CN108827794A - 一种真三轴高温试验炉、试验***及方法 - Google Patents

一种真三轴高温试验炉、试验***及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种真三轴高温试验炉，包括炉体及温控***，还包括设置在炉体外且延伸至炉体炉膛内的位置相对的两Z向加载杆、位置相对的两X向加载杆及位置相对的两Y向加载杆,所述Z向加载杆、X向加载杆及Y向加载杆与炉体壁面匹配滑动设置；加载时，所述两Z向加载杆相对的端面、两X向加载杆相对的端面及两Y向加载杆相对的端面共同围成压力室。本发明主要利用加热炉及分向独立加载杆组成组合式三轴高温试验炉，能够精确控制试验温度，形成高温真三轴试验中稳定的高温环境，并能在高温环境下完成三个相互垂直方向静载荷或动态载荷的同步加载，同时具有适用性强、方便组装、试样更换方便等优点。

Description

一种真三轴高温试验炉、试验***及方法
技术领域
本发明属于岩石试样加热装置技术领域，尤其涉及一种真三轴高温试验炉、试验***及方法。
背景技术
近年来，矿产等资源逐步进入深度化开采。目前我国已有大批矿井进入千米以下的开采深度，深部复杂的地质环境中，岩爆、板裂等突发性工程灾害事故增加，同时开采深度的增加也使得地温在以每3℃/100m的梯度上升。高地温、高地应力等工程因素的影响日益凸显。资源开采过程中采动行为使得高温岩体受到循环应力加卸载作用，复杂的应力作用路径使得高温岩体的力学特性变得相当复杂。真三轴试验能够模拟岩体在工程中的真实受力状态，分析岩体在三维应力状态下的强度及变形特性。对于深部岩体工程设计以及稳定性分析具有重要的指导意义。
近年来，真三轴试验装置***研究方面取得了多项成果，其中中南大学的“一种岩石类材料真三轴试验***”(CN 106289995 A)能够实现岩石三个方向的独立路径加卸载静态或动态载荷，能够模拟局部岩块在开挖过程中的力学过程。但是试验仅限于在常温下进行，深部资源开采以及地热能开采等工程多涉及高温岩体的力学性能。高温岩石相比于常规岩石内部存在较多热诱导裂纹缺陷，并且由于矿物晶粒的各向异性以及热胀系数的不同导致岩石内部存在与温度相关的热应力，因此在开展三轴载荷加卸载模拟过程中，其变形、破裂的响应特性更为复杂。为了进一步探明高温岩体在复杂应力条件下的变形破坏规律及机理，有必要进行室内高温岩石的真三轴试验进行进一步探究。
目前，现有真三轴试验机多限于常温试验，针对高温特性岩石的三轴试验也需要将高温加热的岩石自然冷却后进行加卸载试验。专利201610848074.X虽然公开了一种高温高压下岩石热物性参数测试***，但是整个装置存在加热不均匀且可加热温度不高，适应性差的缺点，难以实现实时温度下的三轴多路径加卸荷试验，不能真实反映深部高温岩体的真实力学特性。
发明内容
本申请旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明的目的之一在于提供一种适用性强，方便组装，试样更换方便且能够保证岩石试样实时温度加载的真三轴高温试验炉、试验***及方法。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案如下：
一种真三轴高温试验炉，包括炉体及温控***，还包括设置在炉体外且延伸至炉体炉膛内的位置相对的两Z向加载杆、位置相对的两X向加载杆及位置相对的两Y向加载杆,所述Z向加载杆、X向加载杆及Y向加载杆与炉体壁面匹配滑动设置；加载时，所述两Z向加载杆相对的端面、两X向加载杆相对的端面及两Y向加载杆相对的端面共同围成压力室。
进一步的，所述Z向加载杆、X向加载杆及Y向加载杆内部设有通有冷却介质的循环冷却回路。
进一步的，所述循环冷却回路在各加载杆内沿其轴向呈螺线管形布设。
进一步的，所述炉体包括炉本体和可启闭的盖设在炉本体上的炉盖，所述X向加载杆及Y向加载杆布设在炉本体的侧部，所述两Z向加载杆分别布设在炉本体的底部和炉盖上。
进一步的，所述炉盖与所述炉本体通过锁扣扣合固定。
进一步的，所述炉盖上设有提手。
进一步的，所述炉本体包括顶部开口的隔热保温外壳、环形加热板和底部加热板，所述环形加热板和底部加热板设置在所述隔热保温外壳内围成炉体炉膛。
进一步的，各加载杆在与炉体壁面相滑动配合段的外壁上设有耐高温陶瓷层；或者是，
所述炉体壁面内与各加载杆位置对应处设有耐高温陶瓷砌体，各加载杆匹配滑动穿设在与其对应的耐高温陶瓷砌体上。
一种试验***，包括真三轴试验机和上述真三轴高温试验炉，所述高温试验炉安装在真三轴试验机的三轴试验台上且真三轴试验机液压泵的活塞杆作用于各加载杆。
一种试验方法，采用上述试验***，首先将试验炉放置在真三轴试验台上，岩石试样放置于下位Z向加载杆上，并调整另一Z向加载杆直至与试样贴合，通过滑动调整X向加载杆、Y向加载杆进行试样的横向贴合固定，接通电源并通过温控***使得炉膛内温度按照预设升温速率达到设定温度后，开启真三轴试验机液压泵进行三轴压缩试验，试验中各分离式加载杆传导外载荷并同步施加到试样各端面，通过实验载荷加载路径进行试验，同时记录试验结果。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：本发明主要利用加热炉及分向独立加载杆组成组合式三轴高温试验炉，能够精确控制试验温度并可以兼做试样夹具，形成高温真三轴试验中稳定的高温环境，温度最高可达600摄氏度，并能在高温环境下完成三个相互垂直方向静载荷或动态载荷的同步加载，能够较真实模拟深部高温岩体的受力状态，同时具有适用性强、方便组装、试样更换方便等优点。
附图说明
图1为三轴高温试验炉主视图；
图2为三轴高温试验炉俯视图；
图3为高温试验炉温控***示意图。
具体实施方式
下面将结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。
参见图1-图3，一种真三轴高温试验炉，包括炉体1及温控***2，炉体1可加热温度范围为20-600℃，还包括设置在炉体1外且延伸至炉体炉膛内的位置相对的两Z向加载杆3、位置相对的两X向加载杆4及位置相对的两Y向加载杆5；其中，Z向加载杆3、X向加载杆4及Y向加载杆5与炉体壁面匹配滑动设置，从而可以调节相对的两加载杆的间距，X向、Y向和Z向表示坐标系的X\Y\Z轴方向；加载时，两Z向加载杆相对的两端面、两X向加载杆相对的两端面及两Y向加载杆相对的两端面共同围成正方体形状的压力室6，试验试样放置在压力室中，通过各加载杆对试样的六个面施加轴向载荷，通过调节各加载杆载荷的大小，可以实现试样不同方向载荷大小的灵活调节，同时通过温控***2使得炉膛内温度按照预设升温速率达到设定温度，满足高温岩石的真三轴加卸载荷，温控***2的结构可以采用诸如温控仪2-1加温度传感器2-2的结构。本实施例中压力室6的大小可以为50×50×50或100×100×100。本实施例高温试验炉，通过将X向加载杆4、Y向加载杆5及Z向加载杆3朝远离炉膛方向滑动时，整个高温试验炉可以作为普通加热炉使用。此外，Z向加载杆3还可以作为试样承载台，试验炉适用性强，方便组装、试样更换方便。
优选的，为避免加载杆的温度过高，在Z向加载杆3、X向加载杆4及Y向加载杆5内部设有通有冷却介质的循环冷却回路7，循环冷却回路7连接外部冷却介质源，冷却介质可以为冷却水等。可以想到的是，当循环冷却回路7在各加载杆内沿其轴向呈螺线管形布设，还可以进一步增大热交换面积，提高冷却效果。
参见图3，在另一实施例中，炉体1包括炉本体1-1和可启闭的盖设在炉本体1-1上的炉盖1-2，X向加载杆4及Y向加载杆5布设在炉本体1-1的侧部，两Z向加载杆3分别布设在炉本体1-1的底部和炉盖1-2上。优选的，炉盖1-2与炉本体1-1通过锁扣8扣合固定，在炉盖1-2上设有方便提拉炉盖的提手9。
具体的，炉本体1-1包括顶部开口的隔热保温外壳1-1-1、环形加热板1-1-2和底部加热板1-1-3，环形加热板1-1-2和底部加热板1-1-3设置在隔热保温外壳1-1-1内共同围成炉体炉膛11。炉盖1-2包括隔热保温外盖1-2-1和设置在隔热保温外盖1-2-1内的顶部加热板1-2-2，炉盖1-2盖合在炉本体1-1上时，顶部加热板1-2-2将炉体炉膛开口封闭，环形加热板1-1-2、底部加热板1-1-3和顶部加热板1-2-2可以采用铸铜加热板，温度传感器2-2设置在炉膛11内，温度传感器2-2、温控仪2-1和铸铜加热板电性连接组成控制电路，至于控制电路的具体结构均为现有技术在此不再赘述。本实施例中，利用铸铜加热板对炉膛内的试样进行加热，通过温度传感器2-2实时测温并通过温控仪2-1控制加热板发热以使试验炉按照预设升温速率达到设定温度。
优选的，在炉体壁面内与各加载杆位置对应处设有耐高温陶瓷砌体10，耐高温陶瓷砌体10上设有贯通的供加载杆滑动穿设的孔道，各加载杆匹配滑动穿设在与其对应的孔道上。本实施例中，利用耐高温陶瓷砌体导向和隔热，可以防止热量向加载杆传递。当然，当耐高温陶瓷层设置在各加载杆与炉体壁面相滑动配合段的外壁上时，同样可以起到防止热量向加载杆传递的作用。
一种试验***，包括真三轴试验机和上述真三轴高温试验炉，高温试验炉安装在真三轴试验机的三轴试验台上且真三轴试验机液压泵的活塞杆作用于各加载杆。
采用上述试验***的试验方法，首先将试验炉放置在真三轴试验台上，岩石试样放置于下位Z向加载杆3上，通过滑动调整X向加载杆4、Y向加载杆5进行试样的横向贴合固定，试样放置应保证试样断面与加载杆端面完好接触，关闭炉盖1-2并通过搭扣8锁封闭试验炉，接通电源，加热的同时，应开启水循环冷却***，避免加载杆的温度过高，温度升幅以及最终温度设定通过炉膛内的温度传感器2-2以及温控仪2-1来控制，当炉膛内温度按照预设升温速率达到设定温度后，开启真三轴试验机液压泵对各加载杆施加载荷进行三轴压缩试验，试验中各分离式加载杆传导外载荷并同步施加到试样各端面，通过实验载荷加载路径进行试验，同时记录试验结果。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种真三轴高温试验炉，包括炉体及温控***，其特征在于：还包括设置在炉体外且延伸至炉体炉膛内的位置相对的两Z向加载杆、位置相对的两X向加载杆及位置相对的两Y向加载杆,所述Z向加载杆、X向加载杆及Y向加载杆与炉体壁面匹配滑动设置；加载时，所述两Z向加载杆相对的端面、两X向加载杆相对的端面及两Y向加载杆相对的端面共同围成压力室。
2.根据权利要求1所述的真三轴高温试验炉，其特征在于：所述Z向加载杆、X向加载杆及Y向加载杆内部设有通有冷却介质的循环冷却回路。
3.根据权利要求2所述的真三轴高温试验炉，其特征在于：所述循环冷却回路在各加载杆内沿其轴向呈螺线管形布设。
4.根据权利要求1-3任一项所述的真三轴高温试验炉，其特征在于：所述炉体包括炉本体和可启闭的盖设在炉本体上的炉盖，所述X向加载杆及Y向加载杆布设在炉本体的侧部，所述两Z向加载杆分别布设在炉本体的底部和炉盖上。
5.根据权利要求4所述的真三轴高温试验炉，其特征在于：所述炉盖与所述炉本体通过锁扣扣合固定。
6.根据权利要求4所述的真三轴高温试验炉，其特征在于：所述炉盖上设有提手。
7.根据权利要求4所述的真三轴高温试验炉，其特征在于：所述炉本体包括顶部开口的隔热保温外壳、环形加热板和底部加热板，所述环形加热板和底部加热板设置在所述隔热保温外壳内围成炉体炉膛。
8.根据权利要求4所述的真三轴高温试验炉，其特征在于：各加载杆在与炉体壁面相滑动配合段的外壁上设有耐高温陶瓷层；或者是，
所述炉体壁面内与各加载杆位置对应处设有耐高温陶瓷砌体，各加载杆匹配滑动穿设在与其对应的耐高温陶瓷砌体上。
9.一种试验***，其特征在于：包括真三轴试验机和权利要求1-8任一项所述的真三轴高温试验炉，所述高温试验炉安装在真三轴试验机的三轴试验台上且真三轴试验机液压泵的活塞杆作用于各加载杆。
10.一种试验方法，采用权利要求9所述的试验***，其特征在于：首先将试验炉放置在真三轴试验台上，岩石试样放置于下位Z向加载杆上，并调整另一Z向加载杆直至与试样贴合，通过滑动调整X向加载杆、Y向加载杆进行试样的横向贴合固定，接通电源并通过温控***使得炉膛内温度按照预设升温速率达到设定温度后，开启真三轴试验机液压泵进行三轴压缩试验，试验中各分离式加载杆传导外载荷并同步施加到试样各端面，通过实验载荷加载路径进行试验，同时记录试验结果。
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