盐岩巴西劈裂损伤愈合特性实验研究

工程科学学报 Chinese Journal of Engineering 盐岩巴西劈裂损伤愈合特性实验研究 姜德义蒋昌奇陈结康燕飞刘伟杜超 Experimental study of the self-healing property of damaged salt rock by Brazilian splitting JIANG De-yi,JIANG Chang-qi,CHEN Jie,KANG Yan-fei,LIU Wei,DU Chao 引用本文： 姜德义，蒋昌奇，陈结，康燕飞，刘伟，杜超.盐岩巴西劈裂损伤愈合特性实验研究.工程科学学报，202042（⑤）：570-577. doi10.13374j.issn2095-9389.2019.06.04.001 JIANG De-yi,JIANG Chang-qi,CHEN Jie,KANG Yan-fei,LIU Wei,DU Chao.Experimental study of the self-healing property of damaged salt rock by Brazilian splitting[J].Chinese Journal of Engineering,2020,42(5):570-577.doi:10.13374/j.issn2095- 9389.2019.06.04.001 在线阅读View online:https::/oi.org10.13374.issn2095-9389.2019.06.04.001 您可能感兴趣的其他文章 Articles you may be interested in 考虑岩石交界面方向效应的巴西劈裂试验研究 Experimental study of directivity effect of rock interface under Brazilian splitting 工程科学学报.2017,399：外1295 https::/loi.org/10.13374.issn2095-9389.2017.09.001 不同荷载条件下低孔隙率砂岩巴西劈裂试验声发射特性研究 Study on acoustic emission characteristics of Brazilian test for low-porosity sandstone under different load conditions 工程科学学报.优先发表htps:doi.org10.13374.issn2095-9389.2019.08.12.004 大型锻件坯料内裂纹愈合的物理模拟 Physical simulation of internal crack healing in a heavy-forged billet 工程科学学报.2017,3911)：1674 https:/1doi.org10.13374.issn2095-9389.2017.11.010 岩爆结构面强度的弱化特征 Strength weakening characteristic of rock burst structural planes 工程科学学报.2018,403：269 https:/1doi.org/10.13374j.issn2095-9389.2018.03.002 循环加、卸载速率对砂岩变形和渗透特性的影响 Deformation and permeability of sandstone at different cycling loading-unloading rates 工程科学学报.2017,391：133 https:loi.org10.13374.issn2095-9389.2017.01.017 劈裂荷载下的岩石声发射及微观破裂特性 Acoustic emission and micro-rupture characteristics of rocks under Brazilian splitting load 工程科学学报.2019,4111)：1422htps:1doi.org/10.13374.issn2095-9389.2018.11.29.005

盐岩巴西劈裂损伤愈合特性实验研究 姜德义 蒋昌奇 陈结 康燕飞 刘伟 杜超 Experimental study of the self-healing property of damaged salt rock by Brazilian splitting JIANG De-yi, JIANG Chang-qi, CHEN Jie, KANG Yan-fei, LIU Wei, DU Chao 引用本文: 姜德义, 蒋昌奇, 陈结, 康燕飞, 刘伟, 杜超. 盐岩巴西劈裂损伤愈合特性实验研究[J]. 工程科学学报, 2020, 42(5): 570-577. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.06.04.001 JIANG De-yi, JIANG Chang-qi, CHEN Jie, KANG Yan-fei, LIU Wei, DU Chao. Experimental study of the self-healing property of damaged salt rock by Brazilian splitting[J]. Chinese Journal of Engineering, 2020, 42(5): 570-577. doi: 10.13374/j.issn2095- 9389.2019.06.04.001 在线阅读 View online: https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.06.04.001 您可能感兴趣的其他文章 Articles you may be interested in 考虑岩石交界面方向效应的巴西劈裂试验研究 Experimental study of directivity effect of rock interface under Brazilian splitting 工程科学学报. 2017, 39(9): 1295 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2017.09.001 不同荷载条件下低孔隙率砂岩巴西劈裂试验声发射特性研究 Study on acoustic emission characteristics of Brazilian test for low-porosity sandstone under different load conditions 工程科学学报.优先发表 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.08.12.004 大型锻件坯料内裂纹愈合的物理模拟 Physical simulation of internal crack healing in a heavy-forged billet 工程科学学报. 2017, 39(11): 1674 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2017.11.010 岩爆结构面强度的弱化特征 Strength weakening characteristic of rock burst structural planes 工程科学学报. 2018, 40(3): 269 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2018.03.002 循环加、卸载速率对砂岩变形和渗透特性的影响 Deformation and permeability of sandstone at different cycling loading-unloading rates 工程科学学报. 2017, 39(1): 133 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2017.01.017 劈裂荷载下的岩石声发射及微观破裂特性 Acoustic emission and micro-rupture characteristics of rocks under Brazilian splitting load 工程科学学报. 2019, 41(11): 1422 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2018.11.29.005

工程科学学报.第42卷.第5期：570-577.2020年5月 Chinese Journal of Engineering,Vol.42,No.5:570-577,May 2020 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.06.04.001;http://cje.ustb.edu.cn 盐岩巴西劈裂损伤愈合特性实验研究 姜德义2)，蒋昌奇1,2)，陈结，2)区，康燕飞12，刘伟2)，杜超2) 1)重庆大学煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室，重庆4000442)重庆大学资源及环境科学学院，重庆400044 ☒通信作者，E-mail:chenjie_cqu@163.com 摘要盐岩的损伤愈合特性对地下盐穴储库的长期密闭性具有重要影响.为了探究损伤盐岩的愈合特性，设计了巴西劈裂 损伤盐岩的自愈合实验.在无应力条件下，让巴西劈裂损伤盐岩在不同湿度条件下愈合120d,通过实验过程中试样渗透率的 变化定量判断损伤盐岩愈合程度，探究了损伤盐岩在不同湿度和恢复时间条件下的愈合效果：同时，通过扫描电子显微镜对 损伤盐岩愈合后的细观形貌进行了观察，探讨了盐岩损伤愈合的细观机制.本实验中，利用实验前后渗透率的变化作为损伤 盐岩愈合的表征手段，有效避免了以往研究中利用试样强度和弹性模量作为损伤愈合表征手段时因应变硬化导致的结果不 可靠的情况.实验结果表明.在无应力作用条件下，在无外界水分供给环境中试件经过120d后仍然没有发现愈合，证明水分 是损伤愈合的必要条件.研究表明，时间和湿度对盐岩的损伤愈合具有重要影响，盐岩的损伤愈合效果在实验范围内随着时 间的增长和湿度的增大而增强.但增强速度呈指数降低，意味着过大的湿度和过长的时间难以有效提高盐岩损伤愈合效果 关键词盐岩：损伤：愈合：巴西劈裂：渗透率 分类号TU443 Experimental study of the self-healing property of damaged salt rock by Brazilian splitting JIANG De-yi2),JIANG Chang-qi),CHEN Jie,KANG Yan-fe2),LIU We2),DU Chao2 1)State Key Laboratory of Coal Mine Disaster Dynamics and Control,Chongqing University,Chongqing 400044,China 2)College of Resources and Environmental Science,Chongging University,Chongqing 400044,China Corresponding author,E-mail:chenjie cqu@163.com ABSTRACT Given its good physical and mechanical properties and chemical stability,salt rock is considered to be the ideal rock mass for underground reservoir construction.To safeguard China's energy security and strategic needs,a large number of underground salt cave reservoirs have been built in recent years.In view of the accidents caused by the instability of gas storage in foreign countries,the physical and mechanical properties of salt rock need to be investigated in depth to ensure the long-term stability of salt caverns.The damage-healing characteristics of salt rock have an important influence on the long-term airtightness of underground salt caverns.To examine the healing properties of damaged salt rock,a self-healing experiment was conducted on Brazilian cracked salt rock.Under the no-stress condition,the Brazilian cracked salt rock was healed under different humidity conditions for 120 days.The change in the permeability of the sample was quantitatively evaluated,and the damage-healing characteristics of salt rock under different humidity conditions and healing times were examined.In addition,the microscopic morphology of the damaged salt rock after healing was observed through scanning electron microscopy,and the mesoscopic mechanism of salt rock damage healing was discussed.In this experiment,the change in the permeability of the sample before and after the experiment was used to characterize salt rock damage, which effectively avoided the unreliable results obtained in previous studies through strain hardening,where the strength and elastic 收稿日期：2019-06-04 基金项目：国家自然科学基金资助项目(51834003.41672292.41702309)

盐岩巴西劈裂损伤愈合特性实验研究 姜德义1,2)，蒋昌奇1,2)，陈    结1,2) 苣，康燕飞1,2)，刘    伟1,2)，杜    超1,2) 1) 重庆大学煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室，重庆 400044    2) 重庆大学资源及环境科学学院，重庆 400044 苣通信作者，E-mail: chenjie_cqu@163.com 摘    要    盐岩的损伤愈合特性对地下盐穴储库的长期密闭性具有重要影响. 为了探究损伤盐岩的愈合特性，设计了巴西劈裂 损伤盐岩的自愈合实验. 在无应力条件下，让巴西劈裂损伤盐岩在不同湿度条件下愈合 120 d，通过实验过程中试样渗透率的 变化定量判断损伤盐岩愈合程度，探究了损伤盐岩在不同湿度和恢复时间条件下的愈合效果；同时，通过扫描电子显微镜对 损伤盐岩愈合后的细观形貌进行了观察，探讨了盐岩损伤愈合的细观机制. 本实验中，利用实验前后渗透率的变化作为损伤 盐岩愈合的表征手段，有效避免了以往研究中利用试样强度和弹性模量作为损伤愈合表征手段时因应变硬化导致的结果不 可靠的情况. 实验结果表明，在无应力作用条件下，在无外界水分供给环境中试件经过 120 d 后仍然没有发现愈合，证明水分 是损伤愈合的必要条件. 研究表明，时间和湿度对盐岩的损伤愈合具有重要影响，盐岩的损伤愈合效果在实验范围内随着时 间的增长和湿度的增大而增强，但增强速度呈指数降低，意味着过大的湿度和过长的时间难以有效提高盐岩损伤愈合效果. 关键词    盐岩；损伤；愈合；巴西劈裂；渗透率 分类号    TU443 Experimental  study  of  the  self-healing  property  of  damaged  salt  rock  by  Brazilian splitting JIANG De-yi1,2) ，JIANG Chang-qi1,2) ，CHEN Jie1,2) 苣 ，KANG Yan-fei1,2) ，LIU Wei1,2) ，DU Chao1,2) 1) State Key Laboratory of Coal Mine Disaster Dynamics and Control, Chongqing University, Chongqing 400044, China 2) College of Resources and Environmental Science, Chongqing University, Chongqing 400044, China 苣 Corresponding author, E-mail: chenjie_cqu@163.com ABSTRACT    Given its good physical and mechanical properties and chemical stability, salt rock is considered to be the ideal rock mass for underground reservoir construction. To safeguard China ’s energy security and strategic needs, a large number of underground salt cave reservoirs have been built in recent years. In view of the accidents caused by the instability of gas storage in foreign countries, the physical and mechanical properties of salt rock need to be investigated in depth to ensure the long-term stability of salt caverns. The damage-healing characteristics of salt rock have an important influence on the long-term airtightness of underground salt caverns. To examine the healing properties of damaged salt rock, a self-healing experiment was conducted on Brazilian cracked salt rock. Under the no-stress  condition,  the  Brazilian  cracked  salt  rock  was  healed  under  different  humidity  conditions  for  120  days.  The  change  in  the permeability of the sample was quantitatively evaluated, and the damage-healing characteristics of salt rock under different humidity conditions  and  healing  times  were  examined.  In  addition,  the  microscopic  morphology  of  the  damaged  salt  rock  after  healing  was observed  through  scanning  electron  microscopy,  and  the  mesoscopic  mechanism  of  salt  rock  damage  healing  was  discussed.  In  this experiment, the change in the permeability of the sample before and after the experiment was used to characterize salt rock damage, which  effectively  avoided  the  unreliable  results  obtained  in  previous  studies  through  strain  hardening,  where  the  strength  and  elastic 收稿日期: 2019−06−04 基金项目: 国家自然科学基金资助项目（51834003，41672292，41702309） 工程科学学报，第 42 卷，第 5 期：570−577，2020 年 5 月 Chinese Journal of Engineering, Vol. 42, No. 5: 570−577, May 2020 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.06.04.001; http://cje.ustb.edu.cn

姜德义等：盐岩巴西劈裂损伤愈合特性实验研究 571· moduli of the samples were used to assess damage healing.The experimental results show that,under the no-stress condition,the specimens placed in the environment without external water supply are not healed after 120 days,which proves that water is a necessary condition for wound healing.Previous studies have shown that time and humidity have an important influence on salt rock damage healing.The damage-healing effect on salt rock increases with time and humidity.However,the rate of increase decreases exponentially, which indicates that excessive humidity and time do not effectively improve the damage-healing effect on salt rock. KEY WORDS salt rock;damage;healing;Brazilian splitting;permeability 随着我国经济的不断发展，对能源的需求不 相比之下，国内关于盐岩的研究主要集中在 断增加.为了满足能源安全与能源调峰等的需求， 盐岩的物理力学性质方面刀，对盐岩自愈合的 我国在江苏金坛率先建立了一批盐穴储库.截止 研究起步较晚，相关成果较少.康燕飞等劉研究 2017年，中盐金坛已经有近30个盐穴用于储存天 了不同温度条件下恢复的盐岩的力学性质和声发 然气，总储量达到了1.1亿立方米叫另外，由于盐 射特性，发现损伤恢复盐岩的单轴抗压强度随着 岩在我国大量赋存，每年采盐都会形成大量的溶 温度升高而增强.姜德义等对剪切损伤盐岩的 腔，不仅有引发地表沉降等地质灾害的危险，也浪 损伤愈合效果进行了评估，指出以7d为界，盐岩 费了大量的地下空间.研究表明，盐岩具有低孔低 的损伤愈合分为长期和短期，7d以内盐岩的强度 渗的特性和良好的稳定性，是储存石油、天然气、 恢复较快.梁卫国等20研究了高温再结晶对剪切 放射性废弃物等的理想场所-刂不管是哪种地下 损伤盐岩的影响，发现随温度升高盐岩试件的剪 储库，在开挖建设中，不可避免的会对围岩产生扰 切强度升高，内摩擦角增大但黏聚力恢复不明显 动并在腔体周围形成开挖扰动区(EDZ)问相比与 向高等研究了不同围压和保压时间对盐岩损伤 其他地下储库，盐岩的自愈合特性使得盐穴可以 愈合的影响，认为在一定范围内，围压和保压时间 自发地修复损伤，从而降低渗透率并提高稳定性 对盐岩愈合都有促进作用，围压越大，盐岩快速恢 因此，大力发展盐穴储库的建设有助于变废为宝， 复阶段所需的时间越短，强度恢复越快 合理利用地下空间 以上研究从机理和现象的方面揭示了盐岩的 国外对盐岩损伤愈合的研究起步较早，已经 损伤愈合特性，为盐岩损伤愈合特性的研究起到 取得了一定的成果.在损伤愈合的机理方面，现在 了引导作用，其中国外主要研究愈合的细观机理， 主要提出了三种，一是Chan等提出的盐岩通过 国内着眼于愈合的宏观表现，但之前的实验主要 弹性变形、塑性流动等纯粹的机械作用，使得裂隙 以力学强度作为损伤愈合判断的依据，而实验中 闭合、强度恢复，产生愈合效果；二是Smith和 由于应变硬化等的影响，难以真实反映盐岩的损 Evans刀、Urai等)、Cinar等提出的由于表面能降 伤愈合情况.因此，本文设计了巴西劈裂盐岩的愈 低驱动的扩散导致愈合，这使得盐岩裂隙发生颈 合实验，以渗透率的变化作为盐岩损伤愈合判断 缩，最终形成一个个孤立的管道或球状流包体，从 的依据，同时在无应力条件下愈合防止了单纯压 而减低渗透率并提高强度；三是Peach等Io、Ter 密作用带来的影响.实验研究了损伤盐岩在不同 Heege等山提出的通过再结晶作用产生新的晶 时间和湿度的损伤愈合规律。并通过扫描电子显 体，通过晶界迁徙实现裂隙的愈合.Houben等☒ 微镜(SEM)对愈合后的试样进行观察，总结了盐 研究了盐岩裂隙表面的吸附水膜，并通过观察其 岩损伤愈合的细观规律，希望为盐岩损伤愈合特 干涉条纹来表征裂隙尖端的迁移，构建了吸附水 性对盐岩溶腔的稳定性影响提供实验理论依据 膜厚度与裂隙尖端迁移的数学模型，发现吸附水 1实验条件与方法 膜的厚度与裂隙尖端迁移速度呈正相关，Zu和 Arson!]基于连续损伤力学，提出了盐岩的损伤愈 1.1实验设备与条件 合模型，模拟了包括拉伸加载、压缩卸载、蠕变愈 本次试验使用的是AG-250KNIS型电子精 合及在加载路径，预测了随时间和温度增加的愈 密材料试验机配合模具进行巴西劈裂加载，试 合效率.Koelemeijer等l通过测量带有吸附水膜 验机最大轴向荷载为250kN,加载速率范围为 的盐岩裂隙表面阻抗，研究了盐岩晶体表面扩散 0.0005~1000mms.渗透率测试使用的是重庆大 率随湿度的变化关系，湿度越大、盐岩裂隙水膜的 学煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室自主研 厚度越厚，使得盐岩晶体的裂隙表面扩散率越大 发的岩心孔渗自动测定仪，具体见图1

moduli  of  the  samples  were  used  to  assess  damage  healing.  The  experimental  results  show  that,  under  the  no-stress  condition,  the specimens placed in the environment without external water supply are not healed after 120 days, which proves that water is a necessary condition  for  wound  healing.  Previous  studies  have  shown  that  time  and  humidity  have  an  important  influence  on  salt  rock  damage healing. The damage-healing effect on salt rock increases with time and humidity. However, the rate of increase decreases exponentially, which indicates that excessive humidity and time do not effectively improve the damage-healing effect on salt rock. KEY WORDS    salt rock；damage；healing；Brazilian splitting；permeability 随着我国经济的不断发展，对能源的需求不 断增加. 为了满足能源安全与能源调峰等的需求， 我国在江苏金坛率先建立了一批盐穴储库. 截止 2017 年，中盐金坛已经有近 30 个盐穴用于储存天 然气，总储量达到了 1.1 亿立方米[1] . 另外，由于盐 岩在我国大量赋存，每年采盐都会形成大量的溶 腔，不仅有引发地表沉降等地质灾害的危险，也浪 费了大量的地下空间. 研究表明，盐岩具有低孔低 渗的特性和良好的稳定性，是储存石油、天然气、 放射性废弃物等的理想场所[2−4] . 不管是哪种地下 储库，在开挖建设中，不可避免的会对围岩产生扰 动并在腔体周围形成开挖扰动区（EDZ） [5] . 相比与 其他地下储库，盐岩的自愈合特性使得盐穴可以 自发地修复损伤，从而降低渗透率并提高稳定性. 因此，大力发展盐穴储库的建设有助于变废为宝， 合理利用地下空间. 国外对盐岩损伤愈合的研究起步较早，已经 取得了一定的成果. 在损伤愈合的机理方面，现在 主要提出了三种，一是 Chan 等[6] 提出的盐岩通过 弹性变形、塑性流动等纯粹的机械作用，使得裂隙 闭合 、强度恢复 ，产生愈合效果 ；二 是 Smith 和 Evans[7]、Urai 等[8]、Cinar 等[9] 提出的由于表面能降 低驱动的扩散导致愈合，这使得盐岩裂隙发生颈 缩，最终形成一个个孤立的管道或球状流包体，从 而减低渗透率并提高强度；三是 Peach 等[10]、Ter Heege 等[11] 提出的通过再结晶作用产生新的晶 体，通过晶界迁徙实现裂隙的愈合. Houben 等[12] 研究了盐岩裂隙表面的吸附水膜，并通过观察其 干涉条纹来表征裂隙尖端的迁移，构建了吸附水 膜厚度与裂隙尖端迁移的数学模型，发现吸附水 膜的厚度与裂隙尖端迁移速度呈正相关. Zhu 和 Arson[13] 基于连续损伤力学，提出了盐岩的损伤愈 合模型，模拟了包括拉伸加载、压缩卸载、蠕变愈 合及在加载路径，预测了随时间和温度增加的愈 合效率. Koelemeijer 等[14] 通过测量带有吸附水膜 的盐岩裂隙表面阻抗，研究了盐岩晶体表面扩散 率随湿度的变化关系，湿度越大、盐岩裂隙水膜的 厚度越厚，使得盐岩晶体的裂隙表面扩散率越大. 相比之下，国内关于盐岩的研究主要集中在 盐岩的物理力学性质方面[15−17] ，对盐岩自愈合的 研究起步较晚，相关成果较少. 康燕飞等[18] 研究 了不同温度条件下恢复的盐岩的力学性质和声发 射特性，发现损伤恢复盐岩的单轴抗压强度随着 温度升高而增强. 姜德义等[19] 对剪切损伤盐岩的 损伤愈合效果进行了评估，指出以 7 d 为界，盐岩 的损伤愈合分为长期和短期，7 d 以内盐岩的强度 恢复较快. 梁卫国等[20] 研究了高温再结晶对剪切 损伤盐岩的影响，发现随温度升高盐岩试件的剪 切强度升高，内摩擦角增大但黏聚力恢复不明显. 向高等[21] 研究了不同围压和保压时间对盐岩损伤 愈合的影响，认为在一定范围内，围压和保压时间 对盐岩愈合都有促进作用，围压越大，盐岩快速恢 复阶段所需的时间越短，强度恢复越快. 以上研究从机理和现象的方面揭示了盐岩的 损伤愈合特性，为盐岩损伤愈合特性的研究起到 了引导作用，其中国外主要研究愈合的细观机理， 国内着眼于愈合的宏观表现，但之前的实验主要 以力学强度作为损伤愈合判断的依据，而实验中 由于应变硬化等的影响，难以真实反映盐岩的损 伤愈合情况. 因此，本文设计了巴西劈裂盐岩的愈 合实验，以渗透率的变化作为盐岩损伤愈合判断 的依据，同时在无应力条件下愈合防止了单纯压 密作用带来的影响. 实验研究了损伤盐岩在不同 时间和湿度的损伤愈合规律. 并通过扫描电子显 微镜（SEM）对愈合后的试样进行观察，总结了盐 岩损伤愈合的细观规律，希望为盐岩损伤愈合特 性对盐岩溶腔的稳定性影响提供实验理论依据. 1    实验条件与方法 1.1    实验设备与条件 本次试验使用的是 AG-250KN IS 型电子精 密材料试验机配合模具进行巴西劈裂加载，试 验机最大轴向荷载为 250 kN，加载速率范围为 0.0005～1000 mm·s−1 . 渗透率测试使用的是重庆大 学煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室自主研 发的岩心孔渗自动测定仪，具体见图 1. 姜德义等： 盐岩巴西劈裂损伤愈合特性实验研究 · 571 ·

572 工程科学学报，第42卷，第5期 图1实验设备 Fig.I Experimental facilities 1.2试样制备 合效果，制定了以下的实验步骤 本次试验采用的是取自巴基斯坦某盐矿的高 ①首先取盐粉于烘干箱中，在105℃下烘干72h, 纯度天然盐岩，其中NaCl质量分数大于98%.将 然后将烘干的盐粉加水配成0%、3%、6%、9%、 试件打磨成直径50mm,高25mm的圆柱体，试件 12%和15%含水率的湿润盐粉，其中盐粉含水 两端面的不平整度小于0.05mm,端面与试件轴线 率=（水的质量/干盐粉的质量）×100%，用以提供盐 垂直，偏差小于025°，符合岩石力学试验规范的要 岩愈合的不同湿度环境 求，加工好的试件如图2所示. ②将之前制备的标准试件进行巴西劈裂实验 至刚好破坏，形成盐岩初始破坏损伤，其实验加载 速率为5 kN-min.通过岩心孔渗自动测定仪（围 压设置为5MPa)测量损伤后试件的渗透率作为愈 合前的渗透率 ③将完成测量后的试件分为6组，分别放入不 同含水率的盐粉中愈合，在7、15、30、60和120d 取出试件，详见表1.需要说明的是，为了维持盐 岩愈合的湿度环境，每天称量湿盐粉的质量进行 补水，维持湿度恒定不变 图2实验试件 ④为防止水分堵塞孔隙造成渗透率测值偏 Fig.2 Experimental specimens 小，将取出的试件放入烘干箱中烘干24h,随后在 1.3 实验方案 5MPa的围压下测量其渗透率记录为愈合后渗透 湿度和时间都是影响盐岩损伤愈合的重要因 率，为了避免烘干过程对后续愈合过程的影响，每 素，为了研究盐岩在不同时间和湿度下的损伤愈 个时间点采用一个全新的试件进行测试，通过对 表1实验方案 Table 1 Experimental scheme Test number Time/d Moisture content 0% Moisture content 3% Moisture content 6% Moisture content 9% Moisture content 12% Moisture content 15% 7 A0 A3 A6 A9 A12 A15 15 BO B3 B6 B9 B12 B15 30 % C3 C6 C9 C12 C15 % DO D3 D6 D9 D12 D15 120 EO E3 E6 E9 E12 E15

1.2    试样制备 本次试验采用的是取自巴基斯坦某盐矿的高 纯度天然盐岩，其中 NaCl 质量分数大于 98%. 将 试件打磨成直径 50 mm，高 25 mm 的圆柱体，试件 两端面的不平整度小于 0.05 mm，端面与试件轴线 垂直，偏差小于 0.25°，符合岩石力学试验规范的要 求，加工好的试件如图 2 所示. 1.3    实验方案 湿度和时间都是影响盐岩损伤愈合的重要因 素，为了研究盐岩在不同时间和湿度下的损伤愈 合效果，制定了以下的实验步骤. ①首先取盐粉于烘干箱中，在 105 ℃ 下烘干 72 h， 然后将烘干的盐粉加水配成 0%、 3%、 6%、 9%、 12% 和 15% 含水率的湿润盐粉 ，其中盐粉含水 率=（水的质量/干盐粉的质量）×100%，用以提供盐 岩愈合的不同湿度环境. ②将之前制备的标准试件进行巴西劈裂实验 至刚好破坏，形成盐岩初始破坏损伤，其实验加载 速率为 5 kN·min−1 . 通过岩心孔渗自动测定仪（围 压设置为 5 MPa）测量损伤后试件的渗透率作为愈 合前的渗透率. ③将完成测量后的试件分为 6 组，分别放入不 同含水率的盐粉中愈合，在 7、15、30、60 和 120 d 取出试件，详见表 1. 需要说明的是，为了维持盐 岩愈合的湿度环境，每天称量湿盐粉的质量进行 补水，维持湿度恒定不变. ④为防止水分堵塞孔隙造成渗透率测值偏 小，将取出的试件放入烘干箱中烘干 24 h，随后在 5 MPa 的围压下测量其渗透率记录为愈合后渗透 率，为了避免烘干过程对后续愈合过程的影响，每 个时间点采用一个全新的试件进行测试，通过对 表 1 实验方案 Table 1 Experimental scheme Time/d Test number Moisture content 0% Moisture content 3% Moisture content 6% Moisture content 9% Moisture content 12% Moisture content 15% 7 A0 A3 A6 A9 A12 A15 15 B0 B3 B6 B9 B12 B15 30 C0 C3 C6 C9 C12 C15 60 D0 D3 D6 D9 D12 D15 120 E0 E3 E6 E9 E12 E15 图 1    实验设备 Fig.1    Experimental facilities 图 2    实验试件 Fig.2    Experimental specimens · 572 · 工程科学学报，第 42 卷，第 5 期

姜德义等：盐岩巴西劈裂损伤愈合特性实验研究 573· 比试件愈合前后渗透率的变化，研究时间和湿度 表2自愈合实验结果 对盐岩损伤愈合的影响. Table 2 Experimental results of self-healing 2实验结果及分析 Test Healing Test Healing Test Healing number degree/% number degree/% number degree/% 2.1相关参数及实验结果 A0 1.03 A3 66.59 A6 71.39 A9 74.71 A12 77.01 A15 92.33 在盐穴地下储库安全性研究中，密闭性是一 BO -3.01 B3 81.40 B6 82.83 个重要的因素，保障储气库不泄露，对盐穴储库的 密闭性评价有重要意义四]因此，本次实验中以氮 B9 78.40 B12 93.55 B15 95.13 气测试的盐岩渗透性来表征盐岩的损伤愈合程 CO 3.04 C3 88.33 C6 94.25 度.需要说明的是：实验所用盐岩的初始渗透率小 C9 94.03 C12 96.56 C15 94.22 于1×10-20m2,损伤渗透率为0.8×10-15~4×10-15m2, DO -1.66 D3 87.68 D6 93.51 由于其初始渗透率远远小于损伤渗透率，因此近 D9 9329 D12 95.99 D15 97.79 似地将初始盐岩视为不渗透. EO 1.25 E3 90.41 E6 94.50 在本次试验中，使用损伤面积来表达损伤变 E9 94.60 E12 96.81 E15 97.84 量，将任意时刻的盐岩剖面面积A分为未破坏部 通过实验，结果如图3所示 分Aud损伤后未愈合部分Ah和愈合部分Ah,即： A=Aud+Ad 100 (1) Ad=Auh+Ah 4=二二=上x含￥一合x口 其中，由于初始盐岩被视为不渗透，即完整无损 80 伤，所有损伤部分均来自实验中巴西劈裂拉伸破 ◆ 坏.A为损伤部分的面积，为巴西劈裂实验造成的 60 ◆ 7d- -Fitting curve 损伤. 15 d ---Fitting curve 40 30d -Fitting curve 定义损伤为D,表示损伤部分占总面积的比 0 60d·.·Fitting curve ▲ 120 d ---Fitting curve 例：定义愈合程度为H,表示愈合部分占损伤部分 20 面积的比例，即： D=Ad/A H=Ah/Ad (2) 考虑损伤盐岩愈合前后渗透率的变化，可以 6 9 12 15 Moisture content/% 得出： 图3不同时间点盐岩含水率与损伤愈合度关系图 Ad/Auh Kp/Kpd (3) Fig.3 Moisture content-healing degree curves of salt rock damage 其中，Kd为盐岩愈合后测得渗透率，K,为盐岩愈 healing under different time points 合前测得渗透率. 根据图3可以看出，在任何一个时间点上，随 联立(1)~(3)式，可以得到盐岩的损伤愈合 着湿度的增加，盐岩的损伤愈合效果逐渐增强，渗 程度H为： 透率逐渐减小.这是由于盐岩损伤愈合过程中，裂 H=1-Kpd 隙尖端的闭合及再结晶作用都依赖表面水膜的 (4) Kp 运输作用，湿度越大，则表明水分越充足.根据 其中，H为愈合度，表征盐岩损伤愈合效果的好 Houben等的研究，发现裂隙尖端的移动速度与 坏，在本文中，是指在盐岩损伤愈合实验中，假定 吸附水膜的厚度呈正相关.也就是说，较大的湿度 盐岩初始无损伤，全部损伤都是实验引发的前提 能使裂隙表面产生更厚的吸附水膜，从而加快裂 下，盐岩的损伤中愈合的部分占总损伤的比例 隙表面的物质运输，加快盐岩的损伤愈合速度 实验结果如表2所示 同样，从图3中可以看到，在含水率为0%的 2.2湿度条件对盐岩自愈合效果影响分析 盐粉中愈合的损伤盐岩从7d到120d的愈合度都 根据盐岩损伤愈合的机理，不管是扩散效应 很小，最大只有3.04%，甚至出现了负数.这是由于 还是再结晶作用都需要水的参与.因此，研究湿度 在无水环境中愈合的损伤盐岩，无法形成吸附水 对盐岩损伤愈合的效果影响是有必要的 膜进行物质运输，使得愈合度基本为0.同时，实验

比试件愈合前后渗透率的变化，研究时间和湿度 对盐岩损伤愈合的影响. 2    实验结果及分析 2.1    相关参数及实验结果 在盐穴地下储库安全性研究中，密闭性是一 个重要的因素，保障储气库不泄露，对盐穴储库的 密闭性评价有重要意义[22] . 因此，本次实验中以氮 气测试的盐岩渗透性来表征盐岩的损伤愈合程 度. 需要说明的是：实验所用盐岩的初始渗透率小 于 1×10−20 m 2 ，损伤渗透率为 0.8×10−15～4×10−15 m 2 ， 由于其初始渗透率远远小于损伤渗透率，因此近 似地将初始盐岩视为不渗透. 在本次试验中，使用损伤面积来表达损伤变 量，将任意时刻的盐岩剖面面积 A 分为未破坏部 分 Aud，损伤后未愈合部分 Auh 和愈合部分 Ah，即： { A = Aud + Ad Ad = Auh + Ah （1） 其中，由于初始盐岩被视为不渗透，即完整无损 伤，所有损伤部分均来自实验中巴西劈裂拉伸破 坏. Ad 为损伤部分的面积，为巴西劈裂实验造成的 损伤. 定义损伤为 D，表示损伤部分占总面积的比 例；定义愈合程度为 H，表示愈合部分占损伤部分 面积的比例，即： { D = Ad/A H = Ah/Ad （2） 考虑损伤盐岩愈合前后渗透率的变化，可以 得出： Ad/Auh = Kp/Kpd （3） 其中，Kpd 为盐岩愈合后测得渗透率，Kp 为盐岩愈 合前测得渗透率. 联立（1）～（3）式，可以得到盐岩的损伤愈合 程度 H 为： H = 1− Kpd Kp （4） 其中，H 为愈合度，表征盐岩损伤愈合效果的好 坏，在本文中，是指在盐岩损伤愈合实验中，假定 盐岩初始无损伤，全部损伤都是实验引发的前提 下，盐岩的损伤中愈合的部分占总损伤的比例. 实验结果如表 2 所示. 2.2    湿度条件对盐岩自愈合效果影响分析 根据盐岩损伤愈合的机理，不管是扩散效应 还是再结晶作用都需要水的参与. 因此，研究湿度 对盐岩损伤愈合的效果影响是有必要的. 通过实验，结果如图 3 所示. 根据图 3 可以看出，在任何一个时间点上，随 着湿度的增加，盐岩的损伤愈合效果逐渐增强，渗 透率逐渐减小. 这是由于盐岩损伤愈合过程中，裂 隙尖端的闭合及再结晶作用都依赖表面水膜的 运输作用，湿度越大，则表明水分越充足. 根据 Houben 等[12] 的研究，发现裂隙尖端的移动速度与 吸附水膜的厚度呈正相关. 也就是说，较大的湿度 能使裂隙表面产生更厚的吸附水膜，从而加快裂 隙表面的物质运输，加快盐岩的损伤愈合速度. 同样，从图 3 中可以看到，在含水率为 0% 的 盐粉中愈合的损伤盐岩从 7 d 到 120 d 的愈合度都 很小，最大只有 3.04%，甚至出现了负数. 这是由于 在无水环境中愈合的损伤盐岩，无法形成吸附水 膜进行物质运输，使得愈合度基本为 0. 同时，实验 表 2    自愈合实验结果 Table 2    Experimental results of self-healing Test number Healing degree/% Test number Healing degree/% Test number Healing degree/% A0 1.03 A3 66.59 A6 71.39 A9 74.71 A12 77.01 A15 92.33 B0 −3.01 B3 81.40 B6 82.83 B9 78.40 B12 93.55 B15 95.13 C0 3.04 C3 88.33 C6 94.25 C9 94.03 C12 96.56 C15 94.22 D0 −1.66 D3 87.68 D6 93.51 D9 93.29 D12 95.99 D15 97.79 E0 1.25 E3 90.41 E6 94.50 E9 94.60 E12 96.81 E15 97.84 100 Healing degree/ % 80 60 40 20 0 0 3 6 9 Moisture content/% Fitting curve Fitting curve Fitting curve Fitting curve Fitting curve 15 d 7 d 30 d 60 d 120 d 12 15 图 3    不同时间点盐岩含水率与损伤愈合度关系图 Fig.3     Moisture  content –healing  degree  curves  of  salt  rock  damage healing under different time points 姜德义等： 盐岩巴西劈裂损伤愈合特性实验研究 · 573 ·