论文传递¦李晓科,郤保平,蔡佳豪,解瑾等.高温热冲击下花岗岩内一维热传导规律试验研究 (《岩土工程学报》2024年第10期论文)

文摘   科学   2024-11-07 16:22   江苏  
引读与观点概要

岩石热冲击现象由于其可以明显劣化岩石的物理力学性质[[1]而被广泛应用于地热开采[2]、核废料深地处置[3]、热力协同破岩[4]、高地温隧道施工[5]等各种工程之中。岩石在热冲击过程中,由于热量在换热介质与岩石表面发生迅速传递,致使岩石内部温度在短时间内发生剧烈变化,导致岩石快速膨胀或收缩,产生新的裂隙并使原有的裂隙迅速拓展、连通[6-8],增加岩石内部的裂隙密度甚至形成明显的裂纹,从而使岩石宏观力学强度大幅降低甚至发生热冲击破坏。           

岩石在热冲击过程中热量的传递主要分为两个部分:岩石表面与换热介质之间的热对流以及岩石内部的热传导[9]。任一部分存在区别均会使得岩体内部存在不同的温度变化过程,而温度对岩石的破坏作用主要取决于热冲击过程中岩石内部热应力的大小和分布[10],而对于同一种材料,热应力的大小主要取决于材料内部的温度梯度大小[11],同时温度的变化还会导热花岗岩热物理参数发生变化[12-13],因此掌握传热过程中岩石内部的温度场及温度梯度场分布及变化过程对探明温度对岩石物理力学的劣化机理具有重要意义。郤保平等[14]通过对花岗岩进行对流加热,探明了热源温度在100℃以内时花岗岩内温度场的分布及变化规律,并提出热冲击因子作为定量表征岩石热破坏程度的物理量。何水鑫等[15]通过对花岗岩进行热冲击前后的传热规律分析,表明热冲击破裂产生的裂纹位置与温度、温度梯度的分布具有高度的相关性。曹钰等[16]对不同岩石分别进行液氮深冷冲击,发现不同岩性岩石在深冷冲击过程中的温度和温度梯度分布存在差异但演变规律大致相同。Zhao等[17]研究了花岗岩在快速冷却过程中的传热规律,发现冷却速率和温度梯度最大值总是出现在固液换热界面区域。           

综上所述,目前对岩石传热规律的研究主要集中在低温对流加热和冷冲击过程之中,而对高温热冲击过程中岩石内部的热量传递规律研究较少,但工程中广泛存在诸如核废料放热、静态破碎剂破岩、石油开采火烧增产技术等半无限大物体经受高温热冲击时岩石内部的一维热传导问题。因此通过设置高温热冲击试验,采用多通道数据记录仪对不同温度热冲击下花岗岩内各测点的温度进行测定,得到花岗岩内部温度、升温速率、温度梯度、热冲击因子的变化规律,对高温热冲击下花岗岩内部一维热传导规律进行总结,进一步丰富岩石热物理学理论,为工程提供借鉴和指导意义。      


结 论

通过对花岗岩进行高温热冲击试验,分析其内部一维热传导规律,主要得到以下5点结论。           

(1)花岗岩在高温热冲击过程中内部温度变化大致可分为快速升温阶段、缓慢升温阶段和稳定阶段。传热过程中花岗岩内部温度场呈现整体的方向性和局部紊乱性。            (2)高温热冲击下花岗岩内各测点升温速率呈现先快速增大后缓慢减小至零的规律,同时峰值升温速率随监测点与热源之间的距离逐渐增大而呈指数型下降规律。           
(3)根据岩石内热应力形成的机理及各组分的随机性,温度梯度一定程度上可以反映热应力的大小和各向异性的程度。热冲击过程中温度梯度分布具有更大的紊乱性。       
(4)热冲击因子可以定量表征热对岩石的破坏强度。高温热冲击过程中花岗岩内部热冲击因子呈现很强的非均质性,同时监测点波峰具有动态移动性。           
(5)100℃下水相对于硅油对花岗岩进行热冲击时具有更高的换热效率,同时花岗岩内部的温度、升温速率、温度梯度均具有更大的峰值且更早进入稳定阶段,但其随时间的变化趋势与硅油作为热源介质时具有相似性。


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