热冲击下冷却温度对花岗岩细观破裂的影响研究

从细观角度出发,借助高精度显微CT技术,以构建三维空间数字岩芯为基础,对花岗岩加热到相同温度后在相同冷却介质中急剧冷却到不同温度的细观演化过程进行研究,从热冲击后花岗岩的裂隙长度、宽度、和深度上进行具体分析,探究高温热冲击作用下冷却温度对花岗岩细观特性的影响。研究结果表明,花岗岩的热冲击作用随其在水中的冷却温度升高而变化明显。在水中冷却温度为100℃时,花岗岩热破裂最剧烈,说明在花岗岩热冲击破裂过程中,其破裂程度不仅与花岗岩的初始加热温度有关,还与其在水中急剧冷却的温度有关。此外,花岗岩热破裂后产生的孔隙—裂隙网络,会大大降低花岗岩的致密性,进而有助于增大地热开发中的热交换面积,有利于储层改造。     

花岗岩热冲击前后导热性能与特征对比试验研究

热冲击破裂对花岗岩的热物理性质造成了很大影响。为了探明热冲击对花岗岩的导热性能、导热特征的影响,对热冲击处理前后的花岗岩在传导加热条件下的温度场、温度梯度场进行试验测定。研究结果标明:(1)冲击热应力破坏了花岗岩矿物颗粒之间的结合状态,导致花岗岩固体骨架发生破裂,形成大量热冲击裂纹,最终导致花岗岩导热性能变差、导热特征异常;(2)热冲击破裂产生的裂纹对温度、温度梯度的分布有很大影响,且温度、温度梯度的分布与裂纹产生的位置具有高度相关性;(3)传导加热下花岗岩的升温过程可按照升温速率分为快速升温、缓慢升温、稳定3个阶段。(4)热冲击后花岗岩在传导加热过程中温度梯度到达峰值、稳定值的时间均受到热冲击前的用时长。热冲击对花岗岩导热性能的影响的研究促进了岩石热破坏理论的进一步发展。     

花岗岩高温高压条件下冲击凿岩规律试验研究

利用中国矿业大学的“20 MN 伺服控制高温高压岩体三轴试验机”、大尺寸（200 mm×400 mm）花岗岩试样研究了花岗岩在高温高压状态下的冲击凿岩规律。研究结果表明,随着温度升高凿岩速度增大,当温度超过约150 ℃时,岩石裂隙数量增多,并且呈现出一定的塑性变形特征,不利于冲击能量的充分利用,冲击凿岩适用于钻进较低温度下（不超过１５0 ℃左右）的坚硬岩层;在高围压状态,冲击凿岩的单位破岩能耗随着温度升高而降低;在高温高压环境下,在一定钻压和冲击功率范围内,凿岩速度随着钻压或冲击功率的增大而增大,单位破岩能耗随着钻压的增大而减小。     

褐煤热损伤过程中的孔裂隙细观特性研究

利用高温气体加热设备,对褐煤进行不同温度的加热处理,通过电镜扫描观察到其表面的破坏形式,利用高精度的CT对试样进行X射线扫描,从宏观方面得到其破坏形式的同时对CT图像进行二值化处理,得到不同温度段褐煤的孔隙率以及裂纹的长度以及宽度。结果表明:温度作用下,褐煤固体颗粒之间产生热应力使得有机质得到热解的现象称为热破裂;热破裂效应在温度高于200℃后作用明显,200℃以下,褐煤孔裂隙演化主要是因为内部自由水及气体散失导致,200℃以后,热破裂占据主导作用,孔裂隙发育增幅变大,孔隙率较常温状态下增加了6.83%;热损伤低温阶段,褐煤破坏以细长裂隙为主,当温度高于200℃后,破坏形式以不规则的椭圆形为主。     

温度-浓度耦合作用下可溶岩钙芒硝溶浸细观结构演化

岩石细观结构通常随外部环境变化而逐渐发展演化,为了研究不同溶浸条件下钙芒硝细观结构演化的规律。通过对特殊的钙芒硝可溶岩在不同温度与浓度溶液中溶蚀过程进行显微CT观测,以孔隙率为表征参数,研究了不同温度、不同浓度盐溶液中,4 mm×4 mm×9 mm长方体试样同一截面的孔隙结构演化特征。试验结果表明,各种条件下钙芒硝均由表及里进行溶解,孔隙发展具有明显的渐进过程;3种浓度条件下,钙芒硝在淡水中的溶浸速度及细观结构演化最快,孔隙率随时间呈线性规律急速增大。在常温淡水溶液中溶浸48 h后,钙芒硝的孔隙率较初始孔隙率增大近10倍,而在半饱和与饱和盐溶液中仅增大1~2倍。不同温度条件下,95℃溶液比常温溶液作用下钙芒硝孔隙率演化速率提高了4~5倍。溶浸作用下钙芒硝可溶岩孔隙率演化存在显著温度与浓度效应。     

高径比差异条件下花岗岩动态冲击能量耗散及破碎特征

为研究不同高径比岩石在动态冲击中的能量特性和破碎特征,采用SHPB在冲击速度18.01 m/s条件下对不同高径比花岗岩进行动态压缩试验,结合岩样破坏形态,从破坏过程中的能量角度出发,分析高径比对透射能、反射能及岩样破碎块度的影响。结果表明：高径比为0.5～1的应力-应变曲线出现“双峰”,次峰表现出明显的塑性特征,高径比越小越明显;透射能随高径比增大而减小,反射能随岩样高径比增大而增大;高径比为0.5～0.9的岩样反射能大小基本一致。不同高径比岩样能量耗散率在44.9%～56.1%,能量耗散严重。单位体积岩石破碎耗能随高径比增大而减小,且单位体积岩石破碎耗能大小与分形维数呈正相关,不同高径比花岗岩分形维数在1.94～2.536。在强冲击载荷下花岗岩呈劈裂破坏,岩样破碎块度尺寸随高径比增大而增大。     

热破裂花岗岩渗透率变化的临界温度

利用600℃20 MN伺服控制高温高压岩体三轴试验机测量了"鲁灰"花岗岩(200 mm×400 mm)在三轴应力作用下升温过程中渗透率的变化。发现热破裂花岗岩的渗透率随温度变化存在一个临界温度Tc,即300℃。低于该临界温度时,渗透率较小,其量级为10-19m2,并且增幅较小;高于该温度后,渗透率出现了突变,且增幅较大,300~400℃,其数值增加一个量级,为10-18m2;在400℃时,渗透率的数量级增大至10-17m2。同时采用MPV-SP显微光度计定量地研究了"鲁灰"花岗岩试样20~400℃热破裂过程中裂纹数量的变化。长度大于5μm(即l5μm)和长度大于10μm(即l10μm)的微裂纹数量出现两个峰值,并且l5μm的微裂纹数量变化的峰值温度均小于l10μm的微裂纹数量变化的峰值温度;300℃后l10μm的微裂纹数量增加较快,其增加速率约1个/10℃。300℃后微裂纹的快速增加是导致热破裂花岗岩渗透率突然增加的主要原因。     

花岗岩700℃热损伤核磁共振定量表征

岩体在高温作用下其物理特性会发生显著变化,利用核磁共振等无损监测方法研究了不同高温作用下花岗岩孔隙结构演化及波速衰减特征。结果表明,随着温度的逐步升高,花岗岩试样的核磁T₂弛豫时间跨度、T₂谱面积、核磁信号振幅强度均逐渐增大,不同孔径的孔隙数量增多,总孔隙体积增大;花岗岩发生明显热损伤的温度约为500℃,500℃之前,其内部孔隙孔径及数量变化不明显,主要以不同孔径的孔隙之间的转化为主,500℃之后,岩石内部孔隙度明显升高,其中主要以新增的孔隙体积为主;为定量表征高温对花岗岩的损伤程度,借助孔隙度、热损伤因子等参数建立了花岗岩在不同高温热作用下的热损伤理论模型,对涉及岩体高温损伤机理的工程项目有一定参考价值。     

缺口对金属陶瓷热冲击疲劳的影响

缺口对４０％ＮｉＴｉ（Ｃ，Ｎ）金属陶瓷热冲击疲劳有很大影响，缺口试样裂纹形核孕育期均短于无缺口试样；随缺口角度的增加，裂纹扩展速率增加，对于２０℃水、２０号机油和１０％聚乙稀醇（ＰＶＡ）水溶液３种冷却介质，后者的裂纹孕育期最长，裂纹扩展速率最慢     

燃气热冲击下7YSZ热障涂层的阻抗谱特征

在1250℃的燃气热冲击条件下,测试了等离子喷涂7YSZ热障涂层的抗热震性能,并采用交流阻抗技术测量了7YSZ热障涂层的阻抗谱特征.结果表明:随着热冲击循环次数增加,7YSZ热障涂层内热生长氧化物不断生长变厚,阻抗谱中频阶段的响应表现的愈加显著;同时YSZ晶界电阻值增加,电容值下降,表明YSZ内微裂纹发生了生长和扩展.     

基于低场磁共振的北山花岗岩热损伤研究

研究岩石的热破裂和损伤机制在高放废物地质处置工程中越来越受到重视。以我国甘肃北山的高放废物处置库的花岗岩岩样为研究对象,采用低场核磁共振系统、MTS岩石力学试验机、倒置镜像光学显微镜对重点预选场址花岗岩的热稳定性开展室内试验研究。研究发现:①核磁共振T 2谱图在0~400℃没有明显变化,当温度高于500℃时,T 2谱图振幅显著增大且向右大幅移动,T 2谱面积与孔隙率在加热过程中呈现幂率关系;②峰值应力随着温度和孔隙度的增加以幂律关系降低;③通过核磁共振成像(MRI)发现,温度低于500℃时质子密度分布均匀且没有发现明显的质子密度簇,说明岩石内部结构稳定。当温度高于500℃时,晶体裂纹和边界裂纹的产生致使出现大量的高质子密度区域,并随着温度持续升高质子密度高的微小区域融合成大的连通区域;④花岗岩岩样在不同温度条件下的核磁成像像素的概率密度函数都服从对数正态分布,当温度超过500℃,概率密度函数整体向右转移;⑤通过显微结构观察,500℃时在长石晶间和长石晶粒与石英晶粒间有边界裂纹产生,并在晶体内部出现少量的穿晶裂纹,当试样温度加热到600℃时,超过了石英α/β相变点,石英颗粒产生大面积透明状穿晶裂缝,同时伴随着明显的穿晶网络。     

高温水蒸汽作用后长焰煤细观结构的显微CT研究

利用显微CT技术研究了不同高温水蒸汽作用下长焰煤试样的细观结构。研究表明:热解温度低于300℃时,自由水及气体的散失造成裂纹的产生,当热解温度高于300℃时,有机质热解形成了相互贯通的裂隙网络,且孔裂隙主要在有机质内形成;热解分为3个阶段,300℃之前煤样缓慢热解,孔裂隙缓慢增加;300～500℃之间为热解加剧阶段,煤样孔隙率增加明显;热解温度高于500℃时,热解最为充分,煤样孔隙率急剧增加;550℃热解温度作用后,煤样的体孔隙率达到32.35%,较25℃下煤样的体孔隙率提高了9.82倍;300℃是热解阈值点,热解温度高于阈值点时,不同层理面发育良好,形成相互贯穿形成了孔隙网络,加快了热解作用,为热解产物提供了运移通道。     

注热井周围煤体蠕变过程的渗透率变化规律模拟研究

本文通过使用COMSOL软件的数值模拟方法,进行了注热煤体在蠕变过程中渗透率变化规律的研究,结合物理实验得到温度对于煤体相关力学参数的影响关系,分析了温度对于煤体蠕变及其渗透率变化的作用。认为如果煤体的温度高于阈值383K时,温度升高会使煤体骨架向外膨胀,其初始渗透率增大;煤体温度低于该阈值时,温度升高会使其初始渗透率降低。在注热20d后,注热井周围的煤体蠕变变形加剧,其渗透率受蠕变影响呈下降趋势。     

高温-水冷作用下花岗岩巴西劈裂试验及启裂模式研究

在深部采矿、超深钻井、增强型地热系统(EGS)等工程中，高温岩体受冷水热冲击产生损伤，热损伤岩体的物理力学性质受到了广泛关注。通过对经200～800℃高温-水冷处理后的花岗岩圆盘进行巴西劈裂试验，发现高温-水冷作用使花岗岩体积膨胀、P波速度降低、抗拉强度减小。通过对圆盘加载过程中的表面应变场监测和声发射监测，发现高温处理会使花岗岩圆盘的启裂模式发生变化。较低温度(400℃以下)处理后圆盘为端部启裂，较高温度(600℃和800℃)处理后圆盘为中心启裂。热冲击导致花岗岩微裂纹增加，使巴西劈裂过程中的b值随处理温度升高而增大。     

环境障涂层含钙镁水汽条件下热冲击行为

环境障涂层(EBC)在实际服役过程中不仅面临高温水汽环境,还会面临钙镁的腐蚀。对等离子喷涂的双硅酸镱EBC涂层进行了1 250℃、300次的含钙镁水汽热冲击考核试验,并进行了涂层微观组织分析。结果表明,考核后涂层表面生成了双层腐蚀结构,其中最外层主要受到了钙腐蚀,生成了明显的多相组织,且包含大孔洞等形貌,该区生成了(Yb/Ca)₂Si₂O₇、(Yb/Ca)₂SiO₅和(Ca/Yb)₂SiO₄多相组织;次表层则受到了以镁为主的钙镁离子共同腐蚀,也生成了多晶相(Yb/Mg/Ca)₂SiO₅和(Mg/Ca/Yb)₂SiO₄,组织相对致密。通过结合表面形貌、横截面组织、微观能谱成分和XRD相结构等分析方式,对EBC涂层在含钙镁水汽热冲击环境下的化学反应机制进行了分析,给出了涂层失效机理分析。     

不同温度下油页岩热解及孔隙特征实验研究：以抚顺样品为例

利用马弗炉和热重分析仪对抚顺油页岩的热解特性进行分析,实验结果:300～600℃为抚顺油页岩的主要失重阶段,失重率约为20%。利用显微CT对高温作用后的油页岩样进行实验研究,结果显示:经过高温作用后,油页岩内部的孔隙和裂隙数目显著增多,但孔隙率值升高幅度小,表明大孔不发育,且孔隙大多处于孤立分布的状态,孔隙间相互连通性差,逾渗概率值较小,因此在开采初期应该采用水力压裂等方法提高其渗透性。     

冲击载荷作用下的热弹流润滑数值模拟

建立了冲击载荷作用下线接触Ree-Eyring流体弹流润滑问题的数学模型,综合考虑了时变效应和热效应。采用多重网格技术求解压力,逐列扫描法求解温度,数值模拟了冲击过程接触区的压力和膜厚变化情况,发现了动态凹陷现象。热解与等温解的结果比较说明温度的影响可以忽略。     

环境障涂层含钙镁水汽条件下热冲击行为研究

环境障涂层（EBC）在实际服役过程中不仅面临高温水汽环境,还会面临钙镁的腐蚀。本文对等离子喷涂的双硅酸镱EBC涂层进行了1250 ℃ 300次的含钙镁水汽热冲击考核试验,并进行了涂层微观组织分析。结果表明,考核后涂层表面生成了双层腐蚀结构,其中最外层主要受到了钙腐蚀,生成了明显的多相组织,且包含大孔洞等形貌,该区生成了(Yb/Ca)2Si2O7、(Yb/Ca)2SiO5和 (Ca/Yb)2SiO4多相组织;次表层则受到了以镁为主的钙镁离子共同腐蚀,也生成了多晶相（(Yb/Mg/Ca)2SiO5和(Mg/Ca/Yb)2SiO4）,组织相对致密。本文通过结合表面形貌、横截面组织、微观能谱成分和XRD相结构等分析方式,对EBC涂层在含钙镁水汽热冲击环境下的化学反应机制进行了分析,给出了涂层失效机理分析。