酸性环境干湿循环作用下红砂岩动态力学特性研究
发布时间：2021-11-15 05:31
在库区高陡边坡、堤坝、地下工程围岩等岩石工程领域,受地下水位升降、降雨、库区水位波动等因素的影响,部分岩土体长期处于干湿循环交替的环境中。与常规静载条件相比,在机械采掘、爆破、岩爆和地震等动荷载的扰动下,处于高应变率和干湿循环耦合作用下的岩石力学特性及损伤破裂机理具有本质的区别。针对上述工程实际需要,以红砂岩为研究对象,本文综合运用试验研究、理论分析等方法,借助SEM扫描电镜等分析手段,对酸性环境干湿循环作用下红砂岩的动力学特性及损伤破裂机理进行了系统的研究,主要工作及研究内容如下:（1）对酸性环境干湿循环作用下红砂岩的密度、纵向波速、吸水率、单轴抗压强度、抗拉强度等物理力学参数进行了测试,分析了上述物理力学参数随干湿循环次数和pH的演化规律,并通过扫描电镜对试样的外观形貌进行了观测,对比分析了中性溶液及酸性环境干湿循环作用下红砂岩的损伤劣化机理。（2）借助霍普金森压杆（SHPB）试验系统,开展了酸性环境干湿循环作用下红砂岩试样的动态压缩试验,得到了应力-应变曲线、弹性模量、峰值应力、能量耗散、宏观破坏特征、分形维数等随应变率、干湿循环次数及pH的演化规律,并根据线性拟合方程的斜率大小...
【文章来源】：中国矿业大学江苏省 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：223 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
红砂岩试样XRD衍射图谱
2红砂岩物理力学性能劣化的试验研究17图2-1红砂岩试样XRD衍射图谱Figure2-1XRDdiffractionpatternofred-sandstonespecimen表2-1红砂岩矿物组成及其含量(单位：%)Table2-1Mineralcomponentsofred-sandstone（unit:%）石英长石方解石赤铁矿绿泥石其他58.621.99.76.32.21.3图2-2红砂岩试样Figure2-2Red-sandstonespecimens2.1.2酸性环境干湿循环设计考虑到地下水中Na+，K+，H+，Cl+，SO4+等离子的含量相对较多，本文用NaCl和KHSO4来配置水化学溶液。为了缩短试验时间，让化学溶液在短时间内对试样产生腐蚀损伤作用，本试验采用加大离子浓度和降低溶液pH的方法。本试验共设计了三种水化学溶液，溶液离子浓度均为0.1mol/L，pH分别为2.5、4.5、7，其中pH=7的中性溶液采用蒸馏水配置。红砂岩的“吸水-干燥”循环采用室温自然吸水，烘箱干燥的方法实施。参考《煤和岩石物理力学性质测定方法》（GB/T23561.5-2009）[156]第5部分中煤与岩石吸水性测定方法规定，在干湿循环试验开始前，先将所有加工好的试样放在105℃―110℃的烘干箱中干燥24h，然后取出放置在恒温恒湿的养护箱内。将养护箱内的试样放入配置好的溶液中自由吸水24h，然后放入烘箱中干燥24h，此为一次干湿循环[161]。为了尽量减小温度对岩石力学性能的影响，将干湿循环过程
博士学位论文18中的烘箱温度设定为60℃。为了使岩样吸水完全，在岩样与容器交界面及两层岩样分界面放置塑料格栅。本试验设计0，5，10，20，30，40次共6个干湿循环等级，其中n=0的试样作为参照组，表示未经历干湿循环作用。岩样干湿循环过程如图2-3所示。每次干湿循环结束后，对溶液的pH和浓度进行校正，保证下次循环开始前的溶液pH与浓度与试验设计值相同。图2-3岩样干湿循环过程Figure2-3W-Dcyclingprocessofrockspecimens2.2红砂岩干湿循环物理性能试验（PhysicalPropertiesofRed-sandstoneafterCyclicW-DTreatment）2.2.1密度测试达到设定的干湿循环次数后，对试样的质量和尺寸进行测量，进而求得干湿循环后试样的密度。图2-4列出了不同酸性环境下红砂岩试样密度随干湿循环次数的变化情况，可以看出：随着干湿循环次数的增加，试样密度逐渐减小，但是下降的幅度与pH有很大关系。为了更清楚地表示干湿循环次数对试样密度的影响程度，图2-4b绘制了密度变化率（相对于n=0时的变化幅度，其它参数变化率的计算方式与此相同。）随干湿循环次数的柱状图，当纵坐标为负数时表示该参数的下降，从图中可以明显的看到：在同一酸性环境下，干湿循环次数越多，密度下降的幅度越大，以pH=2.5为例，与未受侵蚀试样相比，当对应的干湿循环次数分别为5、10、20、30、40时，密度的变化率分别为-1.25%、-2.05%、-2.89%、-3.43%、-3.83%，说明干湿循环对试样的损伤是逐渐累积的。除了干湿循环次数，溶液pH对试样密度也有显著的影响。以n=20为例，当溶液pH=7，4.5，2.5时，试样密度的变化率分别为-1.78%、-2.27%、-2.89%，说明溶液的酸性越强，试样密度下降的幅度越大。在酸性干湿循环作用下，试样中的可溶性胶结物发生一定的溶解，同时矿物
【参考文献】：
期刊论文
[1]化学腐蚀灰岩SHPB冲击动力学性能研究[J]. 李光雷,蔚立元,苏海健,靖洪文,张涛. 岩石力学与工程学报. 2018(09)
[2]温度冲击下煤的微观结构变化与断裂机制[J]. 王登科,孙刘涛,魏建平. 岩土力学. 2019(02)
[3]温度冲击下煤体裂隙结构演化的显微CT实验研究[J]. 王登科,张平,浦海,魏建平,刘淑敏,于充,孙刘涛. 岩石力学与工程学报. 2018(10)
[4]干湿循环作用下红砂岩动态拉伸力学性能试验研究[J]. 杜彬,白海波,马占国,李明,武光明. 岩石力学与工程学报. 2018(07)
[5]多次应力波作用下P-CCNBD岩样动态断裂的能量耗散特性研究[J]. 鲁义强,张盛,高明忠,尹贤刚,李圣伟,李聪,何志强. 岩石力学与工程学报. 2018(05)
[6]花岗岩动态断裂能各向异性试验研究[J]. 徐颖,ZHANG Junchen,姚伟,夏开文. 岩石力学与工程学报. 2018(S1)
[7]岩石动态断裂性能的Ⅱ型能量型尺寸效应与应变率效应研究[J]. 朱华挺,戚承志,姜锡权,孙友杰. 北京建筑大学学报. 2018(01)
[8]中低速冲击下Ⅰ型裂纹的动态断裂韧度研究[J]. 应鹏,朱哲明,周磊,董玉清,王雄. 煤炭学报. 2017(S2)
[9]层理对煤岩动态断裂及能量耗散规律影响的试验研究[J]. 龚爽,赵毅鑫. 岩石力学与工程学报. 2017(S2)
[10]煤体在冲击荷载作用下的损伤机制[J]. 穆朝民,宫能平. 煤炭学报. 2017(08)
博士论文
[1]冲击载荷作用下煤的动态拉伸及Ⅰ型断裂力学特性研究[D]. 龚爽.中国矿业大学(北京) 2018
[2]干湿循环作用下砂岩的宏细观损伤演化及本构模型研究[D]. 王子娟.重庆大学 2016
[3]高温及冲击载荷作用下煤系砂岩损伤破裂机理研究[D]. 李明.中国矿业大学 2014
[4]酸性环境干湿交替作用下泥质砂岩宏细观损伤特性研究[D]. 张梁.重庆大学 2014
[5]煤矿深部岩石动态力学特性试验研究及其应用[D]. 平琦.安徽理工大学 2013
[6]考虑温度效应的岩石动力学行为研究[D]. 尹土兵.中南大学 2012
[7]动静组合加载下岩石力学特性和动态强度准则的试验研究[D]. 宫凤强.中南大学 2010
[8]干湿循环水岩相互作用下岩石劣化机理研究[D]. 傅晏.重庆大学 2010
[9]冲击荷载下岩石强度及破碎能耗特征的尺寸效应研究[D]. 洪亮.中南大学 2008
[10]动力扰动下高应力岩石力学特性研究[D]. 叶洲元.中南大学 2008
硕士论文
[1]大理岩动态力学性能的分离式霍普金森杆实验研究[D]. 李伟.四川大学 2005
本文编号：3496135
【文章来源】：中国矿业大学江苏省 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：223 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
红砂岩试样XRD衍射图谱
2红砂岩物理力学性能劣化的试验研究17图2-1红砂岩试样XRD衍射图谱Figure2-1XRDdiffractionpatternofred-sandstonespecimen表2-1红砂岩矿物组成及其含量(单位：%)Table2-1Mineralcomponentsofred-sandstone（unit:%）石英长石方解石赤铁矿绿泥石其他58.621.99.76.32.21.3图2-2红砂岩试样Figure2-2Red-sandstonespecimens2.1.2酸性环境干湿循环设计考虑到地下水中Na+，K+，H+，Cl+，SO4+等离子的含量相对较多，本文用NaCl和KHSO4来配置水化学溶液。为了缩短试验时间，让化学溶液在短时间内对试样产生腐蚀损伤作用，本试验采用加大离子浓度和降低溶液pH的方法。本试验共设计了三种水化学溶液，溶液离子浓度均为0.1mol/L，pH分别为2.5、4.5、7，其中pH=7的中性溶液采用蒸馏水配置。红砂岩的“吸水-干燥”循环采用室温自然吸水，烘箱干燥的方法实施。参考《煤和岩石物理力学性质测定方法》（GB/T23561.5-2009）[156]第5部分中煤与岩石吸水性测定方法规定，在干湿循环试验开始前，先将所有加工好的试样放在105℃―110℃的烘干箱中干燥24h，然后取出放置在恒温恒湿的养护箱内。将养护箱内的试样放入配置好的溶液中自由吸水24h，然后放入烘箱中干燥24h，此为一次干湿循环[161]。为了尽量减小温度对岩石力学性能的影响，将干湿循环过程
博士学位论文18中的烘箱温度设定为60℃。为了使岩样吸水完全，在岩样与容器交界面及两层岩样分界面放置塑料格栅。本试验设计0，5，10，20，30，40次共6个干湿循环等级，其中n=0的试样作为参照组，表示未经历干湿循环作用。岩样干湿循环过程如图2-3所示。每次干湿循环结束后，对溶液的pH和浓度进行校正，保证下次循环开始前的溶液pH与浓度与试验设计值相同。图2-3岩样干湿循环过程Figure2-3W-Dcyclingprocessofrockspecimens2.2红砂岩干湿循环物理性能试验（PhysicalPropertiesofRed-sandstoneafterCyclicW-DTreatment）2.2.1密度测试达到设定的干湿循环次数后，对试样的质量和尺寸进行测量，进而求得干湿循环后试样的密度。图2-4列出了不同酸性环境下红砂岩试样密度随干湿循环次数的变化情况，可以看出：随着干湿循环次数的增加，试样密度逐渐减小，但是下降的幅度与pH有很大关系。为了更清楚地表示干湿循环次数对试样密度的影响程度，图2-4b绘制了密度变化率（相对于n=0时的变化幅度，其它参数变化率的计算方式与此相同。）随干湿循环次数的柱状图，当纵坐标为负数时表示该参数的下降，从图中可以明显的看到：在同一酸性环境下，干湿循环次数越多，密度下降的幅度越大，以pH=2.5为例，与未受侵蚀试样相比，当对应的干湿循环次数分别为5、10、20、30、40时，密度的变化率分别为-1.25%、-2.05%、-2.89%、-3.43%、-3.83%，说明干湿循环对试样的损伤是逐渐累积的。除了干湿循环次数，溶液pH对试样密度也有显著的影响。以n=20为例，当溶液pH=7，4.5，2.5时，试样密度的变化率分别为-1.78%、-2.27%、-2.89%，说明溶液的酸性越强，试样密度下降的幅度越大。在酸性干湿循环作用下，试样中的可溶性胶结物发生一定的溶解，同时矿物
【参考文献】：
期刊论文
[1]化学腐蚀灰岩SHPB冲击动力学性能研究[J]. 李光雷,蔚立元,苏海健,靖洪文,张涛. 岩石力学与工程学报. 2018(09)
[2]温度冲击下煤的微观结构变化与断裂机制[J]. 王登科,孙刘涛,魏建平. 岩土力学. 2019(02)
[3]温度冲击下煤体裂隙结构演化的显微CT实验研究[J]. 王登科,张平,浦海,魏建平,刘淑敏,于充,孙刘涛. 岩石力学与工程学报. 2018(10)
[4]干湿循环作用下红砂岩动态拉伸力学性能试验研究[J]. 杜彬,白海波,马占国,李明,武光明. 岩石力学与工程学报. 2018(07)
[5]多次应力波作用下P-CCNBD岩样动态断裂的能量耗散特性研究[J]. 鲁义强,张盛,高明忠,尹贤刚,李圣伟,李聪,何志强. 岩石力学与工程学报. 2018(05)
[6]花岗岩动态断裂能各向异性试验研究[J]. 徐颖,ZHANG Junchen,姚伟,夏开文. 岩石力学与工程学报. 2018(S1)
[7]岩石动态断裂性能的Ⅱ型能量型尺寸效应与应变率效应研究[J]. 朱华挺,戚承志,姜锡权,孙友杰. 北京建筑大学学报. 2018(01)
[8]中低速冲击下Ⅰ型裂纹的动态断裂韧度研究[J]. 应鹏,朱哲明,周磊,董玉清,王雄. 煤炭学报. 2017(S2)
[9]层理对煤岩动态断裂及能量耗散规律影响的试验研究[J]. 龚爽,赵毅鑫. 岩石力学与工程学报. 2017(S2)
[10]煤体在冲击荷载作用下的损伤机制[J]. 穆朝民,宫能平. 煤炭学报. 2017(08)
博士论文
[1]冲击载荷作用下煤的动态拉伸及Ⅰ型断裂力学特性研究[D]. 龚爽.中国矿业大学(北京) 2018
[2]干湿循环作用下砂岩的宏细观损伤演化及本构模型研究[D]. 王子娟.重庆大学 2016
[3]高温及冲击载荷作用下煤系砂岩损伤破裂机理研究[D]. 李明.中国矿业大学 2014
[4]酸性环境干湿交替作用下泥质砂岩宏细观损伤特性研究[D]. 张梁.重庆大学 2014
[5]煤矿深部岩石动态力学特性试验研究及其应用[D]. 平琦.安徽理工大学 2013
[6]考虑温度效应的岩石动力学行为研究[D]. 尹土兵.中南大学 2012
[7]动静组合加载下岩石力学特性和动态强度准则的试验研究[D]. 宫凤强.中南大学 2010
[8]干湿循环水岩相互作用下岩石劣化机理研究[D]. 傅晏.重庆大学 2010
[9]冲击荷载下岩石强度及破碎能耗特征的尺寸效应研究[D]. 洪亮.中南大学 2008
[10]动力扰动下高应力岩石力学特性研究[D]. 叶洲元.中南大学 2008
硕士论文
[1]大理岩动态力学性能的分离式霍普金森杆实验研究[D]. 李伟.四川大学 2005
本文编号：3496135
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