关闭矿井采空区破碎岩体再断裂机制及空隙结构演化特性

受“双碳”政策影响,关闭矿井地热开采技术逐渐受到关注。关闭矿井采空区内储热流体提取效率与其渗流特性密切相关,而破碎岩体空隙结构是决定采空区渗流特性的关键因素。因此,需要研究地热开采复杂环境下储热空间破碎岩体空隙结构变形演化特性。笔者基于颗粒离散元数值方法,建立浸水及侧向约束压缩条件下不同级配的破碎岩体数值模型,分析破碎岩体变形行为及二次断裂演化特性,追踪颗粒从岩体骨架结构剥离及空隙内运移规律。得到如下结论:破碎岩体压实过程应力随应变增长可分为3个阶段:初始阶段(0<ε≤0.175),缓慢增长阶段(0.175<ε≤0.275)以及快速增长阶段(ε>0.275)。快速增长阶段应力-应变曲线出现明显波动,破碎岩体二次断裂及应力重分布现象在该阶段最明显。破碎岩体热储环境下空隙率的变化值与初始空隙率成正比,最大达到0.2。当破碎岩体内岩块粒径悬殊大时,接触键应变能最大,断裂能增长缓慢。岩块与颗粒密集区接触部分断裂分布多,与空隙接触部分断裂分布极少。颗粒未剥离岩块时,随岩块运动,整体运动路径复杂速度较小;颗粒剥离瞬间速度突然增大,与岩块碰撞导致速度改变。当颗粒速度减小到与周围岩块相近时,将造成空隙空间的堵塞。研究结果可为关闭矿井储热空间换热效率评估提供理论依据。

不同空隙结构沥青混合料对路面径流污染的控制效能

为了明确透水路面控制路表径流非点源污染的功效,在明确路表径流污染主要评价指标基础上,从不同空隙结构沥青混合料的材料组成角度研究其控制路表径流污染的效能.试验结果表明,具有不同空隙结构的多孔沥青混合料对路表径流均具有一定的有机污染物和固体悬浮物的去除效果,去除效果与沥青混合料的空隙结构形成因素有关.在充分压实基础上通过级配设计所形成的不同空隙结构中,随着空隙率的降低,污染物去除效果越明显,兼顾透水与去污效果,推荐沥青混合料的有效空隙率为20%左右.

排水沥青混合料各向异性空隙结构对渗水特性的影响

为研究排水沥青混合料各向异性空隙结构对渗水特性的影响,以拓展的达西定律为理论基础,基于工业CT获取排水沥青混合料的空隙细观分布特征,建立了排水沥青混合料的渗水数值模型,并采用有限体积法分析了水在排水沥青混合料结构内部的流动特征;截取长方体试件作为特征体元来描述排水沥青混合料的各向异性渗透性能.研究表明:排水沥青混合料中空隙分布不均匀,横向的连通空隙率大于竖向,且单个空隙面积也比竖向大,空隙率的各向异性分布使得混合料试件渗透性也表现出各向异性;横向两个方向的渗透系数相近,且约为竖向的2倍;在进行渗透性分析时,在横向可把排水沥青混合料看成是各向同性体,而横向与竖向同时分析时应考虑为各向异性体.

碳酸盐岩风化过程中空隙结构的变化

本文以一个灰岩和一个大理岩风化剖面为例，运用压汞实验和扫描电镜观察等方法，研究了风化过程中碳酸盐岩空隙结构的变化。在风化过程中，岩石的有效空隙度￣，平均空隙直径均增加；风化溶蚀孔洞发育的分异作用明显，直径较大的连通性空隙在全部空隙中所占比例随着风化程度提高而明显增大。未风化的岩石仅发育少数直径段的原生孔隙，有效空隙度一般小于１％，累积进汞体积曲线呈台阶状；风化岩石不同直径的空隙均有发育，有效空隙度一般为１～１０％，累积进汞体积曲线多为直线型；强烈风化岩石以连通性大溶孔为主，有效空隙度为１０～２０％，累积进汞体积曲线多为反抛物线型。

沥青碎石混合料永久变形与空隙结构关系研究

一般认为沥青碎石混合料较大空隙与较小永久变形间是相互矛盾的,但不同级配沥青碎石混合料不同压实功下的空隙率与永久变形的对比研究表明,两类不同空隙结构的混合料对应的永久变形有明显差异.进一步试验数据表明兼顾较大空隙率、较高回弹模量和较小永久变形的功能要求是可能的,关键在于空隙结构的力学稳定性,其关键技术不仅在作为必要条件的材料设计,而且在作为充分条件的成型工艺的配合,因此重要的在于材料-结构-工艺一体化设计.

沥青混凝土路面空隙结构分析

从理论上对沥青路面空隙结构进行了分析,提出了均布系数、当量半径、连通率、曲折度等指标,辅以空隙率全面评定空隙结构特征。还分析了影响空隙结构特征的诸多影响因素。以OGFC混合料为例,计算并分析其空隙结构特征。为研究水在沥青路面空隙中的输送过程奠定基础,对沥青路面抗水损坏性能提高具有指导作用。

不同空隙率排水性沥青混合料宏观性能与微细观空隙结构研究

为了兼顾排水性沥青混合料排水性能与耐久性能,在JTG F40-2004推荐的OGFC-13矿料级配范围内选取5种级配,使得5种级配排水性沥青混合料空隙率为18%~24%,针对室内试验试验研究不同空隙率排水性沥青混合料力学性能、路用性能、疲劳性能,基于X-Ray CT的无损检测技术获取排水性沥青混合料内部的细微观空隙形态,采用平均空隙直径、空隙级配未评价指标,研究不同级配排水性沥青混合料的微观空隙分布特征,最后建立排水性沥青混合料细微观空隙结构与其宏观路用性能之间的关系。结果表明,9.5、4.75、2.36 mm这3种筛孔通过百分率与空隙率的相关性最好;在20%~21%空隙率时排水性沥青混合料的动稳定度达到峰值,抗弯拉强度、弯曲应变、浸水马歇残留稳定度、冻融劈裂强度比及各应力水平下的疲劳寿命随着空隙率增大而减小;排水性沥青混合料空隙体积测算的平均空隙直径为6.8~10.3 mm,表面积测算的平均空隙直径为8.8~13.4 mm,直径大于4 mm的空隙数量占总空隙数量的75%以上。建议排水性沥青混合料适宜的空隙率为20%~22%。

锡增重处理的蚕丝纤维空隙结构分析

1.绪言 有关蚕丝空隙结构的报导几乎没有,仅仅是从染色性等方面进行过一些定性的讨论。另外,用小角X射线测定法测定空隙结构时,至今只有以各向同性物质为前提的理论,只能作出一些不完整的分析。本研究采用针对纤维状物质推导出来的盐谷。高久的空隙分析理论,还为了强调空隙——固体间的电子密度差,在蚕丝上进行了锡增重处理。自古以来,蚕丝的锡增重处理以欧洲为中心来展开的,认为增重处理中所用的氯化亚锡以锡凝胶固着在蚕丝内部的空隙中。本文从这样的观点出发,对家蚕丝、野蚕丝进行锡增重处理,用小角X射线测定来分析空隙结构,报导了这两类纤维结构不同的研究结果。

粗集料对沥青混合料空隙结构影响分析

沥青混合料的空隙率与性能密切相关,空隙细观结构直接影响着沥青混合料的各种性能。针对粗集料,设计不同级配和针片状含量的混合料,通过CT扫描、数字图像获取技术方法的研究,获得三维重构图,采用VG Studio MAX2.2设定不同灰度范围,进而提取空隙,构建沥青混合料的空隙空间变化特征图,分析空隙结构评价指标,进而对空隙结构进行研究。通过空隙定性对比发现,该方法获得的空隙变化同表干法实测规律一致;空隙粒径分布受粗集料级配和针片状含量影响显著;通过设定灰度阈值的方法计算沥青混合料空隙率,其结果大于实测空隙率;构建的面积比值参数,能准确地表征沥青混合料中粗集料和空隙的比例关系。

承压破碎煤体空隙结构演化及渗流特征

为探究破碎煤岩体承压过程中其内部空隙结构演化规律及气体渗流特性,自主研发了破碎煤岩体压实-CT扫描装置,以5~10 mm破碎无烟煤为例,借助CT扫描、图像处理及三维重构等技术,建立了3种应力下的破碎无烟煤空隙网路模型,并在此基础上开展了数值模拟研究。研究结果表明:应力对承压破碎无烟煤空隙尺寸和连通性具有显著影响,空隙体积、孔喉横截面积和平均配位数呈现出随应力的增大而减少的趋势,空隙空间的连通性降低;破碎无烟煤的空隙率和绝对渗透率都随着应力的增加而减小,应力从0达到23.24 MPa时,绝对渗透率减少了1个数量级;由于空隙结构的差异性,气体在破碎无烟煤中的流动存在高流速区和低流速区,高流速区多存在于渗流通道由大变小的区域。研究结果能够为破碎煤岩体中煤层气的高效抽采提供理论参考。

毛细管模型表征醋纤滤棒空隙结构

为了准确量化地表征和研究醋纤滤棒空隙结构,采用了一种毛细管模型表征方法,即将滤棒内部的空隙简化为一束均匀的毛细空管,通过测量滤棒圆周、质量、长度、成型纸厚度和毛细吸水质量5个参数,计算滤棒内部毛细管的半径和数量,分析了不同滤棒样品的空隙结构。结果表明:①方法的重复性较好,毛细管半径和数量测试的相对标准偏差小于0.5%。②常规滤棒样品(圆周24.2 mm)内部约有1600~2200个半径78~90μm的毛细管,细支滤棒样品(圆周17.0 mm)内部约有180~310个半径140~190μm的毛细管。③滤棒加工压降越大,滤棒内毛细管数量越多,半径越小。④由不同丝束加工的同规格滤棒(相同长度、圆周和压降)中毛细管数量和半径存在显著差异。

开级配沥青混合料的细观结构特征与影响因素研究

通过数字图像处理技术,深入探索OGFC(Open-Graded Friction Course)混合料细观结构中空隙的分布、大小和复杂程度,并且分析出空隙数量、面积、空隙分形维数等参数的变化趋势,从而更好地了解这些参数与混合料性能之间的关联。结果表明:OGFC混合料试件断面图像的空隙数量、空隙面积和空隙分形维数等参数同混合料性能密切相关,且相互之间具备良好的线性回归关系。

不同空隙结构沥青混合料生态效能的研究

多孔沥青混合料具有改善生态、热环境、光环境、防洪、吸声降噪和提高行车安全等优势,但不同空隙结构沥青混合料对径流污染控制和温度的调节功能还不明确。因此,重点研究不同空隙结构沥青混合料的热物参数,并通过室内模拟太阳辐射试验系统,研究不同空隙结构沥青路面内部温度变化规律,得出增大沥青混合料的空隙率,能够降低其导热系数,从而降低沥青路面内部的温度;同时在明确径流污染主要评价指标的基础上,研究了不同空隙结构沥青混合料控制径流污染的效果,进而明确了不同空隙结构沥青混合料的热阻和控制径流污染效能。最后,从透水、承载、耐久和生态效能综合考虑,建议多孔沥青混合料的有效空隙率应为15%~20%,为今后设计出生态环保型透水路面提供依据。

高温处理对PAN基碳纤维空隙结构的影响

采用质量法、扫描电子显微镜（SEM）、体密度测试、元素分析（EA）、X射线衍射（XRD）及拉曼光谱（Raman）等手段，探究了高温处理过程PAN基碳纤维空隙结构的变化及其原因。结果表明：热处理过程存在组成元素的逸出及由化学变化和结构转化引起的纤维外形尺寸的变化，在其共同作用下，碳纤维的体密度在800～1500℃范围先增加后减少，在1000℃体密度出现最大值；碳、氢、氧和氮元素的质量减少，碳、氮元素的溢出，造成碳纤维骨架结构的不完整性，形成内部缺陷，且随着温度的升高，碳、氮元素脱除加剧，内部空隙结构增加；由于纤维表面氧含量相对较高，随着温度的升高，纤维表面氧含量脱除量加剧，碳纤维开孔的空隙结构增加，反映在随着温度的升高，碳纤维体密度和表观体密度的差异增大。

沥青碎石排水基层空隙结构与永久变形关系的研究

一般认为沥青碎石混合料较大空隙与较小永久变形间是相互矛盾的,通过不同级配沥青碎石混合料不同压实功下的空隙率与永久变形的对比研究表明,不同空隙结构的混合料对应的永久变形有明显差异。进一步试验数据表明兼顾较大空隙率、较高回弹模量和较小永久变形是可行的,关键在于空隙结构的力学稳定性,主要是材料设计和成型工艺,体现在材料-结构-施工工艺一体化设计。

多孔排水沥青混合料细观空隙结构研究

多孔沥青混合料作为一种新型的功能路面材料,内部富有复杂且相互连通空隙结构,使得PAM具有排水、降噪和抗滑等优异性能,被广泛应用于高速公路和城市道路。通过梳理近年来国内外多孔沥青混合料研究现状和发展动态,发现多孔沥青混合料的内部空隙结构是影响其性能的重要因素,传统的宏观空隙测试方法得到的数据变异系数较大,无法解释实际工程中出现的一系列深层问题,而细观研究方法可从多角度量化空隙结构,进而明晰空隙结构对混合料性能的影响机理。为此,基于细观角度对PAM空隙结构研究进行总结。介绍了目前3种常用于获取PAM细观空隙结构信息的技术方法,对各个方法的优缺点进行了评述;重点梳理了近年来学者关于空隙特征指标的评价,并对PAM细观空隙结构未来研究方向进行展望。结果表明:PAM细观空隙结构分布特性的研究主要是基于图像处理、X-ray CT扫描及数值模拟等技术在工程领域创新型的应用,通过直观的视角对PAM混合料内部空隙结构进行深入研究,从细观方面极大丰富了空隙结构的研究内容;基于细观研究技术,有效空隙率、空隙等效直径、比表面积、空隙弯曲度等一系列空隙特征指标的相继提出,为进一步研究空隙结构与其渗透、降噪等性能之间的复杂关系提供了新思路。

空隙结构对沥青混合料内部受力状态的影响

利用ANSYS和蒙特卡罗方法,建立含有不同空隙结构的沥青混合料模型,施加0.7 MPa的竖向荷载后,提取应力应变值,进而研究空隙结构(包括形状、大小、空隙率)的差异对沥青混合料内部受力状态的影响。研究结果表明:X向拉压应变、Y向拉压应变最大值及X向压应力均随空隙边数的减少线性降低,Y向压应力最大值减小更加明显;空隙边缘路径上X应力极大值均出现在空隙的角点,Y向应力在角点处发生突变,最大值可达2.22 MPa,均值为0.59 MPa,尖锐处为易损伤区域;随着空隙变大,应力、应变基本呈增大趋势;空隙率的改变对X向应力与剪应力影响较大,且空隙率一旦超过10%,X向应力与剪应力急剧增大,之后趋于稳定。

双粒径填石路基空隙注浆加固结构特征分析

论述了石料排列方式对空隙的影响规律,明确理论石料配位数与空隙率的对应关系;对填石路基空隙结构特征展开分析,确定双粒径填石路基方案,按照经验公式计算获取不同粒径比对应理论空隙率和小粒径石料占比,并搭建了室内空隙率灌水法试验进行验证;通过水泥土浆注浆对填石路基进行加固,控制三种注浆方式,分别检测其抗压及抗弯强度用以表征填石路基结构性能。试验结果表明:6∶1粒径比对应空隙率较低,可减少注浆量;经验公式计算结果与室内空隙率灌水法试验结果相吻合;试件破坏主要源于石料脆断而非胶结破坏;通过埋管压力注浆方案进行注浆加固的填石路基试件强度最高,可比常规注浆提高18.9%。

大空隙沥青混凝土空隙堵塞特性研究

为研究排水性沥青混凝土在使用过程中的堵塞特性,采用自行开发的大空隙沥青混凝土渗透系数测试装置,研究2种不同堵塞方式对大空隙沥青混凝土渗透系数的影响,并通过CT扫描其内部细观空隙结构。研究表明:渗流方向的渗透系数受堵塞剂影响严重;堵塞剂质量相同时,堵塞物含量小的堵塞剂对大空隙沥青混合料的堵塞更严重;多次堵塞及一次性堵塞的试件,其竖向及横向扫描出的长轴与短轴值均小于基准试件;堵塞过程中空隙率的减小主要是大孔数量及大孔比在减小,在细料堵塞后,大孔逐渐演变为中孔,导致中孔比增加。堵塞物沿着渗流方向在空隙中的滞留导致排水性路面渗透系数减小、排水功能衰减。

多孔材料负载KHCO_3吸附剂的结构表征

为了探究活性炭颗粒、分子筛、活性氧化铝颗粒3种多孔材料负载KHCO3后负载率及孔径情况，实验对负载KHCO3的3种材料进行了结构表征，着重对KHCO3负载率、多孔材料负载前后比表面积、总孔容积以及附着情况展开研究。通过氮吸附进行分析，发现活性炭负载后比表面积变小，负载率与比表面积成反比，但大于其他2种多孔材料。总孔容积在负载后同样都有所下降，活性炭下降幅度最小，活性炭主要被活性组填充了0—100nm之间的孔，而分子筛与氧化铝主要被填充了0-250nm的孔；利用扫描电镜和等高图分析KHCO3负载后在多孔材料上的附着情况，发现活性炭不仅孔隙表面附着颗粒，而且内部也粘附了许多类似结晶结构的碎屑及晶状体，同时还能看清活性炭孔径轮廓，孔径没有堵塞的现象，而分子筛和氧化铝负载之后，有大量的颗粒碎屑堆积在表面，已看不清楚表面轮廓，有堵塞孔径的现象。