文摘

高温下的岩石力学性质的影响呈现出地下岩石工程具有重要意义。摘要砂岩的力学性能,大理石,花岗岩在实时伺服控制压缩装置加热了。结果表明,机械行为的所有三种类型的岩石受到实时加热不同程度的影响。由于热裂解,单轴抗压强度随着加热温度的升高降低从室温到400°C。超过400°C,砂岩展品显著增加UCS由于烧结反应。烧结扩大接触面积和砂岩晶体颗粒之间的摩擦,增强承载能力。弹珠,UCS继续减少从400°C到600°C由于热裂解。然而,大理石开始的碳酸盐分解后600°C。生成的粒子将填补裂缝大理石和增加强度。为花岗岩,UCS呈现出急剧下降在400°C,因为热裂解。 For all rock elastic modulus, they present a decreasing trend, and this indicates that the rock’s ability to resist deformation gradually weakens under the effect of temperature. In general, rock mechanical behaviours under real-time heating differ from those in normal situations, and use of the parameters presented here is important for underground rock engineering related to high temperature and can improve the precision in theoretical and numerical analysis.

1。介绍

岩石的物理力学性质吸引了大量的注意力在很多研究领域,如煤炭开采、地下煤炭气化,地热资源开发(1- - - - - -3]。在物理实验的测试中,特征矩阵的岩石渗透率、失效模式和力学参数存在很大变化后加载过程(4,5]。越来越多的广泛需求的理解岩石行为的影响下加热,特别是200°C以上材料属性发生戏剧性的变化(6]。先前的研究在岩石属性通常专注于砂岩,花岗岩、砂屑石灰岩。众所周知,岩石力学性能和高温时的相应的内部机制依赖于岩石类型。之前的研究表明,热裂解,相变,分解导致岩石力学性能的变化7,8]。

砂岩是一个典型的地壳的沉积岩,以及一些学者进行了一系列的实验在不同实验条件下的物理和机械特性,如循环加载(9- - - - - -11)和裂纹角(12]。然而,随着温度变化,砂岩比在正常条件下呈现出不同的变化。托罗和Hajpal13]发现砂岩的胶结剂和矿物质进行热处理影响岩石的物理力学性质。桑托斯et al。14)对砂岩进行了一系列的测试(包括一些人造材料)在不同的加热制度和报告没有明确区分的岩石力学性能低于200°C,而力学性能下降均匀温度高于200°C。在实验研究中,麦凯布等。15)测量体重和视觉表面损伤砂岩在暴露于火灾和报道,断裂结构和烟尘是影响岩石力学性能的主要因素。烟尘是疏水的,所以表面渗透性降低。矿物的分解在暴露于高温导致内部岩石裂缝的扩张,导致减肥和表面视觉损伤。刘、徐(16)执行一系列测试砂岩的单轴抗压强度(UCS)到1000°C,发现砂岩的脆塑变形温度阈值是600°C。在这个温度范围内,UCS通常随着温度增加而减小;UCS变化是微不足道的800°C以下但是增加略高于800°C,然后进一步大幅降低,弹性模量也各不相同。许多类似的物理测试进行测量UCS和砂岩的弹性模量17- - - - - -19),所总结的田et al。20.]。总的来说,在温度的影响下,砂岩的物理力学性质不同于自然条件。

这些因素也影响钙屑灰岩的机械性能21- - - - - -24]。•和Topal25)的影响进行了实验研究干燥温度对大理石物理力学性质和报道,温度较高造成重大损害。毛等。26石灰岩的)得出的结论是,机械性能变化显着地样本进行塑性变形时高于600°C。碳酸盐岩的纵波速度一直报道负面与温度(27]。碳酸盐岩在800°C也被报道进行大幅降低岩石的UCS与砂岩和花岗岩相比,由于碳酸盐岩的组成(24]。

然而对于花岗岩,花岗岩很多研究专注于埋藏深度和断裂模式(28- - - - - -30.]。在温度的影响下,先前的研究显示一个小UCS随温度下降低于400°C,紧随其后的是一个重要的减少超过400°C (31日- - - - - -33]。陈等人。34报告花岗岩UCS降低,弹性模量、断裂韧性,800°C,上面没有观察到进一步的改变。一个冻融循环试验表明,花岗岩峰值应变随温度增加,而UCS和弹性模量降低(35]。Kumari et al。36)进行了一系列的水力压裂试验和报告的线性减少花岗岩破裂压力与温度高达300°C。花岗岩样品加热后,自由水的蒸发,不对称的热膨胀,石英的相变和热应力引起的热裂解导致裂纹的传播,所有这些影响花岗岩的力学性能(6,37- - - - - -39]。

文献表明,岩石力学性质随温度波动略上升到大约400°C - 600°C,上面发生实质性的变化。影响岩石力学性能的主要因素是热裂解和矿物的热膨胀不对称18]。在特定的应用程序(例如,地下煤炭气化,增强型地热系统,甚至建筑火灾),岩石矩阵的影响下的实时温度。实时温度下,岩石机械特性显著不同。大多数以前的研究通常是写给岩石样本与热处理而不是实时温度,并进行工程设计不足由于不同岩类岩石地下工程。

在这项研究中,我们调查了火成岩、沉积岩和变质岩,以便更好地理解不同的岩石在高温力学行为和建立一个框架来比较不同岩石力学性能在实时加热。这里获得的结果有重要影响的预测岩石高温场景和行为在现实的帮助下可以防止严重破坏一项新技术,如三维地震技术(40]。我们比较每种类型的岩石的岩石破坏机理尤其关注UCS和弹性模量。

2。材料和方法

2.1。样本收集和规范

砂岩和大理石样本,分别从Jvxian收集、莱州、Wenshang在山东,中国。所有样品都切成 毫米的表面平行度值在0.05毫米,与ISRM通信标准(41]。没有观察到样品表面可见的缺陷。

2.2。实验仪器和方法

实验装置包括帕- 600炉,温度控制器。在先前的研究[42),所有标本都是烘干的24 h在105°C去除水分。温度控制器是用来加热标本2°C /分钟的速度,确保同质样本内部和外部的温度,更具代表性的自然环境。此外,快速加热率导致较大的热应力,这是超出了本研究的范围。

样本的目标温度2小时举行,以便平衡(43),然后压缩0.5 MPa / s的速度,直到样品失败。进行了测试在室温(25°C), 200°C, 400°C, 600°C,分别和800°C。在适当的时候还添加了额外的温度点更好地约束UCS变异。至少有三个样本在每个温度点进行了测试。

3所示。结果

3.1。岩石应力-应变特征

每个岩石类型的单轴压缩结果如图所示1。砂岩的应力-应变行为和失败的照片有很大的不同的大理石在压实和弹性阶段在同一温度(图1)。弹珠清楚地显示了一个塑性阶段的应力-应变曲线在800°C,如图1。图2显示了峰值应变的岩石样品在不同的温度下。在800°C之前,对所有温度点失败图片是相似的。

峰值应变变化的特征可以概括如下。

砂岩的峰值压力从0.01815上涨85.3%在25°C到0.03364在800°C。然而,没有明显的塑性阶段后观察到弹性阶段的应力-应变曲线(图1(一)),这表明,砂岩的破坏模式仍然是脆弱的在这个温度范围。

弹珠,峰值应变增加325%从800年0.0092在25°C到0.0391°C。应力-应变曲线在图1 (b)演示不同的破坏模式从脆性过渡到韧性600°C到800°C。

花岗岩峰值应变增长只有33.36%在25°C到0.01979 0.01484 800°C与峰值应力的持续下降。在800°C,压实阶段的应力-应变曲线是扩展和弹性阶段缩短,这意味着随后从脆性过渡到韧性失效模式发生在更高的温度。

3.2。岩石单轴抗压强度的变化特征

UCS是经历的峰值应力加载过程中岩石样本。平均UCS绘制在图的变化3。

的,下面的特征可以概括。

砂岩样品低于400°C的UCS逐渐降低的温度从117.16 MPa 25°C到108.62 MPa在200°C和107.3 MPa在400°C。然而,超过400°C, UCS值大幅增加,达到196.63 MPa在800°C。与室温值相比,砂岩UCS变化34.5%,36.4%,45.4%,200年67.8%,400年,600年和800°C。因此,逆转点应该在400°C到500°C。

UCS大理石样品减少线性温度最低为55.84 MPa在600°C,然后略微增加到64.45 MPa在800°C。花岗岩的UCS随温度在800°C到32.3 MPa,减少约70%,室温。

总之,温度的影响在UCS强烈依赖于岩石类型。弹珠的UCS值证明只有轻微的变化与温度的增加,而砂岩的表现完全不同400°C以上UCS急剧增加。低于400°C,这两种类型的岩石的UCS略有减少,说明弱温度效应在这个区间。温度效应高于400°C,然而,对每种类型的岩石明显不同,因此需要适当的考虑。

3.3。岩石的弹性模量变化特征

弹性模量是一个重要的岩石力学参数常用的岩石工程。弹性模量可以计算为一个线性应力-应变曲线拟合。在这项研究中,我们配合曲线值从30%到70%的岩石UCS。弹性模量的变化是绘制在图4。一般来说,所有样品的弹性模量降低,而每种类型的岩石演示自己的特殊性。

砂岩样品的弹性模量增加从7.97的绩点在400°C到8.69的绩点在500°C,两者都是在环境温度低于9.17的绩点的值。从图1,观测到砂岩UCS大幅增加在500°C的一个更强大的比峰值应变的温度依赖性,导致小砂岩弹性模量增加。这些结果也表明砂岩力学性能的增强。

玻璃球的弹性模量降低线性从10.03的绩点在25°C到2.5的绩点在800°C。虽然大理石UCS增加600至800°C,峰值应变在全温度范围内增加了四倍,并观察到弹性模量的降低。

花岗岩样品的弹性模量通常随温度在室温下从10.47的绩点3.32的绩点在800°C。弹性模量在400°C高于这些值在200°C,我们推测是由于机械性能变化在这个温度,增加数据分散。

虽然两个岩石样品的弹性模量随温度、每个岩石类型显示了明显不同的大小。玻璃球的弹性模量降低,多次与他们的环境温度相比,而砂岩弹性模量减少了约25%。弹珠的UCS值和峰值应变随温度升高而下降,而砂岩UCS值急剧增加超过500°C。岩石弹性模量的变化是影响岩石应变和UCS的综合效应。

4所示。分析和讨论

之前的调查表明,岩石力学性能可能会改变在高温下由于自由水的蒸发,微裂纹传播、矿物脱水、分解,和相变37,44]。大量的测试进行评估内部岩石力学参数和外部因素之间的关系。

4.1。岩石单轴抗压强度(UCS)

的温度阈值α- - - - - -β石英相变是573°C (7],碳酸钙的分解温度阈值约为800°C (15]。这些现象因此不会导致增加UCS趋势观察到砂岩样品超过500°C。此外,热裂解过程中加热会导致裂纹的传播也减少岩石承载力。

砂岩样品的矿物组成是由x射线衍射(XRD)(表测量1),发现含有石英、钾长石和TCCM(高岭土等粘土矿物),类似于原材料中发现许多陶瓷。当温度达到450°C,铁的矿物^{2 +}在砂岩经历以下化学反应。在这个过程中,从greyish-green砂岩的颜色更改为红色(图1 (d))。与先前的研究工作(45),砂岩的成分是20%云母、高岭石30%,30%的石英、钠长石15%,和10%的菱铁矿,与砂岩的内容不同。在实时加热,没有烧结反应被发现后,研究,因此砂岩UCS经历了下降趋势在400°C而不是大幅增加的趋势:

在某些陶瓷的制造,钾长石的比例通常是20%到30%,和烧结反应的温度是0.5到0.8 Tm Tm是原料的熔点。钾长石的熔点是1150°C,和斜长石的熔点是1100至1150°C。当原料混合了₂O₃和菲₂O₃,熔点进一步减少到500°C (46,47]。砂岩的烧结反应可以简单地描述为图5。

在初始状态,晶粒在砂岩接触不良;温度达到500°C,铁、铝氧化物的生成逐渐填满水晶颗粒之间的空间,然后形式到共晶材料在高温的影响。之后,长石砂岩样品中逐渐软化,引起砂岩的峰值应变的增加,然后融入这个共晶材料,直到形成一个新的晶粒密切接触(如图5(c))。在整个生产过程中,矿物颗粒之间的接触面积增大(48),然后导致增加砂岩UCS超过500°C。

然而,大理石和花岗岩,内部机械机制类似于砂岩低于600°C和800°C,分别。实时的影响下加热,热应力引起的热裂解和非对称热膨胀提示微裂隙的传播,引起岩石UCS的下降。当温度达到800°C,大理石UCS略微增加与以前的工作中获取的值相比,大幅降低在800°C (25]。在这个过程中,大理石的白云石分解成氧化钙和氧化镁在800°C;大理石组成如表所示2。白云石的分解导致减少晶体颗粒的大小和增加了填充矿物晶体颗粒之间,如图6。在这种情况下,控制主要因素大理石UCS填充分解产生的矿物白云石、填充材料晶粒之间的空间,然后扩大在加载过程中晶体颗粒之间的摩擦。

4.2。岩石弹性模量

岩石弹性模量,都是呈现一个下降的趋势与温度。岩石弹性模量是一个力学性能来描述岩石抵抗变形的能力。根据实时加热,所有代表的岩石样本逐渐软化岩石峰值应变的增加。和岩石样本的故障模式变得从脆性破坏韧性失败。它可以清楚地看到在800°C的弹珠从其应力-应变曲线。很明显,所有的岩石类型经历一个逐渐软化的过程实时加热然后减少岩石下抵抗变形的能力。

从上面的分析,结果表明,不同的岩石样本的内部机理的力学性能与温度有异同。他们可以概括如下:(1)热应力引起的热裂解和非对称晶体颗粒的热膨胀导致传播的微裂隙岩石样本。增加微裂隙的岩石样本削弱岩石承载力。这就是为什么砂岩、大理石和花岗岩的经验减少的趋势在UCS低于400°C, 600°C之前,分别在整个实验温度范围。(2)当岩石样本包括石英、钾长石、斜长石、粘土矿物,等等,在一个适当的比例,反应烧结的影响下会存在实时加热。在这个过程中,晶粒的融化和复合材料晶粒之间的接触面积迅速扩大,然后加强岩石的承载力。由于缺少粘土矿物在花岗岩(见表3),没有烧结反应存在于整个加热过程,和花岗岩UCS不断下降。(3)当大多数的碳酸盐岩石样本的构成,它分解为800°C,相关氧化物填充晶体颗粒的生成将增强晶体颗粒之间的摩擦。在这种情况下,岩石承载力与去年相比可能会略有增加实验温度点。(4)在整个加热过程中,所有水晶颗粒逐渐软化,导致岩石韧性的增加。它可被简单地证明了岩石峰值应变随温度的增加。这表明温度会削弱岩石抵抗变形的能力。

当进行地下岩石工程,例如,地下煤炭气化,很难衡量和监测煤顶板的变形,所以将采用理论和数值计算来计算的相关技术参数。在这种情况下,一些结论像砂岩力学性能的变化及其内部机制有助于评估地下岩石工程的安全和经济。

5。结论

本文力学特性的三种类型的岩石代表火成岩、沉积岩和变质岩岩石已经调查到800°C。我们发现的内部机理的力学性能变化不同的岩石类型有异同。与整个加热过程中,热应力和非对称热膨胀引起的热裂解是主要的控制因素影响岩石的承载力。在这种情况下,砂岩、大理石和花岗岩UCS经验递减趋势低于400°C, 600°C,分别和800°C。当岩石样本由一些特定的矿物质和适当的比例,如砂岩,烧结反应存在于这些矿物质在高温和结果的影响在扩大晶体颗粒之间的接触面积。然后,岩石承载力将会加强。此外,碳酸分解和氧化生成填充材料晶粒之间的空间扩大晶体颗粒的摩擦,从而提高岩石承载力,像大理石UCS 800°C。岩石抵抗变形的能力,由于温度的影响,所有三种类型的岩石弹性模量经验一个下降的趋势。晶粒在高温下的软化提示延性的岩石样本,然后削弱了岩石抵抗变形的能力。

机械性能的变化三种岩石类型说明了重要的实时温度效应的重要性。当进行地下岩石工程涉及温度,必须考虑温度对岩石力学参数的影响。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

这项工作是由中国国家自然科学基金资助重点学科(51504236和51504236)和项目发展的江苏高等教育机构(PAPD)。