制备岩石试样的高温预损伤方法及应用

通过高温加热预损伤试验,分析花岗岩密度、纵波波速、单轴抗压强度、劈裂抗拉强度、弹性模量随温度的变化规律,提出岩石加热损伤效应评价方法,并将高温损伤后的岩样应用到滚石碰撞试验中,以检验该方法的可行性。研究结果表明:随着加热温度升高,花岗岩的抗压强度、抗拉强度、弹性模量、纵波波速逐渐降低,当温度低于400℃时,变化幅度较小;在400~600℃时,试样的强度和弹性模量降低程度加剧;在800℃以上时,试样损伤严重,抗压强度、抗拉强度、弹性模量仅为常温下的10%~35%。因此,采用控制温度加热方法,可获得不同质量和不同物理力学性质的预损伤岩石试样。加热温度越高,滚石碰撞越破碎,高温损伤效应越显著。     

高温三轴应力下粗、细粒花岗岩力学特性研究

干热岩地热真正开发的是深层的干热岩地热,由于成岩环境的不同,深层花岗岩的矿物组成及细观结构与浅层花岗岩有较大差异。为揭示真正深层花岗岩特性用以指导干热岩地热开发,文章对中国山西芦芽山花岗岩(粗粒花岗岩)及中国山东鲁灰花岗岩(细粒花岗岩)高温(100～400℃)三轴应力下的热、力学特性差异进行了研究。试验得出,粗粒花岗岩热膨胀系数随温度的升高呈线性增加趋势,其热膨胀系数平均为细粒花岗岩的1.52倍,且在400℃时二者差值最大。粗粒花岗岩弹性模量随温度的升高呈先增后减的趋势,其随温度变化的阈值温度为300℃.此外,细粒花岗岩弹性模量为粗粒花岗岩的1.4～2.6倍,且差异会随着温度及围压的升高而增大。经显微观测可知,粗粒花岗岩含有的大量原生裂隙及其极端的非均质性导致了粗粒花岗岩更大的热应变以及更加劣化的力学性质,进而使得粗粒花岗岩在高温高压条件下拥有更高的渗透性。这为干热岩地热开发过程中高效率、低成本以及大范围地建造人工储留层提供了良好的地质基础。     

热损伤花岗岩三轴压缩蠕变破坏声发射及损伤演化特征

为探究深部高温高压环境对工程围岩蠕变性质的影响,开展了不同程度热损伤花岗岩的三轴分级蠕变加载试验,分析其声发射活动及损伤演化特征。研究结果表明：在分级蠕变加载中,当轴向应力达到1.50～1.65倍损伤应力σ_cd后,花岗岩损伤演化加快,达到(1.65～1.80)σ_cd后,发生加速蠕变破坏;在同一级加载中,随热处理温度升高,声发射活动在减速蠕变和稳态蠕变阶段减弱,在加速蠕变阶段增强;围压效应可以减弱热损伤对花岗岩蠕变特性的影响,围压与热损伤的耦合效应可以抑制蠕变过程的裂纹扩展,但当轴向应力增大、岩石失稳后热损伤对蠕变破坏加剧起控制作用;在分级加载过程中,随热处理温度升高,损伤变量的增长趋势先减缓后加快,600℃热处理试样损伤发展最快,常温试样次之,150℃和300℃热处理试样最慢;蠕变过程中剪切裂纹占比在35%～60%,随分级加载应力增大,微裂纹类型向剪切型转化;热损伤花岗岩矿物晶粒内和晶界裂纹有不同程度的发育,导致剪切裂纹占比随热处理温度升高而先减小后增大。     

热损伤大理岩波动特征及声发射特性试验研究

对常温至800℃热作用后大理岩波动特征及单轴压缩过程中的声发射特性和损伤演化进行研究，结果表明：高温后大理岩体积变大，质量与密度减小，600℃是质量与密度变化的阈值温度；随温度升高，峰值应力和弹性模量先增大后减小，峰值应变单调增加，纵波与横波波速呈线性下降，频谱面积、主频幅值和振幅下降，但下降速率逐渐减小；声发射振铃计数与应力-应变曲线有较好的对应关系，能够反映大理岩不同阶段的损伤演化规律；高温使大理岩由突发性破坏向渐进性破坏发展，破坏模式由剪切破坏向劈裂破坏转变.     

热处理对冻结砂岩物理力学性质的影响

为探讨低温环境下岩石遭遇高温后物理力学性质的变化,对热处理(25～900°C)后的冻结砂岩进行核磁共振及单轴压缩实验,重点分析热处理后冻结砂岩的孔隙特征及单轴压缩下的应力-应变关系。研究结果表明:在冻结温度恒定的情况下,砂岩的孔隙率、孔径分布、弹性模量、峰值应变及峰值强度都不断发生变化;在25～450°C时,孔隙率增长速率较快,在600～900°C时,增长速率较慢;随着温度的升高,孔径大于10 000 nm的孔隙占比不断升高,弹性模量下降;峰值应变随温度的升高而增大,在450～600°C时峰值应变有1个陡升阶段,增长幅度达76.35%;峰值强度在不超过300°C时变化不明显,在300～450°C时有一定下降,在450～600°C时反而增大,当温度继续上升至750～900°C时,峰值强度相比常温时依然有较大幅度增大。     

热处理温度对受载花岗岩能量演化影响试验研究

为了有效评估花岗岩在高温环境下的工作性能,对饱水和干燥两种状态下的岩石试样,设计了5个温度梯度的热处理试验,通过波速测试试验初步评估岩石的热损伤情况,并在此基础上,针对干燥热处理试样开展了轴向加载试验。结果表明,随温度增加花岗岩波速减小,并在500～600℃间波速出现明显下降,热处理温度越高岩石裂隙越发育。且相同热处理温度下饱和花岗岩波速大于干燥花岗岩;从常温～500℃处理的干燥花岗岩强度以恒定速率下降,而在600℃花岗岩强度显著减小,表明花岗岩在500～600℃间存在热应力损伤临界点;不同温度下花岗岩试件在峰前阶段表现为能量积聚,在峰后阶段表现为能量释放,温度越增加应变能释放梯度越缓慢,体现了高温对岩石延性的增强特性。     

加载速率对实时高温花岗岩三轴力学特性影响的实验研究

以未风化花岗岩为实验对象,在高温高压三轴力学实验系统上开展三轴压缩实验,分析了三种加载速率下岩样温度、围压对峰值强度、弹性模量的影响,探讨了岩样热损伤演化规律的加载速率效应,建立了花岗岩冷损伤方程。结果显示:在100℃时,加载速率增大,低围压区岩石由延性转向脆性,渐进破坏向突发失稳转变;在500℃时,加载速率增大,低围压区弹性模量硬化明显,失稳模式为准突发失稳;随着加载速率的增大,在低温30～200℃时峰值强度的增加显著,在较高温度200～500℃时峰值强度的增加幅度降低,随着围压的升高,加载速率使峰值强度增强作用降低;各级岩石温度条件下,加载速率与弹性模量相关性不显著;低围压时弹性模量增幅较大,高围压时弹性模量增幅较小;随着加载速率的提高,弹性模量损伤与岩石温度的关系由线性转变为非线性的临界围压降低。     

高强度螺栓高温后材料性能试验研究

为考察高强度螺栓高温后材料力学性能，对10.9级M22大六角头高强度螺栓高温冷却后试样进行拉伸试验，研究了不同加热温度、不同冷却方式下高强度螺栓材料的屈服强度、抗拉强度和弹性模量的变化规律.结果表明，两种冷却方式下，高强度螺栓材料力学性能的变化规律基本一致，当加热温度不超过400℃时，高强度螺栓材料的屈服强度、抗拉强度基本不受加热温度的影响；当温度不超过300℃时，弹性模量基本不变.随着温度升高，高强度螺栓材料的屈服强度、抗拉强度、弹性模量迅速下降，当温度达到600℃时，高强度螺栓材料的屈服强度、抗拉强度、弹性模量下降到常温的70%～78%.根据试验结果，拟合得到高强度螺栓高温后材料的屈服强度、抗拉强度和弹性模量的折减系数计算公式.屈服强度、抗拉强度的折减系数结果与部分文献的结果一致，但弹性模量折减系数相差较大，有待进一步研究.     

高温遇水冷却岩石循环加卸载力学性能试验研究

为研究高温遇水冷却后不同岩性岩石在循环加卸载条件下的物理特性和力学响应特征的变化规律,对高温遇水冷却后的花岗岩、大理岩及绿砂岩试件分别开展了单轴压缩和循环加卸载试验. 结果表明,当加热温度超过400 °C后,三类岩石的体积增长率显著增加,400 °C可以作为三类岩石物理参数发生突变的阈值温度.总体上,三类热处理水冷却岩石的单轴抗压强度随温度的升高而降低,但花岗岩在200 °C温度处理后峰值强度比常温时有所增加. 在循环荷载作用下,花岗岩滞回曲线接近于线性,上限应力较高且不可逆变形小;而绿砂岩和大理岩的上限应力低于花岗岩且变形较大.相同温度热冲击下滞回环宽度大小顺序为绿砂岩>大理岩>花岗岩.随循环次数的增加,三类高温遇水冷却岩样的塑性变形减小,弹性模量增大,试件强度较单轴压缩均有提高;随温度升高,破坏面裂纹更为发育,破裂岩屑更为细碎.      

热-液耦合作用下花岗岩单轴力学特性的实验研究

为研究热-液耦合花岗岩单轴力学性能及破坏方式,对花岗岩进行不同温度作用下的热-液耦合循环处理,采用单轴压缩试验分析其力学特征的变化规律。结果表明：(1)峰值强度随温度升高而增加,50-100℃,降低11.51%,100-150℃,降低1.77%;峰值应变与循环温度呈线性拟合关系,随温度升高,峰值应变降低;弹性模量随温度上升而先变大后减小,上升幅度较明显约123.21%。(2)峰值强度随循环次数增加出现不同变化,3次循环前均处于缓慢变化,后面变化明显,3-4次,降低19.87%,4-5次,上升22.70%;峰值应变与循环次数呈多项式拟合关系,3次循环时取得最大值;弹性模量与循环次数呈多项式拟合关系,3次循环时取得最小值。(3)峰值强度在等值线图中,50-100℃,以3次循环呈对称分布;峰值应变随循环温度升高和循环次数变多而降低;弹性模量等值线图中出现双峰模式,随着温度升高,循环次数变多,弹性模量增加。(4)应力-应变曲线大致经历压密、弹性、屈服、破坏4个阶段,发生脆性破坏。破坏分为劈裂、剪切。可见,热-液耦合作用对花岗岩的力学特性是有一定影响的。     

多孔Ti的正压氛围烧结条件及其影响

以高纯Ti粉为原料,在正压(<0.1 MPa,表压)高纯Ar保护下,对多孔Ti的制备条件进行研究。结果表明:Ti粉体中加入的黏结剂聚乙烯醇(PVA)和致孔剂NH4HCO3可通过300～350℃前期热处理除去;体积收缩率随烧结温度的升高和保温时间的延长而增大,当烧结温度>1 000℃时,可得到微观形貌圆滑、具有较粗烧结颈的Ti材料;在实验条件下保温时间从1 h延长至3 h,体积收缩率增加量可达10%;多孔Ti的密度随成型压力的增大而增大,在成型压力>230 MPa时密度随压力变化渐趋平缓;体积收缩率随成型压力的增大而降低,二者呈近线性关系,其中成型压力100 MPa时的试样体积收缩率可达27%;实验制备的多孔Ti在测试中发生塑性屈服,屈服强度可达222.36 MPa,显示了较高的屈服强度和较好的抗压性能。     

SiCp-A356复合材料变温下的力学行为

试验研究了SiCp-A356复合材料在变温条件下的力学行为.结果表明,SiCp-A356复合材料的屈服强度、拉伸强度和弹性模量随温度的升高明显下降.在20℃～150℃之间,表现为循环硬化,且硬化程度随温度升高而减弱;在200℃～300℃之间,表现为循环软化,且软化速率随温度升高不断增大.而松弛行为与一般金属材料通常具有的基本特征相似.在此基础上,建立了适用于制动盘结构分析的热弹塑性-蠕变本构模型,为进行制动盘应力应变场数值模拟和预测寿命提供了前提和基础.此外,还对SiCp-A356复合材料的微观断裂机制进行了分析.     

弹性模量对生物柴油喷油时刻影响的研究

为研究燃油喷射系统中燃油物理特性参数对喷油时刻的影响,基于燃油密度、体积弹性模量随温度和压力变化的经验公式,建立了柴油机泵—管—嘴燃油喷射系统喷油延迟计算模型。结果表明:随着压力增加或温度下降,燃油的密度和体积弹性模量都呈线性增长趋势,且两种生物柴油的密度和体积弹性模量较为接近,但与柴油的差异明显。在温度20℃及压力10 MPa时,生物柴油(大豆油甲酯)的体积弹性模量比柴油高约182.0 MPa,且随着压力的升高,两者之间的体积弹性模量差值变小,但生物柴油的体积弹性模量仍高于柴油。以某490柴油机的燃油输送系统为例,在温度40℃和压力20 MPa条件下,由于生物柴油(大豆油甲酯)的体积弹性模量高于柴油约132.2 MPa,从喷油泵泵油到喷油器针阀开启的这段行程中,其所需输运时间比柴油提前约0.5°CA。该方法简单快捷,研究成果可为燃油喷射系统的设计提供参考。     

高温对玄武岩纤维筋混杂纤维再生混凝土粘结性能的影响

通过中心拉拔试验研究玄武岩纤维(basalt fiber reinforced polymer, BFRP)筋与混杂纤维再生混凝土高温后粘结性能。选取体积掺量均为0.15%的玄武岩和纤维素纤维混掺再生混凝土中,目标温度为20、100、200、300、400和500℃。试验研究结果表明：相同温度条件下,混杂纤维的掺入有效提高了粘结强度;再生混凝土与BFRP筋的粘结弹性模量随着温度升高而逐渐降低;峰值粘结强度随温度升高出现先上升后降低的趋势;未掺入混杂纤维的随温度升高峰值粘结强度逐渐降低。建立了粘结-滑移曲线,且与试验结果吻合较好,可为BFRP筋与混杂纤维再生混凝土粘结性能研究提供一定的参考。     

高温遇水冷却石灰岩力学与声学性质研究

以石灰岩为研究对象,对加温遇水冷却后的岩样进行轴向压缩试验和声波测试,研究不同高温遇水冷却岩样的表观形态和力学性质的变化情况,分析力学与声学性质的关系。研究结果表明:随温度升高,高温遇水冷却干燥后岩样的颜色逐渐变浅,700℃时变为灰白色;峰值强度整体上呈减小趋势;当从常温升至500℃时,峰值应变逐渐增大,弹性模量和变形模量逐渐减小;高于500℃时,随温度升高,峰值应变先减小后增大,弹性模量和变形模量先增大后减小;随温度变化,弹性模量、峰值强度与纵波声波波速、横波声波波速间均呈现出良好的相关性。     

温度作用下花岗岩力学性质实验研究

对实时高温作用下(常温～850℃)和高温作用冷却后(常温～1300℃)花岗岩试件单轴受压破坏全过程进行了试验研究,得到了实时高温作用下花岗岩的全应力-应变曲线、高温作用冷却后岩石破坏全过程的力学特征和声发射特征。试验结果表明:实时高温作用下,花岗岩强度等力学性质连续劣化;高温作用冷却后,花岗岩在200℃～600℃的温度区间内出现了一个随温度升高强度不降反增的异常现象,在850℃之后,岩样强度降低,呈现出较明显的塑性特征,花岗岩结构发生脆塑性转变的相变行为;岩样承受900℃以上高温作用后,声发射信号强度降低,持续时间增长,尤其在峰值强度之后,残余塑性变形释放出较密集的声发射信号。随着岩样所受温度的升高,出现突发密集声发射信号的时间点延迟。     

高温下复掺纤维RPC立方体抗压性能研究

完成了108个70.7mm×70.7mm×70.7mm复掺纤维活性粉末混凝土(RPC)立方体试块高温下抗压试验.考察了聚丙烯纤维(PPF)和钢纤维复掺对RPC高温爆裂的抑制效果,研究了温度和复掺纤维掺量对高温下RPC立方体抗压性能的影响.结果表明:体积掺量2%的钢纤维和0.2%的PPF复掺能有效防止RPC爆裂,高温下立方体RPC的抗压强度也相对较高.100℃时RPC的立方体抗压强度比常温低,200～500℃时立方体抗压强度相比100℃时有所升高,600～800℃时立方体抗压强度相对500℃时降低.若钢纤维掺量相同,则20～300℃时,立方体抗压强度随PPF掺量增大而降低;400～800℃时,立方体抗压强度随PPF掺量增大而提高.若PPF掺量相同,则20～100℃时,立方体抗压强度随钢纤维掺量的增大而提高;200～800℃时,立方体抗压强度随钢纤维掺量的增大而降低;100～400℃时复掺纤维RPC的立方体相对抗压强度低于普通混凝土和高强混凝土,400～800℃时复掺纤维RPC的相对抗压强度则较大.基于试验结果,拟合出了不同纤维掺量的RPC高温下立方体抗压强度随温度变化的计算公式.     

沉积温度对NbN膜层微观结构的影响

利用有磁过滤器的等离子体沉积装置,在不同温度的Si基底上沉积氮化铌（NbN）薄膜,通过XRD,XPS,SEM等分析,研究了NbN薄的表面表貌与微观结构跟温度的关系,发现沉积温度对掺优取向有较强的影响：从室温到约300℃得到的薄膜在（220）峰表现出很强的择优取向,500℃（220）峰变得很弱,（200）峰表现出择优取向,但不明显,同时,膜层中N和Nb的原子比先随温度的升高而升高,后稍有降低,温度升高,δ-NbN的晶粒变大,室温到300℃很难得到完整的NbN膜,而在500℃得以的薄膜完整且光滑,膜层中得到单一的δ-NbN相。     

纳米TiO_2粉末的溶胶-凝胶法制备及结构分析

采用溶胶-凝胶法制备了纳米晶TiO2粉末。TiO2粉末的X射线衍射结果表明,所制样品的平均晶粒粒径随焙烧温度的升高而增大,在400℃以下焙烧的样品晶粒大小为4.7～10.6nm,500℃以上晶粒很快长大,600℃基本完成了从锐钛矿型向金红石型的转变。透射电镜结果显示400℃处理后晶粒尺寸为7～8nm;700℃处理后的晶粒尺寸达150nm。运用相变理论计算了晶粒长大激活能,结合晶界结构弛豫解释了粒径随热处理温度变化关系。     

高温影响下页岩岩石的声学特性实验研究

以四川盆地龙马溪组页岩为研究对象,研究了高温处理后页岩岩样物理性质的变化规律,讨论了温度对页岩岩石声波特性的影响,同时,也研究了高温影响下页岩岩石动弹性参数的变化规律。研究结果表明,当作用温度低于400℃时,温度对页岩表观颜色和物理性质影响较小,而当作用温度超过400℃时,页岩表观颜色逐渐由黑色变为灰白色,且页岩质量下降快、体积膨胀率上升快,造成页岩密度下降快;随着温度增加,页岩声波速度不断下降,且声波主频不断下降,而页岩声波衰减系数不断增大,且声波衰减系数对页岩热损伤效应的敏感性更强;随着温度增加,页岩损伤因子增大,同时,页岩动态泊松比也呈增大趋势,而页岩动态弹性模量、体积模量、剪切模量呈下降趋势。