液氮冷却作用下三类高温岩石力学性能试验研究

为了研究液氮冷却对高温岩石物理力学性能的影响，对不同温度下(25~350℃)的花岗岩、片麻岩和砂岩试样进行液氮冷却处理，开展了一系列的物理力学试验研究，结合微观观察结果分析了各类岩石的损伤机理.结果表明，提高加热温度能够加剧液氮对岩石内部结构的损伤，随温度的升高，岩石的孔隙率、峰值应变逐渐增大，而纵波波速、抗压强度和弹性模量则相反.高温和液氮冷却所产生的热应力导致岩石内部裂纹的萌生和扩展，且微裂纹主要沿石英矿物边界发育.随着加热温度的升高，微裂纹的数量呈逐渐增加的趋势，这是岩石宏观特性退化的主要原因.三类岩石对加热和液氮冷却处理的敏感度不同，这与岩石在成岩作用、矿物成分、胶结类型以及孔隙结构方面的差异有关.     

煤层顶板砂岩高温下超声传播特征分析

通过对鹤壁矿务局煤层项板砂岩试件在高温状态下和高温冷却后的超卢波测试，揭示了砂岩在高温状态下和高温冷却后的超声波传播随温度的变化规律，从声速、振幅和主频几个方面研究了在高温状态下和高温冷却后煤层顶板砂岩内损伤裂纹的发展变化过程。试验结果表明，在高温状态下和高温冷却后，振幅对岩石裂纹状态敏感程度大于声速和主题，振幅和声速随温度变化的曲线上存在着一骤降点，但各自反映的温度点有差异。其研究成果埘煤炭地下气化炉围岩在高温下的节理裂隙演化过程、组构和力学特性研究具有重要的作用和意义。     

活性粉末混凝土高温后超声研究及微观分析

为研究超声波法对活性粉末混凝土(RPC)高温后性能评价的普适性,进行100℃、200℃、300℃、400℃、500℃、600℃、700℃和800℃的高温试验,对比分析了相对波速、损伤度、相对主频和相对幅值4个参数与受热温度、抗压强度损失率的关系,并利用扫描电镜(SEM)研究了不同高温后RPC的微观结构变化.结果表明:对于活性粉末混凝土,采用损伤度和相对波速评价其高温后性能相关性较好,其中,拟合值与试验值相关性最好的是损伤度,能较准确地反映RPC的受损程度;而相对主频和相对幅值,其拟合值与实验值的相关性最小,评价结果差别较大;随着温度的升高,RPC内部缺陷开始增多,基体与纤维界面出现裂纹,微观结构不断恶化,抗压强度损失率增大.     

基于超声检测研究高温后高强混凝土轴心抗压强度

为研究高温前后聚丙烯纤维对高强混凝土轴压性能的影响,对掺与不掺聚丙烯纤维的C80高强混凝土棱柱体试件进行了轴压强度试验与超声检测,分析聚丙烯纤维对高强混凝土高温前后轴心抗压强度、混凝土质量损失、声速变化的影响。试验结果表明:高温后,高强混凝土的轴心抗压强度均存在不同程度降低;质量损失随温度升高而略微增大,在温度100,700,800℃作用后,与不掺纤维的混凝土相比,掺聚丙烯纤维的高强混凝土轴心抗压强度有一定提高(6%,1%,2%),借助超声法测试混凝土内部缺陷变化可以定性的得出高温后聚丙烯纤维有助于阻碍高温后混凝土内部缺陷发展,解释了高强混凝土轴压性能的变化规律。     

温度作用后花岗岩强度特性及矿物成分变化特征

文章基于传统三轴压缩试验,对温度作用后的花岗岩强度特性与破坏形式开展研究,借助X射线衍射仪,从微观角度上分析了强度劣化的相关机理。结果表明:在20~900℃范围内,随温度升高,试样色调变暖;单轴压缩下热处理岩样为对锥形或柱状劈裂破坏,三轴下均为剪切滑移破坏;除了300℃下抗压强度出现增强外,高温作用后花岗岩单轴抗压强度整体呈下降趋势;随温度升高,围压对强度的增强作用变得明显,但这种增强作用难以抵消高温对岩石的损伤劣化效果;在500℃及以下时,岩样主要成分的衍射信息未见明显变化;达到500℃后,在26.5°~27.0°衍射角内石英的衍射峰明显减小,27.5°~28.0°范围内斜长石的衍射峰完全消失。岩样矿物成分改变以及结晶态相变是导致高温作用后岩石力学性质与强度降低的重要原因。     

龄期对高温后高韧性水泥基复合材料力学性能的影响

研究了不同龄期超高韧性水泥基复合材料(ECC)试件高温后的残余力学性能.将ECC试件养护至不同龄期(1,3,7,28d),然后加热至不同温度(200,400,600和800℃),冷却后测量其力学性能.一般来讲,高温后ECC试件的强度和刚度会随着温度的升高而降低,但是在200℃时却有例外;温度相同时,ECC试件的强度和刚度随龄期的增加而增加,且早龄期时增加得非常快.高温前后ECC的微观结构特征可以通过扫描电子显微镜(SEM)法和压汞(MIP)试验分析,结果很好地解释了不同龄期的ECC试件高温后力学性能的变化.     

致密砂岩加热过程单轴抗压强度变化

为保证电加热技术在致密砂岩气藏增产时的井下安全,分析致密砂岩地层井周砂岩的单轴抗压强度变化规律,利用自研的高温岩样应变与声速测试装置、箱式电阻炉及50 KN力学实验机对高温状态下及高温冷却后的致密砂岩进行了单轴抗压强度试验,并结合热重分析、X衍射试验进行分析,研究表明：就抗压强度大小而言,高温状态下的砂岩试件普遍大于高温后（300 ℃时相反）;就变化趋势而言,高温状态下和高温冷却后的砂岩平均单轴抗压强度都在26~200 ℃阶段呈现上升的趋势,以及400~600 ℃阶段急剧下降,而在200~400 ℃阶段两组试验的变化趋势差别较大。针对本文中砂岩,其单轴抗压强度随温度的变化阈值存在于300~500 ℃这一区间内;对于高温状态下砂岩试件,当加热温度为200 ℃,砂岩的单轴抗压强度随恒温时间的增加而增大,而400℃时单轴抗压强度整体变化不大。研究结果对比揭示了高温下和高温后致密砂岩单轴抗压强度的不同变化规律,可为探究砂岩气藏井下电加热工程可行性提供参考。     

混杂纤维ECC高温后力学特性与微观结构变化

为利用玄武岩纤维的高强度、高熔点特性来提升高延性纤维增强水泥基复合材料(ECC)的高温力学性能,试验测试了混杂玄武岩-聚乙烯醇(PVA)纤维和单掺PVA纤维ECC从常温至400℃的抗压和抗弯力学性能,并结合扫描电镜(SEM)观察不同温度后的材料微观结构变化.结果表明:混杂纤维ECC的高温后抗压强度较常温有所提升,其高温后抗压韧性优于单掺纤维体系;随着温度升高,混杂纤维ECC的高温后峰值荷载和极限挠度下降速率要低于PVA纤维延性材料,但400℃时仍表现为显著的脆性破坏;PVA纤维熔化和纤维-基材界面性能退化是造成混杂纤维ECC高温力学性能下降的主要原因.     

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。     

高温作用后混凝土损伤与耐久性能评价

通过测定不同的高温作用后混凝土的剩余强度、氯离子渗透性能以及超声波在混凝土中的传播速度,研究高温对混凝土的损伤规律.试验结果表明:随着温度的上升,混凝土的强度先升高后降低,混凝土的非稳态氯离子迁移系数持续增大,耐久性能降低;当环境温度达到800℃时,虽然混凝土仍然有一定的剩余强度,但是混凝土的耐久性已完全丧失.同时,随着温度的上升,混凝土内的超声波传播速度减小,且声速变化与强度以及耐久性能变化呈现较强的相关性.基于试验研究结果,建立了运用现场声速检测结果评价混凝土剩余强度与耐久性能的计算公式.     

含水富有机质页岩重复升温热激增渗实验

水力压裂可提高页岩气井产量,但改造尺度多集中于毫米级裂缝,难以沟通微纳孔隙和天然微裂缝,且压后大量压裂液滞留易形成水相圈闭损害,阻碍气体多尺度传输.选取四川盆地下志留统龙马溪组富有机质页岩,模拟水力压裂后页岩储层热处理,开展了加热速率为5 ℃/min干燥页岩重复升温与加热速率为10 ℃/min含水页岩重复升温热激实验,...     

基于共线异向混频技术的不可见疲劳裂纹定位

对金属构件中不可见疲劳裂纹进行有效的检测是保证其安全服役的关键因素,本研究利用共线异向混频技术对不可见疲劳裂纹进行检测和定位。当两列共线异向超声波在金属构件内相遇时,会与疲劳损伤发生非线性相互作用。研究结果表明,随着试件疲劳裂纹长度的增加,混频非线性系数单调递增,这与材料内部微观结构的变化密切相关。此外,通过控制两激励信号的延迟时间,使两列激励信号的相遇位置沿试件的水平方向由左向右移动,利用和/差频信号幅值最大值所对应的延迟时间对不可见疲劳裂纹进行定位。因此,利用共线异向混频技术可以对金属构件内部的不可见疲劳裂纹进行有效的检测和定位。     

超声波法评价不同类型混凝土高温后性能和参数的比选

为研究超声波法评价不同类型混凝土高温后性能的普适性,对普通混凝土、高强混凝土和掺聚丙烯纤维的高强混凝土进行200℃、400℃、600℃、800℃的高温试验,对比分析了3种不同类型混凝土的相对波速、相对幅值和损伤度3个参数与受热温度、抗压强度损失率和抗折强度损失率的关系。结果表明:对于3种不同类型的混凝土,采用损伤度和相对波速评价混凝土高温后的性能具有同一性结果,其中,损伤度的拟合值与实验值的相关性最大,能直观地反映出混凝土的受损程度;而对于相对幅值,拟合值与实验值的相关性最小,对3种不同类型混凝土的评价结果差别较大,不具有同一性。     

陶瓷纤维增强混凝土高温损伤的超声特性

通过超声波检测和抗压强度试验对高温后陶瓷纤维增强混凝土（CFRC）的损伤特性进行了研究,分析了加热温度和冷却方式对抗压强度、纵波波速和主频带来的影响。分析表明,随着温度的升高,CFRC性能不断劣化,抗压强度、纵波波速及主频总体呈下降趋势;400 ℃为CFRC性能突变的临界温度,400 ℃之前,其劣化程度较小,且抗压强度与主频在400 ℃时有所回升,400 ℃之后,劣化速率明显增大,结构性能急剧下降;同自然冷却情况相比,浇水冷却后CFRC各项性能指标下降更为严重;纵波波速在1.0～3.5 km/s内与抗压强度具有正相关性,在3.5～4.5 km/s内两者相关性不确定。利用纵波波速定义的损伤变量能较好地反映高温后CFRC内部损伤的演化规律。     

混凝土非均匀性对超声波衰减作用的模拟分析

为深入了解超声波在混凝土中的衰减特征和混凝土随机非均匀性的对应关系,首先,基于数字图像处理技术以混凝土骨料的含量、粒径为变量,建立了混凝土的数字模型;其次,引入Kelvin-Voigt本构关系表征超声波传播过程中的粘弹性;再次,应用谱比法分别测量了骨料和水泥砂浆的品质因子参量,并将其引入超声波控制方程;最后,在此基础上采用交错网格有限差分方法模拟了超声波在混凝土中的传播,并从能量和频率角度分析了骨料粒径、骨料含量、水泥砂浆波速和品质因子等随机参数对混凝土中超声波传播的影响。研究结果表明：超声波散射衰减对混凝土随机性最为敏感,是造成超声波能量衰减的主要衰减模式;粘弹性虽然会进一步造成能量的衰减,但是相比于散射其影响可以忽略;对混凝土进行超声波无损检测的建议入射频率为50-100 kHz。研究为建立混凝土性能特征和超声波传播参数之间的映射关系提供了有益参考。     

基于超声检测的废弃纤维再生混凝土弹性模量试验研究

为研究长期持荷损伤后再生骨料取代率和废弃纤维掺入对再生混凝土弹性模量的影响规律,制备了再生骨料取代率为0、50％、100％,废弃纤维体积掺入量为0.08％的废弃纤维再生混凝土试件,进行了混凝土标准弹性模量试验和超声波无损检测试验.结果表明:弹性模量与超声波速呈线性正相关,在宏观尺度上表现为抵抗弹性变形的能力减小,在细观...     

低渗储层全直径岩心对CO_2相变影响的实验研究

为了研究储层孔隙介质对CO2注入地层后相态的影响情况,建立了真实岩心中相变的超声波测试方法.对比CO2在低于临界温度26.0℃和高于临界温度48.0℃两种情况下,分别在超声波测试装置、空筒、DBRPVT分析装置中的相变情况.对比可以得出:①在临界温度以下,孔隙介质的存在对CO2相变点的影响不大;②临界温度以上时,孔隙介质的存在使CO2的p-V关系曲线的拐点值有比较大的降低,从空筒中测试的10.89 MPa降到5.51 MPa;③温度对CO2在孔隙介质中的p-V关系曲线的拐点的影响比较小;④超声波在测试孔隙介质中CO2的相变点时,振幅变化比较明显,时差的变化比较小.     

铜基和钯基催化剂对甲醇加热裂解规律的影响

采用电加热装置加热甲醇,在 Cu/ZnO/Al2O3（铜基）和纯金属 Pd（钯基）两种催化剂作用下发生裂解反应,通过气相色谱仪对甲醇裂解产物进行分析研究．测量发现,甲醇经过加热催化后其气体的主要成分是 H2、CO、CH4、水蒸气和甲醇蒸汽．对其研究表明：H2体积分数峰值出现在铜基催化剂的高环境温度区域,而钯基催化剂明显有两个温度区域,分别是300,℃和500,℃的温度区域;CO 和 CH4的体积分数在所有的测试点都比较低,均小于3.0%;水蒸气体积分数在铜基催化剂下当环境温度250,℃时最大,最大值接近38%;而钯基催化剂下峰值出现在350,℃,接近17%;甲醇裂解率峰值出现在铜基催化剂的高环境温度区域,在钯基催化剂下则有两个温度区域,分别是300,℃和500,℃;催化前入口温度和催化后出口温度都随甲醇流量的增加而降低．     

可自修复的高延性混凝土(ECC)在机场道面的适用性分析

在飞机荷载与环境荷载长期共同作用下,机场道面易出现裂缝、接缝和竖向位移类病害,使运营阶段维修成本高.提出将具有自修复功能的高延性水泥基材料(ECC)用于机场道面,以控制裂缝发展、实现无缝连接;并利用ECC因二次反应而使微裂缝愈合的特性,减少路面维护工作,延长使用寿命.通过试验手段研究了ECC材料应用于机场道面的力学行为、自修复行为和早期开裂潜能.试验结果表明:机场道面用ECC材料在拉伸荷载作用下,其拉伸应变可达3.67％(约为普遍混凝土的400倍);在弯曲荷载作用下,其竖向弯曲变形可达6.33 mm;抗压强度与弯曲强度分别为43.9 MPa和12.68 MPa,可满足机场道面的使用要求.在受约束条件下,ECC表现出较低的早期开裂潜能.由于自修复能力,裂损ECC的拉伸刚度、拉伸应变与拉伸强度几乎可恢复至未裂时的程度;其水渗透系数随自修复进程逐渐降低,最终达到未裂时的渗透水平.研究结果表明ECC材料用于无缝机场道面具有较高适用性.