高温下砂岩动态力学特性研究_王鹏
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第 34 卷第 2 期 2 0 1 3 年2 月
兵
工
学
报
Vol． 34 No． 2 Feb． 2013
ACTA ARMAMENTARII
高温下砂岩动态力学特性研究
1 1， 2 1 1 王鹏 ，许金余 ，刘石 ，陈腾飞
（ 1. 空军工程大学 机场建筑工程系， 陕西 西安 710038 ； 2. 西北工业大学 力学与土木建筑学院，陕西 西安 710072 ）
204
兵
引言
工
学
报
第 34 卷
0
其微观结构与高温状态下的岩石有 却后进行试验， 很大不同。单纯的研究温度作用和动态应力均难以 真切的反映高温下岩石的动态力学特性 。 为深入 研 究 高 温 作 用 下 岩 石 的 动 态 力 学 特 性， 本文选用砂岩为材料 ， 利用波形整形器改进后 的 Ф100 mm 分离式霍普金森压杆 （ SHPB ） 试验装 置 及其配套的管式加热炉对砂岩试件进行高温 （ 室温 25 ℃ ～ 1 000 ℃ ） 下的单轴动态 压 缩 试 验 ， 探讨了不同 温 度 等 级 下 砂 岩 峰 值 应 力 、 峰值应变 以及弹性模 量 的 变 化 规 律 ， 并对其微观机理进行 了讨论分析 。
Tab． 2
高温下砂岩动态压缩试验结果
Experimental results of sandstones under dynamic compression at high temperature
［8 ］
， 得到材料的动态应力 －应变关系
∫
（ 1）
式中： σ（ t） 为试件的应力函数； ε （ t ） 为试件的应变
第2 期
高温下砂岩动态力学特性研究
205
让试件有足够的时间 可以延长入射脉冲的上升段， 达到应力均匀； 而且可以平滑波形， 消除应力波的高 频振荡。本文采用厚度 1 mm， 直径 35 mm 的 T2 圆 ［10 ］ 形紫铜片 作为波形整形器材料， 可以有效地消除 应变率历程不稳定的影响， 满足近似恒应变率加载 较好地解决了恒应变率加载问题 。 的需要，
2
试验结果及分析
为保证砂岩试件在中高应变率下破坏， 根据砂 岩特性， 调节空气加压控制弹速为 13. 0 m / s． 试验 基本参数及部分试验结果见表 2． 图 3 显示了在室 400 ℃ ， 1 000 ℃ 三个具有代表性的温度 温（ 25 ℃ ） ， 等级下试验后砂岩试样的破坏形态 。从破坏形态可 以发现： 砂岩经受不同等级高温作用呈现不同颜色 ， 这说明经不同等级高温作用砂岩的组分发生了变 化； 分析破坏后的块度分布， 结合实验数据可知砂岩 在 200 ℃ ～ 400 ℃ 经历了一个强化阶段， 在 1 000 ℃ 高温作用下， 砂岩抗压强度迅速下降。 表2
收稿日期： 2012－08－09 基金项目： 国家自然科学基金项目（ 51078350 ） mail： suaiwp@ 163． com； 作者简介： 王鹏（ 1989 —） ，男，博士研究生。Email： jyx369@ yeah． net． 许金余（ 1963 —） ，男，教授，博士生导师。E-
Tab． 1
矿物成分 含量 / % 石英 52 方解石 27 斜长石 8
1
1. 1
试验概述
试件设计和加工 为了使试件能很好地满足应力均匀性的要求，
从而得到真实可靠的岩石材料的动态力学性能参 需要采用大尺寸的试件， 进而也需要相应的大直 数， 径 Hopkinson 压杆试验装置。本文采用直径为 100 mm 的 SHPB 试验装置。 本文所用的岩石材料取自陕西太白山区秦岭岩 群。经国土资源部西安矿产资源监督检测中心检 验， 岩样矿物成分组成如表 1 所示。
砂岩矿物成分组成
Components of rocks
钾长石 6 蒙脱石 1 绿泥减少试验用砂岩试件的差异， 降低试 验结果的离散性。 试验前， 利用 RSMSYS 声波仪对 砂岩试件进行纵波测速， 选取纵波波速较为接近的 砂岩试件进行试验。 1. 2 加温设备和加温过程 本文加热设备采用的是武汉华中电炉设备有限 公司生产的 RX3－20－12 型箱式电阻炉， 设计最高温 度为 1 200 ℃ ， 如图 1 （ a） 所示。 100 ℃ ， 200 ℃ ， 400 ℃ ， 本文共设室温 （ 25 ℃ ） ， 600 ℃ ， 800 ℃ ， 1 000 ℃ 共 7 个温度等级， 每个温度 等级为 1 组。将砂岩试件分组放入电加热炉膛内， 升温速率设定为 10 ℃ / min； 分别加热到相应的温度 等级并保持恒温 3 h， 保证试件内外温度达到均匀， 然后再迅速将试件转移至已处于相应温度等级下的 管式加热炉内， 在恒温状态下进行单轴冲击试验 。 如图 1 （ b） 所示。
［7］
国防工程中， 岩石介质防护层不仅要承受爆炸 和侵彻等冲击荷载作用， 还要承受武器打击衍生的 高温作用； 另一方面， 核废料的地层深埋处理、 地热 资源开发、 大深度地下空间开发利用等工程所处的 — —周围岩体均可能经历动态应力 －高温 地质环境— ［1 ］ 的耦合作用 。因此， 研究岩石在高温作用下的动 态力学特性具有重要的军事价值和工程意义 。 温度对岩石物理力学性质的影响一直是岩石力 ［2 ］ 学领域重要的研究课题 ， 国内外学者对此进行了 广泛的研究， 但均未涉及岩石在高温下的动态力学 3 － 4］ 利用大尺寸 SHPB 试验装置 特性问题。文献［ 研究了多类岩石在单轴动态压缩状态下的力学特 性， 并对其破坏形态和分形特征进行了分析 ； 文献 ［ 5］ 研究了高温下 （ 100 ℃ ～ 900 ℃ ） 岩石的静态力 但离散性较大。 事实上， 处于高温环境、 动 学参数， 态应力场中的岩石， 其力学性质变化是动态应力 －高 ［6 ］ 温耦合作用的结果。 由于岩石的热膨胀 是不可 逆的， 弥散在岩石内部的微细缺陷随温度和应力变 化而不断演化， 而且构成岩石的各种组分在不同温 度下呈现不同的微观形态， 因此室温下或高温再冷 表1
Abstract： A split Hopkinson pressure bar （ SHPB ） testing system was constructed to study the mechanical properties of sandstone at high temperature． The dynamic compression loading tests of sandstone with temperature rate varying from 25 ℃ to 1 000 ℃ were carried out to study the relationship among the dynamic mechanical properties，such as peak stress，failure strain，elastic modulus，and temperature． The experimental results show that the relationship of the mechanical properties of sandstone with the temperature changes sharply at 100 ℃ and 200 ℃ ． With the increase of temperature，the peak stress and the elastic modulus all gradually decrease，while the failure strain increases when the temperature is over 200 ℃ ． The mechanical properties deteriorate rapidly with the increase of temperature when the temperature is above 600 ℃ ． In the sight of microstructure characteristics of sandstone，the mechanical properties of sandstone at high temperature were analyzed． It is found that the micro mechanism that the destruction of high temperature to the sandstone changes sharply with the increase of temperature． The research conclusions can provide references for analyzing the dynamic mechanical behavior of the country rock of underground projects at high temperature． Key words： explosion mechanics； dynamic rock mechanic； largediameter split Hopkinson pressure bar； sandstone； high temperature
1. 3
冲击加载试验系统
本文组建了配有恒温装置的 Φ 100 mm SHPB 试验系统， 该系统主要由主体设备、 能源系统、 测试 系统 3 大部分组成。试验装置及测试系统如图 2 所 示。 SHPB 试验的基本原理是基于弹性杆中弹性应 力波的传播理论， 它建立在 2 个基本假定 （ 一维假 定和应 力 均 匀 假 定 ） 的 基 础 上。 根 据 应 力 均 匀 假 定， 采用三波法 为： C · ε（ t） = （ ε i － ε r － ε t ） ， ls C t （ ε － ε r － ε t ） dt， ε（ t） = ls 0 i A σ（ t） = 2 A E （ ε i + ε r + ε t ） ， s
Research on Dynamic Mechanical Properties of Sandstone at High Temperature
2 WANG Peng1 ，XYU Jinyu1， ，LIU Shi1 ，CHEN Tengfei1
（ 1. Department of Airfield and Building Engineering，Air Force Engineering University，Xi'an 710038 ，Shaanxi，China； 2. College of Mechanics and Civil Architecture，Northwest Polytechnic University，Xi'an 710072 ，Shaanxi，China）
摘要： 为研究高温下岩石的动态力学特性 ， 组建了高温霍普金森压杆（ SHPB ） 试验系统。 并对 处于不同温度等级（ 室温 25 ～ 1 000 ℃ ） 下的砂岩试件进行单轴动态压缩试验， 研究了不同等级高 温作用下砂岩峰值应力、 峰值应变和弹性模量的变化规律 。研究表明： 砂岩动态力学特性的变化规 律在 100 ℃ 和 200 ℃ 前后均发生了明显变化； 200 ℃ 后砂岩峰值应力、 弹性模量降低、 峰值应变迅速 增大； 在高于 600℃ 温度作用下砂岩动态力学特性较室温状态发生显著劣化。 从材料的微观结构 特征角度对高温下砂岩动态力学特性进行分析发现 ， 不同温度等级高温对砂岩破坏的微观机理并 不相同。研究成果可以为分析地下工程围岩在高温下的动态力学响应提供参考 。 关键词： 爆炸力学； 岩石动态力学特性； 大直径分离式霍普金森压杆； 砂岩； 高温作用 1093 （ 2013 ） 02020306 中图分类号： TU452 文献标志码： A 文章编号： 1000DOI： 10． 3969 / j． issn． 10001093． 2013． 02． 012
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Vol． 34 No． 2 Feb． 2013
ACTA ARMAMENTARII
高温下砂岩动态力学特性研究
1 1， 2 1 1 王鹏 ，许金余 ，刘石 ，陈腾飞
（ 1. 空军工程大学 机场建筑工程系， 陕西 西安 710038 ； 2. 西北工业大学 力学与土木建筑学院，陕西 西安 710072 ）
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其微观结构与高温状态下的岩石有 却后进行试验， 很大不同。单纯的研究温度作用和动态应力均难以 真切的反映高温下岩石的动态力学特性 。 为深入 研 究 高 温 作 用 下 岩 石 的 动 态 力 学 特 性， 本文选用砂岩为材料 ， 利用波形整形器改进后 的 Ф100 mm 分离式霍普金森压杆 （ SHPB ） 试验装 置 及其配套的管式加热炉对砂岩试件进行高温 （ 室温 25 ℃ ～ 1 000 ℃ ） 下的单轴动态 压 缩 试 验 ， 探讨了不同 温 度 等 级 下 砂 岩 峰 值 应 力 、 峰值应变 以及弹性模 量 的 变 化 规 律 ， 并对其微观机理进行 了讨论分析 。
Tab． 2
高温下砂岩动态压缩试验结果
Experimental results of sandstones under dynamic compression at high temperature
［8 ］
， 得到材料的动态应力 －应变关系
∫
（ 1）
式中： σ（ t） 为试件的应力函数； ε （ t ） 为试件的应变
第2 期
高温下砂岩动态力学特性研究
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让试件有足够的时间 可以延长入射脉冲的上升段， 达到应力均匀； 而且可以平滑波形， 消除应力波的高 频振荡。本文采用厚度 1 mm， 直径 35 mm 的 T2 圆 ［10 ］ 形紫铜片 作为波形整形器材料， 可以有效地消除 应变率历程不稳定的影响， 满足近似恒应变率加载 较好地解决了恒应变率加载问题 。 的需要，
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试验结果及分析
为保证砂岩试件在中高应变率下破坏， 根据砂 岩特性， 调节空气加压控制弹速为 13. 0 m / s． 试验 基本参数及部分试验结果见表 2． 图 3 显示了在室 400 ℃ ， 1 000 ℃ 三个具有代表性的温度 温（ 25 ℃ ） ， 等级下试验后砂岩试样的破坏形态 。从破坏形态可 以发现： 砂岩经受不同等级高温作用呈现不同颜色 ， 这说明经不同等级高温作用砂岩的组分发生了变 化； 分析破坏后的块度分布， 结合实验数据可知砂岩 在 200 ℃ ～ 400 ℃ 经历了一个强化阶段， 在 1 000 ℃ 高温作用下， 砂岩抗压强度迅速下降。 表2
收稿日期： 2012－08－09 基金项目： 国家自然科学基金项目（ 51078350 ） mail： suaiwp@ 163． com； 作者简介： 王鹏（ 1989 —） ，男，博士研究生。Email： jyx369@ yeah． net． 许金余（ 1963 —） ，男，教授，博士生导师。E-
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矿物成分 含量 / % 石英 52 方解石 27 斜长石 8
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试验概述
试件设计和加工 为了使试件能很好地满足应力均匀性的要求，
从而得到真实可靠的岩石材料的动态力学性能参 需要采用大尺寸的试件， 进而也需要相应的大直 数， 径 Hopkinson 压杆试验装置。本文采用直径为 100 mm 的 SHPB 试验装置。 本文所用的岩石材料取自陕西太白山区秦岭岩 群。经国土资源部西安矿产资源监督检测中心检 验， 岩样矿物成分组成如表 1 所示。
砂岩矿物成分组成
Components of rocks
钾长石 6 蒙脱石 1 绿泥减少试验用砂岩试件的差异， 降低试 验结果的离散性。 试验前， 利用 RSMSYS 声波仪对 砂岩试件进行纵波测速， 选取纵波波速较为接近的 砂岩试件进行试验。 1. 2 加温设备和加温过程 本文加热设备采用的是武汉华中电炉设备有限 公司生产的 RX3－20－12 型箱式电阻炉， 设计最高温 度为 1 200 ℃ ， 如图 1 （ a） 所示。 100 ℃ ， 200 ℃ ， 400 ℃ ， 本文共设室温 （ 25 ℃ ） ， 600 ℃ ， 800 ℃ ， 1 000 ℃ 共 7 个温度等级， 每个温度 等级为 1 组。将砂岩试件分组放入电加热炉膛内， 升温速率设定为 10 ℃ / min； 分别加热到相应的温度 等级并保持恒温 3 h， 保证试件内外温度达到均匀， 然后再迅速将试件转移至已处于相应温度等级下的 管式加热炉内， 在恒温状态下进行单轴冲击试验 。 如图 1 （ b） 所示。
［7］
国防工程中， 岩石介质防护层不仅要承受爆炸 和侵彻等冲击荷载作用， 还要承受武器打击衍生的 高温作用； 另一方面， 核废料的地层深埋处理、 地热 资源开发、 大深度地下空间开发利用等工程所处的 — —周围岩体均可能经历动态应力 －高温 地质环境— ［1 ］ 的耦合作用 。因此， 研究岩石在高温作用下的动 态力学特性具有重要的军事价值和工程意义 。 温度对岩石物理力学性质的影响一直是岩石力 ［2 ］ 学领域重要的研究课题 ， 国内外学者对此进行了 广泛的研究， 但均未涉及岩石在高温下的动态力学 3 － 4］ 利用大尺寸 SHPB 试验装置 特性问题。文献［ 研究了多类岩石在单轴动态压缩状态下的力学特 性， 并对其破坏形态和分形特征进行了分析 ； 文献 ［ 5］ 研究了高温下 （ 100 ℃ ～ 900 ℃ ） 岩石的静态力 但离散性较大。 事实上， 处于高温环境、 动 学参数， 态应力场中的岩石， 其力学性质变化是动态应力 －高 ［6 ］ 温耦合作用的结果。 由于岩石的热膨胀 是不可 逆的， 弥散在岩石内部的微细缺陷随温度和应力变 化而不断演化， 而且构成岩石的各种组分在不同温 度下呈现不同的微观形态， 因此室温下或高温再冷 表1
Abstract： A split Hopkinson pressure bar （ SHPB ） testing system was constructed to study the mechanical properties of sandstone at high temperature． The dynamic compression loading tests of sandstone with temperature rate varying from 25 ℃ to 1 000 ℃ were carried out to study the relationship among the dynamic mechanical properties，such as peak stress，failure strain，elastic modulus，and temperature． The experimental results show that the relationship of the mechanical properties of sandstone with the temperature changes sharply at 100 ℃ and 200 ℃ ． With the increase of temperature，the peak stress and the elastic modulus all gradually decrease，while the failure strain increases when the temperature is over 200 ℃ ． The mechanical properties deteriorate rapidly with the increase of temperature when the temperature is above 600 ℃ ． In the sight of microstructure characteristics of sandstone，the mechanical properties of sandstone at high temperature were analyzed． It is found that the micro mechanism that the destruction of high temperature to the sandstone changes sharply with the increase of temperature． The research conclusions can provide references for analyzing the dynamic mechanical behavior of the country rock of underground projects at high temperature． Key words： explosion mechanics； dynamic rock mechanic； largediameter split Hopkinson pressure bar； sandstone； high temperature
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冲击加载试验系统
本文组建了配有恒温装置的 Φ 100 mm SHPB 试验系统， 该系统主要由主体设备、 能源系统、 测试 系统 3 大部分组成。试验装置及测试系统如图 2 所 示。 SHPB 试验的基本原理是基于弹性杆中弹性应 力波的传播理论， 它建立在 2 个基本假定 （ 一维假 定和应 力 均 匀 假 定 ） 的 基 础 上。 根 据 应 力 均 匀 假 定， 采用三波法 为： C · ε（ t） = （ ε i － ε r － ε t ） ， ls C t （ ε － ε r － ε t ） dt， ε（ t） = ls 0 i A σ（ t） = 2 A E （ ε i + ε r + ε t ） ， s
Research on Dynamic Mechanical Properties of Sandstone at High Temperature
2 WANG Peng1 ，XYU Jinyu1， ，LIU Shi1 ，CHEN Tengfei1
（ 1. Department of Airfield and Building Engineering，Air Force Engineering University，Xi'an 710038 ，Shaanxi，China； 2. College of Mechanics and Civil Architecture，Northwest Polytechnic University，Xi'an 710072 ，Shaanxi，China）
摘要： 为研究高温下岩石的动态力学特性 ， 组建了高温霍普金森压杆（ SHPB ） 试验系统。 并对 处于不同温度等级（ 室温 25 ～ 1 000 ℃ ） 下的砂岩试件进行单轴动态压缩试验， 研究了不同等级高 温作用下砂岩峰值应力、 峰值应变和弹性模量的变化规律 。研究表明： 砂岩动态力学特性的变化规 律在 100 ℃ 和 200 ℃ 前后均发生了明显变化； 200 ℃ 后砂岩峰值应力、 弹性模量降低、 峰值应变迅速 增大； 在高于 600℃ 温度作用下砂岩动态力学特性较室温状态发生显著劣化。 从材料的微观结构 特征角度对高温下砂岩动态力学特性进行分析发现 ， 不同温度等级高温对砂岩破坏的微观机理并 不相同。研究成果可以为分析地下工程围岩在高温下的动态力学响应提供参考 。 关键词： 爆炸力学； 岩石动态力学特性； 大直径分离式霍普金森压杆； 砂岩； 高温作用 1093 （ 2013 ） 02020306 中图分类号： TU452 文献标志码： A 文章编号： 1000DOI： 10． 3969 / j． issn． 10001093． 2013． 02． 012