文摘

作为一种天然建筑材料和建筑环境,取自泥岩具有特殊工程性质,由于其特殊的形成条件。工程灾害造成的这些特殊性质正变得越来越突出。因此,它具有重要的理论意义和实际工程价值研究成果泥岩的宏观和微机械属性。Nanoindentation机械测试是对成果进行泥岩从楚雄,京东,云南南华。组织、残余压痕形貌和纳米机械参数取自泥岩在不同地区进行比较和分析。结果表明,荷载位移曲线可以分为四个阶段,即压实阶段,线弹性阶段,持有阶段,卸载阶段。在相同的加载和保持时间条件下,样品3(南华)最深的残余压痕,和SEM测试表明,该损害缩进是显而易见的。示例2(京东)最浅的残余压痕。压痕形态完成并通过SEM测试规模很小。样品的残余压痕深度1(楚雄)样品2和样品3之间。 The average elastic modulus of sample 1 (Chuxiong) is 平均绩点。平均硬度 GPa,断裂韧性 MPa·米^0.5。样品的平均弹性模量2(京东) 平均绩点。平均硬度 GPa,断裂韧性 MPa·米^0.5。然而,样本的平均弹性模量3(南华) 平均绩点。平均硬度 GPa,断裂韧性 MPa·米^0.5。总体而言,弹性模量和硬度的示例2(京东)是最伟大的,因为它的石英晶体含量高。这表明取自泥岩的纳米机械性质在京东比在楚雄南华。结果揭示了地区差异可以提供一个依据云南取自泥岩的宏观力学性能。

1。介绍

云南取自泥岩广泛用于工程建设自然的建筑材料和建筑环境。因为特殊的形成条件,它有特殊的工程性质。的规划和建设云南高速公路和铁路网络,越来越多的成果泥岩的工程灾害突出。具有重要意义理解和掌握宏观和微机械属性取自泥岩的工程建设。目前,取自泥岩的宏观力学性能主要是研究了实验室测试和现场测试。microproperty研究主要集中在矿物组成的半定量的分析通过XRD和SEM的表面形态。这些研究主要描述取自泥岩的微观物理学的性质,但有微机械指数的研究相对较少。

Nanoindentation是一种重要的无损检测材料的力学性能的方法。这种技术被首次提出Kalei(1968年1),机械测试的范围是在微纳米尺度,提供一种可能性矿产机械试验。通过发展奥利弗和法尔2缩进点的荷载位移曲线,可以得到在微纳米尺度,和弹性模量、硬度、断裂韧性和其他参数可以获得材料微观研究提供便利,nanoproperties。起初,该技术广泛应用于金属、电影、涂料、陶瓷、玻璃和聚合物领域。随着显微岩石力学的发展,nanoindentation技术已经应用于研究岩石力学性能。与macromechanical属性测试的岩石相比,nanoindentation测试的优点是可以获得力学参数只有一个小样本。

加载速率影响页岩的力学行为在nanoindentation史等。3]。保留时间对硬度的影响,杨氏模量和蠕变特征探讨了页岩的史等。4]。使用nanoindentation技术、页岩纳米机械指标如弹性模量、硬度、断裂韧性得到刘et al。5]。弹塑性力学性能泥岩粘土矿物和碎屑矿物在煤岩体进行了分析、石英、高岭石的影响讨论了煤岩体的力学性能由Sun et al。6,7]。弹性模量的石英、长石和云母在花岗岩,花岗岩和macromechanical指数是通过扩展升级方法Zhang et al。8]。基于nanoindentation技术,提出了煤炭断裂强度的估算模型,断裂能和断裂区估计利用脆性破坏理论和侵入现象在加载曲线由希和Jha [9]。机械性能的煤样品干燥和饱和盐溶液的条件下通过nanoindentation测试进行了研究。获得的结果与声波测试方法,和声波测试方法的局限性被张指出et al。10]。页岩的硬度和弹性模量进行了分析和讨论通过使用缩进技术,和宏观和微观力学性能之间的关系进行评估,和岩石力学参数计算模型在纳米尺度提出了陈et al。11]。通过nanoindentation技术、弹性模量、硬度、断裂韧性等力学参数的较低的层状页岩志留纪Longmaxi区域形成”“重庆东南部被施了et al。12]。通过nanoindentation技术,孔隙中的水-岩作用影响剪切花岗岩骨折的力学性能进行了研究,并发现花岗岩骨折长期浸泡后更容易受损,窦等。13]。页岩的微观力学性能从Longmaxi形成四川南部地区进行了研究,通过引入nanoindentation技术刘et al。14]。一组页岩样品的纳米和微机械的数据约束提供了宏观的力学性能由页岩微观结构由格雷厄姆et al。15]。有机质页岩力学性能上的影响研究了赵et al。16]。目前,很少有研究的纳米机械性质红色泥岩。

云南红泥岩强度低的特点,弱渗透性,和亲水性强,很容易分解,天气,和吸收后软化水。然而,macrotest抽样的成功率很低,非常困难。因此,它是非常困难的准备样品和实验室macrotests控制实验条件。上述问题在一定程度上可以避免nanoindentation技术从微观的观点。摘要nanoindentation技术是用来进行实验研究成果从三个不同的地区泥岩在云南省。纳米机械性能指标得到了来自不同地区的样本。残余压痕形貌的不同地区样本由SEM观察。结合岩石薄片检查,纳米机械之间的关系属性和取自泥岩的矿物成分在云南不同地区进行了分析。结果揭示了地区差异提供理论依据云南取自泥岩的宏观力学性能。

2。文中对纳米压痕技术的测试基本原理和测试程序的技术

2.1。文中对纳米压痕技术的测试基本原理

nanoindentation测试是连续控制的显微测量技术和测量载荷和位移。力学性能如弹性模量、硬度、断裂韧性测量在纳米尺度上的接触力学分析。nanoindentation测试,硬度计压头压逐渐进入样品,样品的弹性形变硬度计压头附近首先发生,和塑性变形的样品开始生产随着负载的增加。最后,一个匹配的压痕硬度计压头形状出现在示例。荷载位移曲线可以得到nanoindentation测试。机械指标如弹性模量和硬度的岩石在微观尺度可以计算的荷载位移曲线,如图1。具体计算方法如下: 在哪里负载(mN),硬度计压头位移(nm),最大硬度计压头位移(nm),材料刚度(N / m),材料硬度(GPa),是接触面积(纳米²),材料泊松比,降低模量(GPa),材料弹性模量(GPa),是一个常数与硬度计压头几何形状有关,硬度计压头弹性模量(GPa)和1141 GPa,然后呢硬度计压头是泊松比为0.07。

为一下普氏硬度仪,硬度计压头之间的关系联系的深度和投影面积接触面积如下: 在哪里硬度计压头中心轴之间的夹角和硬度计压头,65.27°。因此, 。 是深度接触,如图2。具体表达式如下:

在哪里是常数与硬度计压头形状。对一下硬度计压头, 。

2.2。断裂韧性计算

断裂韧性( )是材料的固有属性,代表了在外部负载(下抵抗裂纹扩展的能力18]。它可以计算与能源利用nanoindentation测试分析方法。虽然压痕试验是一种无损检测,用于评价材料的弹性性质在大多数情况下,裂纹尖端的应力强度因子达到临界值随载荷的增加(19]。换句话说,缩进过程中有两种情况。一个是没有微裂纹和整个压痕过程是一种弹塑性变形过程;另一个是裂缝继续启动和传播随着负载的增加。

的原则确定岩石断裂韧性与能量分析方法如下。

根据程的理论(18),总输入能量( )是断裂能量的总和( ),塑料能量( ),和弹性能量( ),如图3。断裂能量可以表示如下: 总能量的关系( )和塑料能量( )如下:

总能量的计算公式( )如下:

根据线弹性断裂力学,临界能量释放率( )是单位面积上的能量释放在裂纹扩展过程中,可以计算如下: 在一下硬度计压头, 。

因此,断裂韧性可以表示如下:

2.3。Nanoindentation实验设备

nanoindentation测试进行的安捷伦nanoindenter G200,如图4。最大负荷500 mN和负载决议是50 nN。这个测试一下硬度计压头选择。最大硬度计压头位移为1.5毫米。的最大压痕深度是500μm,位移分辨率为0.01 nm。

2.4。实验的程序

代表泥岩样品从楚雄三个区域,京东,和云南南华先后命名示例1,样品2和样品3,如图5。

压痕区域设置为点阵。楚雄的点阵(示例1),京东(样2),和南华(样本3) , ,和 ,分别。缩进点的水平和垂直距离是50μm。具体的实验过程如下。

2.4.1。切割样品

大量取自泥岩样品正是削减。不规则取自泥岩块切成薄片厚度约5毫米和截面 。

2.4.2。抛光样品

样本抛光用600 - 800 - 1000 - 2000 - 3000 - 5000 - 7000 -砂纸在序列。7000 -砂纸抛光时间不少于0.5小时,以确保样品表面是平的,光滑。

2.4.3。清洁样品

样本与无水乙醇超声清洗,使样品表面无杂质。

2.4.4。干燥的样本

最后,样本被放置在烤箱50°C不少于24小时,以确保样品是完全干燥。之后,样本在密闭容器中存储供以后使用。准备样本取自泥岩如图6。

2.4.5。观察样品表面微观结构

样品表面微观结构观察发现相对光滑,平坦的区域。这个区域应该能够把一定数量的点均匀,避免浓密的效果。

2.4.6。加载阶段

loading-holding-unloading模式是采用nanoindentation测试。最大负荷100 mN。装运时间和卸货时间都是15秒。保持时间是10年代。加载时曲线如图7。设置参数后,项目开始做nanoindenter点。具体的原理图如图8。

2.4.7。处理数据

使用的实验数据处理Nanosuite软件。

3所示。云南取自泥岩的纳米机械性能的比较分析

3.1。薄切片检查结果分析试验成果泥岩在不同的地区

云南取自泥岩的薄片中构造三个区域图所示9。它可以发现碎屑岩的内容示例1(楚雄)是52%,方解石含量是27%,绿泥石含量是6%,和碎屑石英晶体含量是15%;石英晶体含量的样品2(京东)是36%,方解石晶体含量是14%,绿泥石含量是12%,褐铁矿内容是25%,和玉髓内容是13%;方解石含量的样品3(南华)是34%,碎屑岩含量是41%,绿泥石含量是6%,碎屑晶方解石含量6%,碎屑石英晶体含量是13%。

3.2。残余压痕形貌的分析成果泥岩在不同的地区

比较分析云南取自泥岩的残余压痕形貌如图三个区域10。在相同的加载和保持时间条件下,样品3(南华)最深的残余压痕,和SEM测试表明,该损害缩进是显而易见的。示例2(京东)最浅的残余压痕。压痕形态完成并通过SEM测试规模很小。样品的残余压痕深度1(楚雄)样品2和样品3之间。

3.3。分析纳米机械取自泥岩在不同地区的索引

云南取自泥岩样品nanoindentation荷载位移曲线的三个区域在图所示11。可以看出,样品3的缩进位移(南华)是最大的样品2和缩进位移(京东)是最小的在相同加载和条件。云南的nanoindentation位移时间曲线取自泥岩样品在三个区域如图12。可以看出,样本1的残余压痕深度(楚雄)是2073.00 nm,示例2的残余压痕深度(京东)是1540.45 nm,和样品的残余压痕深度3(南华)是2508.66海里。这表明样本2(京东)的力学性能最好,然后示例1(楚雄),和样品3(南华)最坏的打算。

弹性模量和硬度的统计分析图表云南取自三个地区泥岩数据所示13和14,分别。可以看出,弹性模量和硬度分布三个地区的云南取自泥岩符合正态分布。其中,示例2(京东)最小的弹性模量分布跨度,而示例1(楚雄)和示例3(南华)分布跨度大。结果表明,样品的弹性模量1(楚雄) GPa和硬度 GPa,弹性模量的样本2(京东) GPa和硬度 GPa,弹性模量的样本3(南华) GPa和硬度 平均绩点。由于石英晶体含量高的样品2(京东),其力学性能是最好的。

通过nanoindentation荷载位移曲线,样品1的断裂韧性(楚雄),样品2(京东),和样品3(南华)计算基于能量分析方法,如图15。样品1的平均断裂韧性(楚雄),样品2(京东),样品3(南华) MPa·米^0.5, MPa·米^0.5, MPa·米^0.5,分别。可以看出,断裂韧性的矿物质与大弹性模量相对较大。

4所示。讨论

的断裂韧性与弹性模量之间的关系在三个区域如图取自泥岩16,分别。可以看出,断裂韧性和弹性模量之间的关系是线性的。这是由于弹性模量的增加可以增加极限断裂强度,从而提高断裂阻力(20.]。

与macromechanical索引相比,弹性模量、硬度、断裂韧性取自泥岩更大。这是因为缩进头的大小非常小在nanoindentation测试中,和周围的矿物晶体缩进缩进头,相当于macrotest的围压效应对样本。围压下相应的机械性能将进一步研究在后续测试。

5。结论

的规划和建设云南高速公路和铁路网络,越来越多取自泥岩的工程灾害出现。理解和掌握取自泥岩的宏观和微机械性能对工程建设具有重要意义。以云南取自泥岩三个地区为研究对象,获得的细观参数对取自泥岩力学nanoindentation测试。微机械特性的比较分析成果泥岩在云南不同地区。主要结论如下:(1)样品的平均弹性模量1(楚雄) 平均绩点。平均硬度 GPa,断裂韧性 MPa·米^0.5。样品的平均弹性模量2(京东) 平均绩点。平均硬度 GPa,断裂韧性 MPa·米^0.5。然而,样本的平均弹性模量3(南华) 平均绩点。平均硬度 GPa,断裂韧性 MPa·米^0.5(2)样品的残余压痕深度1(楚雄)约2000海里,示例2的残余压痕深度(京东)约1500海里,和样品的残余压痕深度3(南华)约2500海里。这表明样本2(京东)的力学性能最好,然后示例1(楚雄),和样品3(南华)最坏的打算(3)它可以从纳米机械指标对云南取自泥岩的三个地区三个样本来自云南的中心,属于取自泥岩、但微机械性能有很大的不同。因此,可以推断,有伟大的宏观力学性能的差异,揭示了取自泥岩的分布的地区差异

数据可用性

可以按照客户要求所有的数据都包含在本研究通过与相应的作者。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

这项研究是由科技创新项目的中国云南省交通部(没有。:2019301),国家自然科学基金(没有。:52009107),中国博士后科学基金会(没有。:2019 m663943xb),陕西省自然科学基础研究计划(没有。:2020金桥- 627),开放研究基金的国家工程实验室地面交通天气影响预防(nel - 2020 - 02),和中国国家科技重大项目(没有。:2018 yfc1504906)。