循环冻融下寒区工程常用保温材料性能变化试验研究北大核心CSCD

保温材料广泛应用于寒区工程的诸多领域。然而,在服役过程中,保温材料往往会受到浸水、冻融和盐蚀等多场耦合的循环作用,导致其保温、防水和强度等物理力学性能出现不同程度的退化。目前,保温材料的类型非常多,但其性能和耐久性有所不同,因此科学合理地选择保温材料不仅关系到其长期保温效果,同时对于工程构筑物的长期稳定性具有重要的意义。针对循环冻融作用,选取寒区工程中常用的4种保温材料[聚酚醛(FLK)、聚氨酯(PU)、聚苯乙烯挤塑板(XPS)和聚苯乙烯发泡板(EPS)]开展了浸纯水、浸盐水和干燥状态下的室内冻融循环试验,对经历了不同冻融次数的样品进行了表观密度、吸水率、导热系数、压缩强度、弯曲强度和微观结构系列测试。结果表明:浸润作用对保温材料物理力学性质影响显著,亲水性材料FLK的保温和力学性能退化显著,而憎水性材料PU、XPS和EPS变化相对较小。干燥条件下,冻融循环作用对FLK、XPS和EPS吸水率以及FLK的导热系数影响量值可观,但对4种保温材料的压缩和弯曲强度影响不大。浸纯水和盐水条件下,经历30次冻融循环后,FLK的导热系数增加约50%,弯曲强度降低超过0.3%,EPS的压缩强度降低超过10%。浸盐水后保温材料经历冻融循环作用后其物理力学性能退化程度与浸纯水条件下有所不同,该差异值得关注。通过扫描电镜图像能够识别4种保温材料的孔隙尺寸、孔隙致密度和固体颗粒胶结方式,但对经历冻融循环作用后的变化难以识别和量化。基于试验结果,结合寒区交通工程应用场景,分析了4种保温材料的冻融耐久性,以期服务于寒区交通工程保温材料的合理应用。     

深部地热能开发保温管技术研究现状及发展趋势

地热能是一种清洁的可再生能源,用地热能替代高碳能源是减少碳排放的有效途径之一。井下保温管技术是影响地热能开采效率的关键技术之一。本文从保温管的结构、材料、保温材料及制作工艺方面介绍了井下保温管的发展研究现状,指出纳米保温材料与真空油管的融合将是未来的发展趋势,真空纳米保温管是用于深部地热能开采的首选,同时也指出了真空纳米保温管的基础结构因素对保温性能的影响机制是研究的重点,为优化保温管的制作工艺、降本增效提供参考。     

地热井固井水泥石传热性能研究现状及展望

固井水泥石传热性能是影响井筒热传递能力的重要因素。本文主要介绍了目前固井水泥石导热系数的主要研究手段,以及在此基础上取得的一些认识,例如外加高导热材料、水泥石微观结构和含水率与导热系数之间的关系。同时还指出了现有研究手段的统一和拓展、研究内容的系统化还有待进一步加强和改善。在分析建筑保温水泥和岩石等多孔材料研究经验的基础上,提出水泥石导热系数的研究不仅需要统一实验手段和推广使用数值模拟的方法,还要考虑水泥石养护条件、内部水分的动态变化和外加保温材料等因素对水泥石导热系数的影响。系统规范的研究手段和内容可有效提高研究的准确性、高效性和全面性,显著增加对水泥石热传导性能的认识,以期为后续的研究提供一定的借鉴。     

风积沙质胶结充填材料性能对水固比响应分析

煤炭胶结充填开采技术是一项基于生态、地质和资源安全的新型开采技术,质量分数是控制胶结充填材料性能的重要因素。为了掌握风积沙质胶结充填材料对质量分数的响应,试验研究了质量分数对材料多项性能的影响规律。结果表明：抗压强度、坍落度、泌水率、分层度对质量分数的响应较为显著,凝结时间相对较弱。随着质量分数升高,抗压强度增长较快,坍落度、泌水率、分层度明显降低,凝结时间缓慢降低。同时质量分数与材料输送的屈服应力、黏度系数、沿程阻力等具体指标直接相关,但对各指标影响规律存在较大差异。分析认为,质量分数对材料性能和指标的控制是基于水分在材料输送和硬化过程中的化学和物理作用,水分在材料中既是化学反应的参与项,也是物理性能的控制项,对于每一种胶结充填材料均存在合理的质量分数区间。     

基于花岗闪长岩矿物成分的热导率预测模型

岩石矿物成分的种类及相应体积分数是影响岩石热导率的主要因素,通过室内实验测定花岗闪长岩的热导率及矿物成分的含量,研究矿物成分对岩石热导率的影响规律。将岩样各矿物成分体积分数转化为相同平板面积的壁面厚度,建立了花岗闪长岩矿物成分对其热导率影响规律的预测模型,预测值与实测值误差在0.2～0.6 W/(m·K)之间,通过修正系数调整模型使误差控制在5%范围,同时分析模型得到花岗闪长岩热导率随石英体积分数与长石体积分数比值的增加而变大,为开发利用干热岩地热能和岩石热物性研究提供理论参考。     

深部煤层原位保压取心技术原理与瓦斯参数测定研究进展

煤层原位瓦斯压力与瓦斯含量是深部煤矿安全生产与煤层气资源精准评估的关键参数。针对深部煤层原位瓦斯含量精准测定的技术难题,提出了原位保压取心与原位瓦斯含量和压力测试的全新原理,推导并建立了煤层原位瓦斯含量计算方法和考虑含水率及多气体组分影响的煤层原位瓦斯压力计算方法。根据矿井深部原位应力环境特点与多向取心工程需求,分别自主研发了重力式、弹力式和磁力式保压控制器,可实现任意角度保真取心。自主研制了集低扰动保压取心与样品含气量一体化测试技术与装备,可实现与保压取心器对接并解锁的原位样品转移、破碎与测试,解决了原位取心、样品转移过程中瓦斯量损失问题,大大提高了瓦斯含量测定的准确性,为精准测定深部煤层原位瓦斯压力及瓦斯含量提供了理论和技术支撑,以期降低瓦斯事故,提高高突矿井安全开采效率。     

砂?重晶石粉填料导热性能与传热机制研究

地埋管地源热泵是浅层地热能利用的一种主要形式,回填材料的热物性尤其导热系数是影响热泵系统换热效率的关键。以砂和重晶石粉作为研究对象,探究不同重晶石粉掺比(体积分数)以及不同饱和度样品导热系数的变化规律;并基于体视镜、核磁共振分析等宏细观实验,揭示重晶石粉对回填材料导热系数提高的机制;最后,通过数值模拟手段研究该回填材料导热性能对换热效率的影响。研究表明:重晶石粉对回填材料导热系数的影响显著,掺比20%重晶石粉对回填材料导热系数提高的效果最好,最高可使导热系数提高52.09%;水的含量对导热系数影响也很显著,样品饱水后导热系数明显增加,相比干燥样品提高了4~5倍;重晶石粉对回填材料导热系数的提高主要由包裹效应和填隙效应引起,包裹效应为重晶石粉将砂颗粒表面包裹,而填隙效应则是重晶石粉将砂颗粒之间的孔隙填充;数值模拟结果证明重晶石粉提高回填材料导热系数进而提高地源热泵换热效率的可行性。研究成果为地源热泵回填材料的选择提供了参考。      

秸秆地质聚合物复合材料保温性及耐高温性能研究

为弥补传统秸秆建筑材料在抗压强度、防火性能、保温能力等方面的不足,本实验将秸秆掺入地质聚合物中合成一种新型复合保温建筑材料,研究了不同秸秆含量对材料保温性能的影响,并考察了材料的耐高温性能。结果表明:秸秆地质聚合物具有良好的保温性能,秸秆掺量由1%增至6%时,材料的导热系数由0.0981 W/m·K减至0.0692 W/m·K。秸秆掺入量为4%时,抗压强度为32.78 MPa。耐高温实验结果显示,当煅烧温度低于250℃时,地质聚合物对秸秆具有一定的保护作用。当材料在600℃温度下煅烧120 min后,其抗压强度依然达到35.94MPa。温度在800℃以内材料具有稳定的矿物组成,热稳定性良好。     

青藏高原北麓河地区原状多年冻土导热系数的试验研究

取自青藏高原北麓河试验段的原状冻土, 利用 QL-30 热物性分析仪测定原状冻土的导热系数. 结果表明: 原状冻土和重塑土的导热系数变化规律存在着较大差别. 对于浅部冻土层, 气体体积含量和含冰量是影响原状冻土导热系数的控制因素; 而对于地下冰层, 冰是控制其导热系数的最重要因素, 气体体积含量的大小也对其导热系数有影响. 对于深部强 全风化泥岩, 气体体积含量控制着它的导热系数的大小.     

Na2O对高铝粉煤灰合成莫来石的影响

本文研究了Na2O添加量和烧结温度对粉煤灰合成莫来石材料性能、晶体结构和显微形貌的影响。结果表明,Na2O可较大辐度降低粉煤灰合成莫来石的温度。在1300℃,Na2O添加至2%时,生成的莫来石细小,含量较高,但试样强度不高;Na2O添至4%时,莫来石发育为长柱状,长径比约8～12,并且相互交错成网状,材料的机械强度较高,抗折强度为97.71MPa,莫来石相对含量为76.1%;Na2O添加至8%时,莫来石含量明显减少,晶形变为不规则状。在一定范围内,材料的体积密度、烧成线收缩率和抗折强度均随温度的升高而增大,莫来石含量也相应增多。     

深部岩体力学研究与探索

深部原位保压取心是深部流态资源(煤层气、页岩气等)储量评估的重要途径,其密封性能与承压能力受温压影响显著。然而目前研究鲜有考虑深部原位环境(温度、压力)对保压控制器极限耐压能力与保压效果的影响。围绕保压控制器在深部环境下承压性能关键问题开展研究,进行保压控制器运动分析,开展304钢高温拉伸实验,获取其材料力学特性。基于自主研发的保压取心实验室模拟测试平台与数值仿真研究手段,模拟深部原位环境下保压控制器结构变形与应力分布特征,提出保压控制器失效控制策略。结果表明：(1)随着温度增加,304钢的屈服强度呈降低趋势,25、50、100、150、200℃条件下,其平均屈服强度分别约为556.42、536.26、513.22、511.00、489.88 MPa;(2)其失效内因在于阀盖等效应力集中于底面中部,阀盖结构变形以短轴两翼向内部收缩为主,导致密封接触压强降低,无法形成有效密封;(3)为了提高保压控制器的承压性能,建议通过优化材料性能(选取弹性模量大的材料)来降低保压控制器的变形,或在阀座内置限位结构来控制阀盖弱侧变形,促使保压控制器处于“越压越紧”的良性状态。相关研究可为深部原位保压取心控制器结构优化与能力增强提供借鉴。

     

滑坡碎屑化运动物理模型相似材料特性研究

高速远程滑坡物理模型试验中,岩石相似材料的选择是模型试验成功的关键,然而目前滑坡相似材料强度高、难以在缩尺试验中模拟滑坡破碎过程。以重晶石、石英砂为骨料,石膏为胶结剂,羧甲基纤维素钠、甘油、水作为辅助材料,进行可破碎岩石相似材料的配比试验。采用控制变量法研究重晶石与石英砂比例（重石比）、骨料与胶结物比例（骨胶比）、羧甲基纤维素钠含量、拌合水量、甘油含量对相似材料物理力学性质的影响。试验结果表明：所有配比情况下各相似材料物理力学参数的范围分别为单轴抗压强度为0.12～1.47 MPa,弹性模量为25.51～148.12 MPa,黏聚力为1.63～87.39 kPa,内摩擦角为22.70°～35.89°,脆性指标主要分布在0.033～0.145之间;重石比主要控制岩石相似材料的内摩擦角;骨胶比减小,对应的黏聚力和内摩擦角先增大后减小;羧甲基纤维素钠对材料的单轴抗压强度、弹性模量、黏聚力等材料的力学特性以及材料的脆性指标影响均比较大,其中对单轴抗压强度的影响最大。因此,控制羧甲基纤维素钠和拌合水量的含量,并合理调节重石比与骨胶比,在相似比约为1∶600的试验尺度下,最终确定了适用于高速远程滑坡碎屑化过程模拟的低强度高脆性岩石相似材料的配比区间。     

自然冷却后与实时高温下花岗岩物理力学性质对比试验研究

岩石经过高温作用后其物理力学性质的变化,直接影响着干热岩资源的开发利用与地下储层的稳定性。以花岗岩为研究对象,对高温自然冷却后和实时高温下的岩样进行物理性质测试与单轴压缩试验,分析对比试样在不同状态下的物理力学性质变化情况。结果表明:(1)自然冷却后与实时高温下的花岗岩质量随温度升高而减小,体积随温度升高而增大,600 ℃时,质量损失率分别为0.24%、0.27%,体积增加率分别为4.21%、3.53%;(2)两种方式下试样的峰值强度、弹性模量整体上呈现减小趋势,600 ℃时,峰值强度分别降低约49.81%、37.19%,弹性模量分别降低约34.35%、26.13%,峰值应变分别增长约70.43%、39.62%;(3)低于400 ℃时,自然冷却后的试样各物理力学性质弱化情况低于实时高温下的试样,但高于400 ℃时,自然冷却后的试样物理力学性质弱化情况较实时高温下试样更严重,出现了高温拐点。研究结果为实际工程中高温岩石工程的岩石稳定性评价提供理论参考。     

煤炭开采对煤层底板变形破坏及渗透性的影响

煤层底板变形破坏除受地质因素控制外,还受开采因素影响。通过试验和理论分析,系统研究了煤炭开采对回采工作面底板应力、应变和破坏及渗透性的影响。研究结果表明,不同岩性岩石的渗透性在全应力-应变过程中为应变的函数,在微裂隙闭合和弹性变形阶段,岩石的原生孔隙和裂隙容易被压密,岩石的渗透率随应力的增加由大变小明显,当应力增大至极限强度时岩石试件破坏形成贯穿裂隙,岩石的渗透率迅速增大至最大,不同岩性岩石存在一定差异性;随着回采工作面推进,煤层底板岩层在横向上划分为原岩应力区、超前压力压缩区、采动矿压直接破坏区和底板岩体应力恢复区4个区。煤层底板岩体的渗透性随着煤炭开采底板岩体变形破坏而呈规律性变化。     

环氧树脂/金云母纳米复合材料的制备与表征

以环氧树脂为基体,二甲基苄胺为固化剂,经结构修饰和有机改性的金云母为增强相,制备了环氧树脂/金云母纳米复合材料,测试了环氧树脂/金云母纳米复合材料的结构、形貌、力学和电学性能。研究了金云母添加量、混合时间以及固化剂添加方式等因素对金云母在环氧树脂中剥离程度的影响。力学性能测试表明,当金云母含量为1%时复合材料的性能最好,与纯树脂相比,拉伸强度提高了32.33%,弯曲强度提高了53.77%,冲击强度提高了127%。电学性能测试表明,当金云母含量为1%时,复合材料体积电导率和表面电导率分别比纯树脂提高了2个和4个数量级。     

天然土石坝稳定性初步研究

具有较低强度、较高脆性和良好水稳性的岩石相似材料是在物理模型实验中重现滑坡-碎屑流成坝与溃坝全过程的关键条件之一,然而目前却极少有合适的岩石相似材料能够用于该过程的物理模拟,因此,本文以重晶石和钙砂为骨料,以石膏和硅酸钠为胶结剂,以羧甲基纤维素钠和甘油为辅助添加剂,并拌合一定的水进行岩石相似材料的配比实验。采用控制变量法研究了骨胶比、重砂比、硅膏比、羧甲基纤维素钠含量和拌合水量5种因素对相似材料物理力学性质的影响,初步探究了硅酸钠控制岩石相似材料水稳性的机理。实验结果表明：骨胶比主要控制弹性模量;重砂比对内摩擦角有较大影响;硅膏比控制水稳系数;羧甲基纤维素钠含量控制内摩擦角;拌合水量控制黏聚力和单轴抗压强度。硅酸钠在提高材料水稳性方面起到化学胶结作用、填充作用和骨架作用,是控制相似材料水稳性的关键因素。结合实验结果和理论分析,本文配制的相似材料具备较低强度、较高脆性和良好的水稳性,为在1︰400~1︰800的实验尺度下实现滑坡-碎屑流成坝溃坝全过程物理模型实验奠定基础。     

羌塘盆地岩石物理力学特性分析及其孔壁稳定技术

羌塘盆地是青藏高原年平均地温最低、冻土层相对较厚的地区,所处的水文地质及工程地质环境极其复杂。由于勘探程度低,深孔钻探的实钻资料较少,缺乏对该区深部岩层的岩石物理力学特性研究。因此,结合地球物理测井技术、取心和实验测试结果对QK-7孔钻遇地层岩石物理力学参数进行分析,并对冻土带异常孔隙水压力极复杂地层孔壁稳定泥浆工艺技术进行总结和探索,以期为羌塘盆地油气资源战略开发深孔钻探的顺利实施提供基础理论支持。     

空心微珠轻质保温帽的研制

论述以厚壁空心微珠为基质,研制轻质保温帽。重点阐述原材料的物理化学性质,配料组成的确定,工艺流程。经工业试验,试制出轻质、高强的绝热材料,经济、社会效益显著。为粉煤炭的产品型利用提供新途径。     

地热井固井材料导热性能影响因素

固井材料导热性能是影响地热井取热效果的因素之一。为提升地热井固井材料导热系数,采用正交试验,借助层次分析-指标重复性相关（AHP-CRITIC）混合加权法和极差分析,进行固井材料导热性能研究。结果表明：添加天然鳞片石墨、铁粉和石英砂均可提高固井材料导热系数,其中石墨对导热系数的提升作用最为显著,铁粉次之,石英砂最小;石墨掺量和水固比分别是影响固井材料综合性能的主次要因素;随着石墨掺量递增,其导热系数递增、48 h抗压强度和流动度均递减;得出高导热固井材料的优选配合比为：水固比值0.44,石墨、铁粉和石英砂掺量分别占水泥质量的7.5%、3%、2%,其导热系数可达1.87 W/（m·K）,较常规固井材料提高约70%。研究成果可为地热能高效开发利用提供参考。     

极弱胶结岩石物理力学特性及本构模型研究

极弱胶结岩石成岩时间晚,胶结差,强度低,易风化,遇水泥化崩解,特殊的成岩环境和沉积过程形成其独特的物理与力学性质。X射线衍射试验表明,极弱胶结岩石的黏土矿物成分以高岭石为主,其含量高达54%～69%。微观结构为蜂窝状、孔隙多且连通性好,整体结构性较差,遇水易发生水化反应,造成其孔隙率增加与强度降低,在自然条件下极易风化,短时间暴露即开裂。使用MTS 815岩石力学试验系统进行极弱胶结岩石的单轴与三轴压缩试验,获得极弱胶结岩石全应力-应变曲线,揭示了极弱胶结岩石峰后应变软化与扩容变形特性。试验结果表明,岩样破坏前后具有明显的体积膨胀特性,随着围压的提高,峰后体积膨胀特性逐渐减弱。基于裂纹体积应变模型,分析了极弱胶结岩石扩容大变形破坏机制,揭示了岩体强度与扩容参数随等效塑性应变的演化规律,建立了峰前损伤扩容与峰后破裂扩容屈服准则,构建了极弱胶结岩石扩容大变形本构模型。