CN109269878A - 岩石力学实验加载过程中的温湿度控制装置及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种岩石力学实验加载过程中的温湿度控制装置及其使用方法，涉及岩石力学实验领域。其包括柔性箱体、岩石夹持机构、温度调节机构、湿度调节机构及实时环境监测机构，其中，岩石夹持机构分为上夹持机构和下夹持机构，其分别安装在柔性箱体的上下面上，且上夹持机构和下夹持机构位置相对；温度调节机构和湿度调节机构用于对该密闭柔性箱体内的温度和湿度进行调节至合适范围；实时环境监测机构用于对柔性箱体内的温度、湿度参数进行监控。本发明对岩石力学实验加载过程所涉及的温度和湿度参数进行准确控制，提高室内所测岩石力学性质的可靠性和真实性，使实验结果更加接近于现场实际。

Description

岩石力学实验加载过程中的温湿度控制装置及其使用方法

技术领域

本发明涉及岩石力学实验领域，尤其涉及一种岩石力学实验加载过程中的温度、湿度控制装置及其使用方法。

背景技术

岩石力学实验是岩石力学特征研究的主要方法之一，是岩石应用于工程和岩石力学理论研究所必须开展的一项工作，通过一定的测试方法和手段测定岩石的基本力学性质，为岩石力学数值计算和岩石工程的设计施工提供力学参数。

目前岩石力学实验主要是在室内进行，通过岩石试验机对岩石试件进行加载，得到岩石的力学性质及其在不同压力下的力学特性。岩石的力学性质受多种参数影响，其中温度和湿度是重要的影响因素，特别是对于深部地质环境下岩石强度特征、变形破坏规律等影响严重。当前的岩石力学实验机仅对岩石试件的实验压力、时间、加载方式、加载速度等因素进行了控制，而对加载环境的温湿度参数则没有较好的调节方法。当前的方法仅仅是在实验室内安装空调机和加湿器等对室内温湿度大环境进行一个大体的调控，由于实验室空间较大，这种方法不能精准的控制岩石试件自身的温湿度，进而无法保证试验结果的精确性及可靠性。

因此，现有技术还有待于更进一步的改进和发展。

发明内容

本发明的目的在于提供一种岩石力学实验加载过程中的温湿度控制装置及其使用方法，以对岩石力学实验加载过程所涉及的温度和湿度参数进行准确控制，用以分析温度和湿度对岩石受力变形过程的影响程度，研究不同温度和湿度状态下岩石的力学行为与特性，提高室内所测岩石力学性质的可靠性和真实性，使实验结果更加接近于现场实际。

为实现上述目的，本发明所需克服的主要技术难题在于：如何对岩石力学实验加载过程中所涉及的温度和湿度参数进行精确调控(因现有技术实质上是在一个开放的环境内，其温度和湿度参数难以做到非常精确)。

为了实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种岩石力学实验加载过程中的温湿度控制装置，其包括柔性箱体、岩石夹持机构、温度调节机构、湿度调节机构及实时环境监测机构；所述的柔性箱体为一长方体结构，其包括上下、前后面及左、右侧面；所述的岩石夹持机构分为上夹持机构和下夹持机构，其分别安装在所述柔性箱体的上下面上，且所述上夹持机构和下夹持机构位置相对，当进行岩石力学实验时，所述上夹持机构和下夹持机构之间的柔性箱体内放置岩石试件，通过上下夹持机构对所述岩石试件进行固定；

所述的柔性箱体的前面可打开或关闭，从而形成可打开或关闭的门体，所述的门体上设置有两个预留孔，所述的预留孔作为导线通道或者使所述柔性箱体与外部环境之间进行气体交换，所述的柔性箱体的内侧均匀敷设有一层隔热层；

所述的温度调节机构和湿度调节机构用于对该密闭柔性箱体内的温度和湿度进行监控并调节至合适范围；

所述的实时环境监测机构用于对柔性箱体内的温度、湿度参数进行监控。

作为本发明的一个优选方案，上述的温度调节机构包括加热片、温度调节器与电源，上述的加热片设置有多个，分别设置在上述柔性箱体内的左侧面、右侧面及后面，每个加热片均通过导线与温度调节器连接，上述温度调节器与电源连接，上述温度调节器和电源位于上述柔性箱体的外面。

作为本发明的另一个优选方案，上述的湿度调节机构包括湿度调节器与电源，上述的湿度调节器一端连接有柔性导管，另一端连接上述电源，上述柔性导管的另一端通入上述柔性箱体内，上述湿度调节器与电源均位于上述柔性箱体外面。

进一步的，上述的柔性箱体长×宽×高＝300mm×200mm×150mm，箱体壁厚2mm，上述柔性箱体采用透明材质制作而成；上述的环境监测机构包括温湿度传感器、数据处理器及独立电子显示器，所述的温湿度传感器位于所述柔性箱体内。

进一步的，上述的岩石试件为圆柱形，其直径×高度＝50mm×100mm，在上述岩石试件表面粘贴测试部件。

进一步的，上述柔性箱体的前面与左侧面或右侧面之间通过连轴实现打开或关闭，在上述门体上设置有门把手。

进一步的，上述的上夹持机构包括上承压头，下夹持机构包括下承压头，上述的柔性箱体与上述上承压头、下承压头的连接处设置有密封圈进行密封。

上述岩石力学实验加载过程中的温湿度控制装置的使用方法，依次包括以下步骤：

a准备标准岩石试件并在其表面黏贴相关测量部件；

b将上夹持机构、下夹持机构与柔性箱体安装在一起，将步骤a备好的标准岩石试件放入上、下夹持机构之间，使得上下夹持机构、标准岩石试件、柔性箱体形成一个整体；

c将步骤b完成的整体结构安装于常规岩石力学实验机上，其中下夹持机构安置在实验机下承压板上，上夹持机构安置于实验机上承压板下方，并紧固；

d打开柔性箱体的门体，将环境监测机构中的相关部件放置于柔性箱体合适的位置，所有工作完成后，关闭柔性箱体的门体；

e步骤d步骤完成后，连接温度调节结构和湿度调节机构中的相关部件；

f开始实验，首先开启温度调节机构并设定一预设温度，待温度达到预设温度后，开启湿度调节机构进行湿度调节，使得柔性箱体内始终保持一恒温恒湿的状态；同时利用环境监测机构对实验环境内的温湿度进行实时监控，随时调节柔性箱体内的温湿度；

g实验结束后，关闭温度调节机构、湿度调节机构，待箱体内待温度冷却至常温后，取出岩石试件。

进一步的，步骤a中，相关测量部件为应变片。

进一步的，步骤b中，在岩石试件与上下夹持机构的夹持接触面上涂抹润滑剂，并铺垫保鲜膜。

本发明所带来的有益技术效果为：

当前我国深部地下岩体工程，岩石所处的地质环境温度往往高达40-60摄氏度，相对湿度能够达到80％RH，而高温高湿的环境对岩石的抗压强度、弹性模量等参数具有非常大的影响。当前的岩石力学实验装置，无法有效拟合工程现场的温湿度环境，使得测试得到的岩石力学参数无法精确指导工程现场应用。而仅靠在实验室大环境内的温湿度调节无法完全满足实验要求，且实验成本较高，实验环境较差，会给实验人员的身体健康带来较大危害。

本发明提供的一种岩石力学实验加载过程中的温湿度控制装置及其使用方法，人为地在岩石试件周围一定小范围内创造了一个相对密闭的空间，使用柔性箱体结构包裹岩石试件，通过精确调控该柔性箱体内的相对温湿度，可进行恒定温湿度双向耦合状态下的基础岩石力学实验。该实验装置小巧灵活，安装简易快捷，能够实现温湿度的精确调控，能够使实验环境有效拟合深部岩体工程所处的现场环境；同时箱体均采用透明材质制成，便于观察内部岩石试件的宏观变形特征。利用该装置测试得到的温湿度双向耦合下的岩石力学参数结果更具可靠性和精确性。

附图说明

下面结合附图对本发明做进一步说明：

图1为本发明装置的剖面示意图；

图2为本发明装置的立体结构示意图；

图中：1—柔性箱体；2—柔性隔热层；3—上承压头；4—下承压头；5—温度调节器；6—加热片；7—柔性导管；8—湿度调节器、9—温湿度传感器；10—岩石试件；11—预留孔一；12—预留孔二；13—门把手；14—连轴；15—密封圈体。

具体实施方式

本发明提出了一种岩石力学实验加载过程中的温湿度控制装置及其使用方法，为了使本发明的优点、技术方案更加清楚、明确，下面结合具体实施例对本发明做详细说明。

结合图1和图2所示，一种岩石力学实验加载过程中的温湿度控制装置，包括柔性箱体、岩石夹持机构、温度调节机构、湿度调节机构及实时环境监测机构。

其中，岩石夹持机构包括上夹持机构和下夹持机构，上夹持机构包括上承压头，下夹持机构包括下承压头，上述的柔性箱体与上述上承压头、下承压头的连接处设置有密封圈进行密封。

柔性箱体1结构为长方体，箱体长×宽×高＝300mm×200mm×150mm，箱体壁厚2mm，可满足国际标准岩石力学试件的力学实验要求。箱体结构用透明、软质材料制成，自身能够产生一定的变形量以适应岩石加压过程中的变形，透明材质易于实验人员对实验过程中岩石试件的加载情况进行观察。箱体上下两个面留有用于与上、下承压头嵌套连接的预留孔，孔径大小可根据承压头尺寸进行设计。箱体内壁均匀地敷设有柔性隔热层2，柔性隔热层2材质为透明材质，用于实验过程中箱体内的保温保湿。箱体为单面可打开结构，方便实验人员对岩石试件的拿取及检修工作，如图1所示，ABCD面为可打开的门体(类似于冰箱门结构)，AD处为连接轴，BC处为磁力粘接，可打开，在其一侧安装有门把手13。门体上设有2个导线预留孔，分别为预留孔一11和预留孔二12，孔径5mm，用于应变片(黏贴于岩石试件表面)的传导导线及温湿度传感器的导线与外部计算机数据采集仪的连接；这两个预留孔可同时用作箱体内部与外部环境的气体交换孔，防止箱体内部形成真空结构。

上承压头3、下承压头4为岩石试件10的夹持装置，扁圆柱形结构，截面直径约为60-80mm，高度50-60mm。承压头的制作材质与岩石力学试验机上下承压板的制作材质相同，刚度较大，可使岩石力学试验机施加的压力有效传递到岩石力学试件上。承压头可与上述柔性箱体通过上、下面的预留孔进行有效连接，连接处用柔性密封圈体15密封，同时可拆卸。

温度调节机构主要由电源、温度调节器5、加热片6及连接导线等组成。其中，加热片内部主要由加热电阻丝组成，安装于柔性箱体结构的左、右、后三个侧面内，对箱体内的温度进行均匀加热。加热片通过连接导线引出连接到箱体外的温度调节器上，所述温度调节器为电子温度控制设备，温控范围为0～99.9℃，精度为±0.5℃，温度调节时间<1min/10°。通过其精确调节可为实验箱体内创造预先设定的温度环境，进而可进行不同温度值下的岩石力学实验。设备调控精确，使用简便，能够准确控制整个实验装置的内部温度。

湿度调节机构主要由电源、湿度调节器8、柔性导管7等组成。随着实验箱体内的温度增加，其空气被加热后势必造成湿度降低，空气干燥，不符合煤矿井下的高温高湿实际环境。因此有必要增加湿度调节器。湿度调节器为主要的湿度控制设备，能够对实验箱体内进行恒湿调节，湿度调节范围10-90％RH。实验柔性箱体一侧安装有柔性导管，导管另一端可与湿度调节器的雾化出口连接，实现对箱体内的环境进行恒湿调节。

实时环境数据监测机构主要由温湿度传感器9、数据处理器及独立电子显示器等组成。其中温、湿度传感器放置于上述柔性箱体内，其监测的实时数据通过连接导线连接到箱体外的数据处理器内，并由独立的电子显示器将当前实验箱体内的参数显示出来，实时监控实验装置内部的温、湿度环境。

柔性箱体为单侧可打开结构，ABCD面为可打开的门体结构，通过连轴14可单向打开。

以岩石单轴压缩力学实验为例，本发明岩石力学实验加载过程中的温湿度控制装置的具体使用方法如下：

步骤1：实验开始前，首先制备标准岩石试件，直径×高度＝50mm×100mm，在试件上黏贴应变片等相关测量装置，并由导线引出；

步骤2：将上下承压头结构与柔性箱体结构组装，并将制作好的标准岩石试件放置于实验箱体内的上下承压头中间，根据岩石试件高度调节上下承压头在箱体上下侧的露出量，使上下承压头与岩石试件紧贴，同时在试件与承压头的接触面上涂抹润滑剂，并铺垫保鲜膜等，消除接触面处的紧箍摩擦力。同时调整好的上下承压头与柔性箱体固定，采用粘结剂将其固定，并安装密封圈密封，使柔性箱体、上下承压头与岩石试件组装成一个整体；

步骤3：将步骤2完成的整体结构安装于常规岩石力学实验机上，其中下承压头安置在实验机下承压板上，上承压头安置于实验机上承压板下方，并紧固住；

步骤4：打开柔性箱体的门体结构，将温湿度传感器放置于箱体合适位置，导线通过预留孔1穿出，连接到数据处理器及独立电子显示器上；岩石试件的应变片导线同样通过导线预留孔2穿出，连接到外部应变数据采集仪上；上述工作完成后关闭门体；

步骤5：连接温度控制机构，将加热片的外接导线连接到温度调节器上，温度调节器与电源接通；连接湿度控制***，将软导管外露端与湿度调节器的雾化出口连接，湿度调节器连接电源；

步骤6：开始实验，首先通过设置温度调节器，给箱体内设定某一预定温度，接通电源，三个加热片内的电阻丝均匀散发热量，通过温度传感器实时监测实验箱体内的温度变化，随时对温度进行微调；待温度稳定一定时间后(一般为10-15min)，启动湿度调节器，设定好预先设计的箱体湿度值，对箱体内环境进行恒湿控制。当实验箱体内的温湿度保持恒定后，可随即进行常规岩石力学测试。实验过程中，温湿度控制器自动运行，通过温湿度传感器显示屏监测箱内温湿度值，以确保装置内部处于恒温恒湿状态；同时柔性箱体会随着岩石试件的压缩变形而发生相应的随动变形，保证箱体结构不会对实验造成附加阻力；进一步的，柔性箱体的透明构造能够使实验人员随时观察箱体内岩石试件的宏观变形特征；

步骤7：实验结束后，关闭温、湿度控制器，断开电源，打开箱体门，箱体内待温度冷却至常温后，取出试件。

需要进一步说明的是，本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明所作的举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会超越权利要求书所定义的范围。

Claims (10)

1.一种岩石力学实验加载过程中的温湿度控制装置，其包括柔性箱体、岩石夹持机构、温度调节机构、湿度调节机构及实时环境监测机构，所述的柔性箱体为一长方体结构，其包括上下、前后面及左、右侧面，其特征在于：

所述的岩石夹持机构分为上夹持机构和下夹持机构，其分别安装在所述柔性箱体的上下面上，且所述上夹持机构和下夹持机构位置相对，当进行岩石力学实验时，所述上夹持机构和下夹持机构之间的柔性箱体内放置岩石试件，通过上下夹持机构对所述岩石试件进行固定；

所述的柔性箱体的前面可打开或关闭，从而形成可打开或关闭的门体，所述的门体上设置有两个预留孔，所述的预留孔作为导线通道或者使得所述柔性箱体与外部环境之间进行气体交换，所述的柔性箱体的内侧均匀敷设有一层隔热层；

所述的温度调节机构和湿度调节机构用于对该密闭柔性箱体内的温度和湿度进行监控并调节至合适范围；

所述的实时环境监测机构用于对柔性箱体内的温度、湿度参数进行监控。

2.根据权利要求1所述的一种岩石力学实验加载过程中的温湿度控制装置，其特征在于：所述的温度调节机构包括加热片、温度调节器与电源，所述的加热片设置有多个，分别设置在所述柔性箱体内的左侧面、右侧面及后面，每个加热片均通过导线与温度调节器连接，所述温度调节器与电源连接，所述温度调节器和电源位于所述柔性箱体的外面。

3.根据权利要求2所述的一种岩石力学实验加载过程中的温湿度控制装置，其特征在于：所述的湿度调节机构包括湿度调节器与电源，所述的湿度调节器一端连接有柔性导管，另一端连接所述电源，所述柔性导管的另一端通入所述柔性箱体内，所述湿度调节器与电源均位于所述柔性箱体外面。

4.根据权利要求3所述的一种岩石力学实验加载过程中的温湿度控制装置，其特征在于：所述的柔性箱体长×宽×高＝300mm×200mm×150mm，箱体壁厚2mm，所述柔性箱体采用透明材质制作而成；所述的环境监测机构包括温湿度传感器、数据处理器及独立电子显示器，所述的温湿度传感器位于所述柔性箱体内。

5.根据权利要求3所述的一种岩石力学实验加载过程中的温湿度控制装置，其特征在于：所述的岩石试件为圆柱形，其直径×高度＝50mm×100mm，在所述岩石试件表面粘贴测试部件。

6.根据权利要求3所述的一种岩石力学实验加载过程中的温湿度控制装置，其特征在于：所述柔性箱体的前面与左侧面或右侧面之间通过连轴实现打开或关闭，在所述门体上设置有门把手。

7.根据权利要求3所述的一种岩石力学实验加载过程中的温湿度控制装置，其特征在于：所述的上夹持机构包括上承压头，下夹持机构包括下承压头，所述的柔性箱体与所述上承压头、下承压头的连接处设置有密封圈进行密封。

8.根据权利要求1所述的一种岩石力学实验加载过程中的温湿度控制装置的使用方法，其特征在于，依次包括以下步骤：

a准备标准岩石试件并在其表面黏贴相关测量部件；

b将上夹持机构、下夹持机构与柔性箱体安装在一起，将步骤a备好的标准岩石试件放入上、下夹持机构之间，使得上下夹持机构、标准岩石试件、柔性箱体形成一个整体；

c将步骤b完成的整体结构安装于常规岩石力学实验机上，其中下夹持机构安置在实验机下承压板上，上夹持机构安置于实验机上承压板下方，并紧固；

d打开柔性箱体的门体，将环境监测机构中的相关部件放置于柔性箱体合适的位置，所有工作完成后，关闭柔性箱体的门体；

e步骤d步骤完成后，连接温度调节结构和湿度调节机构中的相关部件；

f开始实验，首先开启温度调节机构并设定一预设温度，待温度达到预设温度后，开启湿度调节机构进行调节，使得柔性箱体内始终保持一恒温恒湿的状态；同时利用环境监测机构对实验环境内的温湿度进行实时监控，随时调节柔性箱体内的温湿度；

g实验结束后，关闭温度调节机构、湿度调节机构，待箱体内待温度冷却至常温后，取出岩石试件。

9.根据权利要求8所述的一种岩石力学实验加载过程中的温湿度控制装置的使用方法，其特征在于：步骤a中，相关测量部件为应变片。

10.根据权利要求8所述的一种岩石力学实验加载过程中的温湿度控制装置的使用方法，其特征在于：步骤b中，在岩石试件与上下夹持机构的夹持接触面上涂抹润滑剂，并铺垫保鲜膜。