岩石热膨胀系数检测 弹性模量检测 泊松比测试

岩石热膨胀系数、弹性模量与泊松比检测方法

岩石的热膨胀系数（Thermal Expansion Coefficient）、弹性模量（Elastic Modulus）和泊松比（Poisson's Ratio）是岩土工程、地热开发、油气勘探等领域的关键参数。以下是国际通用的检测标准（如ASTM、ISRM）和实验方法。

1. 岩石热膨胀系数检测（Thermal Expansion Coefficient）

定义：岩石在温度变化时产生的长度或体积变化率，单位为 ×10⁻⁶/°C 或 µm/(m·°C)。

测试标准

• ASTM D4535（岩石热膨胀系数标准测试方法）

• ISRM Suggested Methods（国际岩石力学学会推荐方法）

测试设备

• 热膨胀仪（Dilatometer）：高精度位移传感器（分辨率0.1µm）、温控系统（-30°C~1000°C）。

• 岩样制备：圆柱体（直径25~50mm，长度50~100mm），两端平行度误差≤0.02mm。

测试步骤

1. 初始长度测量：在室温（20°C）下记录岩样长度（L₀）。

2. 升温测试：以 1~5°C/min 速率加热，记录温度（T）及对应长度变化（ΔL）。

3. 计算线性热膨胀系数（α）：

   =10⋅ΔΔ(单位：/∘)α=L01⋅ΔTΔL(单位：/∘C)

4. 体积热膨胀系数（β）（可选）：

   ≈3(假设各向同性材料)β≈3α(假设各向同性材料)

影响因素

• 矿物成分（石英膨胀率高，黏土矿物易吸水影响测量）。

• 温度范围（高温下可能出现相变，需分段测试）。

2. 岩石弹性模量（Elastic Modulus）检测

定义：岩石在弹性变形阶段的应力-应变比值，分为 静态弹性模量（Eₛ） 和 动态弹性模量（E_d）。

测试标准

• ASTM D7012（岩石静态弹性模量测试）

• ISRM Suggested Methods（单轴/三轴压缩试验）

（1）静态弹性模量（Eₛ）测试

设备：

• 试验机（加载能力≥1000kN）、应变片或LVDT位移传感器。

步骤：

1. 岩样加工成圆柱体（直径50mm，高100mm，端面平行度误差≤0.02mm）。

2. 施加轴向载荷（应力速率0.5~1.0 MPa/s），同步记录应力（σ）-应变（ε）曲线。

3. 计算弹性模量：

   =ΔΔ(取线性段斜率)Es=ΔεΔσ(取线性段斜率)

（2）动态弹性模量（E_d）测试（超声波法）

设备：

• 超声波脉冲发生器、接收器（纵波P波、横波S波探头）。

步骤：

1. 测量岩样纵波速度（Vₚ）和横波速度（Vₛ）。

2. 计算动态弹性模量：

   =2⋅32−422−2Ed=ρVs2⋅Vp2−Vs23Vp2−4Vs2

   （ρ为岩石密度）

3. 岩石泊松比（Poisson's Ratio）检测

定义：岩石在轴向受压时，横向应变与轴向应变的比值（ν）。

测试方法

1. 静态法（与弹性模量同步测试）：

• 在单轴压缩试验中，测量轴向应变（εₐ）和横向应变（εₜ）。

• 计算泊松比：

  =−ν=−εaεt

2. 动态法（超声波法）：

• 通过纵波（Vₚ）和横波（Vₛ）速度计算：

  =2−222(2−2)ν=2(Vp2−Vs2)Vp2−2Vs2

4. 测试数据示例（典型岩石参数）

5. 注意事项

• 岩样制备：避免微裂纹，需按ISRM标准加工。

• 温控精度：热膨胀测试需±0.5°C以内。

• 各向异性：层状岩石（如页岩）需测试不同方向。

6.

• 热膨胀系数影响地下工程（如地热井、核废料存储）的热稳定性。

• 弹性模量 & 泊松比是数值模拟（FLAC3D、ANSYS）的关键输入参数。

• 动态法（超声波）适用于原位测试，静态法（压缩试验）更但破坏样品。