循环加卸载条件下花岗岩气体渗透性试验研究

发布时间：2020-08-27 08:42

【摘要】：水下隧道火灾不仅严重威胁人的生命和财产安全,而且火灾引起的高温以及随后喷水降温过程对隧道围岩危害巨大,比如:裂缝、爆裂甚至崩塌等。围岩经历高温以及随后急剧冷却的过程对其力学性能和渗透性能的影响,是评估水下隧道的长期安全性的重要因素。另一方面,本文还考虑了高温岩体地热开发过程中岩体的渗透性受温度及开挖扰动的影响。本文以经过不同温度(25℃、400℃、900℃)热处理后的花岗岩试样为研究对象,利用温度-渗流-应力-化学全耦合(THMC)多功能试验系统,对其开展了不同围压(0MPa、5MPa、10MPa、15MPa、20MPa、30MPa)作用下的常规三轴压缩试验和高温加热快速水冷后花岗岩循环加卸载条件下的气体渗透试验。从宏观和微观角度分析了花岗岩在经历高温水冷后的基本物理力学性质,分析了花岗岩物理参数的变化规律,探讨了循环加卸载条件下高温水冷后的花岗岩的强度参数、渗透率随热处理温度的演化规律。主要结论如下:(1)花岗岩的干密度和饱和密度随着高温水冷处理温度的升高而减小,孔隙率、渗透率呈增大趋势;从微观角度开展SEM扫描电镜试验和X衍射试验,分析得出高温使得花岗岩内部产生热裂隙,温度越高,产生热裂隙越多,花岗岩矿物成分含量也发生变化;花岗岩BET多点法比表面积与BJH法孔体积有相似的规律:400℃热处理后花岗岩试样比表面积与孔体积较常温下变化不明显,但900℃热处理后花岗岩试样表面积与孔体积明显减小;(2)高温水冷后的花岗岩的峰值强度和弹性模量随热处理温度变化的规律具有一致性:随着热处理温度的升高,花岗岩的峰值强度和弹性模量整体呈减小趋势,在400℃热处理后,花岗岩的峰值强度和弹性模量较常温下无明显变化;900℃热处理后,花岗岩的峰值强度和弹性模量明显减小,破坏形式由脆性破坏向延性破坏转变;(3)在循环加卸载过程中,花岗岩产生残余变形,并且形成没有封闭的滞回环,表明花岗岩在循环加卸载过程中存在塑性变形;随着围压增大,循环加卸载过程中花岗岩试样的卸载模量明显增大;随着热处理温度的升高,花岗岩的卸载模量不断减小;400℃高温水冷后花岗岩体积应变与常温下基本一致,但900℃高温水冷后花岗岩试样的体积应变明显增大;(4)花岗岩在循环加卸载条件下的气体渗透率随着围压的升高而降低,随着热处理温度的升高而增大,且在900℃高温热处理后,花岗岩的气体渗透率增大趋势明显。
【学位授予单位】：湖北工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：U458;U459.5
【图文】：

马弗炉,湖北工业,试样,土木建筑

准备验所需的花岗岩试样来于大别山，其外观完整，宏观均匀性分析得到其主要的矿物成分及质量百分比分别为：钠长石7%）、钾长石（8.78%）、云母（3.38%）、方解石（0.12%），然密度为 2.60g/cm3，天然孔隙率为 0.92%。样加工验试样的尺寸选用直径 50mm、高度 100mm 的圆柱体，高水电工程岩石试验规程》（SL264-2001）规定，试样的加工度、平直度和垂直度）均符合规定的要求。样的热处理

外观形态,温度处理,试样,花岗岩

马弗炉型号为 TNX1200-30,最高可加热目标温度为 1200℃，工作V，炉膛容积 12L，功率 4kW，频率 50HZ。采用国际上最先进的轻质氧化维，保温效果好，质轻且耐高温、耐速冷速热，内置温控仪和可编程 PID温降温，不需要值守。将试样整齐摆放入马弗炉炉膛，试样之间间隔 3-是使试样在加热过程中均匀受热。设定加热程序：设定升温速率为 5℃/m至目标温度，保温时间 4h。待其到达预定时间后，用铁钳取出试样直接进行水冷，待其冷却至室温，使用干燥毛巾擦拭试样表面的水后，置入，恒温 105℃干燥 24h，使之充分干燥，之后取出试样备用。

物理吸附,等温线

（MPa）；μ 为测试气体的粘滞系数(Pa s)；L 为试样高度(mm)；S 为试样横截端面积(mm2)；P0为大气压，其值为 0.1MPa；Δt 为监测进气端气压变化的监测时间（s）。2.2.3 氮吸附原理吸附是一个动态平衡的物理过程，吸附过程是固体表面的气体浓度增加的过程，脱附过程为气体浓度减少的过程，当气体的吸附量保持相对稳定不变时，称为吸附平衡。对于某一个恒定温度下的气体压力，固体材料有一个恒定的平衡吸附量[51]。通过气体压力的变化，就可以得到吸附量随压力变化的曲线，这个曲线就是等温吸附曲线，又称等温解吸曲线[51]。等温吸附/脱附数据是材料比表面积和孔径分析的基础，它是分压点 P/P0与吸附、脱附量的曲线（其中 P 指平衡压力，P0指在吸附温度下吸附质的饱和蒸汽压）。图 2.3 所示为国际纯粹与应用化学联合会（IUPAC）提出的物理吸附等温线分类。液氮温度下的氮吸附得不到这些等温线的完整形式，而在液氩下的氩气吸附是可以实现的。

【参考文献】