CN106680129B - 岩样循环干湿冻融环境模拟及损伤劣化测试装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种岩样循环干湿冻融环境模拟及损伤劣化测试装置及其方法，其特征在于：该装置包括真空泵及气体管路、水泵及液体管路、温控箱；温控箱内试样室放置岩样，岩样上径向与轴向分别设置耐高温径向和轴向变形传感器，真空泵连接气体管路并接入试样室顶部，水泵一端连接液体管路并接入试样室底部；密封盖体上设液位探测器并置于试样室内，试样室外侧设置扫描装置。本发明采用微机程序控制器控制实现含裂隙岩石试样在常温到高温烘干、真空强制饱和、降温冰冻及升温解冻融化等复杂环境的多次数循环模拟；采用微机进行径向和轴向应变数据采集和记录，采用扫描***对反复干湿冻融循环过程中损伤劣化进行测试。该装置具有自动化、一体化特征，且经济环保，人为干预少，测试工作效率高。

Description

岩样循环干湿冻融环境模拟及损伤劣化测试装置

技术领域

本发明涉及岩石工程技术领域，涉及模拟复杂环境条件下裂隙岩体冻融试件的制备和复杂环境对岩样物理力学性质损伤劣化过程测试技术与方法，具体地涉及一种岩样循环烘干、饱和冻融环境模拟及其损伤劣化测试装置与方法。

背景技术

地壳中的岩土体长期遭受太阳辐射、水(融雪或冰)等风化作用，使岩土体结构和力学性质发生劣化。干湿循环和冻融循环是最为典型的二种风化作用。干湿循环是岩土体介质吸收空气水分或大气降雨而饱和、吸收阳光辐射水分蒸发或风干的物理循环过程，反复干湿循环会使使岩体力学性质软化。冻融是岩土层由于温度降到零度以下和升至零度以上而产生冻结和融化的一种物理地质作用和现象。冰对岩石裂隙两翼便产生较大的冰楔作用；而当气温回升时融解，作用在裂隙两翼的压力骤减，裂隙两翼卸载。在反复的冻结和融化过程中，岩石的裂隙就会扩大、增多，以致石块被分割出来，产生冻融作用。造成这种冻融破坏的原因是由于组成岩石冻结和融化状态的三相介质(水、空气、含冰岩石)具有不同热物理性质，岩石矿物颗粒在温度降低时，其体积发生收缩，而冰在温度降低时，体积发生膨胀(约9％)，岩石矿物颗粒为了限制这种膨胀，由于这种冻胀力是作用在矿物颗粒及岩石微孔隙这一微观尺度上，故孔隙水的存在及冻融循环条件会对岩石的损伤劣化产生深刻影响。

随着近年来国家对西部的大力开发建设，高寒山区许多大型岩体工程，如：北疆地区水电工程、青藏铁路工程、南水北调西线工程，石油管线建设等，两部众多深长隧道工程，均涉及到裂隙岩体的饱和烘干、冻结融解及离子交换(化学腐蚀)等物理过程。冻结岩体的主要工程危害有岩质边坡因受到于冻融风化侵蚀从而导致的崩塌以及滑坡，裂隙岩体在循环冻融过程中的冻胀开裂、失稳等；地下深埋高地温岩体开挖后高温度梯度下导致的工程围岩力学性质劣化。其主要机制为含裂隙及节理等原生缺陷的岩石，在冻结、融化及冻融循环条件下，其物理力学性质宏观基本变化规律、内部水成冰引起的相变与水热迁移特征，以及不同温度历史和不同含水(冰)状态引起的岩石宏细观损伤演化规律。在寒冷地区冻结融解作用是主要的岩体物理风化作用，岩体的冻融破坏已经成为寒区岩体工程中常遇到的主要病害之一。如新疆天山公路大部分路段穿越海拔4000m以上的西天山主峰，紫外线辖射强烈，其所属的高寒山区不仅昼夜温差大而且季节气温差异悬殊(年极端高温天气达40.8℃，而年极端寒冷天气则在-35.6℃)，年度周期性的反复冻融作用致使边坡裸露岩体逐渐疏松破碎，崩塌、滑坡等地质灾害时有发生。另外，随着北疆地区的水利水电开发和建设的力度加大，水电坝址区高陡岩质边坡的冻融劣化问题日益凸显。如位于阿勒泰地区布尔津河干流中游峡谷段的QBT水利枢纽工程，坝址区多年最低气温为-45℃，最高气温36.6℃，极端温差超过80℃。又南疆地区正在施工的齐热哈塔尔水电站隧洞围岩温差高达90多度，开挖后涉水(上游雪水) 后岩体内温度骤然降低等复杂环境变化对岩体物理力学性质产生劣化作用。

以上所述情况下岩体性质的劣化均涉及到烘干到饱和的干湿反复交替、裂隙内固态相到液态相的冻结融解相互转化等复杂环境的模拟，因此，人们试图对岩石反复干湿冻融复杂环境的模拟及岩石及其劣化过程进行研究。但一直以来，缺少一种能模拟足够长时间和循环次数下复杂环境自动实现的一体化的装置和方法，本发明可以解决这一技术难题。

CN201310544106.3公开了一种模拟岩石裂隙冻融水热迁移的试验装置，它包括裂隙底板、可调式底座、暖端温度控制板、水量标尺、防冻套管、裂隙覆板、冷端注水孔塞、水平仪、裂隙，裂隙底板与裂隙覆板连接，裂隙两端设置暖端水槽和暖端水槽，暖端水槽上部的裂隙覆板开孔，连接外径的钢质波纹管，外部包裹防冻套管，外端连接水量标尺，冷端水槽上部的裂隙覆板开注水孔，安装冷端注水孔塞，裂隙底板底部安装可调式底座，裂隙覆板上部安装水平仪，暖端水槽底部安装暖端温度控制板。结构简单，易于加工，易于操作；可控制暖端和冷端温度，从而实现冻结环境下温度梯度控制；可准确直观反映冻结过程中不同温度梯度下裂隙内水分的迁移通量。

CN201210094416.5公开一种岩石冻融损伤破坏的实时监测装置和方法。所述检测装置包括左、右两个装置，左、右两个装置通过螺栓和螺母相连，每个装置由盛装槽和固定装置组成，固定装置上设有电极插孔，电极插孔通过金属丝与金属网片相连，金属网片设置在安装孔端部，安装孔设置在固定装置上，电极插孔通过电极插销与导线相连，试样两端置于安装孔内，试样外包覆有橡胶膜。所述方法是如下进行的：制试样、饱水；安装试样并放入冻融试验机内、进行冻融试验，测定交流阻抗谱；分析岩石冻融损伤破坏的变化规律。本发明可以在不破坏岩石试样内部微观结构基础上测试岩石冻融损伤特征，同时还能在冻融试验过程中进行其损伤破坏测量。

CN2012201350013公开一种用于测量岩石冻融损伤特征的装置，包括左、右两个结构相同的装置，左、右两个装置的端角处通过螺栓和螺母相连，每个装置由盛装槽和固定装置组成，盛装槽的上盖上连有把手，固定装置上设有电极插孔，电极插孔通过金属丝与金属网片相连，金属网片设置在安装孔端部，安装孔设置在固定装置上并与盛装槽连通，电极插孔通过电极插销与导线相连，试样两端置于安装孔内，试样外包覆有橡胶膜。本实用新型可以在不破坏岩石试样内部微观结构基础上测试岩石冻融损伤特征，同时还能在冻融试验过程中进行其损伤破坏测量。

CN201410848369.8公开了一种测定超临界二氧化碳条件下岩石三轴强度的装置，它包括三轴试验舱、岩心夹持装置、气体供给***、液压油围压加载***和安装有控制器以及实验数据采集器的计算机，三轴试验舱外壁上设置有加热圈、连通三轴试验舱的进油阀和回油阀，岩心夹持装置由岩心夹持器、气垫、绝缘自粘密封带和热缩套组成，气体供给***由顺次连接的二氧化碳气瓶、气体增压器和空气压缩机组成，它还公开了测定方法。

上述专利申请提供了岩石冻融损伤及破坏的监测或测量装置。但是长期以来，室内试验对裂隙岩体的饱和烘干过程、冻结融解过程均为各自独立过程，往往模拟以上过程的一个循环至少需要6～7天，耗时耗力，而且周期长。为了与长年往复的冬季夏季轮回的温度变化和实际环境模拟近似，需要大尺度时间内岩体受复杂环境的劣化的模拟，若采用传统独立的人工操作方法所需时间和人力不可想象。因此，需要一种能够集饱和烘干过程、冻结融解过程的微机自动控制的设备和测试装置及方法来实现大循环次数下复杂环境模拟和测试。

发明内容

本发明要解决的问题是室内研究裂隙岩体受复杂外界环境作用后的物理力学性质劣化评价提供设备和方法，提供一种岩样循环干湿冻融环境模拟及其损伤劣化测试装置及其方法。含裂隙岩石试样从常温到高温烘干、从非饱和-饱和、降温冰冻及升温融解等各个环节中塑性体积变形测量采用耐高温轴向传感器和径向传感器来进行测量，用来间接求取塑性体积应变定量表征该复杂循环过程中的损伤量演化过程，实现岩样冻融的损伤劣化测试，设备具有集成化、自动化和人机交互化等特征，且经济环保，减少了人为干预。

本发明的另一个目的就是提供一种由微机程序自动控制岩样循环干湿冻融环境模拟试验，在交变温度下岩样干湿冻融循环损伤劣化过程中的变形测试并计算机收集应变测试数据，通过CT扫描装置和核磁共振装置全程监控可穿透射线的试样室中的试样，微机***采集岩样内部的孔隙结构或残余束缚水的分布信息并存储。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种岩样循环干湿冻融环境模拟及损伤劣化测试装置，其特征在于：该装置包括真空泵及气体管路、水泵及液体管路、温控箱；所述温控箱内设置有试样室，试样室内放置岩样，所述岩样上径向与轴向分别设置有耐高温径向变形传感器和轴向变形传感器，所述温控箱上设置密封盖体，所述密封盖体上设置密封接口，所述径向变形传感器和轴向变形传感器分别接入密封接口一、密封接口二；

所述真空泵连接气体管路并接入试样室顶部，所述水泵一端连接液体管路并接入试样室13底部；

所述密封盖体上设有液位探测器并置于试样室内；

所述试样室外侧设置有扫描装置。

作为优选，所述真空泵连接的气体管路上安装有三通一，所述三通一分别连通试样室顶部和液体回收罐，所述试样室顶部和液体回收罐的气体管路分别安装气动阀一、气动阀二，所述真空泵通入缓冲气罐。

作为优选，所述水泵连接的液体管路上安装有气动阀四及三通二，所述三通二分别连通试样室底部和液体回收罐，所述液体回收罐上的液体管路上安装气动阀三。

作为优选，所述水泵另一端连接三通三，三通三分别连通供水罐和液体回收罐。

作为优选，所述扫描装置为CT扫描仪或核磁共振装置，且接入独立的微机***。

而且，所述温控箱、真空泵、水泵、气动阀一、气动阀二、气动阀三、气动阀四、液位探测器分别接入微机程序控制器，所述径向变形传感器和轴向变形传感器通过密封接口一、密封接口二接入计算机数据采集***。

而且，所述试样室材料采用射线或电磁波可穿透的非金属材料PEEK。

一种岩样循环干湿冻融环境模拟及损伤劣化测试方法，具体步骤如下：

进入微机程序控制器的控制界面，设定岩样加热烘干抽取真空、饱和、制冷、加温时间、干湿冻融循环次数；

1)程序自动启动加热烘干***；将岩样加热烘干，加热温度100～125℃，对岩样进行扫描，启动耐高温径向变形传感器和轴向变形传感器采集变形数据，当加热达到设定时间时，指令关闭加热***，完成烘干过程；

2)程序自动控制抽真空：气动阀一打开，真空泵对装有岩样的试样室进行抽真空，达到设定的抽空时间，气动阀一关闭，真空泵关闭；

3)程序自动控制岩样饱和；气动阀四及水泵同时自动打开，试样水通过液体管路进入试样室内，液位探测器进行监控，达到设定液位时，触发后气动阀四自动关闭，岩样充分饱和，当饱和达到设定时间，气动阀三打开，将水放到液体回收罐，放空试样室内水，指令将气动阀三关闭，启动水泵将液体回收罐中水抽至供水罐中；

4)程序自动启动制冷***；将岩样冷冻，对岩样进行扫描，当冷冻达到设定时间时，指令关闭制冷***，完成冷冻，然后开启加热***，当加热达到设定时间时，指令关闭加热***，完成溶解及升温解冻过程；

5)程序自动控制真空***；气动阀二和气动阀三同时自动打开，对岩样中冻融后的游离态水或束缚水进行抽空，将岩样内的水抽出，当达到设定时间时，气动阀二和气动阀三同时关闭；

6)自动执行进入第二轮干湿冻融循环，直至完成程序设定循环次数：循环期间，上述5 个步骤执行末采用扫描仪或核磁共振装置将扫描记录岩样内部的孔隙结构或残余束缚水的分布信息收集传送至微机***，径向变形传感器和轴向变形传感器将应变测量数据传输至计算机数据采集***。

所述液体管路为超高分子量聚乙烯管，试样水可为常态水、弱酸或弱碱性水。

本发明具有的优点和积极效果是：

1、本发明岩样循环干湿冻融环境模拟及损伤劣化测试装置，由于采用岩样放置在温控箱，可设置高低温恒温，并接入真空泵、水泵，实现对岩样的抽真空-强制饱和-制冷冻结- 加热冻融-抽真空(再循环过程)的复杂环境模拟及该过程中的岩样损伤劣化的测试循环干湿冻融环境模拟试验，并且试样室为可透视材料，便于CT扫描装置或核磁共振仪监测试样室内岩样各个断面在不同循环次数下其断面内的裂隙萌生、连接和扩展过程或岩样体内的水分迁移过程，微机***记录扫描数据。

2、本发明岩样循环干湿冻融环境模拟及损伤劣化测试装置，由于控箱、真空泵、水泵、气动阀、液位探测器分别接入微机程序控制器，由微机程序控制器的控制界面，设定加温温度及维持时间、真空抽取及维持时间、饱和时间、制冷温度及维持时间、融解温度及维持时间、循环次数，并控制温控箱制冷、制热与恒温，控制气动阀开启与关闭，实现的整个测试过程完全由微机自动控制，测试过程中的数据由计算机进行全程采集后处理。

3、本发明采用程序自动控制抽真空，设置缓冲气罐进行真空储备，气动阀可由程序界面按钮或程序自动启闭试样室内的真空负压状态，程序自动控制岩样饱和，该干湿冻融过程中可采用水或其它饱和溶液，如弱酸性或弱碱性饱和溶液等，可藉此模拟酸碱性溶液对岩石基质化学腐蚀效应的测试，当溶液与岩样内可溶盐等发生离子交换或反应，反复环境模拟循环后的滤液可以进行液样提取及测试分析，从而实现了岩样加热烘干-抽真空-强制饱和-制冷冻结-加热融解的循环环境模拟及其损伤劣化测试与流固耦合的化学腐蚀试验过程。

4、本发明岩样循环干湿冻融环境模拟及损伤劣化测试装置，由于在岩样上径向与轴向分别设置有耐高温的径向变形传感器和轴向变形传感器，精准测试岩样在循环干湿冻融环境交变中应变变化，并接入计算机数据采集***进行数据收集与处理。

5、本发明由于采用微机程序控制器岩样循环干湿冻融环境模拟，计算机数据采集***采集径向变形传感器和轴向变形传感器应变数据，扫描装置对射线可穿透试样室的岩样试件内部的孔隙结构或残余束缚水的分布信息进行采集和处理；本发明具有设备集成化、微机自动化控制、经济环保、人为干预少而实现不间断循环复杂环境的模拟，为冻融损伤岩样的力学性质研究提供了干湿冻融条件下的试件制备及其损伤测试平台，更进一步可以模拟化学腐蚀条件下裂隙岩体冻融损伤机制研究。

6、本发明岩样循环干湿冻融环境模拟及损伤劣化测试装置，由于试样室采用非金属高强度非金属材料PEEK制作，可以实现CT扫描装置或核磁共振机的射线或电磁波的对试样室的透射，从而实现了环境模拟过程中的试件内部结构成像或水分分布与迁移过程的可视化。

附图说明

图1是岩样循环干湿冻融环境模拟及损伤劣化测试装置示意图。

图2是岩样循环干湿冻融环境模拟及损伤劣化测试方框原理图。

图中：气动阀一1、气动阀二2、气动阀三3、气动阀四4、真空泵5、缓冲气罐6、三通一7、温控箱8、扫描仪9、密封盖体10、液位探测器11、岩样12、试样室13、水泵 14、微机15、三通二16、三通三17、密封接口一18、密封接口二18’、径向变形传感器19、轴向变形传感器20、液体回收罐21、气体管路22、水阀23、供水罐24、液体管路25。

具体实施方式

为了更好的理解本发明，下面结合具体实施例和附图对本发明进行进一步的描述。

如图1、2所示，本发明提供一种岩样循环干湿冻融环境模拟及损伤劣化测试装置。该装置由真空泵5及气体管路22、水泵14及液体管路25、温控箱8等构成，试样室13置于温控箱8内，温控箱8由外设制冷制热控制，试样室13内放置岩样12，岩样12上径向与轴向分别设置有径向变形传感器19和轴向变形传感器20，温控箱8上设置密封盖体10，测试信号线采用内外密封接口18、18’，密封盖体10上设置密封接口一18、密封接口二18’，径向变形传感器19和轴向变形传感器20采用耐高温传感器并分别连接密封接口18、密封接口二18’，用以测试整个循环环境模拟条件下的岩样变形测试，径向变形传感器19和轴向变形传感器20通过密封接口18、密封接口二18’分别接入计算机数据采集***收集测试数据；密封盖体10上设有液位探测器11，液位探测器11穿过密封盖体10并置于试样室13 内，用以探测其内部液体上升高度。

试样室13为可透视，试样室13材料采用射线或电磁波可穿透的非金属材料PEEK，在温控箱8外侧，试样室13对面放置有扫描装置9，扫描装置可以为CT扫描***或核磁共振装置并接入独立的微机***。

真空泵5连接气体管路22，气体管路22上安装有三通一7，三通一7分别连通试样室13顶部和液体回收罐21，试样室13顶部和液体回收罐21的气体管路22上分别安装气动阀一1、气动阀二2，真空泵5通入缓冲气罐6；水泵14一端连接液体管路25，液体管路 25上安装有气动阀四4及三通二16，三通二16分别连通试样室13底部和液体回收罐21内，液体回收罐21的液体管路25上安装气动阀三；水泵14另一端连接三通三17，三通三17 连通供水罐24和液体回收罐21底部，供水罐24的液体管路25上安装有水阀23。

温控箱8、真空泵5、水泵14、气动阀一1、气动阀二2、气动阀三3、气动阀四4、液位探测器11分别接入微机程序控制器15，采用微机程序控制其开闭，并记录测试数据。

液体管路为超高分子量聚乙烯管制作，试样水可为常态水、弱酸或弱碱性水。

一种岩样循环干湿冻融环境模拟及损伤劣化测试方法，具体步骤如下：

首先启动环境循环模拟的微机程序控制器主机，温控箱8内试样室13放入岩样12，实验岩样规格：Φ25×100mm、Φ50×100mm、Φ100×100mm，此时气动阀一1、气动阀二2、气动阀三3、气动阀四4阀门均处于关闭状态，打开真空泵5、温控箱8、供水泵14 的电源，岩样12上安装径向变形传感器19、轴向变形传感器20并接入计算机数据采集***。

打开微机程序控制器的进入控制界面，设定抽真空时间长短、饱和时间长短、制冷时间长短、温控箱加温时间长短、循环次数，温度范围：-50℃～125℃，控制程序自动执行；

1)程序自动启动加热烘干***：将岩样加热烘干，加热温度100～125℃，对岩样进行扫描，径向变形传感器和轴向变形传感器，当加热达到设定时间时，指令关闭加热***，完成烘干过程；

2)程序自动控制抽真空；气动阀一打开，真空泵对装有岩样的试样室进行抽真空，达到设定的抽空时间，真空度：4～6×10²Pa，气动阀一关闭，真空泵关闭；

3)程序自动控制岩样饱和；程序控制整个***响应延时3秒，气动阀四及水泵同时自动打开，试样饱和水(或溶液)通过液体管路进入试样室内，液位探测器进行监控，并将信号发给微机程序控制器，当进入的饱和水(或溶液)达到设定的液位时，气动阀四自动关闭，岩样充分饱和，当饱和达到设定时间，气动阀三打开，将水放到液体回收罐，放空试样室内的水，液位探测器11将信号发给微机程序控制器，并发出指令将气动阀三关闭，启动水泵将液体回收罐中水抽掉或抽至供水罐中；

4)程序自动启动制冷***；将岩样冷冻，对岩样进行扫描，当冷冻达到设定时间时，微机程序控制器指令关闭制冷***，然后开启加热***，当加热达到设定时间时，指令关闭加热***，完成冰冻和溶解及升温加热过程；

5)程序自动控制真空***；气动阀二和气动阀三同时自动打开，对岩样中冻融后的游离态水或束缚水进行抽空，将岩样内的水抽出，当达到设定时间时，气动阀二和气动阀三同时关闭；

6)自动执行进入第二轮循环，直至完成程序设定循环次数；循环期间，扫描仪或核磁共振装置将扫描记录岩样内部的孔隙结构或残余束缚水的分布信息收集传送至微机***，径向变形传感器和轴向变形传感器将应变测量数据传输至计算机数据采集***。

以上对本发明的实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本专利涵盖范围之内。

Claims (2)

1.一种岩样循环干湿冻融环境模拟及损伤劣化测试装置，其特征在于：该装置包括真空泵及气体管路、水泵及液体管路、温控箱；温控箱能制热、制冷及保持恒温；所述温控箱内设置有试样室，试样室内放置岩样，所述岩样上径向与轴向分别设置有耐高温径向变形传感器、轴向变形传感器，所述温控箱上设置密封盖体，所述密封盖体上设置密封接口，所述径向变形传感器和轴向变形传感器分别接入密封接口一、密封接口二；

所述密封盖体上设有液位探测器并置于试样室内；

所述试样室外侧设置有扫描装置；

所述真空泵连接的气体管路上安装有三通一，所述三通一分别连通试样室顶部和液体回收罐，所述试样室顶部和液体回收罐的气体管路分别安装气动阀一、气动阀二，所述真空泵通入位于真空泵与三通一之间的缓冲气罐；

所述水泵连接的液体管路上安装有气动阀四及三通二，所述三通二分别连通试样室底部和液体回收罐，所述液体回收罐上的液体管路上安装气动阀三；

所述水泵另一端连接三通三，三通三分别连通供水罐和液体回收罐；

所述扫描装置为CT扫描仪或核磁共振装置，且接入独立的微机***；

所述温控箱、真空泵、水泵、气动阀一、气动阀二、气动阀三、气动阀四、液位探测器分别接入微机程序控制器，所述径向变形传感器和轴向变形传感器通过密封接口一、密封接口二接入计算机数据采集***；

所述试样室材料采用射线或电磁波可穿透的非金属材料PEEK。

2.根据权利要求1所述的一种岩样循环干湿冻融环境模拟及损伤劣化测试装置，其特征在于：所述液体管路为超高分子量聚乙烯管，试样水为常态水、弱酸性水或弱碱性水。