文摘
热冲击是常见的火灾和爆破的岩石工程;此外,岩体熊动态机械扰动频繁。为了研究热冲击损伤特征的物理动态抗压性能,不同温度下的热冲击损伤治疗的花岗岩在不同升温速率是通过测量超声波波速,和内部结构是通过扫描电镜实验。利用分离式霍普金森压杆,在花岗岩的动态实验治疗到400°C和600°C的加热率1,2,4,6、10、20、30、40°C /分钟。因此,物理上的热冲击损伤特征和动态抗压性能的花岗岩。结果表明,有一个加热速度阈值6 - 10°C /分钟,把热冲击损伤。在阈值之前,热冲击不出现。动态抗压强度、动态弹性模量和密度降低;然而,峰值应变增加随着热冲击损伤的增加。热效应的研究花岗岩通过加热升温速率低于或等于6°C /分钟可以避免热冲击。 The research could provide a theoretical foundation for rock engineering suffered thermal shock, such as geothermal reservoir.
1。介绍
最近,热影响岩石属性包括物理和力学性能已成为热门话题之一,在岩石工程人员(1- - - - - -7]。热物理和力学性能影响的研究是至关重要的许多岩石的应用程序,如深部开采,岩石开采,矿石破碎(8),开发利用地热能源(9,核废料地质处置10- - - - - -12),和保护建筑(在地面和地下建筑)防火或建筑物火灾后修复和重建(13,14]。事实上,大多数的岩石工程,与温度有关,可能受到热冲击引起的爆破,火,不同的热梯度,核辐射。此外,大多数的岩石工程,它是连接到温度,也可能遭受动态扰动由于钻井,爆破、地震。因此,探讨热冲击的破坏特点在花岗岩的物理特性和动态特性,从而为设计提供强有力的理论支持和指导,岩石工程稳定性评价和修复,是紧迫和非常重要的。
岩石热物理性质影响的调查主要集中在密度和孔隙度15,16]。结论几乎符合如下:密度随温度增加;孔隙度相反的现象。和热影响的研究动态属性的岩石主要是集中在动态强度和弹性模量17- - - - - -23]。学者进行,当温度增加时,具有不同程度的动态强度和弹性模量都降低岩石材料有关。他们只是加热岩石标本在低升温速率,以避免热冲击。然而,热冲击是常见的在深岩工程、深部开采和地热能等提取。当开采深度的增加,温度随不同地热梯度变化从30到50°C /公里由于不同的水文地质和现有条件,这可能会导致热冲击最后改变岩体的应力值。值得注意的是,地温梯度可以很高,甚至达到100°C /公里在一些特定的地方。此外,热冲击也发生在爆破,火,和核辐射。考虑热冲击的事实在许多岩石工程,一些研究人员参与了升温速率对岩石的物理力学性质的影响。例如,通过对花岗岩进行了实验的加热与不同的加热率(5°C /分钟,20°C /分钟和50°C / min)不同温度(20 - 400°C), Thirumalai et al。24)指出,热效应增强相应的增加在同一温度、升温速率即热膨胀增加逐渐随着升温速率的增加。里希特et al。25)显示,同样的现象进行一个实验在辉长岩加热到300°C的加热率1和5°C /分钟,分别。也就是说,升温速率越高,膨胀系数越大。通过进行实验,勇et al。26表明,升温速率是影响岩石性质的重要因素之一。此外,李et al。27)执行测试煤砂岩的动态拉伸力学性能在800°C高温与在不同的加热率和快速冷却状态,砂岩的动态拉伸性能逐渐降低随着升温速率。他们强调,升温速率的关键因素使一个很大的区别的调查材料的力学性能,可以显著影响了晶体结构或复合和岩石的宏观力学性能的影响。热冲击效应对岩石的物理力学性质可以尽管实验岩石加热到不同的加热率。
虽然有一些学者研究了升温速率影响岩石的物理和力学性能,他们只专注于物理属性,静态属性和动态拉伸力学性能。热冲击的动态抗压性能的岩石被忽视;此外,没有人研究角度的损害。因此,为了提出一个强有力的理论基础和指导设计,稳定性评价和修复的岩石工程和做一个了解理解热冲击损伤特性的物理动态抗压性能的花岗岩;本文在花岗岩的动态实验标本加热到不同温度(400°C和600°C)与不同的加热率(1°C /分钟,2°C /分钟,4°C /分钟,6°C /分钟,10°C /分钟,20°C /分钟,30°C /分钟,40°C /分钟)。热冲击的破坏特征的物理动态抗压性能花岗岩进行了分析和讨论,参与密度,动态抗压强度、峰值应变和动态弹性模量。
2。实验室实验
2.1。样品制备
避免任何由于自然各向异性变化的标本,检测花岗岩标本获得的空心从同一块岩石在长沙,中国。没有明显的分层,层压或缺陷观察试样表面,和46.78%的花岗岩标本由石英、长石37.84%,9.64%云母、蒙脱石5.70%,和0.04%的其他组件,如图1。根据岩石力学测试程序的要求建议的ISRM [28),这里使用的花岗岩标本与尺寸加工成一个圆柱体Φ 和尺寸的气缸Φ ,分别用于静态和动态测试。特别是,为了确保他们的并行度,平面度,并完成,标本的两端是抛光,控制±0.05毫米内的并行性和表面平整度在±0.02毫米。此外, - - - - - -波速抛光标本的测定用岩石和土壤工程质量检测器,然后标本相似 - - - - - -波速度被选为了保证实验的可靠性。标本的基本物理和静态力学性能如表1。
2.2。试验装置
这里使用的主要试验装置是变速加热炉,扫描电镜,电液伺服控制材料试验机,分离式霍普金森压杆。变速的加热炉,它包含一个加热内阁和智能控制器,设计的额定功率4千瓦,1200°C的最高温度和最大加热率40°C /分钟。类型的扫描电子显微镜EVO-MA10用于获得岩石样品的内部结构。英斯特朗1346电液伺服控制材料试验机()主要由主体(压力装置、压杆、支撑酒吧、和支持)和一个控制和数据处理设备。分离式霍普金森压杆由一个轴,一个发射腔,瓦斯枪,一个事件栏(φ ),传输栏(φ ),一个吸收栏(φ ),一个信号记录装置包括高动态应变指标,和示波器。终极力量、波速、弹性模量、泊松比、密度的酒吧800 MPa, 5400 m / s, 240 gpa, 0.28, 7810公斤/米3分别如图2。完整的应力-应变曲线可以得到由于高强度合金棒的高刚度比岩石标本。电阻应变仪是连着事件栏和传播栏,分别记录的电压信号。应变仪和端面之间的距离测试酒吧是1004毫米的事件和传输酒吧。此外,应变率稳定的正弦应力波的一半是由一个轴打孔29日]。事件、反映和传播波测量的信号通过应变仪固定在事件记录和传播。合营公司,压力σ( ),应变ε( ),和应变率可以从横截面积计算试件的横截面积酒吧的压力波速压杆的弹性模量栏的长度年代岩石标本,事件压力ε我,反映出应变εR和传播病毒εT,通过使用公式(1)。
2.3。实验方法
x射线衍射和静态实验,样本的数量应不少于三个。动态实验,考虑α- - - - - -β过渡的石英在573°C (30.],花岗岩标本分为三大组:一组加热(0°C /分钟),第二组被加热到400°C,加热率是1、2、4、6、10、20、30和40°C /分钟,最后一组加热到600°C,加热率是1、2、4、6、10、20、30、40°C /分钟。根据划分组,相应的标本编号。在热处理之前,花岗岩标本的基本性质,包括静态抗压强度、密度、超声波速度,测量和静态弹性模量,应不少于三次。然后,标本可以通过使用不同的加热方法,和方法如图所示3。
一旦达到目标温度,温度保持不变的目的为2小时均匀加热的标本,标本是在加热冷却的身体慢慢地避免热冲击。冷却后,密度和超声波速度应该测量。最后,内部结构不同的热冲击治疗花岗岩标本可以使用扫描电镜获得的。和动态压缩实验可以采用分离式霍普金森压杆进行。
扫描电镜实验,首先,标本处理为一个多维数据集维度10毫米的长度。最后,处理块可以用于扫描电镜实验在指定的乘数。
3所示。热冲击的破坏特征
macrorupture失去稳定性,和失败的材料内部裂缝的分布密切相关,生成、传播和连接的裂隙。数据4(一)和4(b)是内部结构的扫描电镜图像的花岗岩标本在不同的温度下加热(400°C和600°C)和加热率(1、4、6、10、20、30和40°C /分钟),0°C /分钟的加热速度代表没有暖气的花岗岩标本,和所有的放大是500卡路里。考虑几乎相同的内部结构的花岗岩标本加热升温速率的4和6°C /分钟,内部结构的图片花岗岩标本,在升温速率加热2°C /分钟,不给图4。如图4,当温度和升温速率增加,不同裂缝包括微裂隙、大裂缝,次生裂缝,和相互联系的裂缝出现在花岗岩标本相应的内部结构,在数量和规模的差异。在25°C (0°C /分钟),没有明显的裂纹在视图中。从25°C到600°C,裂缝逐渐增加的数量和规模的扩大导致的热应力增加温度。在同一温度是否在400°C或600°C,当升温速率增加从1到6°C /分钟,内部结构几乎不变,但裂缝的数量和规模增长随着升温速率的增加,从6 - 40°C /分钟。除了内部结构的变化,表面也在一定程度上改变温度和升温速率增加。两个明显的变化出现在试样的表面温度和升温速率增加时,颜色变化和表面裂纹,如图5(一个)和5 (b)。从25到600°C,样品的颜色逐渐从灰色变为棕黄色,特别是当温度为600°C,这是符合我们的先前的研究5]。颜色变化的原因可能是岩石的脱水和氧化(31日]。除了颜色变化,还有一个明显的变化,即出现表面裂纹与升温速率增加。在400°C,表面裂纹出现在升温速率等于或高于30°C /分钟,但在600°C,似乎当升温速率等于或大于20°C /分钟。相同的升温速率下,表面裂缝出现之前,当处理温度较高。原因是有更多的内部缺陷岩石标本在一个较高的温度。
(一)
(b)
(一)
(b)
损伤,评估的数量和大小的情况下材料内部裂缝在某种程度上,是一个宏观参数,代表恶化程度的材料。材料内部裂缝的数量和规模越大,损失越大。岩石材料尤其是花岗岩,其中包含初始缺陷,如裂缝、气孔和微裂隙,在外部负载的情况下包括温度引起的热应力和热冲击,可能形成损伤积累。新生裂缝产生的损伤积累和初始缺陷传播可能影响身体和花岗岩的动态抗压性能。由于超声波在不同媒介的不同传播速度,简单,高效,超声波波速测试的方法是广泛采用的无损检测。为了定量研究热冲击的破坏特征和破坏之间的相关性特点,物理,和动态抗压性能的花岗岩,损伤变量计数的超声波速度是用在这里,见公式(2)[22]。
无论初始伤害,导致初始缺陷,未经处理的花岗岩试样的破坏被认为是零。
在哪里是伤害,是标本的超声波速度在0°C /分钟,即未经处理的超声波速花岗岩标本,然后呢超声波波速的花岗岩试样热冲击治疗。
超声波波速测量前后热休克疗法利用岩土工程的波速测量仪,如图6。通过消除离散数据高,热冲击损伤的治疗花岗岩标本在表2的数据表明,即使在相同的温度损失不同升温速率各不相同,并且没有热冲击在低加热速率。
图7显示之间的关系的升温速率和损害花岗岩标本在400°C和600°C。一个显而易见的现象吸引了我们的眼睛,损伤和升温速率之间的关系分为两部分(第一部分和第二部分)在400°C和600°C。在第一部分(伤害不变的区域),损失几乎不变,当升温速率增加,这表明没有热冲击时,升温速率小于或等于6°C /分钟。现象的研究证实了热对岩石性质的影响,他们对岩石标本进行了热处理采用升温速率低于5°C /分钟,以避免热冲击(5,9,22,23,32,33]。例如,阴et al。5)花岗岩试样加热到目标温度的升温速率2°C /分钟。在400°C,当升温速率小于或等于6°C /分钟和大于0°C /分钟,损失大约是0.47至0.48,这是高温造成的。处理温度为600°C时,损失约0.74加热速度从0到6°C。水包括自由和束缚水蒸发,内部裂缝的数量和大小随着温度增加而增加;因此,增加相应的损害。增加地区)在第二部分(伤害,伤害增加逐渐增加升温速率在400°C和600°C,也就是说热冲击出现在这部分。增大热应力产生的热冲击带来的增加的数量和大小在同一温度裂缝,最后导致损失增加。当升温速率变化从10到40°C /分钟,伤害增加从0.6和0.82到0.82和0.96在400°C和600°C,分别。之间存在一个阈值6°C /分钟和10°C /分钟,分为升温速率的影响在损害特征分为两部分。在阈值之前,没有热冲击; after that value, the thermal shock appears gradually. Especially, when the heating rate is high, such as 40°C/min, the thermal shock and damage are large.
4所示。结果与讨论
4.1。损伤对密度的影响
通过测量,给出了不同热治疗花岗岩标本的密度表3。当升温速率是0°C,即样品是没有暖气的,损失是零,花岗岩标本的密度约为2546.72公斤/米3。作为显示在图8之前,阈值,即在第一部分(伤害不变的区域),损失几乎不变;因此,密度,约为2526.13公斤/米3在400°C和2494.13公斤/米3在600°C,随着升温速率的增加几乎不变。虽然密度对温度不敏感,密度减少相应不同程度随着温度的增加,和情况下类似于一些研究6,22,34]。密度的降低的原因是损伤在更高温度的增加,由于水的蒸发和增加造成的内部裂缝数量和规模增加温度。阈值后,在第二部分(伤害增加地区),热应力增加由于热冲击,使得裂缝数量和规模的增加,最后导致损失的增加。因此,相应的密度降低。
(一)
(b)
4.2。损伤对动态压缩性能的影响
任何有效的动态实验利用分离式霍普金森压杆实验应该进行一维条件下的压力和动态平衡[感到满意22]。动态压缩实验,传播的压力是大致的反射光和入射应力之和,如图9,这表明动态应力两侧标本的平衡。的抗压性能不同的热shock-treated花岗岩标本包括动态抗压强度,σd、峰值应变、εd动态弹性模量, ,给出了在表4。花岗岩试样的动态抗压强度约为169.66 MPa 25°C (0°C /分钟)。
4.2.1。准备损伤对动态抗压强度的影响
动态抗压强度、机械强度参数可以代表承受动态载荷的能力,是评价结构稳定性的重要因素之一。考虑动态抗压强度的重要性,一些研究人员关注的动态抗压强度进行了实验室实验的研究(21,22,35]。数据10 ()和10 (b)是损害影响的动态抗压强度不同的热治疗花岗岩标本在400°C和600°C,分别。当温度增加从25°C到600°C,由于动态损伤的增加,抗压强度逐渐降低。类似于许多研究,无论对静态或动态抗压强度抗压强度下降在一定程度上随着温度的增加(1,4,5,22,34,36,37]。在400°C,在阈值(在第一部分,伤害不变的地区),因为不变损伤随着升温速率的增加,动态抗压强度几乎不变,大约为143.86 MPa。随着升温速率持续增加,达到在第二部分(伤害增加地区),损失逐渐增加;因此,相应的动态抗压强度降低。6°C / min-40°C /分钟,当伤害增加从0.47到0.82,从142.92 MPa的动态抗压强度降低到114.99 MPa,减少27.93 MPa。同样,在600°C,由于两种不同部分的损伤,动态抗压强度,也就是不变阈值之前,约为104.17 MPa,后阈值从104.17 MPa的动态抗压强度降低到71.85 MPa,伤害增加从0.74到0.96,下降32.32 MPa。这的确表明,热冲击损伤影响的动态抗压强度。
(一)
(b)
4.2.2。对动态应变峰值破坏的影响
动态应变峰值,参数可以反映材料之前高峰期间遭受到动态变形程度的影响,也影响结构稳定性的重要因素之一。看到的数据(11日)和11 (b),当温度升高时,延性增强[1,5),因此,峰值应变相应增加。相同的损害效应动态抗压强度,在升温速率增加,损害影响的动态应变峰值分为两部分,即第一部分和第二部分,但仍有一些差异。在第一部分,几乎不变的损伤,峰值应变保持不变,近 在400°C,几乎 在600°C。在第二部分,在400°C和600°C,当升温速率增加,由于增加热冲击引起的热应力,增加裂缝的数量和规模;在这个时候,增加相应的破坏,最后导致动态应变峰值增加。阈值后,热冲击增加随着升温速率的增加。当升温速率从6°C /分钟增加到40°C /分钟,伤害增加从0.74到0.96;这时,动态应变峰值增加 为0 在400°C和 来 在600°C。
(一)
(b)
4.2.3。损伤对动态弹性模量的影响
动态弹性模量可以表示材料在冲击荷载作用下的弹性变形能力;与此同时,它是对结构稳定性的因素也很重要。通常,弹性模量、静态和动态,减少温度增加时(1,4,5,22,36,37]。类似于动态抗压强度和峰值应变,当升温速率增加,热损伤的动态弹性模量的影响可以分为两个部分(第一部分和第二部分),如图12(一个)和12 (b)。阈值之前,在第一部分,是否在400°C或600°C的动态弹性模量几乎不变,由于不变伤害值约为28.22绩点18.59的绩点,分别。然而,在400°C和600°C,阈值后,动态弹性模量逐渐降低的升温速率增加,因为增加造成的损害增加热冲击。在400°C和600°C,当升温速率增加,动态弹性模量降低约24.36的绩点和GPa 13.59到15.64和8.75的绩点,几乎下降44.21%和44.05%,分别。动态弹性模量会随着热冲击损伤的增加,这是类似于热影响动态弹性模量作为研究人员表示20.,22]。
(一)
(b)
通过实验进行一些火成岩25到550°C,里希特et al。25]提高加热速度确实影响热膨胀。他们发现如果升温速率小于或等于2°C /分钟和最高温度小于或等于250°C,热膨胀系数几乎是恒定的。然而,当升温速率大于2°C /分钟和温度大于35°C,岩石标本中产生新的裂缝,导致热膨胀系数降低。的物理性质,如热膨胀系数,改变的时候 ,这是一个不同于我们的研究摘要。在我们的研究中,升温速率的阈值是6°C之间/分钟和10°C /分钟,类似于其他研究人员表明,低于5°C /分钟,和加热过程可以避免热冲击(5,9,22,23,32,33]。的差异可能由于不同的岩石类型和岩石的组成部分。此外,考虑在动态压缩属性都与热冲击损伤和获得动态抗压性能更不同于热冲击和昂贵的计算超声波速度,我们可以大致评估岩石结构稳定性的测量超声波速度在某种程度上。
岩石工程的研究提供一个理论基础受到热冲击,如地热储层(38- - - - - -44]。
5。结论
基于上述结果,分析和讨论,结论是如下:(1)之间有一个加热速度阈值6和10°C /分钟,阈值后,热冲击(2)动态抗压强度、动态弹性模量和密度减少热冲击损伤时相应的增加,峰值应变和相反的现象(3)花岗岩的岩石加热方法通过使用加热速度低于或等于6°C /分钟可以避免热冲击
数据可用性
使用的数据来支持本研究的结果包括在本文中。
的利益冲突
作者声明没有潜在的利益冲突的研究,本文的作者,和/或出版。
确认
这项研究是由教育部科学技术研究项目的江西省(GJJ200856 GJJ190501),中国国家自然科学基金(51804315,51804315),在江西省大学生创新与创业训练计划(S202110407047),研究启动项目的江西科技大学(205200100551),赣州的社会科学研究项目(2021-018-0016,2021-018-0016),和校外合作项目(204201400659)。