储释冷循环对岩石材料性能的影响.docx

储释冷循环对岩石材料性能的影响摘要：天然岩石作为深冷储能材料具有适宜温度范围宽、成木低和材料易得等优点，其在深冷温区的热物性和循环稳定性是影响蓄冷单元性能的关键。本文为探究储/择冷循环对岩石深冷储能材料性能的影响，建立了深冷储/释循环实瞪台，研究了千次储/拜冷循环对大理石、花岗岩、石灰岩和玄武岩四种岩石的热物性和强度的影响。实验结果表明，在千次储/择冷循环前后，大理石、玄武岩和石灰岩的外观均无发生明显变化，而花岗岩会存在少量的裂纹和脱落。循环储/择冷次对岩石的密度、导热系数和比热容均无明显的影响。大理石和玄武岩的抗压强度防着循环次数的熠加而基本不变：花闵岩和石灰岩的抗压强度附着循环次数的增加而有较大的提高。基于实验结果获得了在深冷至常温区间内四种岩石材料的导热系数和比热容随温度变化的关系式。对比分析表明，四种岩石的体积储能密度存在较大差异，石灰岩的体积储能密度最大，而花岗岩的最小。本研究将为深冷储能单元及系统的研发提供重要基础数据。关键词：填充床：深冷蓄冷：储稀循环：热物性；储能为级解能源及环境危机，改善能源结构，保障能源安全,全球正加快发展清洁可再生能源.2018年，全球可再生能源发电装机为235IGW,占全球总装机容量的1/3以上，预计未来将会持续增长。随若可再生能源大规模接入，其间歇性和不粒定性对电网的安全稳定性带来巨大挑战，响特大规模储能技术为坚强稳定的电网提供有效支掠。压缩空气储能系统（CAES）是适合大规模储电的储能技术之一，已有两座大型电站分别在德国和美国投入商业运行,为了进一步提高压缩空气储能系统的储能密度和摆脱时化石燃料的依赖，国内外发展了以空气液态存储为特征的液态空气储能（1.AES）和超临界压缩空气储能技术（SC-CAES）近年来，Amee1.、Chen»1.i.Morgan、Kan1.haraj和SCiaCoVeHi等学者团队进一步发展完善1.AES和SC-CAES的系统循环和蓄冷子系统，并以提高系统循环效率为目标开展了一系列热力学、传热学和实验研究。蓄冷子系统是1.AES和SC-CAES的重要组成部分，荒冷效率对系统的循环效率有极大的影响。Morgan等对个蓄冷效率为51%的小型1.AES系统进行了实验研究,实验结果表明系统循环效率仅为8%.Guizzi等对一个蓄冷效率达70%的1.AES系统进行热力学分析，发现系统循环效率可达到50%。SCiaCoVeIIi等对采用填充床蓄冷的1.AES系统研究发现，从择能过程中回收利用冷能可以使空气液化过程的能量消耗减少约25%。Peng等对回收冷、热能的1.AES系统进行了热力学分析,研究发现蓄冷比蓄热对系统的效率影响更大,冷能损失导致储能系统效率损失约是热能损失的7倍。蓄冷子系统需要储存深冷（78.8K）至常温之间的冷能，具有蓄冷温度低和温度变化范围大等特点，对制冷材料的稳定性和安全性有较高的要求。岩石等固体蓄冷材料具有适合温度范围宽、成本低和性质稳定的优点，因此岩石填充床蓄冷技术是重要的深冷蓄冷技术之一“HUiiermann等时填充床内蓄冷材利热物性的研究表明，岩石等蓄冷材料在低温至常温范围内热物性变化很大，对系统储能密度、填充床斜温层分布特性和出口温度非桎态特性均有一定影响。制冷子系统作为新型压缩空气储能系统的重要组成部分，其循环储释次数可达上万次，因此需要经历成上万次储/稀冷循环后仍性能稳定的蓄冷材料1然而目前尚无对深冷蓄冷材料多次循环性能的研究，并且缺乏相关热物性的测量数据，因此本文对多种岩石落冷材料进行了千次储/糅冷循环实的，测量了千次循环前后的导热系数、比热容、密度和抗压强度，为深冷蓄冷子系统的设计研发提供依据。I实验装置及测量仪器本文以玄武岩、花岗岩、大理石和石灰岩这四种常用的岩石材料为研究对象,如图1所示。HKtt石英*Xf1.ti图I四种岩石样品为开展相关研窕，本文搭建了填充床储择冷过程的储/释冷循环实验台，如图2所示。为满足测量仪器对样品形状的要求，本实验中采用的是长方体，将样品随机地堆放在材料容器中，样品之间存在较大孔隙，容器为多孔壁面，用于液氮的迅速浸没与换热，堆放的体积为7()cm3,热电偶布置干岩石的内部中心处，用了测量岩石中心温度，保证岩石充分蓄冷.该储/稀冷循环实验台的运行原理是：模拟蓄冷过程中，通过控制步进电机，使岩石缓慢下降，浸没到液斌中，直至岩石温度和液显温度-致时，蓄冷过程完成：模拟择冷过程中，电机驱动使岩石缓慢上升，离开液氮并停留在空气中，通过强制对流使岩石温度恢匆到环境温度时，择冷过程完成“择冷过程完成后，自动开启下一次循环.在储/样冷循环过程中，采用T型热电偶测量岩石内部的温度，采用N1.PX1.数据采集系统和1.abVieW软件进行数据采集，见图3。实验循环次数为I(X)O次，温度变化为-19620,见图4,实验过程中的蓄/释冷速率为055s,比实际深冷储能过程中蓄/择冷速率高一个旦级.图2自动循环储样冷实验台注：1一单片机：2电源：3一带支杆的电机：4一材料容器：5杜瓦罐：6一电热风扇：7PX1.I单片机2直流电源3带支杆的电机8热电偶,1.9蓄冷材料OoH7假明-150-20001000200030004000时间/s图4岩石内部温度随时间变化岩石的外观观测使用CCD工业相机，型号为ZZw-21(X)HU-60,分辨率为1280X720,密度测fit使用璃±MET1.ER-TO1.EDOXS205分析天平，导热系数通过瑞典TPS25OOS型HotDisk热物性分析仪测量，比热容的测量使用TAQ2000差示扫描量热仪，抗压强度采用MTS-815岩石试验机测量。2实验测用与结果讨论1.1 外观图5显示了大理石、石灰岩、花岗岩和玄武岩在千次循环前后外观的变化情图5实验前后四种岩石的外观变化通过观察发现，大理石、石灰岩和玄武岩的外观没有明显变化。小部分花岗岩出现少量的脱落现象，如图6所示。这是由于花岗岩为类似层状结构，在多次的冷热交替之后内部应力不均匀导致其脱落。图6花岗岩循环I(XX)次时的外观1.2 密度在循环储/糅冷千次前后，每种岩石随机抽取3块样品进行密度测量，每次测量之前均采用清洗后烘干处理。测任仪罂为瑞士MET1.ER-TO1.EDOXS205分析天平及其密度测豉组件，密度测量精度为05%.4种岩石的密度测量结果如图7所示。图7四种岩石的循环前后密度变化由图7可以看出，四种岩石的密度比较接近，其中玄武岩的密度稍离于其他三种岩石，达到2.83gcm3,其余大理石、花岗岩和石灰岩的密度基本相同。储/林冷循环前后岩石的密度差异不超过2%,在测量误差范围内，衣明岩石的密度基本不会受储/糅冷循环影响。1.3 导热系数岩石的导热系数使用HOk1.iSk热物性分析仪及Ka1.tgas超低温液氮恒温系统进行测量，测量了温度为-3O'C、-80C、-130C和-I8(TC时的岩石导热系数。图8显示了4种岩石实验前后的导热系数随温度的变化情况，可以看出，大理石和石灰岩的导热系数随着温度的升高而降低，玄武岩的导热系数随着温度的升高而升高，花岗岩的导热系数随温度的变化基本保持不变。由图中可以看出，千次储/驿冷循环对四种岩石的导热系数堪本没有影响，4种样品的导热系数随温度基本呈现线性变化。在60-40C范围内，对4种岩石样品的导热系数随温度变化进行线性拟合：k=A1.+B(O其中，k为导热系数，W(mC):，为温度，中位为C：A为斜率，W(mX?2)；B为截距，W(mC)：结果如表I所示。图8实验前后的导热系数随温度变化表I岩石的导热系数W(mC)材料项目ABR2大理石0.017742.925270.96713玄武雪0.!421.593050.89931石灰-0.008432.566120.95113花岗岩O2.483160.91329从图8可知，常温下4种岩石的导热系数差别不大，在温度为20C时，大理丁、石灰岩、花岗岩和玄武岩的导热系数分别为2.48、2.35、2.48和1.63W(m-C)0但是，随着温度变化，四种岩石的变化趋势存在较大差异，其导热系数的绝对值也存在较大差异.在选用岩石时，不应只考虑其常祝下的导热系数，而应考虑其在整个工作温度范围区间的导热系数。计算其在-I60-40C之间的平均导热系数,结果如图9所示，可见大理石和石灰岩的平均导热系数较大,花岗岩和玄武岩的平均导热系数较小。-¥E><强幅景的1.4 抗压强度岩石的抗压强度通过MTS-8I5万能试验机测量得出，将岩石加工成25nnX2mmX2mm的长方体，并对其进行岩石的单轴抗压强度试眩，得到其破坏载荷和抗压强度，再将其修正为标准的抗压强度。每种岩石均随机选取五块进行储/择冷循环前后的雎轴抗压强度试验，将每种样品的五块岩新的测量值进行平均计算，得到其平均结果如图10所示。180160140120100806040大理石花岗岩石灰岩玄武岩图10实验前后4种岩石抗压强度变化从图10可知，岩石的抗压强度较大,均超过40MPk从实险前后对比可知，岩石的抗压强度具有一定的变化，大理石和玄武岩的抗压强度1000次循环前后基本不变：花岗岩和石灰岩在I(XX)次循环后，抗压强度有较大的提高。1.5 比热容OO200-ISO100soC<b)4EM0.60.-y*s002-ISO-100-SO050fi<r(d)玄JCyr从循环储/样冷0次、500次和I(Kx)次的每种岩石样品中，随机挑选3块样品采用DSC对比热容进行测量，测量的温度范围为16O-4O'C.在测量之前采用干燥箱对样品进行干燥处理以避免水分影响。将测星结果取平均值，结果如图I1.所示.图I1.不同循环次数时岩石的比热容随温度变化从图I1.可知，千次储/解冷循环对4种岩石的比热基本没有影响，在1.6040t内四种岩石的比热容均随温度的升高而增大，并I1.其趋势近似为线性。对四种岩石的比热容随温度的变化进行线性拟合：cp=At+B(2)S为比热容，j(gC)：I为温度，C:A为斜率，J(g-C2):B为截距，J/(gC)：结果如表2所示.表2岩石的比热容系数(MgC)>材料项HABR:大理石0.001810.803810.96027玄武岩0.2270.750920.97347石灰岩0.002090.8580.97149花岗岩0.2190.737160.98756并计算其在6040匕之间的平均比热容，结果如图12所示。1.00.80.60.40.20.0大理石花岗岩石灰岩玄武岩图124种岩石的平均比热容从图12可知，在-16040C温度区间内四种岩石样品的比热容比较接近，在0.6!-0.73J(gX?).1.6 储能密度计算四种岩石的体积储能密度q=PCP(3)其中，q为体枳储能密度，J(cm3*C);为密度，g/cm3；CP为平均比热容，J(gC),结果如图13所示.2.52.01.51.00.50.0大理石花岗岩石灰岩玄武岩1.74图13四种岩石的体枳储能密度从图13可知，丁灰岩的体积储能密度最大。综合比较4种岩石的性能可见，石灰岩具有储能密度大、平均导热系数高、抗压强度高、不易脱落等优点，可优先选用石灰岩作为岩石深冷储能材料：而花岗岩在多次循环储释冷之后会出现脱落现象，在实际运用当中，脱落的岩石可能会随流体进入换热管道或动力机械当中，造成设备故障和减少使用寿命，故不建议使用。3结论本文通过实验研究，获得了储/解冷循环对岩石热物性和强度的影响，获得了在深冷区间内四种岩石材料的导热系数和比热容随温度变化的关系式，主要结论如下。（I）随着储释冷次数的增加，大理石、玄武岩和石灰岩的外观不会发生明显变化，而花岗岩会存在少量的裂纹和脱落。（2）1000次储/择冷循环对岩布的密度、导热系数和比热容均无明显的影响。HXM）次循环前后,大理石和玄武岩的抗压强度基本不变：花岗岩和石灰岩在100o次循环后，抗压强度有较大的提高.（3）在深冷区间内，四种岩石材料的导热系数和比热容随温度变化呈线性变化，但变化趋势各不相同。（4）综合比较四种岩石，石灰岩具有储能密度大、平均导热系数高、抗压强度高、不易脱落等优点，可优先选用石灰岩作为岩石深冷储能材料.附参考资料：冻融循环作用下泥岩的力学特性及损伤机理研究摘要：为研究冻融循环作用卜.岩石的损伤特性及发展规律,以泥岩为例,对泥岩在不同次数冻网循环条件下进行了单轴压缩和超声波检测试验,并分析在不同冻融循环条件下泥岩的力学特性.结果表明:随者冻融循环次数的增加,试样的原生裂隙受到反豆冻张荷栽的作用引起损伤,试样脆性减小、延性增大,单轴抗压强度、弹性模量以及纵波波速均减小:对各力学参数的劣化规律及损伤机理进行了研究.建立了呈指数型衰诚的模型,结果表明单轴抗压强度、带性模量和纵波波速的劣化随冻融循环次数的增加而增大,但增大速率却逐渐减小,趋丁稳定;最后,基于波阻抗为损伤变地,建立泥岩的冻融损伤方程,结果表明泥岩的损伤随着冻融循环次数的增加而增大,但增大速率逐渐降低。关键词：泥岩;冻融循环;应力-应变曲线:衰减模型;损伤变显。引言我国寒区分布广泛，永久性塞区和季节性塞区占国土总面枳的60%以上I。对于季节性寒区岩土工程，由于低温导致岩体内水冰相变，如此反复冻融过程将对岩体的物理和力学性质产生巨大损伤，而冻融彼环作用是造成寒区岩石损伤劣化的重要因素2.国内外诸多学者对岩石的冻融损伤力学等方面展开了相关研究。贾海梁等研尢了孔隙结构和冻结速率对冻融损伤的控制与影响，当冻结速率快、孔隙的渗透系数小时，则即使在连通孔隙中，冻胀作用导致的未冻水压力仍会引起岩石的损伤.宋勇军研究r不同次数冻融循环条件下单轴循环加卸载作用对红砂岩的物理力学特性的膨响：MK11wtb1.at1.c5J建立了岩-冰耦合力学模型，描述了冻触损伤对岩石边坡的破坏。刘哲汛用ABAQUS对冻融循环后砂岩的热应力应变以及单向受用应力应变进行了模拟。程梓建立了毛细-薄膜水分迁移单元模型，探究了多孔岩石在冻融循环过程中孔隙内部水分迁移导致的冻融损伤问题.H.Yavuz8研究了冻融循环对安山岩的单轴抗压强度以及纵波波速的影响。史越|9|将f黄观各向同性体的柯西转轴方程和随机损伤理论结合，建立了考虑荷载损伤状态下的层状岩石损伤本构模型，揭示了层状岩石在单轴压缩条件下的损伤演化机理。宋彦埼10以岩石动态弹性模fit为损伤变量建立了冻融损伤方程，研究结果表明损伤随冻融次数增加而呈现指数衰减型增大。杨鸿锐11通过研究砂砾岩在不同温度区间卜的冻融循环作用得到：岩石质量、波速、抗拉强度均随冻融循环次数增加而减小，但随冻融循环最低温度增加而增大。S.Chang等12以层理砂岩为例，考虑乂理结构的影响，研究r其在冻融循环作用下的静、动力学性能以及损伤劣化机理，结果表明在冻融循环作用下层理砂岩裂隙形成的主要原因是胶结物的开裂和矿物颗粒的脱落。OCoussy13）从热力学角度建立了孔隙介质与水分在冻结过程中的能量守恒方程，提出孔隙水结晶的最小半径由冻融的最低if1.度决定，结晶过程中孔原（裂隙）应力的改变以及未冻结水的排出决定了岩石孔径的变化及分布。1试验介绍1.1.岩样制备选取某寒区水利工程岸坡完整泥岩，采用水钻取样法，通过切割、磨平加工成50mmX100mm的圆柱体试样。将制备好的泥岩试样分为5组,每组3块，分别进行0、4、8、12、16次冻融循环。1.2试验设备试验主要采用FDS-500型微机全自动睑慢速冻融试验设备、微机控制电液伺服万能试验机。该冻融机最低温度为-40C,最高温度为20C。岩石单轴破坏试验在万能伺服机上进行，该试验机最大轴向加载力为500kN,位移加载速率为00170mmmin。标准岩样如图1所示,主要设备如图2所示.图1标准岩样Fig.IThestandardsainp1.cG>H氏MHR9全我噌机段电*(cBI*«0，金*|衾除依图2主要设备Fig.2Mainequipnent1.3试疆方法与过程I）首先对加工好的标准岩样按冻融次数分为0、4、8、12、16共5组，编号为0-1、32、0-3,测量其密度：将其干燥处理24h,再将干燥后的试样进行饱水处理24h。2）称进行饱水处理后的试样放入全白动慢速冻融试脸设备中分别进行0、4、8、12、16次冻融循环。一次冻融循环为8h,温度控制在-20C20C。3）将冻融完的试样再次进行超声波检测，并记录波速。普将冻融完的试样在液压伺服机上进行期轴位缩试脸.加载方式采用位移控制，加载速率设置为0.5mmmin,直至试件破坏2试验结果与分析2.1 应力应变关系曲线分析不同冻融循环次数作用下泥岩试样的应力-应变曲线如图3所示。应变图3不同冻融循环次数下岩石应力-应变曲线Fig.3Rockstrej4s-s（raincun'eunderdifferentfreeze-thawcyc1.es压密阶段：由于冻融循环产生的冻胀力导致试样损伤劣化，岩石内部孔隙逐渐扩展，孔隙率增大，压缩孔隙直至闭合的变形累积也相应增加，因此随着冻融次数的增加，压密阶段的轴向应变也增大：由于孔隙逐渐压密，将孔隙压密至闭合所产生的应力也非线性增大14,呈上凹型。弹-塑性阶段：待原生裂隙完全闭合后，试件进入弹性变形阶段，此时压力与竖向位移呈线性相关。随着加载过程的持续，忒件中出现新裂隙，并不断扩展：未经受冻融的岩石弹性阶段与塑性阶段有明显的转折点，岩石具有明显的脆性：而经受冻融后的岩石脆性显著降低，塑性增大，是由丁反复冻时导致泥岩软化、内部孔隙扩张，延性增加，弹性模量和峰值强度逐渐下降。破坏阶段：岩心的峰值应力即抗压强度以及用性模量随冻融循环的增加而降低,未经冻淞的试样脆性破坏明显：经受冻融循环后的试样缓慢破坏,在N=8时的峰值应力还出现波动现象，塑性破坏明显。从试验结果可以看出，未经冻融循环的试样孔隙未发育，岩样表现出明显的脆性特征，但在经受冻融后，岩丁内部的孔隙由于受到反更冻胀荷载的作用而引起发育、扩张至贯通，导致岩石脆性下降，鳖性增加,抗质强度和弹性模量均减小。2.2 不同冻触循环次数作用下岩石力学参数的变化与劣化规律根据试验结果，得到不同冻融循环次数作用卜.岩石的力学参数，如表1所示。由表1可知，岩石的单轴抗质强度、弹性模量以及纵波波速均随冻融循环次数增加而减小。表I不同冻融循环次数作用下岩石力学参数Tab1.c1.Rockncchanicsparamctcrsundcrthcactionofdiffcrcntfrcczc-thawcyc1.cs冻融循环次数单轴抗压强度/MPa弗性模IItQCPa纵波波速/(ms'1)08.2846.10266047.9537.46254287.6932.722494127.4529.902450167.2928.322422为了定量描述岩石试样力学参数损伤的变化情况，引入劣化度这个概念。",=巴片X100%Jo(I)ADi=Di-Di-I(2)式中，Di表示总劣化度：m表示初始阶段力学参数大小：J1.表示第i阶段力学参数大小：Di表示阶段劣化度，为后一阶段损伤劣化度与前一阶段损伤劣化度之差。岩石单轴抗压强度与损伤劣化阶段的关系如表2所示。由表2可知，岩石的总劣化度阴着冻融循环次数的增加而蝌大，表明岩石强度在不断下降，损伤劣化加剧：但在不同损伤阶段，岩石单轴抗压强度的阶段劣化度却不同，每阶段的劣化度分别为3.986%、3.140%、2.898%、1.933%,每个阶段的单次循环劣化度为0.9965%,0.785%,0.7245%,0.483%,岩石每阶段和每次冻融循环的劣化度逐渐降低，单轴抗压强度降低的速度下降，逐渐趋于稳定。表2不同冻融循环次数卜.岩丁中轴抗压强度劣化ab1.e2Uniaxia1.conpressivestrengthofrockdeterioratesunderdiffeentfreeze-thawcyc1.es冻融循环次数单轴抗压强度/MPa总劣化度D,%阶段劣化度Z)JCk单次循环劣化度/%08.280.00()0.0000.047.953.9863.9860.99787.697.1263.1400.785127.4510.0242.8980.725167.2911.9571.9330.483根据图4中试验数据的分布特点，对岩石单轴抗压强度和冻融循环次数之间的关系进行非线性拟合，得到式。*dw*9±%s*泗”.O1475丫、>14；2ri2IR：f140Rzduvcd<hi-SjrI)1451-IO4<f(<<M>)03MBM9G*r09QQSO4B1216泳融循环次数(“)图4岩石单独抗压强度与冻融循环次数关系Fig.4Tprcssivestrcngthofrockisrc1.atcdtothcnunbcroffrcczc-thawcyc1.es=1.77279e-7'+6.50813式中，f为单轴抗压强度，n为冻融循环次数，R2=0.99958,接近于1,拟合程度高。可以看出岩石的单轴抗压强度随着冻触循环次数的增加而呈指数性衰减“各阶段弹性模量的损伤劣化敢如表3所示,每阶段的劣化度分别为18.742%、10.292%、6.107%、3.427%,每阶段的单次循环劣化度分别为4.686%、2.573%、1.527%、().857%,每阶段的弹性模量劣化度和单次循环劣化度均降低，趋于稳定，说明弹性模量的损伤劣化速率逐渐降低。表3不同冻融循环次数下岩石弹性模拟劣化Tab1.c3Rockc1.asticnodu1.usdcgradcsundcrdiffcrcntfrcczc-thawcyc1.es冻融循环弹性模ft总劣化度阶段劣化度单次循环次数£/GPaDt%D%劣化度/%046.100.00.0000.0437.4618.74218.7424.686832.7229.03410.2922.5731229.9035.1416.1071.5271628.3238.5683.4270.857根据图5中试验数据的分布特点，对冲性模量和冻融循环次数之间的关系进行非线性拟合，得到式(4)。i三q*三t!tt9fr*4i4tp<i>rXrNer412F2i>f1Q西QW9Q6外力C1.F9：300481216次融循环次故(，)图5岩石弹性模51与冻融循环次数关系Fig.5Re1.ationshibetweenrocke1.asicnodu1.usandfree7-thawcyc1.es£=19.79262+26.29362(4)式中，E为弹性模量，n为冻融循环次数，R2=().99992,拟合程度很高。可以看出岩石的弹性模狂随着冻融循环次数的增加而呈指数性衰减.2.3 不同冻融循环次数作用下岩石纵波波速的变化与劣化规律试验采用ZB1.-U52()非金属超声检测仪对试样进行纵波检测，纵波波速与损伤阶段的关系如表4所示，随着冻融循环次数的增加，纵波波速逐渐减小,波速的总衰减度增大，说明岩石试样裂隙率增大。每个试验阶段的衰减度与单次循环裒减度都逐渐降低，裂隙率增大的速率降低，逐渐趋于超定，我4不同冻融循环条件卜岩石纵波波速ab1.e4Compressiona1.waveve1.ocityofrockunderdifferentfreeze-thawcyc1.es建立冻融循环次数与纵波波速之间的关系曲线如图6所示。根据图6中试股数据点的分布特点，对冻融循环次数与纵波波速进行非线性拟合，得到式(5)。图6不同冻融循环次数下岩石纵波波速变化规律Fig.6Compressiona1.waveve1.ocityofrockunderditTerentfreezing-thawingcyc1.es式中，V为纵波波速，n为冻融循环次数,R2=0.99576,拟合程度高。可以用泥岩纵波波速来表征孔隙率随冻融循环次数的变化趋势.3基于波阻抗的冻融循环损伤劣化规律描述岩石损伤的变量有多种，本文定义波阻抗作为岩石损伤变S1.岩石的波阻抗反映了应力波在岩石中穿透和反射的能力，可用来表征岩石的细观结构，其值大小为岩石的密度乘以纵波波速，用波阻抗来定义岩立损伤变量的关系式115«(6)式中：D为损伤变量，Pn为冻融循环后岩石的密度，Vn为冻融循环后岩石的纵波波速，PO为初始状态岩石的密度，Vo为初始状态岩石的纵波波速。不同冻融循环次数卜岩石损伤变量如表5所示。表5不同冻融循环次数下岩石损伤变量Tab1.e5Rockdanagevariab1.esunderdifferentfreeze-thawcyc1.es根据试验结果，不同冻融循环次数下泥岩的损伤变量的变化规律如图7所示，对图示曲线进行非线性拟合，得到式(7)。图7不同冻融循环次数下岩石损伤变量变化规律Fig.7Variaiionauernofrockdanagevariab1.esunderdifterentfreeze-thawcyc1.es(7)由式(7)可得，R2=0.9961.1.,拟合程度淘，可以用来预测更多次冻融循环对泥岩造成的损伤变化。随着冻融循环次数的增加，泥岩的损伤变量也逐渐增大，但曲线斜率逐渐平绫，损伤变星:增大的速率逐渐然小，趋于稳定。4结论本文对泥岩进行了-20C-20'C温差下不同循环次数的冻融试验，并通过单轴压缩试验对泥岩的力学性质和损伤劣化特性进行了研究，得到了岩勺的应力-应变曲线，并建立了各力学参数的损伤衰减模型，最后,基于纵波波速建立了以波阻抗为损伤变量的冻融损伤方程。主耍得到以下结论：I)由泥岩的应力应变曲线可知，随若冻融循环次数的增加，试验裂隙率逐渐增大，压密阶段的轴向应变也随孔隙闭合量的增加而增大。未经冻融的试样的弗性阶段与塑性阶段界限分明，而随着冻融循环的进行，泥岩试样的原生裂隙受到反或冻胀荷载的作用下引起疲劳演化，试样脆性减小、延性增大，弹性阶段与塑性阶段没有明显的界限，反夏冻融产生的次生裂隙的增加也使岩石的单轴抗压强度与弗性模量均卜降。2)通过分析不同次数冻融循环下泥岩各力学参数，用劣化度来表征了冻融循环下泥岩的单轴抗压强度,弹性模是、纵波波速的劣化规律，得到各力学参数整体随若冻触循环次数的熠加而有不同幅度的减小，但减小的速率逐渐变微；并对各力学参数随冻融循环次数进行非线性拟合，得到了呈指数型衰减的劣化模型。3)定义波阻抗为损伤变量，用来表征泥岩随着冻融循环次数产生的损伤，并拟合得到泥岩的冻融循环损伤变IS衰减模型，该模型表明泥岩损伤随着冻融循环次数的增加而增大，但增大速率逐渐降低。参考文献：|1|单仁亮.张锵.杨吴,等.饱水红砂岩冻阻特性试验研究J1.中国矿业大学学报,2016,45:923-929.2WANGP.XUJY,1.1.US1CtaI.AprediciionnKK1.c1.fbrthcdynamicmcchanicakIcgradationofscdincntarjrockaftcra1.ong-tcrmfrcczc-thawwcathcringConsideringthestrain-rateeffect(J.Co1.dregionsscienceandtechno1.ogy.2016.131:16-23.|3|贾海梁,项伟,谭龙,等.砂岩冻融损伤机制的理论分析和试验验证J.岩石力学与工程学报,201635:879-8954宋勇军,张磊涛,任建忠.等.冻融后循环荷我作用卜红砂岩力学特性试验研究J.煤炭工程,2019,51:112/17.5KRA1.JTB1.ATTERM.FUNKD.GUNZEI.FK.Whype11nafrostrocksbeconeunstab1.e:AroCk-icc-mcchanica1.modc1.iniimcandSPaCeJ1.EarthsurniccproccsscsandIandfbrms.2013.38(8):876-887.网刘怖氏那志强,孟凡俊,等.冻淤砂岩物理力学损伤特性研究J.低温建筑技术,2020,42(3):15/9.程桦,陈汉讨,西广丛等,多孔岩石冻融水分迁移损伤机制及试脸验证用.岩石力学与工程学报.202039(9):17391749.8Y3VUZH.EffectofFreeze-Ihawandtherma1.shockweaiheringonihephysica1.andmechanica1.propertiesofanandesites(oneIJ.Bu1.1.etinotengineeringgeo1.ogyandtheenvironmcnt.2011.7(X2):187-192.9史越.傅鹤林,伍毅敏.等.层状岩>fi单轴IK缩根伤本构模型研究几华中科技大学学报(自然科学版),2020,48(9):126-132.IiO1.宋彦琦,刘济琛,邵志盛,等.冻融循环条件下灰岩物理力学性能试验外科学技术与工程,2020,20(2):741-74611杨鸿锐.刘平,孙博.等.冻融循环对麦积山石窟砂砾岩微观结构损伤机制研究J岩石力学与工程学报.2021.40(3):545-555.112CHANGSJYX,BAIE1.,eta1.Sta(icau1.dynanicmechanica1.pro>ertiesanddeieriOrHtiOnofbCddingSandStonCSubjCCIedIOfreCZC-thawcyc1.cs:ConSidCringbCddingStrUCIureeffectIJI.Scicntificrcpo11s.2020.10(1):12790.|13COUSSYO.Poron>echanicsotTreezingmateria1.sJIjouina1.oftheinechanicsandPhysicsotso1.ids,2(X)54>3(8):1689-1718.114)马秋峰,秦跋平,周天白,等.基于颗粒接触理论的岩石压密阶段本构模型J中南大学学报(自然科学版).2019.5(X8):1941-1948.1151金解放,李夕兵.殷志强.等.循环冲击下波WI抗定义岩石损伤变量的研究J岩土力学,2011,32(5):1385-1393:1410.500次100o次Wfrtfi