高温后花岗岩力学性能的试验研究

对经历不同高温后花岗岩的力学性能进行了试验研究，分析了花岗岩应力．应变曲线、峰值应力、峰值应变、弹性模量和泊松比等的变化情况。研究结果表明，经历400℃以内的高温后，温度对花岗岩的力学性能的影响不明显。但经历的温度超过400℃后，随受热温度升高花岗岩力学性能迅速劣化，花岗岩峰值应力(或强度)和弹性模量急剧降低，而峰值应变迅速增长。高温后花岗岩泊松比随经历高温的增加而呈减少趋势。     

高温循环后花岗岩孔隙结构与物理力学特性演化规律研究

探究高温循环下岩石内部孔隙演化及其对物理力学特性的影响,对核废料地质处置、地热开发等地下工程的长期稳定性分析具有重要意义。为了定量分析高温循环对花岗岩孔隙结构及物理力学性质的影响,综合利用扫描电镜、差热分析等方法研究25℃～800℃高温循环下花岗岩的表面特征、质量、体积、纵波波速、抗拉强度、孔隙度、孔径分布和微观结构等演化规律。研究结果表明：(1)随着温度升高,花岗岩的表面裂纹、色差、质量损失率、体积膨胀率、纵波波速衰减率不断增加,抗拉强度逐渐减小,当T>500℃后,花岗岩的物理力学参数变化显著,在5次热循环后,岩石物理力学参数的变化更加明显。(2)高温能够促进花岗岩孔隙发育,岩石内部微、小孔隙逐渐生长并连通形成中、大孔隙,造成岩石孔隙连通性增强,且热循环会进一步增加孔隙结构之间的连通性,导致中孔和大孔占比上升,孔隙率进一步增大。(3)高温循环下花岗岩物理力学性质劣化与其内部孔隙结构的变化密切相关,质量损失率和体积膨胀率随等效平均孔隙半径的增大呈线性增加,纵波波速和抗拉强度随等效平均孔隙半径的增大呈指数型增加。(4)高温下花岗岩会发生脱水、石英相变、矿物氧化、化学键断裂等物理化学...     

花岗岩经历不同高温后纵波波速分析

对25块花岗岩试件在经历不同高温前后测试出其纵波波速并由测得的纵波波速计算出花岗岩的动力弹性模量，同时应用力学的常规压缩方法直接测试计算了岩石的静力弹性模量，分析了经历不同高温后花岗岩纵波波速和弹性模量的变化规律。测试结果表明，经历高温后花岗岩的纵波波速有不同程度的减少，而且随加热温度的升高，减少的幅度增大。另外，动力弹性模量的变化幅度要远大于静力弹性模量的变化幅度，这说明经历高温后岩石纵波波速的变化比力学性质的变化更剧烈。     

高温作用下花岗岩的声发射特征研究

 通过MTS810材料测试系统及AE21C声发射检测仪对山东临沂花岗岩在20 ℃～800 ℃单轴压缩下的声发射特征进行试验研究,分别分析升温过程中花岗岩振铃计数率随时间的变化规律以及加载过程中花岗岩的声发射特征参量与应力–应变之间的关系。研究表明：升温及加载过程中,花岗岩声发射振铃计数率随着温度升高而增大,声发射活动也变得更频繁;其声发射参量在400 ℃～800 ℃高温后与高温下有较大差别,高温后的声发射参量明显低于高温下,岩样内部裂纹较少以致高温后花岗岩的强度等力学指标要优于高温下;各温度段高温下声发射振铃累计数都要高于高温后,尤其在800 ℃时,两者相差超过1倍;800 ℃前花岗岩岩样主要呈劈裂和剪切破坏为主的脆性破坏,未出现强烈的塑性破坏;高温使储存的能量显著增多并加速能量耗散,能量的耗散和弹性能的释放使岩石的强度减小,宏观裂纹增多并最终破坏。     

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。     

Stanstead花岗岩动态断裂性能

 采用一种新的方法研究Stanstead花岗岩的动态断裂性能,包括起裂韧度、断裂能、传播韧度和裂纹传播速度。该方法采用分离式霍普金森压杆加载的带预制裂纹的半圆盘三点弯试样,同时采用激光位移计监测试样的裂纹面张开位移。在动态力平衡的条件下,起裂韧度由准静态公式计算得到。通过裂纹面张开位移数据推算出2个碎片的残余动能,从而计算出平均传播断裂能和传播韧度。裂纹传播平均速度由黏接在试样上的一系列裂缝计测量得到。试验结果表明,该花岗岩的起裂韧度和传播韧度都与加载速率有关,传播韧度大于起裂韧度,传播韧度随着裂纹传播速度的提高而提高。通过裂纹传播速度和传播韧度的关系拟合得到材料的止裂韧度及裂纹传播极限速度。得到的Stanstead花岗岩与Laurentian花岗岩结果对比表明,Stanstead花岗岩颗粒较大,起裂、止裂韧度较小;Laurentian花岗岩颗粒较小,传播韧度较小,裂纹传播极限速度较大,裂纹容易传播。     

高温后两种晶粒花岗岩破坏力学特性试验研究

晶粒尺寸对花岗岩高温力学行为有着较大影响,进而也影响高放核废料处置库的安全稳定.基于此,选择两种不同晶粒花岗岩进行高温后巴西劈裂及常规三轴压缩试验,分析其物理力学参数随围压及温度的演化规律,结果表明,粗晶花岗岩较细晶花岗岩含有较多缺陷,总体上其强度及弹性模量较细晶花岗岩低,同时粗晶花岗岩对温度更加敏感.但在高围压下粗晶...     

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。     

高温后混凝土断裂性能研究

基于双K断裂韧度准则,对高温后混凝土Ⅰ型断裂性能进行试验研究,得到了历经65,120,200,300,350,400,450,500,600℃高温后混凝土试件的烧失量w.采用楔入劈拉法测得高温后试件荷载-裂缝开口位移(p-CMOD)全曲线,并据此计算出相应温度下混凝土试件的起裂韧度Kini、失稳韧度Kic、断裂能GF以及特征长度值lch.结果表明:随着受火温度的上升,Kini单调下降,而Kic,GF变化趋势为"保持不变—上升—下降";lch随温度的变化规律与Kic和GF随温度的变化规律一致,说明三者均可以作为高温后混凝土的延性指标.     

高温后页岩轻骨料混凝土断裂特性

为研究页岩轻骨料混凝土Ⅰ型断裂性能随温度的变化规律,对页岩轻骨料混凝土试件进行100,200,300,400 ℃加热处理,自然冷却至常温。采用三点弯曲梁法对15个缝高比为0.4的轻骨料混凝土小梁进行断裂试验,依据荷载-跨中挠度曲线计算断裂能及断裂韧度。结果表明:起裂韧度与失稳韧度均随温度升高先上升后下降,起裂韧度的转折点在200 ℃左右,失稳韧度的转折点在300 ℃左右; 黏聚韧度呈现下降—上升—下降的趋势,其随温度变化规律与起裂韧度、失稳韧度存在较大的关联性,当温度为300 ℃时裂尖端的黏聚力阻止裂缝扩展的能力最为显著; 断裂能呈现出基本不变—增大—减小的3个变化阶段,当温度为200 ℃左右时断裂能达到最大值,断裂能随温度变化规律的拟合曲线上升段为二次抛物线,下降段为直线; 在所研究的温度范围内,页岩轻骨料混凝土的断裂性能受高温影响较为显著; 所得结论为高温状态下轻骨料混凝土结构裂缝扩展研究和结构设计提供了试验依据。     

高温后花岗岩冲击破坏行为及波动特性研究

 采用SRM–5N超声检测分析仪和高温分离式霍普森压杆(SHPB)系统装置,分别对不同高温后花岗岩的波动特性和动态力学特性进行试验研究,分析不同温度条件对花岗岩纵波波速、波形频谱的影响,研究高温后花岗岩的动态抗压强度、峰值应变以及冲击破碎形态的变化情况。试验升温等级设为25 ℃,100 ℃,200 ℃,400 ℃,600 ℃,800℃,1 000 ℃七个等级,升温速度为10 ℃/min。试验结果表明：(1) 随着温度的增高,花岗岩试样的热损伤总体上呈逐渐增大趋势。但是100 ℃之前热损伤有所降低,出现负的热损伤,随后热损伤不断增加,直到600 ℃以后热损伤增幅开始变缓。(2) 随着温度的升高,试样的动态抗压强度总体减小,峰值应变总体增大;但是在110 ℃左右,抗压强度有所增强,峰值应变有所减小;600 ℃之后抗压强度和峰值应变分别显著减小和增大。(3) 推断110 ℃左右为花岗岩一个阈值温度,在这个温度之前,温度的对花岗岩产生负损伤,花岗岩强度增强;推断600 ℃～800 ℃范围内存在为花岗岩另一个阈值温度,超过这个温度花岗岩的力学性能发生显著变化。该方法和成果可为岩体工程施工、防火设计以及火灾后评估修复提供一定参考价值。     

三点弯曲下热处理北山花岗岩的断裂特性研究

针对我国未来高放核废料地质处置等重大工程实际需要,开展热处理后岩石的断裂破坏行为研究具有重要意义。以我国未来可能的核废料储库选址地北山花岗岩为研究对象,通过带加载SEM高温试验系统对经过热处理后的花岗岩进行三点弯曲破坏试验,在25 ℃～100 ℃范围内,北山花岗岩以脆性破坏为主。在低应力作用下,裂纹扩展主要受到应力集中及多种矿物力学行为及它们之间的黏结力作用大小的影响,最终裂纹的萌生主要发生在矿物颗粒之间较弱的胶结面上,裂纹初始扩展角主要由这些矿物颗粒之间夹角来决定,因此裂纹初始扩展角通常与水平面有个夹角;随着荷载继续增加后,裂纹会逐渐沿着水平方向扩展,这个主要方向的矿物承受了最大的弯曲拉应力,而岩石的抗拉强度通常很低。室温到100 ℃的范围内,花岗岩平均断裂韧性几乎不发生变化,稍微的波动可认为是花岗岩的非均值性所造成的。通过数字散斑相关计算方法实现岩石细观尺度变形全场测量。测量结果表明,各个矿物颗粒表面发生较为复杂的变形,多个矿物颗粒界面两边发生完全相反方向的位移,这表明界面两边颗粒受到拉应力作用。尽管在初始阶段,变形主要发生在弯曲拉应力最大界面,但最终破坏可能发生在另外地方,这时的破坏主要受到非均匀的弱面所控制。可见,细观尺度岩石的破坏受到最大应力状态处与岩石的非均质处变形的综合影响。     

花岗岩断裂韧度的高温效应

本文对作为核废料贮存母岩的花岗岩断裂韧度的高温效应进行了比较系统的研究。在室温至300℃范围内,获得了直接测定的花岗岩临界应力强度因子K_1C随温度变化的规律性试验结果。发现了一个门槛温度。高于这个门槛温度,花岗岩断裂韧度迅速下降。结合电镜观察,对该现象的机理进行了分析。本文指出,门槛温度应作为选择核废料贮存母岩的重要指标之一。     

三峡船闸花岗岩亚临界裂纹扩展试验研究

采用双扭试件和自行研制的加载装置,对三峡船闸花岗岩进行了亚临界裂纹扩展试验研究。采用ＵＣＡＭ５Ｂ自动巡回监测仪量测加载过程中试件的位移和应变。根据试验结果,得到了花岗岩亚临界裂纹扩展速度与应力强度因子之间的关系和花岗岩的断裂韧度。由于试验方案设计合理,试验结果可靠     

含双缺口北山花岗岩的热力耦合断裂特性试验研究

 通过带加载SEM高温试验系统对含双预制缺口北山花岗岩进行原位观察热力耦合破坏试验研究。研究表明,北山花岗岩的矿物成分及花岗岩矿物颗粒粒径差异较大,这些矿物具有不同的热学和力学性质(或硬度),这将大大影响花岗岩的破坏机制及断裂韧性,热开裂、力诱发微裂纹的萌生、扩展和贯通等受到热力耦合机制的综合影响,并且这些机制反过来也将影响其他的机制,如渗流场及化学场的变化。对于北山花岗岩I型断裂而言,裂纹的扩展主要受到与其垂直方向拉应力的影响,但试件较大的原生缺陷和较大矿物颗粒对花岗岩的断裂路径影响不容忽视。特别是随着温度的变化,花岗岩的断裂机制将发生变化,低温以沿颗粒(沿晶)断裂为主,而高温以沿颗粒(沿晶)和穿颗粒(穿晶)耦合断裂机制为主。试验表明,75 ℃之前花岗岩的平均断裂韧性约为4.728 MPa•mm1/2,而75 ℃之后的平均断裂韧性为3.048 MPa•mm1/2,前后断裂韧性降低了35%左右,这主要是因为温度的升高直接导致热开裂增多,且矿物颗粒之间的胶结作用明显减弱,这逐渐影响了花岗岩的断裂韧性,进而将影响其渗流场和化学场,可见高放核废料储库设计中温度的影响不容忽视。     

高温后混凝土残余断裂韧度性能的确定

对高温后混凝土Ⅰ型断裂性能进行了试验研究。试件几何形式统一采用《水工混凝土断裂试验规程》推荐值,历经65、120、200、300、350、400、450、500和600℃高温。采用楔入劈拉法测得高温后试件荷载—裂缝张开口位移(P-CMOD)全曲线,并据此计算相应温度下混凝土试件的起裂韧度KIQC、失稳韧度KSIC,得到随着受火温度的上升,KIQC单调下降,而KISC变化趋势为"保持不变-上升-下降"。     

高温后混凝土断裂性能的试验研究及有限元分析

对高温后混凝土I型断裂性能进行了试验研究。设置20～600℃共10组温度,采用楔入劈拉法测得高温后试件荷载-裂缝张开口位移(P-CMOD)全曲线并记录各温度下混凝土试件烧失量w。基于试验结果,计算各温度下试件断裂韧度Kic、断裂能GF和特征长度lch,并分别和烧失量w建立关系。研究表明三者随烧失量变化的趋势一致,说明可以用烧失量来体现高温下混凝土的断裂性能。利用ABAQUS有限元软件对试件的断裂过程进行模拟,得到各个温度下的P-CMOD曲线并与试验结果对比来验证模型的合理性。     

高温高压下花岗岩中钻孔围岩的热物理及力学特性试验研究

 采用自主研制的20 MN伺服控制高温高压岩体三轴试验机,对f 200 mm×400mm的花岗岩体内含f 40 mm的钻孔在600 ℃以内及6 000 m埋深静水压力下钻孔围岩的热弹性变形进行深入的试验研究。根据热弹性变形试验结果反演计算出高温高压下钻孔围岩的热物理及力学特性参数,并对钻孔围岩的热物理及力学参数进行认真细致的分析。研究结果表明：(1) 高温不同埋深应力下钻孔围岩的热变形可分为3个阶段：低温热变形微弱阶段,中高温热变形快速增长阶段,高温热变形平稳阶段,且埋深(即应力大小)对于钻孔围岩的热变形具有明显的影响;(2) 高温高压下含有钻孔的花岗岩体以剪切方式破坏,花岗岩体在经历500 ℃～600 ℃的高温仍呈现出脆性特征,岩体破坏的条件为6 000 m埋深静水压力,600 ℃左右;(3) 高温下钻孔围岩的弹性模量随温度的升高呈负指数规律减小;(4) 高温下钻孔围岩的泊松比随温度的升高总体呈增大的趋势;(5) 高温不同埋深应力下钻孔围岩的热膨胀系数不同,埋深对钻孔围岩的热膨胀系数具有很大影响。研究结果可为高温岩体地热开发深钻施工及钻井围岩稳定性维护提供理论依据与技术储备。     

细观组构特征对含U型切槽岩石梁断裂特性的影响规律

为了揭示细观组构特征对岩石断裂特性的影响规律,基于临界距离理论,建立含U型切槽岩石梁表观断裂韧度KIN与固有断裂韧度KIC、临界距离L以及切槽半径ρ的理论关系,提出确定KIC与L的新途径。采用离散元数值方法,通过构建不同矿物晶粒粒径、不同非均质性的岩石晶粒离散元模型,开展含U型切槽岩石梁的三点弯曲数值模拟实验,结合理论分析结果,获得岩石表征断裂韧度、固有断裂韧度与临界距离;分析矿物晶粒尺寸与非均质性对岩石断裂韧度与临界距离的影响规律。研究结果表明：通过数值实验直接测定的岩石断裂韧度、临界距离值与理论求解得到的结果相符,数值实验具有较高的可靠性。细观组构特征对岩石的断裂特性具有显著影响,随着矿物晶粒尺寸增大,岩石的断裂韧度KIC逐渐减小,临界距离L逐渐增大;随着岩石非均质性的增大,断裂韧度KIC与临界距离L逐渐减小。     

经历高温后花岗岩与混凝土力学性质的试验研究

对经历高温后的花岗岩和高强混凝土的力学性能进行了试验研究。比较分析了经历不同温度作用后花岗岩和混凝土的应力-应变全过程曲线、峰值应力、峰值应变和弹性模量的变化情况。研究表明:随受热温度的升高,花岗岩和高强混凝土的强度、弹性模量逐渐下降,峰值应变逐渐增大。高温后花岗岩具有明显不同于高强混凝土的特点,受热温度低于400℃,花岗岩的力学性质变化很小,而混凝土的力学性质迅速劣化。高温对混凝土力学性质的影响程度比对花岗岩要明显。