烧变作用下砂岩的物理特性研究

论文摘要

本文以煤田地质中的烧变岩为工程背景,选取砂岩进行了岩石的高温加热实验,研究了25-1300℃温度区间对砂岩的色度、波速影响变化。同时测试了试样的抗压强度、抗拉强度以及声发射数据,分析温度对试样强度的影响以及压力作用下砂岩内部裂隙的发育。此外,本文应用热分析的手段,通过空气和氩气这两种不同的热分析环境,对砂岩内部不同温度作用下的矿物成分变化以及物理化学反应做了研究,并从宏-微观响应角度对岩石的物理特性做了分析。本文的研究成果为烧变岩的形成机理,物理特性等问题的研究提供了理论支持。论文得到以下主要成果:（1）砂岩色度在100℃至400℃之间,砂岩的L*、a*和b*呈缓慢上升趋势;500-800℃,a*和b*呈快速上升;800-1100℃,L*缓慢降低,a*快速下降,b*缓慢下降;1100-1150℃,L*、a*和b*快速降低。砂岩热导率在100℃至400℃之间,比较平稳;400-1000℃,快速下降;1000-1200℃,热导率整体呈上升趋势。（2）砂岩的破坏模式随温度由脆性破坏转向塑性破坏转变,表现在抗压强度-轴向应变之间的关系上:随温度的上升,抗压强度逐渐减小,峰值轴向应变增大,且强度-应变曲线斜率减小。声发射变化特征与抗压试验的时间应力曲线相一致。在压密阶段,有少量振铃数,在破坏阶段出现密集的振铃阶段。随温度升高,振铃数减少,岩石延性特征逐渐增强。（3）在氩气环境的热分析过程中,根据试样加热温度,可以分为阶段Ⅰ、阶段Ⅱ、阶段Ⅲ对应着25-500℃、600-800℃、1000-1300℃这三个温度区间。阶段Ⅰ中先后出现附着水脱水、结合水脱水、结晶水脱水、结构水脱水、方解石分解这5个物理化学反应。这些反应与DSC曲线的波谷相对应,为吸热反应;阶段Ⅱ中,经过600℃及以上高温处理过的砂岩试样的脱水过程不可逆;阶段Ⅲ中,经过1000℃及以上温度处理过的砂岩,方解石完全分解。在空气环境中,同样分为a、b、c、d、e五个区域。但a和b区域合并,c区域的降幅比氩气环境更小。（4）根据试样宏观特征和各参数与温度的关系,将100-1300℃分为阶段Ⅰ（100-400℃）、阶段Ⅱ（400-800℃）、阶段Ⅲ（800-1100℃）、阶段Ⅳ（1100-1300℃）这四个阶段。由试样扫描图和超眼图发现,在阶段Ⅰ和阶段Ⅱ中,砂岩颜色变红,波速与强度和热导率呈线性相关。在阶段Ⅲ中,出现贯通的裂纹。在阶段Ⅳ中,砂岩表面逐渐转变为黑色,钠长石开始融化,试样表面逐渐变得平滑。整体上波速、强度、色度、热导率等对微观损伤变化有着较好的响应效果。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• abstract
• 变量注释表
• 1 绪论
•   1.1 研究背景与意义
•   1.2 国内外研究现状及存在问题
•   1.3 主要研究内容与技术路线
• 2 砂岩高温试验及测试
•   2.1 岩样特征及制备
•   2.2 加热试验
•   2.3 波速和色度测试
•   2.4 热导率测试
•   2.5 岩石强度测试与声发射采集
•   2.6 热分析测试
• 3 高温后砂岩的物理性质
•   3.1 波速变化特征
•   3.2 表面色度分析
•   3.3 热导率变化特征
•   3.4 本章小结
• 4 砂岩力学特性及声发射
•   4.1 应力轴向应变曲线
•   4.2 声发射信息特征
•   4.3 抗拉强度
•   4.4 本章小结
• 5 空气与氩气环境中砂岩热分析特征
•   5.1 氩气环境中热分析特征
•   5.2 空气环境中砂岩热分析特征
•   5.3 砂岩热分析的综合对比
•   5.5 本章小结
• 6 砂岩高温物理特性及机理分析
•   6.1 矿物表面的观察与分析
•   6.2 砂岩高温宏-微观参数响应特征
•   6.3 在烧变岩工程中的应用
•   6.4 本章小结
• 7 结论与展望
•   7.1 结论
•   7.2 展望
• 参考文献
• 附录
• 作者简历
• 学位论文数据集

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 徐琛琛

导师: 孙强

关键词: 砂岩,烧变作用,物理力学参数,热分析,宏微观响应

来源: 中国矿业大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑

专业: 地质学,矿业工程

单位: 中国矿业大学

基金: 国家自然科学基金面上项目No.41672279,国家自然科学基金青年基金项目No.41807233,江苏省自然科学基金青年基金项目No.BK20180662

分类号: P618.11

总页数: 69

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