Fatigue behavior of basalt-aramid and basalt-carbon hybrid fiber reinforced polymer sheets

In order to study the fatigue failure mode and fatigue life laws of basalt-aramid and basalt-carbon hybrid fiber reinforced polymer （ FRP ） sheets, fatigue experiments are carried out, considering two hybrid ratios of 1 ： 1 and 2：1 under different stress levels from 0.6 to 0.95. The results show that fractures occur first in carbon fibers or aramid fibers for the specimens with hybrid ratio of 1： 1, namely B1A1 and B1C1, while a fracture occurs first in basalt fibers for the specimens with a hybrid ratio of 2： 1, namely B2A1 and B2C1. The fatigue lives of the hybrid FRP sheets increase with the improvement of the content of carbon fibers or aramid fibers, and the influence of the carbon fibers content improvement to fatigue life is more significant. The fatigue performance of B2A1 is relatively worse, while the fatigue performance of B1C1 and B2C1 is relatively better. Finally, a new fatigue stiffness degradation model with dual variables and double inflection points is presented, which is applicable to both hybrid and normal FRP sheets.

海南北部玄武岩实时温度单轴拉-压强度试验研究

我国海南北部玄武岩储量丰富且分布广泛,矿化碳封存潜力巨大。实时温度下玄武岩的力学特性对深部玄武岩碳封存工程实践具有重要意义。本文采用配备高温环境炉的MTS万能材料试验机,对取自海南北部晚新生代玄武岩样品(主要矿物为富铝辉石和钙长石),开展了实时温度条件(25~250℃)下的巴西劈裂和单轴压缩试验,探究实时温度对其强度与变形破坏特征的影响。巴西劈裂试验表明玄武岩样品的抗拉强度随温度下降,且优势破裂面明显:室温时约13 MPa,50℃时显著下降至约8 MPa,250℃时下降至约7 MPa。单轴压缩试验结果显示玄武岩样品的杨氏模量与泊松比分别为31.0~175.3 GPa和0.13~0.48,最大值均出现在100~150℃;抗压强度为77.5~159.5 MPa,随温度上升有微弱下降趋势,但离散性增大;破裂模式随温度升高由单斜面剪切趋向多斜面剪切,可能是由于温度导致抗拉强度降低,进而导致拉张微裂隙比例增加。综合分析表明,玄武岩样品在25~250℃条件下力学特性的温度依赖性较为复杂:抗拉强度随温度升高而下降;单轴压缩力学参数离散性增加但无显著温度依赖性。其温度依赖性的主控机制为裂纹扩展速率(裂纹扩展激活能)的温度依赖性,而非热损伤。本研究结果表明,地下玄武岩碳封存工业实践中,随着埋藏深度(温度)的增加,玄武岩抗拉强度显著降低可能增加固碳反应引发的膨胀致裂的可能性,有利于提高玄武岩固碳效率,但玄武岩压缩变形破裂过程对固碳效率的影响仍需深入研究。

玄武岩对农田土壤、农作物生长及固碳的影响研究进展

土壤是植物生长的基础,它提供了植物生长所需的水分、养分等条件。同时,土壤是全球碳循环的主要储存库之一,能够吸收和储存二氧化碳,对于减缓气候变化具有重要意义。玄武岩作为一种重要的天然矿物材料,因其本身是形成土壤的母质,含有多种矿质元素,是一种相对稳定和安全的长期有效“肥料”,在农业和环保领域具有广泛的应用价值。从土壤、农作物产量及土壤固碳的角度出发,结合多学科的研究成果,综述了近年来关于施加玄武岩粉末改良土壤、提高农作物产量、增强土壤固碳的研究,为今后相关研究提供参考。

纤维导电性对地聚合物压敏行为的影响

采用碳纤维和玄武岩纤维改性地聚合物,分析了纤维掺量对其流动性、力学性能、电阻率及压敏行为的影响规律,揭示了纤维导电性能对地聚合物压敏性能的影响机制.结果表明:碳纤维对地聚合物流动性的影响大于玄武岩纤维;当碳纤维掺量升高时,地聚合物电阻率明显下降,且可分为缓降、突降和平缓阶段;随着碳纤维掺量的升高,地聚合物压敏性能先增强后减弱;当碳纤维体积分数为0.4%时,地聚合物压敏性能最优;玄武岩纤维对地聚合物压敏性能具有削弱作用.

CO_(2)原位矿化选址关键参数及其封存潜力评估研究进展

温室气体特别是二氧化碳的大量排放,是导致全球变暖的主要原因之一。根据国际能源署的报道,碳捕集利用和封存(CCUS)技术是缓解全球气候变化的重要措施之一,约占累计碳减排量的15%。原位矿化封存技术基于快速CO_(2)矿化机制,以镁铁质岩石和超镁铁质岩石(玄武岩、橄榄岩等)地层为碳封存位点,利用CO_(2)与富含Ca、Mg元素矿物的矿化反应,转变为稳定的碳酸盐,从而达到永久且高效封存CO_(2)的目的。冰岛和美国的中试项目已经证明了该技术的可行性,但中国尚未进行相关示范项目。本文介绍了原位矿化封存技术的机理、CO_(2)封存潜力的评估手段及其面临的风险与挑战,讨论了已开展的案例项目及其技术细节,梳理了实施该技术所必需的选址关键参数(包括源-汇距离、矿物类型、注入性、封闭性等),并基于目前研究对其前景进行展望,以期提高我国对原位矿化技术的认识和重视,为推动该领域进一步发展提供理论指导。

BFRP和CFRP与混凝土界面粘结塑性

塑性对构件来说,不仅可以防止发生脆性破坏,还可以提高构件的抗冲击能力以及抗震能力。传统的水泥基材料属于脆性材料,韧性差易开裂,纤维作为增强材料,其增韧阻裂作用越来越获得人们的青睐。基于碳纤维增强复合材料(CFRP)和玄武岩纤维增强复合材料(BFRP),通过双剪试验,分别对混凝土界面粘结塑性进行研究,结果表明玄武岩纤维与混凝土界面粘结塑性更好。BFRP由于较好的力学性能以及低廉的价格逐渐走进大众视野。本文研究结果对后期纤维增强材料与混凝土界面粘结塑性的类似研究具有重大意义。

中国海域盆地CO_(2)地质封存选址方案与构造力学分析

本文围绕“碳达峰、碳中和”国家战略目标,从断裂活动、盆地压力、构造沉降特征、地震活动性和地温梯度等角度综合分析中国海域盆地适宜大规模CO_(2)地质封存的条件与目标,在宏观上认为东海陆架盆地、珠江口盆地、琼东南盆地东部以及南海中央海盆是最佳CO_(2)地质封存区域,但这并不排除其他盆地内部存在适宜的CO_(2)地质封存点,因为具体某个地质封存工程目标的范围相对较小.东海陆架盆地、珠江口盆地和琼东南盆地内适用于CO_(2)地质封存的地层包括盆地晚期快速沉降期沉积层的底部咸水层和热沉降沉积层内的含油气单元,在适宜的海底之下800~4000 m深度范围内,孔隙度大于10%,静水压力约在8~40 MPa之间、静岩压力约在13~83 MPa之间变化.在此压力范围和合适的地温梯度范围内,CO_(2)以超临界状态存在,其密度随温压变化相对稳定,有利于CO_(2)的流动和渗透.另外,盆地内的基性岩浆岩建造的规模和数量也为CO_(2)地质封存和永久矿化提供了很好的条件.虽然工程难度大和代价高,但南海中央海盆是非常安全的适宜封存CO_(2)的区域,注入到海底大洋玄武岩的CO_(2)因为玄武岩矿化需要较长时间,可能存在CO_(2)泄露,但是除了玄武岩矿化以外,可能泄露的CO_(2)在后面的逃逸中还可以被多次封存,包括:火山碎屑岩矿化、海底沉积物封存、海底沉积物CO_(2)水合物封存、碳酸钙中和反应、海底碳湖和海洋溶解CO_(2)等.南海中央海盆目前6个钻遇基底大洋玄武岩的国际大洋发现计划(IODP)钻孔可以为先导性南海海盆CO_(2)封存实验提供很好的科学与工程基础.

碳化玄武岩纤维混凝土孔隙结构表征及劈裂拉伸力学性能

混凝土建筑物长期暴露于空气中会被空气中的CO_(2)气体碳化,碳化作用下混凝土的力学性能会发生变化,从而影响混凝土结构使用的安全性。本文基于试验采用快速碳化对碳化作用下素混凝土与玄武岩纤维混凝土内部孔隙结构及抗拉强度进行研究,对两种混凝土进行了0 d、3 d、7 d、14 d、28 d快速碳化,测量不同碳化龄期下试件碳化深度,采用核磁共振装置测量了两种混凝土在不同碳化龄期下的孔隙结构变化,利用电液压力机对试件开展了静载劈裂拉伸试验。结果表明:素混凝土及纤维混凝土碳化深度均随碳化龄期的增长而增加,玄武岩纤维混凝土碳化深度与速率始终小于素混凝土,玄武岩纤维的掺入降低了混凝土的碳化速率;随着碳化龄期的增加,试件T2图谱峰值降低,图谱向左偏移,碳化作用减少了混凝土内部孔隙数目,减小孔隙直径,孔隙率随之降低,碳化龄期与孔隙率间呈良好的指数相关,素混凝土孔隙率始终高于玄武岩纤维混凝土;试件内部微孔、中孔占比在85.89%以上,碳化龄期越长,试件微孔、中孔占比越大,碳化作用生成碳酸盐结晶体充斥于裂隙中,降低试件内部大孔、裂隙的占比;随着碳化龄期的增加,两种混凝土抗拉强度均先增大后减小,前期碳化作用会降低试件孔隙率,增强试件整体,其抗拉强度随之增大,后期碳化作用所产生的膨胀力会对试件造成损伤,试件抗拉强度降低,玄武岩纤维混凝土强度降幅明显低于素混凝土,纤维的掺入增强了混凝土材料的抗碳化能力。

板内玄武岩来源于再循环碳酸盐化榴辉岩的地球化学证据:以四子王旗新生代玄武岩为例

本文对中国东部中新世四子王旗玄武岩开展了详细的全岩和橄榄石主、微量元素及全岩Sr-Nd-Pb-Hf-Mg同位素研究,据此探讨它们的成因及源区性质。研究发现,四子王旗玄武岩具有类似于高μ(HIMU)型地幔起源熔体的微量元素分布特征,Zr、Hf、Ti的负异常,高的Zr/Hf比值(Zr/Hf=49.3~54.8),以及低于正常地幔范围的δ26 Mg值(-0.51‰~-0.49‰),表明其来源于碳酸盐化地幔源区。它们还具有低的Sc含量(10.1×10^(-6)~10.5×10^(-6))和高的Gd/Yb比值(8.7~9.4),结合它们橄榄石斑晶低的Fo值,高的NiO含量和Fe/Mn比值,揭示其母岩浆为碳酸盐化榴辉岩部分熔融产生。四子王旗玄武岩具有亏损的Sr-Nd-Hf同位素(87 Sr/86 Sr=0.70370~0.70449;εNd=+6.3~+6.4;εHf=+9.7~+10.3),以及较低的Pb同位素组成(206 Pb/204 Pb=17.94,207 Pb/204 Pb=15.44,208 Pb/204 Pb=37.89),指示它们源区为年轻的再循环洋壳物质,很有可能来自于滞留的西太平洋板片。四子王旗玄武岩位于南北重力梯度带以西并远离海沟,意味着滞留的西太平洋板片在物质上对上覆地幔的影响范围较之前认识的要更广。

峨眉山大火成岩省的风化碳汇效应:玄武岩粉末水-岩反应实验研究

在实现“双碳”目标背景下,有效的碳封存技术成为近年来学界关注的焦点。在众多碳封存技术中,基于玄武岩粉末的增强风化碳汇技术具有较强的成本优势,同时也对促进作物生长、改善粮食产量具有积极作用。流域研究揭示玄武岩风化具有非常高的速率,但与玄武岩粉末增强风化碳汇技术在时间尺度和反应条件上存在较大差异。中国西南地区广泛分布有峨眉山玄武岩,其在喷发之后的快速化学风化被认为是晚二叠世冰川活动的驱动机制,有可能成为增强风化碳汇技术的基础原料。为深入理解峨眉山玄武岩的风化碳汇效应,增进对玄武岩增强风化碳汇技术的认识,本文利用不同粒径玄武岩粉末和天然雨水及河水开展了水岩反应实验研究。结果显示,雨水与玄武岩粉末经历720 h常温条件的封闭反应后,其pH值接近河水的pH值,且Na+、K^(+)、Ca^(2+)、Mg^(2+)等离子浓度显著升高,其活动性和溶出速率受所在岩石结构、矿物组成、元素赋存状态、溶液饱和状态等因素共同影响与控制。玄武岩粉末与雨水的反应实验中Si元素的溶出速率最快,为4.36×10^(-12)mol/m^(2)/s,Ca^(2+)和Mg^(2+)的最大浸出速率分别为1.36×10^(-12)mol/m^(2)/s和0.91×10^(-12)mol/m^(2)/s;同时,反应溶液HCO_(3)^(-)浓度快速升高,在720 h左右达到最大浓度,表明了溶液中溶解的CO_(2)快速转变为HCO3-,而随后HCO_(3)^(-)浓度趋于降低,PHREEQC模拟结果显示Ca-Mg碳酸盐矿物达到饱和状态。初步的反应实验研究表明,峨眉山玄武岩风化具有重要的碳汇效应,可应用于增强风化碳汇技术进行地表碳封存。

MICP联合纤维加筋黄土的力学性能及水稳性研究

黄土在中国分布较广,具有强度低、高湿陷性等不良工程特性,利用微生物诱导碳酸钙沉淀(MICP)技术联合纤维加筋对黄土进行处理,可有效改善其力学性能和水稳性。为了解MICP联合纤维加筋黄土的固化效果,在黄土中掺入质量比分别为0.2%,0.3%,0.4%,0.5%的玄武岩纤维,辅以不同比例的菌液与胶结液(体积比为2∶8,3∶7,4∶6,5∶5),采用拌合法对黄土进行加固处理,并对处理后试样开展碳酸钙生成量测试、无侧限抗压强度试验、崩解试验和SEM微观测试。结果表明:①MICP拌合固化黄土可以有效改善其力学性能,固化试样内部碳酸钙生成量与峰值强度呈正比,最大生成量为黄土质量的1%,当菌液与胶结液的体积比为4∶6时,固化效果最佳。②菌液与胶结液体积比固定为4∶6时,固化试样的无侧限抗压强度随纤维掺量的增加先增大后减小,最佳纤维掺量为0.4%。③MICP固化后的黄土其完全崩解时间延长较多,当菌液与胶结液体积比为4∶6时,试样的耐崩解能力最强。④菌液与胶结液体积比固定为4∶6时,随着纤维掺量的增加,试样耐崩解能力逐渐增强,当掺量为0.5%时,试样的最终崩解率最低。⑤试样内部碳酸钙晶体呈片状附着于土颗粒与纤维表面,可有效增加土颗粒与纤维之间的粘结和摩擦,对固化后土体的强度和水稳性具有良好的促进作用。研究成果对MICP技术固化黄土的工程实际应用具有指导意义。

玄武岩CO_(2)地质封存研究进展

玄武岩CO_(2)地质封存相比于常规的封存技术(如驱油驱气注入封存和深部咸水层封存),具有能促进快速碳矿化、封存效果长久且安全及封存容量巨大等明显优点。目前玄武岩CO_(2)封存理论方面的研究已经取得了大量进展:①对常见主要成岩矿物的封存能力进行了排序;②进一步了解玄武岩的矿物成分、玄武岩层内孔隙分布特征及其形成机理;③完善了对玄武岩CO_(2)封存机理、反应速率及影响因素等方面的认识;④查明了玄武岩在地球上的分布并评估了各种典型玄武岩的封存潜力;⑤发现适合于CO_(2)封存的场地主要包括大陆溢流型玄武岩、洋底高原玄武岩和洋中脊玄武岩等三种类型,并对目标储层选择提出了初步评价标准。本文在综述玄武岩固碳机理、玄武岩CO_(2)地质封存潜力及封存场地与目标储层选择的基础上,介绍了世界上已有的三个玄武岩CO_(2)地质封存工程示范项目:冰岛Carbfix、美国Wallula和日本Nagaoka,探讨了玄武岩CO_(2)地质封存存在的若干问题:①反应速率受多种因素影响,对最终封存效果起着决定性作用;②堵塞或压裂和保护层会影响注入封存的稳定性或可持续性;③封存潜力评价方法和结果不同;④封存场地选址和储层选择缺乏统一标准与规范;⑤Carbfix方法的使用受限。

玄武岩封存CO_(2)技术方法及其进展

玄武岩封存CO_(2)为碳捕集与封存(CCS)提供了一种新的具有潜在意义的选择。当今世界上已有三个示范工程案例,即日本Nagaoka、美国Wallula和冰岛Carbfix,这些实例初步证实了CO_(2)玄武岩封存的技术和经济可行性。玄武岩封存CO_(2)相关技术研究进展包括:(1)Carbfix项目采用水溶液替代胺溶剂来捕集烟气中的CO_(2)气体,以便同时对CO_(2)和其他可溶于水的气体进行捕获,而在排放点源只需简单加装水洗塔等设备作为气体分离装置;(2)冰岛提出了适用于CO_(2)饱和溶液注入与封存的Carbfix方法,设计出能分别注入气体和水溶液的专用系统;(3)Carbfix在注入与封存CO_(2)过程中首次采用示踪元素监测方法,并通过质量平衡方法定量估算注入CO_(2)发生碳酸盐化的百分比,发现往玄武岩里注入CO_(2)不到2年就有95%被完全矿化。今后仍需进一步研究的技术问题包括:(1)CO_(2)饱和溶液与超临界CO_(2)两种注入形式如何选择;(2)能否用海水替代淡水溶解CO_(2);(3)如何提高地球化学模拟的准确性;(4)如何降低碳捕集、分离和运输环节成本。相关探讨对我国利用基性超基性岩进行CO_(2)封存具有一定借鉴意义。

纤维增强地质聚合物混凝土的动态力学性能

采用Φ100mm分离式霍普金森压杆(split Hopkinson pressure bar,SHPB)装置,研究玄武岩纤维与碳纤维增强地质聚合物混凝土(geopolymeric concrete,GC)在10～102s-1范围内的动态力学性能,并作比较分析。结果表明,纤维增强地质聚合物混凝土属于应变率敏感材料,其动态抗压强度与能量吸收特性均表现出显著的应变率相关性;作为GC的增强材料,玄武岩纤维与碳纤维各有优势,但就改善GC的强度与能量吸收特性的效果而言,碳纤维总体上优于玄武岩纤维,尤其当碳纤维体积率为0.2%时,改善效果最佳。

BF/CF层间混杂结构对复合材料性能影响

制备了碳纤维/玄武岩纤维(CF/BF)层间混杂增强酚醛树脂基复合材料,通过力学性能测试研究了混杂结构对复合材料性能的影响,并与层数相同叠合压制成型的BF复合材料的性能进行了对比。结果表明,CF/BF混杂纤维增强酚醛树脂基复合材料较BF复合材料力学性能提高,嵌层结构复合材料综合性能好于夹芯结构。

玄武岩纤维对混凝土的增强和增韧效应

采用φ100mm分离式Hopkinson压杆试验装置,研究了玄武岩纤维混凝土在冲击荷载作用下的动态力学性能,并将其与相同纤维掺量的碳纤维混凝土的冲击力学性能进行对比分析。结果表明:冲击荷载作用下,玄武岩纤维混凝土与碳纤维混凝土的强度与比能量吸收随平均应变率的增加而近似线性增长,体现了显著的应变率相关性;均匀分布的玄武岩纤维与碳纤维能够在混凝土内部形成致密的纤维网状结构,限制了混凝土内部微裂纹的产生和发展,对混凝土的冲击力学性能具有一定的改善效果;玄武岩纤维对混凝土的增强、增韧效果总体上优于碳纤维;当纤维掺量为0.1%(体积分数)时,玄武岩纤维对混凝土的增强、增韧效果最佳。

地壳再循环与大陆碱性玄武岩的成因：以山东新生代碱性玄武岩为例

大陆碱性玄武岩在地球化学特征上与洋岛玄武岩高度相似,被看做是板内玄武岩在大陆上的典型代表。本文以山东新生代碱性玄武岩为例,探讨大陆碱性玄武岩的成因。山东新生代碱性玄武岩按时空分布特征可以分为两类:早期定向分布、相互平行的三个火山群(包括鲁西的潍坊火山群、沂水火山群和胶东的蓬莱火山群)和晚期杂乱分布的孤立小火山。早期火山群碱性较弱,以碱性橄榄玄武岩和碧玄岩为主,微量元素特征和同位素组成变化大;晚期孤立小火山碱性强,以碧玄岩和霞石岩为主,微量元素特征和同位素组成较均一。因此,从岩性组成和时空分布特征看,山东的火山群相当于洋岛/海山的造盾期玄武岩,而孤立小火山接近于洋岛/海山上的复苏期玄武岩。潍坊火山群和沂水火山群在Sr-Nd,Nd-Hf同位素相关图上都存在从亏损到富集的两端元混合排列趋势,但两者的排列趋势有一点区别。其中同位素富集的端元相对于原始地幔具有偏低的Ce/Pb比和偏高的Ba/Th比,指示其为大陆下地壳物质。同时,这种富集端元的Th/La比值明显低于大陆下地壳的平均值,其放射成因Hf相对于放射成因Nd过剩(即Nd-Hf同位素解耦),说明这种富集端元不是岩浆上升过程中混染的下地壳物质,而是经历过早期熔融的再循环大陆下地壳(榴辉岩或者石榴辉石岩)。鲁西两个平行火山群在同位素排列上的区别类似于夏威夷玄武岩中的KEA链和LOA链,因此,山东的平行火山群的深部动力学背景可能是地幔柱,再循环大陆下地壳物质可能是这种地幔柱的重要组成物质。晚期的孤立小火山在地球化学特征上与火成碳酸岩非常相似,如在原始地幔标准化图上都具有K,Pb,Zr,Hf,Ti的负异常等特征,因此我们认为其地幔源区为碳酸盐化的橄榄岩。孤立小火山中等亏损的Sr,Nd,Hf同位素特征支持碳酸岩熔体来自年轻的(中生代?)再循环洋壳。

玻璃及玄武岩纤维对混凝土在碳化环境下抗氯离子渗透性能的影响

对普通混凝土、玻璃纤维增强混凝土、玄武岩纤维增强混凝土在碳化环境下进行了氯离子渗透试验。对比分析了不同碳化周期,3组混凝土碳化深度以及孔隙度的变化,进一步研究了碳化周期与纤维的掺入对混凝土抗氯离子侵蚀性能的影响,并通过扫描电镜观察了其微观结构。结果分析表明:掺入玻璃纤维和玄武岩纤维提高了混凝土的抗碳化性能,并且玄武岩纤维增强混凝土的抗碳化性能不受碳化周期的影响;碳化反应提高了混凝土抗氯离子渗透性能;碳化过程中纤维的掺入改善了混凝土的孔径分布,玻璃纤维与玄武岩纤维都能够提高混凝土的抗氯离子渗透性能;纤维使得混凝土微观结构更加致密。

二叠纪海相碳酸盐的锶同位素演化及其意义

本文从沫阳和熊家场剖面二叠纪海相碳酸盐和玄武岩的锶同位素变化出发,讨论了碳酸盐的锶同位素组成与峨嵋山玄武岩喷发之间的关系,以及玄武岩中海相碳酸盐的锶同位素贫化原因,指出海相碳酸盐的锶同位素组成可作为了解地球构造演化的工具。

云南会泽铅锌矿玄武岩与碳酸盐岩区景观格局分析

玄武岩与碳酸盐岩是岩浆岩和沉积岩的典型代表,两大岩类之间的差异性决定了两者具有不同的形状特征和抗风化能力。本文以会泽铅锌矿区为例,研究如何以定量方式表达这种差异。基于5m分辨率的Rapid Eye遥感影像,利用面向对象分类技术分离玄武岩和碳酸盐岩图斑,计算出代表斑块形态特征和破碎化信息的10个景观指数,并引用主成分分析法消除指数之间的信息冗余,更合理地表达指数意义。结果显示,面向对象分类技术分离出的裸岩斑块可单独计算景观指数,分析效果良好;景观指数分析和主成分分析结果一致,显示出玄武岩破碎度较高,形状呈不规则块状或团块状,碳酸盐岩破碎度比玄武岩低,形状呈现条带状,分析结果与两者的岩性特征以及遥感影像图形特征相符。研究对于岩浆岩和沉积岩的岩性自动识别有一定的指导作用。