脆性岩石试样断裂过程区及宏观疲劳裂纹行为研究

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概述 当材料在任意荷载作用下出现应力引起的新裂纹时,材料的应力状态会发生显著变化,应力的重分布将导致脆性岩石材料中原有裂纹发生扩展、钝化或改向,对材料的强度产生影响。由于循环加载和疲劳效应,在较小荷载作用下脆性材料就可能发生破坏,这种破坏属于材料的“疲劳”破坏。地铁隧道边墙、大坝、巷道顶板、桥梁和路基等在循环/重复荷载作用下均可能发生劣化。 损伤力学研究一般关注水平和竖直变形/应变,而这些变形是微/纳裂纹形成和扩展的结果。本研究结合试验与扫描电子显微镜(SEM)、计算机层析成像(CT)技术对断裂过程区(FPZ)进行观察和分析,探索断裂韧度(KIC)与循环载荷的关系。 试验和模拟 按照 ISRM 标准开展巴西圆盘试验和断裂韧度试验,在静力和重复加载测试下均重复 5 次。用于巴西圆盘试验的岩石试样为凝灰岩。岩石试样的单轴抗压强度(UCS)为 123 MPa,巴西圆盘试样直径为 51 mm。V 型切槽巴西圆盘(CCNBD)试样中存在切槽裂纹,适用于各种断裂型加载。 图1:CCNBD 试样及其几何参数 开展采用径向间接拉伸应力的重复加载试验,正弦加载试验中荷载频率为 1 Hz。正弦循环加载试验从约 2/3 材料抗拉强度的高应力水平开始,然后将施加荷载降低约 10% 直到试样在较低应力水平下不再断裂,此时的应力水平称为试样的疲劳极限。 数值模拟中的非均质性采用扩展有限元法(XFEM)和 Simpleware 软件实现。将 CT 图像数据导入 Simpleware 软件进行图像处理,量化测试样本中 FPZ 的微断裂体积/面积,生成高质量的网格模型用于 ABAQUS 软件中的数值模拟。 结果与讨论 在线弹性断裂力学(LEFM)理论中,裂纹尖端应力情况可由3 种常见的断裂状态表征,对应为 I 型(拉伸应力)、II 型(剪切应力)和III 型(撕裂应力)裂纹扩展模式。材料的断裂模式属于上述哪种取决于裂纹几何形态及表面位移。I 型断裂条件下,由裂纹尖端开始,裂纹表面预计产生一个开口;II 型断裂条件下,裂纹面产生面内滑移;III 型断裂条件下,由于裂纹面外剪切作用,裂纹面垂直于裂纹轴线移动。 拉伸强度和断裂韧度 取 5 个试样测试结果的平均值,得到静态巴西拉伸强度为 11 MPa,静态 I 型(拉伸)断裂韧度为 1.48 MPa·m1/2。巴西圆盘试样和 CCNBD […]

单轴压缩作用下量化2D和3D裂缝对井筒水泥渗透率的影响

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概述 作为天然气的主要成分,甲烷是导致全球变暖的主要因素之一。井筒水泥中的应力诱导裂缝会形成甲烷或二氧化碳泄漏的高风险通道,油气井的逃逸排放进而造成甲烷释放失控。因此,了解和减少泄漏途径对于最大限度地降低泄漏井对环境的影响至关重要。 本项目研究人员使用扫描电子显微镜(SEM)和显微计算机断层扫描(micro-CT)技术量化峰值压应力前后熟化高温触变水泥试样裂缝的 2D 和 3D 几何参数,提出一种量化应力诱导真实三维裂缝对水泥渗透率影响的模拟方法。 亮点 使用 SEM 图像量化 2D 水泥裂纹将水泥 micro-CT 图像导入 Simpleware 软件量化 3D 裂纹含纤维水泥可限制裂纹的大小和扩展2D 和 3D 裂缝分析方法为定量表征块体水泥中应力诱导裂缝的潜在过程提供了重要见解 单轴压缩试验 用 G 级水泥、40% 硅粉(按水泥重量计)、添加剂混合制备试样,水灰比为 0.48。固化后加工得到长 100mm,直径 50mm 的圆柱体。为研究纤维对改善水泥性能的影响,在相同的条件下还制备了两个含纤维的试样,按共混物的重量加入 0.25% 的纤维。然后采用 GCTS RTX-1000 测试系统进行单轴压缩测试,测量轴向和径向的应变。 图1:单轴压缩试验获得7个试样的应力应变曲线,其中试样A为对照;B和C为峰值前样品;D和E为峰值后样品;F1和F2为含纤维试样,分别被压缩到与D和E相同的应变水平。 与峰值后样品相比,含纤维试样在高应变时应力下降较慢且不明显。这表明含纤维试样比未改性的峰后样品具有更好的延展性,在相同应变条件下断裂会更少。 SEM技术表征2D裂纹 在阿尔伯塔大学实验室准备好试样薄片,使用蔡司 Sigma 系列场发射扫描电镜获得 2D 图像。为确保试样表征的精确性、一致性和测量结果的真实性,收集每个薄片在 6 种不同放大倍数和 8 个不同位置下的 SEM 图像。 图2:(a)水泥薄片(b)扫描区域(蓝色)(c)不同放大倍数下SEM图像的尺度(d) 625倍率时的SEM图像(e)对2D裂缝进行标记和编号 对于每个选定的位置,扫描电镜的放大倍率依次逐渐增大。由于没有明确的标准技术用来区分孔隙和裂缝,因此在对裂缝的测量中也包括了孔隙。特别是当它们尺寸相近时,例如裂缝状孔隙和收缩裂缝。使用 ImageJ 软件手动画线,然后根据放大倍数计算裂缝长度。 Micro-CT扫描技术表征3D裂纹 […]

 
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