利用分离式霍普金森压杆系统对常温试样和高温–水冷却花岗岩试样进行4种不同冲击速率的动态压缩试验(冲击气压分别为0.30,0.40,0.50和0.60MPa)。此外,还通过压汞和扫描电镜试验获得高温–水冷却花岗岩试样的孔径分布、孔隙率和微观形貌。微观结果表明：试样内部损伤以400℃为界可分为两个阶段,400℃之前,高温–水冷却花岗岩试样内部以微孔和小孔为主,孔隙率低于2.20%,损伤较小,当温度超过400℃后,内部中孔比例快速增加,孔隙率上升,损伤随温度升高而加剧。应变率效应方面：在相同温度条件下,高温–水冷却花岗岩试样的动态峰值应力和峰值应变均随应变率的增加而增大,而弹性模量的应变率效应不明显;花岗岩试样破碎程度随损伤的增加而加剧,且分形维数随着应变率的增大而增加;分析内部损伤和外界冲击速度对花岗岩试样应变率的影响,并获得应变率随内部损伤和冲击速度变化的拟合公式。     

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。     

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。     

高温下不同等级衬砌混凝土力学性能试验研究

对四个等级的衬砌混凝土,C30,C40,C50,C60试块分别在300℃,500℃,700℃,900℃下进行了强度、峰值应变及弹性模量等力学性能试验研究,总结了高温下不同等级混凝土这些力学指标的变化规律。试验结果表明,高温下混凝土的抗压强度总体上随着温度升高而降低,混凝土的等级越高,高温下强度衰减得越快;混凝土等级及所处温度对混凝土的峰值应变有明显影响,混凝土的峰值应变随着温度的升高而逐渐增大,700℃以下,等级越高峰值应变增长幅度越大;弹性模量总体上随着温度升高而降低。     

基于巴西劈裂试验的花岗岩热损伤研究

针对常温(25℃),200℃,400℃,600℃和800℃温度处理后的花岗岩圆盘试样开展巴西劈裂试验,分析抗拉强度、体积膨胀率、P波波速等宏观物理力学性质的变化情况,同时研究温度对花岗岩微观结构和声发射特性的影响。研究结果表明:(1)扫描电镜扫描的结果显示,花岗岩经高温处理后内部萌生微裂纹,随着处理温度升高,微裂纹数目增多、延伸长度增长、张开宽度及扩展范围增大,且不同矿物成分的温度敏感性存在差异;(2)花岗岩经高温处理后抗拉强度下降,体积膨胀,P波波速降低;(3)在400℃～600℃范围内,P波波速骤降且试样切片的裂纹密度骤增,表明花岗岩热损伤阈值温度在此温度区间内;(4)声发射监测的结果显示,不同温度处理后试样的声发射事件时序分布存在差异,较高温度(600℃和800℃)处理后的圆盘试样,其加载过程中的声发射事件数目明显少于较低温度(≤400℃)处理后的圆盘试样,且试样破坏前夕声发射事件的增幅显著减小,声发射事件的定位结果与宏观劈裂裂纹的对应性减弱。     

高温对HSC造成损伤的动态分析

对60个高强混凝土(HSC)棱柱体进行高温加热,温度分别为20、200、400、600、800℃。对棱柱体进行高温后轴向动态受压试验,应变率分别为10-5、10~(-4)、10~(-3)、10~(-2) s~(-1)。基于棱柱体的动态受压性能,研究了高温和轴向应变对HSC动态损伤演化规律的影响。结果表明,随着温度升高,HSC将会出现裂缝,细观结构变得松散;应变率对高温后HSC的损伤没有明显影响;经历相同的高温损伤后,HSC的相对受压强度随应变率的增大而增大;轴向应变对高温后HSC造成的损伤在峰值应变前缓慢增大,达到峰值应变后迅速增大;温度越高,峰值应变对应的HSC损伤越小,而经历相同温度后不同应变率下峰值应变处HSC损伤的变化趋势不明显。建立了HSC高温损伤以及高温损伤后相对受压强度的计算公式。     

三类岩石热损伤力学特性的试验研究与细观力学分析

 运用偏光显微技术,比较不同温度处理后砂岩、花岗岩和大理岩微观结构的不同变化特征。分析对比常温～800 ℃高温处理后三类岩石纵波波速、孔隙率、弹性模量、峰值应力及应变的变化规律,并讨论其与微观结构变化的内在联系。结合岩石热损伤后初始损伤程度增大、微裂纹刚度弱化及张开度增大等特征,采用细观损伤力学模型研究热损伤岩石应力–应变曲线显著的非线性特征。研究结果表明：(1) 热处理砂岩细观结构的变化主要表现为胶结物变化及矿物相变,矿物内无明显热裂纹发育;热处理花岗岩内热裂纹发育明显,800 ℃处理后最大裂纹宽度可达100 ?m,较400 ℃时增加约1个数量级;大理岩热裂纹以晶界裂纹为主,600 ℃处理后最大裂纹宽度达20 ?m,约为400 ℃时的2倍。(2) 花岗岩和大理岩的弹性模量随热处理温度的增大持续降低,但砂岩的弹性模量在500 ℃热处理温度阈值之后才显著下降。(3) 三类热损伤岩石的宏观物理力学性质与其形成条件、矿物组分、微裂纹发育密切相关。(4) 基于均匀化理论的细观损伤力学模型的计算值与试验值吻合良好,热损伤岩石应力–应变曲线初始压密阶段显著延长的力学行为与微裂纹密度和刚度直接相关。     

高温水冷玄武岩微观机理及物理力学特性分析

为研究高温水冷对玄武岩物理力学特性的影响,对常温(25℃)和经历高温(100℃、300℃、450℃和600℃)水冷处理后的玄武岩试样开展物理测试试验、静态单轴压缩试验、X衍射及电镜扫描试验,分析了高温水冷后试样的微观损伤机理以及试样物理力学特性与温度的相关性。结果表明：高温水冷并未改变玄武岩主要的矿物成分,但对其相对含量有所影响;温度梯度越大,热冲击导致的内部裂纹越多,当温度升至600℃时,微观结构出现韧窝破裂形式;随着温度的升高,试样逐渐由灰绿色转变为红色,质量损失率不断增大,纵波波速不断减小,应力应变曲线逐渐变平缓,峰值强度和弹性模量则呈劣化趋势,且劣化程度逐渐加剧;在高温水冷与荷载耦合作用下,试样总损伤变量演化曲线随温度的升高逐渐变缓,表明试样逐渐由脆性转变为塑性。     

高温条件下砂岩动态力学特性试验研究

为研究实时高温作用对岩石动态力学性能的影响,利用φ50 mm变截面分离式Hopkinson压杆(SHPB)试验装置及高温环境箱,对砂岩试件进行了常温(25 ℃)、100 ℃、200 ℃、400 ℃、600 ℃、800 ℃和1 000 ℃7个温度等级的冲击压缩试验,得到了不同温度砂岩试件的动态应力、应变、弹性模量和应变率等,分析了温度变化对砂岩动态力学性能和破坏形态的影响规律。试验结果表明:高温条件下砂岩试件的动态力学性能比其常温状态下发生了显著变化。随着作用温度的升高,砂岩试件的动态抗压强度表现为先增大后减小,峰值应变呈线性增加,弹性模量整体呈二次抛物线下降,平均应变率呈二次抛物线增加;试件受冲击破碎程度随作用温度的升高表现为先减少再逐渐增大的趋势,其动态破坏特征也反映了砂岩试件的强度特征。     

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。     

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。     

高温后石灰岩的物理力学特性研究

对焦作石灰岩在常温及经历100℃～800℃不同温度作用后的物理力学特性进行了试验研究,详细分析了加温后石灰岩的表观形态、体积、质量、密度和纵横波波速以及单轴下石灰岩的峰值应力、峰值应变和弹性模量等的变化情况,并对石灰岩高温劣化的影响因素进行了分析。研究结果表明,高温使石灰岩的表观形态发生改变：在400℃以内,温度对石灰岩的物理力学性质的影响不大;200℃以下石灰岩的体积略微减少,超过200℃后石灰岩的体积明显增大,石灰岩的密度随温度的升高而逐步减少;随温度的升高,石灰岩的纵、横波波速大都呈现下降;高温后石灰岩的波速比变化呈无规律性;高温后石灰岩的动弹性模量随温度上升而下降。经历的温度超过400℃后石灰岩的峰值应力和弹性模量均有不同幅度的降低,而800℃内石灰岩的峰值应变随温度的升高变化不明显。温度引起的热应力作用、矿物组分和微结构变化导致石灰岩物理力学性质发生改变与高温劣化。     

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。     

钢纤维混凝土高温后SHPB试验研究

采用改进的分离式Hopkinson压杆装置,结合应变直测技术,分别对常温以及经历400℃和800℃高温的普通混凝土和钢纤维混凝土（SFRC）进行了单轴冲击压缩试验,减少了传统的Hpokinson压杆试验中的入射波的高频震荡,使得应变率的波动性明显减小。经历400℃和800℃后,普通混凝土的峰值应力和弹性模量均有较大程度的降低,同时,试件的能量吸收能力大幅度下降;钢纤维混凝土的峰值应力也有较大程度的降低,但是弹性模量降低较少。     

高温后纤维陶粒混凝土力学性能试验研究

通过对分别掺入聚丙烯腈纤维(PANF)、聚乙烯醇纤维(PVAF)的陶粒混凝土进行20,200,400,600,800℃五个温度水平高温后的加载试验,研究纤维掺入对陶粒混凝土抗压强度、抗拉强度与弹性模量随温度的变化规律,并与无纤维掺入陶粒混凝土进行对比分析。试验表明:分别掺入纤维PANF和PVAF后,对高温后陶粒混凝土的立方体抗压强度无明显改善效应,但可有效提高陶粒混凝土高温后的劈裂抗拉强度;掺入PANF后可改善陶粒混凝土在达到峰值极限荷载后的脆性破坏特性,在600℃内可有效提高陶粒混凝土高温后的棱柱体抗压强度,在20~400℃内能有效减缓陶粒混凝土弹性模量的降低。     

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。     

高温作用后混凝土动态压缩力学性能的试验研究

采用φ100 mm分离式霍普金森压杆(split Hopkinson pressure bar,简称SHPB)试验装置,分别对常温和经历200、400、600、800℃高温作用后的混凝土进行了冲击压缩试验,分析了高温和应变率对混凝土动态压缩力学性能的影响,并对其关系进行了拟合。结果表明:经历不同温度作用后的混凝土动态抗压强度、峰值应变以及比能量吸收都表现出较强的应变率效应。高温对混凝土动态力学性能影响显著,400℃是混凝土各项力学指标发生转折的温度:动态抗压强度、比能量吸收在400℃时回升至与常温接近,在400℃后又迅速下降;峰值应变在400℃以后增加明显,并随着应变率的提高而迅速增加。混凝土经400℃以上高温作用后,虽然强度损失严重,但在冲击荷载作用下,尤其是在较高应变率下,仍表现出良好的抗冲击韧性。     

不同冷却模式下花岗岩强度对比与热破坏能力表征试验研究

不同冷却模式下热对花岗岩的破坏能力不同,其细观破裂程度和宏观力学特性表现也不同。在20℃空气中自然冷却和20℃恒温水中热冲击急剧冷却2种模式下花岗岩单轴抗压强度和表面降温规律的对比试验研究的基础上,引入"热冲击因子",建立不同冷却介质环境下热传递数值模拟方法,从传热角度探究不同冷却介质对花岗岩强度劣化机制,找到能够清晰描述热对岩石破坏能力的物理量,从而对热的破坏能力做进一步的定量划分。研究结果表明:(1)2种冷却模式下,因热冲击急剧冷却模式的换热系数远大于自然冷却的换热系数,热冲击因子数值变大,动态热应力相应也随之变大,试件内部破裂严重,裂隙密度增多,力学强度劣化更严重;(2)20℃恒温水中热冲击冷却模式下,花岗岩的抗压强度仅为20℃空气中自然冷却模式下的抗压强度的85%~90%;(3)不同冷却模式下热传递过程中,花岗岩试件内部形成的温度梯度、热冲击因子、热应力的演化过程和规律一致,其最大值总是出现在靠近试件表面的位置;(4)热冲击因子能较好地表征热破坏能力,花岗岩的单轴抗压强度与最大热冲击因子具有很好的相关性;(5)根据热冲击因子的演化规律,可以确定花岗岩试件内部破裂最严重的具体时间,热冲击因子可以实现对热破坏能力的定量表征。     

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。