Исследование механических свойств образца пористого песчаника в условиях одноосной нагрузки методом времяпролетной нейтронографии

Аннотации

Аннотация

Знание состояния напряжений и деформаций в образце горной породы имеет важное значение для понимания свойств горных пород, интерпретации геодинамических процессов, а также для геотехнических применений, таких как горное дело и строительство тоннелей. В последнее время проблема индуцированной сейсмичности стала важной в производстве геоэнергии (добыча газа, геотермальные источники). Таким образом, роль тектонических напряжений в инициировании разрушения горных пород представляет как научный, так и экономический интерес. Исследование деформации с помощью обычных лабораторных экспериментов позволяет определить макродеформацию в диапазоне сантиметров и метров. На нано- и микроуровне применение дифракционных методов дает возможность изучать деформацию, локализованную в кристаллической решетке, так называемую внутрикристаллическую деформацию. Эта локализация деформации в образце размером в сантиметры достигается с помощью сканирования деформации. Благодаря низкой способности нейтронов к поглощению в веществах, таких как металлы и минералы, нейтронная дифракция является отличным методом для исследования деформаций в массивных образцах, особенно в многофазных, таких как горные породы.

Нейтронный дифрактометр для исследования деформаций методом времени пролета EPSILON, работающий на пульсирующем нейтронном источнике ИБР-2M в ОИЯИ (Дубна), предназначен для исследования остаточных и приложенных внутрикристаллических деформаций массивных образцов. Благодаря большому диапазону длин волн (до $λ = 7,8$ Å) возможно исследование дифракционных картин с межплоскостными расстояниями до $d = 5,6$ Å. Использование длинного пролета нейтронов ($∼ 107,03$ м) обеспечивает хорошее спектральное разрешение, что позволяет исследовать многофазные горные породы, содержащие минералы с низкой  кристаллической симметрией. Дифрактометр оснащен устройством для приложения одноосного напряжения, обеспечивающим нагрузку до 100 кН, например, 150 МПа при диаметре образца 30 мм и длине 60 мм.

Исследования были сосредоточены на трех точках образца: в центре, на краю и в промежуточной позиции (на полурадиусе). Для предотвращения немедленного разрушения породы был проведен предварительный эксперимент по определению напряжения разрушения. Образец OU-2 (песчаник) сканировался на 4 ступенях нагрузки ($0$, $11,65$, $23,5$, $35,21$ МПа по оси). Для каждого уровня нагрузки внутрикристаллическая деформация определялась в направлениях $σ_1$ и $σ_3$. При определении in situ модуля упругости и коэффициента Пуассона в различных точках образца (край, полурадиус, центр) применялся разработанный недавно инструмент анализа, использующий все дифракционные пики для обнаружения деформаций решетки.