CN108871993A - 高温岩石分阶段降温方法及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明提供高温岩石分阶段降温方法及其应用，能够更安全、更有效地研究岩石热损伤，方法的特征在于：将加热至目标温度并进行保温后的高温岩石采用恒定的降温速率V进行降温；在降温的过程中，每当温度下降100℃时需保持恒温一段时间t，其中，V≤1℃/min，t与岩石加热至目标温度后的保温时间相等。本发明所提供的高温岩石分阶段降温方法，避免了温度急剧下降而导致的巨大热冲击，避免了花岗岩这种由多种成分构成的具有复合介质特点的脆性坚硬岩石急剧降温导致的岩石整体劣化，减缓了花岗岩内的细纹的产生，从而能够有效的消除因不均匀降温产生温度应力导致岩石试样损伤。

Description

高温岩石分阶段降温方法及其应用

技术领域

本发明涉及一种高温岩石分阶段降温方法及其应用。

技术背景

岩石作为一种特殊的工程介质，在复杂的岩石工程中经历着复杂的温度变化。不同的温度变化方式使得岩石产生不同的物理力学性能变化，这些物理力学性能的改变对于工程安全有着重要意义。特别是国内大量地下岩土工程结构，例如隧道，地下油气储存库等，对于这些地下岩土结构，火灾产生热冲击对结构的完整性和周围岩体性能产生影响。因此研究地下工程在高温热处理后的性能变化，用于火灾后的结构评估，修护加固，及延长地下结构寿命有积极作用。

为了能够确定高温岩石降温方式对物理力学性能的改变，实验中目前国内外对高温岩石采用的冷却方式主要是水冷降温，但这种方式降温的速率不可控，而导致因降温速率过快而产生的温度应力，岩石内部发生热破裂，使得岩石的内部力学性质发生劣化，这对于工程安全是不利的。而采用分阶段降温，可以避免降温速率过大产生的温度应力。高温岩石分阶段降温对岩石的物理力学性能变化有特殊性，特别是对比直接降温与分阶段降温方式后的岩石物理力学性质，可以使我们了解到岩石在不同降温方式影响下的变化规律，从而对干热岩的开采利用，地下层核废料贮存库的选址，设计，长期安全性及地下岩土工程受损后的加固及修复提供科学依据及技术支持。

发明内容

本发明是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供一种高温岩石分阶段降温方法及其应用，能够更安全、更有效地研究岩石热损伤。为了实现这一目的，本发明采用了以下方案：

<方法一>

本发明提供一种高温岩石分阶段降温方法及其应用，其特征在于：将加热至目标温度并进行保温后的高温岩石采用恒定的降温速率V进行降温；在降温的过程中，每当温度下降100℃时需保持恒温一段时间t，其中，V≤1℃/min，t与岩石加热至目标温度后的保温时间相等。

优选地，本发明提供的高温岩石分阶段降温方法及其应用，还可以具有以下特征：V＝1℃/min。

<方法二>

进一步，本发明还提供了另一种高温岩石分阶段降温方法，其特征在于：将加热至目标温度T并进行保温后的高温岩石采用梯度增加的降温速率分区间进行降温，在降温的过程中，每当温度下降100℃时需保持恒温一段时间t；以600℃为分界，每100℃作为一个区间，同一区间内降温速率V一致；上限值为600℃的区间内降温速度为1℃/min，恒温时间t与岩石加热至目标温度后的保温时间相等；区间上限值每降低100℃，降温速度V提升0.2℃/min，并且恒温时间t减少0.2h；区间上限值每升高100℃，降温速度V降低0.2℃/min，并且恒温时间t增加0.2h。

例如，目标温度T＝550℃，达到目标温度后的保温时间为3h，那么从550℃开始，降温速率为1℃/min，保温时间为3h；从500℃开始进入第二个区间，降温速率为1.2℃/min，保温时间为2.8h；从400℃开始进入第三个区间，降温速率为1.4℃/min，保温时间为2.6h；从300℃开始进入第四个区间，降温速率为1.6℃/min，保温时间为2.4h；从200℃开始进入第五个区间，降温速率为1.8℃/min，保温时间为2.2h；从100℃开始进入第六个区间，降温速率为2℃/min，保温时间为2h。

若目标温度T＝680℃，达到目标温度后的保温时间为3h，那么从680℃开始，降温速率为0.8℃/min，保温时间为3.2h；从600℃开始进入第二个区间，降温速率为1℃/min，保温时间为3h；从500℃开始进入第三个区间，降温速率为1.2℃/min，保温时间为2.8h；然后以此类推，从100℃开始进入第七个区间，降温速率为2℃/min，保温时间为2h。

<应用>

进一步，本发明还提供了上述高温岩石分阶段降温方法在岩石的温度-应力耦合实验中的应用。例如，采用上述分阶段降温方法将高温岩石试样降至室温后，对试样的物理参数及物理力学性能进行测试。

发明的作用与效果

本发明所提供的分阶段降温方法，避免了温度急剧下降而导致的巨大热冲击，避免了花岗岩这种由多种成分构成的具有复合介质特点的脆性坚硬岩石急剧降温导致的岩石整体劣化，减缓了花岗岩内的细纹的产生，从而能够有效的消除因不均匀降温产生温度应力导致岩石试样损伤，是一种安全有效，合理的降温方法。

另外，在温度降低后，岩石对温度敏感逐渐降低，采用梯度增加降温速率，加速了岩石从实验温度降至室温的过程，缩短了实验周期；温度每下降100℃，梯度减少恒温时间，恒温等待时间减少，提高了器械的使用效率，进一步缩短了实验周期。

附图说明

图1为本发明实施例所涉及的三轴压力系统的结构示意图；

图2为本发明实施例一所涉及的目标温度为600℃进行的分阶段降温过程示意图；

图3为本发明实施例一所涉及的600℃温度下水冷处理，分阶段降温处理后试样饱和密度，孔隙率，纵波波速和0MPA围压下杨氏模量的变化规律图；

图4为本发明实施例二所涉及的目标温度为600℃进行的分阶段降温过程示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明涉及的高温岩石分阶段降温方法及其应用的具体实施方案进行详细地说明。

在以下实施例中，如图1所示，采用的三轴压力系统包括：反力底座1、试样2、三轴压力室3、排气管道4、液压千斤顶5、渗透底端排液管道6、环向位移计7、围压高强排液管道8、孔压高强排液管道9、围压高压电液伺服泵10、孔压高压电液伺服泵11、显示装置12、轴压高压电液伺服泵13、轴压高强排液管道14、以及压头15。

三轴压力室3内高点处设有排气管道4，围压装置通过围压高强排液管道8与三轴压力室3相连，轴压装置用于给三轴压力室3顶部的压头15施加轴向压力，围压装置用于给三轴压力室3施加恒定静压力。轴压装置为液压千斤顶5，液压千斤顶5通过轴压高强排液管道14与轴压高压电液伺服泵13，孔压装置为孔压高压电液伺服泵11，围压装置为围压高压电液伺服泵10。试验时，试样2外包裹一层橡胶套，包裹橡胶套的试样2外部设有环向位移计7，三轴压力室3顶部的压头15与三轴压力室3的底部之间设有高精度LVDT(差动式位移传感器)。

轴压高压电液伺服泵13、孔压高压电液伺服泵11和围压高压电液伺服泵10均通过电脑控制主机，压力和排液量，环向位移计7和高精度LVDT测得数据通过电脑控制主机记录，电脑控制主机控制轴压装置、围压装置和孔压装置的压力参数。

三轴压力室3底板设有反力底座1。轴压高强排液管道14、围压高强排液管道8、孔压高强排液管道9、渗透底端排液管道6和排气管道4上均设有控制阀门，各项参数可以通过显示装置12现场实时显示。主要用于提供耦合的条件：压头(液压千斤顶)提供轴压使试样2实现剪切、高压电液伺服泵提供孔压使试样2实现渗流、高压电液伺服泵提供围压使试样2实现静水压力、三轴压力室使试样2形成一个密闭的空间，为围压的施加提供条件。

密度与孔隙率的测量采用的方法是常规排水法。

超声波实验采用多功能超声波参数测试仪进行纵波波速进行精确测量并计算出试样2的纵波波速，最后分析出试样2内部经温度作用裂缝开裂情况。

另外，在以下实施例中，所采用的马弗炉其内部为耐高温耐腐蚀的多晶复合材料，并且马弗炉能够根据炉温对给定温度的偏差，自动接通或断开供给炉子的热源能量，或连续改变热源能量的大小，使炉温稳定有给定温度范围，以满足热处理工艺的需要。电阻炉炉温控制是这样一个反馈调节过程，比较实际炉温和需要炉温得到偏差，通过对偏差的处理获得控制信号，去调节电阻炉的热功率，从而实现对炉温的控制。

<实施例一>

本实施例一中，将高温岩石分阶段降温方法应用于常规三轴实验测试，具体包括以下步骤：

步骤1：将花岗岩加工成标准圆柱体试件，直径37mm、高74mm圆柱型试样，试样上下面平整度为±0.05mm，侧表面平整度为±0.02mm按照所需的要求对试样进行试验前的处理；

步骤2：将试样放入马弗炉中加热，加热至目标温度600℃；

步骤3：试样在马弗炉中降温，如图2所示，采用1℃/min的降温速率进行分阶段降温。在降温过程中，温度每下降100℃时都需恒温3h，降温步骤直至温度降至室温；

步骤4：用砂纸打磨试样的侧面，并通过酒精擦拭灰尘，干燥后将应变片贴入打磨处；

步骤5：将试样装入橡皮套内，将应变片与NI应变采集系统连接。装好LVDT系统；

步骤6：将三轴压力室3封合放入轴向加载缸上，加载缸上升至与三轴压力室3上部压头刚好相接触不产生压力，并将接收电路与电脑相连接；

步骤7：打开围压高强排液管道8，在电脑软件端输入指定的围压值，围压选用0MPa；

步骤8：通过流量加载围压稳定后，开始轴压加载，加载的同时通过微机系统控制采集仪采集数据，直到试样发生破坏。

岩石分阶段降温后密度孔隙率测试实验测试方法包括以下步骤：

步骤1：将分阶段降温处理后的试样，放置在带有阀门的玻璃缸内，并在玻璃缸顶盖和缸体涂抹适量的凡士林进行密封；

步骤2：使用真空泵抽净玻璃缸内的空气，关闭阀门静置3h；

步骤3：再次使用真空泵抽空玻璃缸内空气，然后通过阀门向玻璃缸内注入纯净水，使得试样完全没入水中；

步骤4：测出饱和质量，再将试样放入干燥箱干燥测出干燥质量，计算出分阶段降温后试样的密度和孔隙率；

分阶段降温超声波实验测试方法包括以下内容：

步骤1：使用游标卡尺对分阶段降温后的试样的尺寸进行准确测量；

步骤2：在试样的两端以及声波测试仪的换能器上涂抹上适量的耦合剂；

步骤3：打开开关进行纵波波速进行精确测量并计算出试样纵波波速，最后分析出试样内部经温度作用裂缝开裂情况。

如图3所示，通过以上测试，可以研究分阶段降温方法在试验中表现的物理力学性质与直接水冷降温方法的区别：对比分阶段降温与水冷降温后试样的物理性质，如孔隙比，密度，波长等；还能够对比分阶段降温与水冷降温后试样的常规三轴实验数据，进行分析。

<实施例二>

采用高温岩石分阶段降温方法研究热损伤具体实验操作步骤如下：

(1)选取试样，本实验试样为花岗岩，将其加工成标准圆柱体，使其端面平整度、平行度和垂直度满足规范要求。

(2)加工好的花岗岩试样放入马弗炉中加热，目标温度为600℃。该温度下的试样个数不少于三个。

(3)对花岗岩试样降温，试样在马弗炉降温的过程中，图4所示，采用梯度增加的降温速率分区间进行降温，600℃时采用1℃/min降温速率，每当温度下降100℃，降温速率提升0.2℃，恒温时间减少0.2h，即500℃时降温速率为1.2℃/min，恒温时间为2.8h，以此类推。直至式样温度降至室温，然后进行常规三轴压缩试验，密度和孔隙率测试、超声波实验对高温后分阶段降温花岗岩的物理力学性质进行研究，对比高温后分阶段降温和水冷降温两种不同降温方式对花岗岩物理力学性质的影响。

以上实施例仅仅是对本发明技术方案所做的举例说明。本发明所涉及的高温岩石分阶段降温方法及其应用并不仅仅限定于在以上实施例中所描述的内容，而是以权利要求所限定的范围为准。本发明所属领域技术人员在该实施例的基础上所做的任何修改或补充或等效替换，都在本发明的权利要求所要求保护的范围内。

Claims (4)

1.一种高温岩石分阶段降温方法，其特征在于：

将加热至目标温度并进行保温后的高温岩石采用恒定的降温速率V进行降温；在降温的过程中，每当温度下降100℃时需保持恒温一段时间t，

其中，V≤1℃/min，t与岩石加热至目标温度后的保温时间相等。

2.根据权利要求1所述的高温岩石分阶段降温方法，其特征在于：

其中，V＝1℃/min。

3.一种高温岩石分阶段降温方法，其特征在于：

将加热至目标温度T并进行保温后的高温岩石采用梯度增加的降温速率分区间进行降温，在降温的过程中，每当温度下降100℃时需保持恒温一段时间t；

以600℃为分界，每100℃作为一个区间，同一区间内降温速率V一致；上限值为600℃的区间内降温速度为1℃/min，恒温时间t与岩石加热至目标温度后的保温时间相等；区间上限值每降低100℃，降温速度V提升0.2℃/min，并且恒温时间t减少0.2h；区间上限值每升高100℃，降温速度V降低0.2℃/min，并且恒温时间t增加0.2h。

4.一种如权利要求1至3中任意一项所述的高温岩石分阶段降温方法在岩石的温度-应力耦合实验中的应用。