理论教育 钙芒硝裂缝数量的研究成果

钙芒硝裂缝数量的研究成果

时间:2023-08-25 理论教育 版权反馈
【摘要】:尤其是自然状态钙芒硝,其内部结构致密,几乎不见宏观级别的裂缝,钙芒硝从自然状态经过溶液溶浸及轴向应力加载导致损伤加剧后,微裂纹数量在逐渐减少,裂纹数量在逐渐增多,裂缝从无到有,之后继续增多。即在95℃水溶液溶浸后轴向载荷作用下,随着轴向应力值增大,微裂纹数量减小,而裂纹数量和裂缝数量则不同程度增大。综上所述,从溶浸温度和轴向应力两个因素分析钙芒硝裂纹数量的变化规律。

钙芒硝裂缝数量的研究成果

通过CT图像软件,对扫描得到的CT图像进行处理、分析、统计。以图4-16(c)为例。

(1)设置图像尺寸比例。

游标卡尺重复量取自然状态3号试件的中部直径并取均值:φ=48.7 mm,在图像处理软件中打开自然状态3号试件的CT断面图,在断面图上用直线标出试件直径,将其实际长度值设为48.7 mm,保存图片直线长度与实际长度的比值,由于进行CT扫描的所有参数均相同,所以得到的所有CT图像的放大倍数也都相同,即图像尺寸比例均相同,因此在设置好的比例下,打开任意一张断面图均可通过画直线量取其实际长度。

(2)阈值分割。

扫描所得的CT图片为灰度图像,每张图像由众多像素组成,每个像素都对应一个灰度值,灰度值的值域为0~256,CT技术原理决定了CT图像中密度越大的区域灰度值越大,亮度越高。而在试验环境中,空气密度最小,所以CT图像中钙芒硝外围的空气颜色呈黑色,同样,钙芒硝试样孔裂隙间也为空气,所以孔裂隙内部的灰度值应与空气灰度值相近。但是不同尺度的孔裂隙的灰度值也不尽相同,所以需要一个合适的阈值来判别,灰度小于该阈值的部分为裂隙,大于该阈值的部分为非裂隙,选择合适的阈值将灰度图像二值化,通过多种阈值算法比较,发现选用ISODATA聚类算法最优,计算得到阈值为125,即灰度值在0~125为孔裂隙,灰度值在125~255为岩石基质。

(3)统计不同尺寸裂纹。

金属材料弯曲试验方法》(GB/T 232—2010)对不同类型的裂纹种类进行了定义(表4-3),在CT图像处理软件中,主要通过孔裂隙尺寸(size/mm2)和圆度(circularity/1)两个参数确定。孔裂隙尺寸即孔隙所占面积,圆度是指工件的横截面接近理论圆的程度,计算公式为

式中e——圆形度;

S——图形面积;

C——图形周长

当e为1时,图形即为圆形;e越小,图形越不规则,与圆形相差越大。圆的圆形度为1.0,正四边形的圆形度为π/4,等边三角形的圆形度为0.6,所以将裂纹的圆形度取值范围确定为0~0.6。

表4-3 裂纹的尺寸分类(www.daowen.com)

按照上述对裂纹尺度的描述,统计区分出的各类裂纹如图4-19所示。

统计发现不同类型裂纹的通性规律:微裂纹数量最多,共86条;裂纹数量次之,共18条;裂缝数量最少,共9条。从微裂纹到裂缝,它们的平均面积分别为0.136 mm2,1.059 mm2,10.940 mm2,面积大小以约10倍递增;平均周长(裂纹轮廓)分别为1.929 mm,7.832 mm,41.017 mm。

1.35℃水溶液溶浸后轴向载荷作用下不同类型裂纹数量

图4-19 不同尺度裂纹分布

从钙芒硝试件不同状态下各断面不同等级裂纹数量看,无论钙芒硝盐岩是处于何种试验状态下,微裂纹数都是最多的。裂纹数量次之,裂缝数量最少,盐岩的这种不同裂纹类型的数量特征在大部分岩石中都具有,这是由岩石的成岩特点和岩石内部结构所决定的。尤其是自然状态钙芒硝,其内部结构致密,几乎不见宏观级别的裂缝,钙芒硝从自然状态经过溶液溶浸及轴向应力加载导致损伤加剧后,微裂纹数量在逐渐减少,裂纹数量在逐渐增多,裂缝从无到有,之后继续增多。

2.65℃水溶液溶浸后轴向载荷作用下不同类型裂纹数量

65℃水溶液溶浸后轴向载荷作用下,随着轴向应力和变形量的增加,轴向应力从1 MPa到1/2抗压强度,再到试件破坏阶段时的6.2 MPa,微裂纹数均值以8条递减,在此过程中裂纹和裂缝数则在上升,裂纹均值先从38条增长到44条,增加了6条,再从44条增加到49条,增加了5条;而裂缝数均值增长幅度最小,从1 MPa时的13条,增加到3.5 MPa时的14条,最后增加到破裂时的17条,共增加了4条。

3.95℃水溶液溶浸后轴向载荷作用下不同类型裂纹数量

95℃水溶液溶浸后轴向载荷作用下,轴向应力从最初的1 MPa增加到后来的1.5 MPa,再增加到最终的2.2 MPa,微裂纹数均值从140条先减小到135条,减小了5条,再从135条减小到127条,减小了8条;裂纹数均值先从40条增加到44条,增加了4条,又增加到49条,增加了5条;裂缝数均值从11条增加到18条,增加了7条,又增加到24条,增加了6条。即在95℃水溶液溶浸后轴向载荷作用下,随着轴向应力值增大,微裂纹数量减小,而裂纹数量和裂缝数量则不同程度增大。

综上所述,从溶浸温度和轴向应力两个因素分析钙芒硝裂纹数量的变化规律。随着溶浸温度条件的改变,微裂纹数量的变化趋势有着明显的变化。溶浸温度为35℃时,微裂纹数量随着轴向应力增加而减少,且从1 MPa到1/2抗压强度时,变化幅度小,从1/2抗压强度到破裂阶段,微裂纹数量大幅下降,整体为非线性减小的趋势,而溶浸温度升高到65℃和95℃时,微裂纹数量呈线性减少。在三种溶浸温度条件下,裂纹数均随着轴向应力增加呈小幅线性增长;不同溶浸温度条件下,裂缝数变化规律与裂纹数基本一致,呈线性增长,但是在35~65℃之间,裂缝数的增大趋势较小,而溶浸温度达到95℃时,裂缝数增长幅度变大。综上所述,不同温度溶浸后轴向加载,各种类型裂纹数的变化规律具有通性:微裂纹数量减小,裂纹和裂缝数量增加,这是因为随着钙芒硝试件受到溶浸及应力损伤逐渐增大,原微裂纹逐渐扩展、汇合、连通,形态和尺寸逐渐变大,经历量变后发展成质变,原来的数条微裂纹共同演变为裂纹甚至裂缝,而多条裂纹也可以共同演变为裂缝,使不同类型裂纹数量呈现上述变化规律。

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