温度对红砂岩物理力学性能影响的实验研究

文摘   科学   2023-06-01 10:10   湖北  

 

AI绘制的威尔士彭布罗克郡圣安斯角的老红砂岩 (Old Red Sandstone, St Annes Head in Pembrokeshire, Wales)    /MetaGeo

APA 格式引文:

Wu, Y., Deng, L.-C., Huang, Z., & Yang, L.-N. (2023). Experimental investigation of temperature effects on the physical and mechanical properties of red sandstone. Quarterly Journal of Engineering Geology and Hydrogeology, 56(3). https://doi.org/10.1144/qjegh2021-086 

研究亮点


● 探究了高温对红砂岩物理和力学性质的影响,结果表明随着温度升高,红砂岩的颜色加深,纵波速度和李氏硬度值降低,抗拉强度迅速下降。


● 确定了一个典型温度阈值为300°C,这对于理解岩石受高温影响的机制具有重要意义


● 当前的研究主要关注了岩石在高温作用下物理和力学性质的演化规律,而对于高温处理后岩石断裂失效面的特征研究较少。本文填补了这一空白。


摘要:随着我国交通运输的快速发展,隧道的数量也越来越多。但是,隧道在运营过程中可能会受到火灾事故的影响,围岩也会因高温而受到无法修复的破坏。 为研究温度对红砂岩物理力学性能的影响,对经25~600℃热处理后的红砂岩进行物理性能测定和巴西劈裂试验。

结果表明,随着温度的升高,红砂岩的表观颜色逐渐加深。P 波速度和李氏硬度随温度升高而降低,并确定了典型的温度阈值 (300°C)。红砂岩的抗拉强度在25~300℃时迅速下降,然后在300~600℃时缓慢下降。声发射 (AE) 信号显示与应力-时间曲线高度一致。随着温度的升高,AE 变得更加活跃,当红砂岩接近破坏时,AE 信号急剧增加。砂岩的破坏模式主要由一条贯通的主裂纹和一条次生裂纹组成,裂纹宽度也逐渐增大。此外,我们从偏光显微镜图像中观察到,砂岩中的裂缝数量也随着温度升高而增加。红砂岩物理力学性质的变化与微观结构密切相关。这些研究结果表明,温度对砂岩的物理力学性能具有明显的弱化作用,为隧道火灾修复提供了理论指导和重要的工程信息。


背景:随着中国交通运输的快速发展,隧道数量也在不断增加。然而,在运营过程中,隧道可能会受到火灾事故的影响,高温会对周围的岩石造成不可逆转的损害。因此,了解高温对岩石物理和力学性质的影响至关重要。


方法:本研究使用红砂岩作为实验对象,通过测量其物理和力学性质来探究高温对其影响。具体而言,实验将红砂岩进行了25°C至600°C范围内的热处理,并使用超声波脉冲测试技术来测量纵波速度、巴西劈裂试验结合声发射实时测试以及李氏硬度值测量等方法来测量沙岩性质的变化

结果:实验结果表明,随着温度升高,红砂岩表面颜色逐渐加深。同时,纵波速度和李氏硬度值随着温度升高而降低,并且确定了一个典型温度阈值为300°C。红砂岩的抗拉强度从25°C至300°C迅速下降,之后从300°C至600°C缓慢下降。此外,声发射(AE)信号与应力-时间曲线具有高度一致性

结论与展望:高温暴露会显著改变红砂岩的物理和力学性能。本文填补了之前研究中对于高温处理后岩石断裂失效面的特征研究较少的空白。同时,实验结果对于预防和应对隧道火灾具有重要意义,为隧道火灾的防范和应对提供了科学依据。然而,本文只研究了红砂岩在高温下的物理和力学性质,对于其他类型的岩石还需要进一步研究。此外,本文并未探究岩石在火灾中的实际情况,因此还需要更多实际情况下的观测和分析。

部分图文:


图. 实验程序示意图


图.  不同温度处理后红砂岩的显微组织



要点问答

 
Questions & Answers




实验中测试的具体温度范围是什么


这项研究中,实验测试了红砂岩在25°C至600°C范围内的热处理效应


█ 究人员如何测量沙岩性质的变化


研究人员使用了多种方法来测量沙岩性质的变化,包括超声波脉冲测试技术来测量纵波速度、巴西劈裂试验结合声发射实时测试以及李氏硬度值测量


 这些发现对于在易发生火灾事故的地区建造和维护隧道有什么影响


这项研究的结果表明,高温暴露会显著改变红砂岩的物理和力学性质,这可能对在易发生火灾事故的地区建造和维护隧道有重要影响。具体而言,研究人员发现确定了一个典型温度阈值为300°C,在此之后红砂岩的抗拉强度迅速下降。这些信息对于工程师和建筑专业人员设计更能够承受高温并防止水和泥浆涌入等灾害的隧道可能会有用



原文请查阅 Quarterly Journal of Engineering Geology and Hydrogeology。

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原文链接:https://doi.org/10.1144/qjegh2021-086


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延伸阅读

 
EXTENDED READING



红砂岩

位于威尔士圣安斯角的一对向南倾斜的古红砂岩褶皱      /www.wikipedia.org


红砂岩(Red sandstone),顾名思义,是一种以红色为特征的砂岩。这种颜色来自于覆盖在沙粒上的氧化铁或铁锈。由于其耐用性和相对易加工性,这种石头已在建筑和施工中使用了几个世纪。以下是红砂岩的一些主要特征和用途:

1. 成分:与所有砂岩一样,红砂岩是沉积岩。它主要由沙粒大小的矿物、岩石或有机材料组成。红砂岩中的砂粒通常由石英组成,结合材料可以是二氧化硅、碳酸钙或氧化铁。氧化铁的存在赋予红砂岩独特的颜色。

2. 形成:红砂岩经过数百万年形成。它由沙子的堆积和固结形成,沙子通常由河流等水体输送。随着时间的推移,沙层被压实和岩化,变成岩石。

3. 物理特性:红砂岩是典型的坚硬耐用的岩石,适用于各种建筑用途。它还可以轻松雕刻和抛光,有助于它作为建筑材料的流行。

4. 用途:由于其耐用性和美观性,红砂岩已用于各种建筑和建筑项目。这些包括建筑物、铺路、覆层和装饰结构。它也用于景观美化,如花园石或铺路石。

5、地理分布:红砂岩矿床分布于世界许多地区,包括欧洲、北美和亚洲。红砂岩建筑的一些著名例子包括印度的红堡和英国的几座建筑,例如爱丁堡的新城区。

6. 环境影响:虽然红砂岩是一种天然材料,被认为对环境无害,但其开采会对环境产生影响,例如栖息地破坏和水污染。砂岩采石和使用的可持续实践对于最大限度地减少这些影响非常重要。



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文案:刘晓
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