An experimental study on fracture process zone of rock
Qiao, Yang (2024-03-11)
© University of Oulu, 2024. This publication is copyrighted. You may download, display and print it for your own personal use. Commercial use is prohibited. © Oulun yliopisto, 2024. Julkaisu on tekijänoikeussäännösten alainen. Teosta voi lukea ja tulostaa henkilökohtaista käyttöä varten. Käyttö kaupallisiin tarkoituksiin on kielletty.
https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
https://urn.fi/URN:NBN:fi:oulu-202401051094
Kuvaus
Tiivistelmä
To reveal the mechanisms and composition of energy consumption in rock fracture and prevent the risk of microcracking in the storage of nuclear waste, carbon dioxide and hydrogen. An experimental study on fracture process zone (FPZ) of rock was performed. In the study, the theoretical length of FPZ was calculated by applying the J-integral combined with the stress distribution around crack tip. Utilizing digital image correlation (DIC) technology, the displacements were measured during the whole loading. By analyzing the displacement distributions at different loading stages, the fractured ligament of each specimen is divided into three zones: intact zone, crack propagation zone and fracture process zone (FPZ). The length and the migration velocity of the FPZ were determined, and the crack propagation velocity was measured. Using optical microscopy, X-Ray diffraction (XRD) and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), microstructure in the FPZ was studied. The FPZ and the effective Young’s modulus were introduced to modify the models for calculating crack tip opening displacement. The results show that:
(1) The initiation of FPZ occurs at 77–89% of the peak load and the fluctuation coefficient of horizontal displacement around the crack tip reaches the order of 10–7. The initial length of FPZ is about 1.0–3.1 mm, which is 2 to 6 times the largest grain size.
(2) The FPZ is fully formed at the peak load, and the FPZ length slightly varies during crack propagation. As the peak load approaches, the length of FPZ suddenly increases. The difference between the theoretical and experimental length of FPZ at the peak load is within 8–15%.
(3) Based on XPS result, the average value of the bond energy (446.7 eV) in the grains of sandstone is greater than that (296.7 eV) in the matrix of sandstone. Thus, the microdamage easily appears in matrix around grain boundaries in the FPZ. Over the entire image, there is an average microcrack length per micron of 10.06–14.74 m within approximately 0.3 mm on both sides of the main crack, and that of 7.25–9.08 m in the FPZ.
(4) During crack propagation, all specimens’ mean FPZ length varies from 4.09 to 8.42 mm. The propagation of the crack and the migration of the FPZ proceed simultaneously in the loading process, and both velocities of crack propagation and FPZ migration are almost the same and with the same trend. The peak velocity of crack propagation appears after the peak load, and the crack propagation progress was intermittent due to fracture energy accumulation and release and FPZ’s shielding effect.
(5) The modified plastic zone model for calculating crack tip opening displacement (CTOD) is better than the strip-yield model, the plastic zone model and the modified strip-yield model, and CTOD error is reduced from 81–89% of the plastic zone model to 3.5–33.7% of the modified plastic zone model, with nearly half of the specimens having an error less than 10%.
Tämän työn tarkoituksena on selvittää kiven murtumiseen liittyvän energiankulutuksen rakennetta ja mekanismeja sekä pyrkiä analysoimaan ja ehkäisemään mikrosäröilyn riskiä ydinjätteen, hiilidioksidin ja vedyn varastoinnissa. Työssä tehtiin kokeellinen tutkimus kiven murtumisprosessivyöhykkeestä (fracture process zone - FPZ). Tutkimuksessa FPZ:n teoreettinen pituus laskettiin soveltamalla J-integraalia särön kärjen syntyalueella yhdessä jännitysjakauman kanssa. Siirtymät mitattiin kuormituksen aikana digitaalisen kuvakorrelaatioteknologian (digital image correlation - DIC) avulla. Analysoimalla siirtymäjakaumia eri kuormitusvaiheissa kunkin näytteen ligamentit (särön kärjen ja läpikasvaneen särön välinen alue) jaettiin kolmeen vyöhykkeeseen: ehjä vyöhyke, särön etenemisvyöhyke sekä murtumisprosessivyöhyke. FPZ:n pituus ja siirtymisnopeus määritettiin ja särön etenemisnopeus mitattiin. FPZ:n mikrorakennetta tutkittiin käyttämällä optista mikroskooppia, röntgendiffraktiota (XRD) ja röntgenvaloelektronispektroskopiaa (XPS). FPZ sekä tehollinen Youngin kimmokerroin huomioitiin, kun muokattiin malleja, joilla laskettiin särön avautumisen siirtymiä. Tulokset osoittavat, että:
(1) FPZ muodostuu, kun kuormitus on 77–89 % huippukuormituksesta ja horisontaalisen siirtymän vaihtelukerroin särön kärjen ympärillä on luokkaa 10–7. FPZ:n lähtöpituus on noin 1,0–3,1 mm, mikä on 2–6 kertaa suurempi kuin suurin raekoko.
(2) FPZ on täysin muodostunut, kun huippukuorma on saavutettu. FPZ:n pituus vaihtelee hieman särön etenemisen aikana. Kuormituksen lähestyessä huippukuorman arvoa, FPZ:n pituus kasvaa äkillisesti. Teoreettisen ja kokeellisen FPZ pituuden ero huippukuormituksessa on 8–15 prosenttia.
(3) XPS-tulosten perusteella sidosenergian keskiarvo hiekkakiven yksittäisissä rakeissa (446,7 eV) on suurempi kuin hiekkakiven matriisissa (296,7 eV). Tämän takia mikrovaurioita esiintyy FPZ:ssä todennäköisemmin matriisissa rakeiden ympärillä. XPS kuvassa keskimääräinen mikrohalkeaman pituus mikronia kohden on 10,06–14,74 m noin 0,3 mm etäisyydellä pääsärön molemmilla puolilla ja FPZ:ssä pituus on 7,25–9,08 m mikronia kohden.
(4) Särön etenemisen aikana kaikkien näytteiden keskimääräinen FPZ-pituus vaihtelee välillä 4,09–8,42 mm. Särön eteneminen ja FPZ:n siirtyminen tapahtuvat samanaikaisesti kuormitusprosessin aikana, ja sekä särön etenemisnopeus että FPZ:n siirtymisnopeus ovat lähes yhtä suuret ja samansuuntaiset. Särön etenemisnopeuden huippuarvo saavutetaan huippukuorman jälkeen, ja särön eteneminen muuttuu katkonaiseksi murtumisenergian kertymisen ja vapautumisen sekä FPZ:n suojaavan vaikutuksen vuoksi.
(5) Muokattu plastisen vyöhykkeen malli särön kärjen avautumissiirtymän (CTOD - crack tip opening displacement) laskemiseksi on parempi kuin strip-yield-malli, plastisen vyöhykkeen malli tai muunnettu strip-yield-malli. CTOD-virhe plastisen vyöhykkeen mallin avulla laskettuna on 81–89 % ja muunnetun plastisen vyöhykkeen mallin avulla laskettuna se pienentyy 3,5–33,7 % ja melkein puolessa näytteistä virhe on alle 10 %.
Original papers
-
Qiao, Y., Zhang, Z.-X., Zhang, S., Li, Y.-P., & Chi, L.-Y. (2023). An experimental study on division of fracture ligament and evolution of fracture process zone in sandstone. IOP Conference Series: Earth and Environmental Science, 1124(1), 012030. https://doi.org/10.1088/1755-1315/1124/1/012030 https://doi.org/10.1088/1755-1315/1124/1/012030
-
Qiao, Y., Zhang, Z.-X., & Zhang, S. (2023). An experimental study of the relation between mode i fracture toughness, KIc, and critical energy release rate, GIc. Materials, 16(3), 1056. https://doi.org/10.3390/ma16031056 https://doi.org/10.3390/ma16031056
-
Qiao, Y., Zhang, Z.-X., & Zhang, S. (2023). Experimental study of development of fracture process zone in rock. Geotechnical and Geological Engineering. Advance online publication. https://doi.org/10.1007/s10706-023-02651-x https://doi.org/10.1007/s10706-023-02651-x
-
Qiao, Y., Guan, X., & Zhang, Z.-X. (2023). Experimental study on crack propagation pattern and fracture process zone evolution based on far-field displacement by using DIC. Scientific Reports, 13(1), 19523. https://doi.org/10.1038/s41598-023-44458-z https://doi.org/10.1038/s41598-023-44458-z
-
Qiao, Y., Zhang, Z.-X., Zhang, S., & Toochukwu, O. (2023). An experimental study on evolution of fracture process zone and variation of crack propagation velocity in sandstone. Manuscript in preparation.
-
Qiao, Y., Zhang, Z.-X., & Zhou, J. (2023). A modified method for calculating crack tip opening displacement (CTOD) considering fracture process zone (FPZ) in sandstone. Manuscript in preparation.
Osajulkaisut
-
Qiao, Y., Zhang, Z.-X., Zhang, S., Li, Y.-P., & Chi, L.-Y. (2023). An experimental study on division of fracture ligament and evolution of fracture process zone in sandstone. IOP Conference Series: Earth and Environmental Science, 1124(1), 012030. https://doi.org/10.1088/1755-1315/1124/1/012030 https://doi.org/10.1088/1755-1315/1124/1/012030
-
Qiao, Y., Zhang, Z.-X., & Zhang, S. (2023). An experimental study of the relation between mode i fracture toughness, KIc, and critical energy release rate, GIc. Materials, 16(3), 1056. https://doi.org/10.3390/ma16031056 https://doi.org/10.3390/ma16031056
-
Qiao, Y., Zhang, Z.-X., & Zhang, S. (2023). Experimental study of development of fracture process zone in rock. Geotechnical and Geological Engineering. Advance online publication. https://doi.org/10.1007/s10706-023-02651-x https://doi.org/10.1007/s10706-023-02651-x
-
Qiao, Y., Guan, X., & Zhang, Z.-X. (2023). Experimental study on crack propagation pattern and fracture process zone evolution based on far-field displacement by using DIC. Scientific Reports, 13(1), 19523. https://doi.org/10.1038/s41598-023-44458-z https://doi.org/10.1038/s41598-023-44458-z
-
Qiao, Y., Zhang, Z.-X., Zhang, S., & Toochukwu, O. (2023). An experimental study on evolution of fracture process zone and variation of crack propagation velocity in sandstone. Manuscript in preparation.
-
Qiao, Y., Zhang, Z.-X., & Zhou, J. (2023). A modified method for calculating crack tip opening displacement (CTOD) considering fracture process zone (FPZ) in sandstone. Manuscript in preparation.
Kokoelmat
- Avoin saatavuus [37744]