CN110987667B - 一种适用于分离式霍普金森杆的岩石高温剪切试验装置及方法 - Google Patents

一种适用于分离式霍普金森杆的岩石高温剪切试验装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种适用于分离式霍普金森杆的岩石高温剪切试验装置及方法，包括高温围压加载单元和SHPB动态加载单元，高温围压加载单元的刚性保温框架向内依次嵌套有电阻加热圈、包裹在柔性致密金属丝网布内的碳化硅颗粒和岩石试样；柔性致密金属丝网布通过连接管与伺服压力机连接，内部填充的碳化硅颗粒可实现温度的快速传导和对试样的压力均匀施加；圆盘形岩石试样的两侧分别接触实心入射杆和空心透射杆组成装置的SHPB动态加载单元。本发明了解决现有技术中无法在对试样动态剪切加载的同时同步施加高温和围压的限制的问题，同时在围压施加时为试样提供水平约束力，避免冲击作用下试样移动造成的应力波不平衡。

Description

一种适用于分离式霍普金森杆的岩石高温剪切试验装置及 方法
技术领域
本发明属于高温岩石冲击剪切试验技术领域，尤其涉及一种适用于分离式霍普金森杆的岩石高温剪切试验装置和试验方法。
背景技术
许多深部岩石工程都涉及到高温，例如地下煤气化、核废料存储、地下火灾、干热岩开发等。由于深地应力环境复杂，伴随人类的***等活动，岩体常受到动力扰动的影响，动力冲击扰动下的剪切破坏是一种常见的岩体失稳原因。
目前研究岩石动力学性质的主要装置是分离式霍普金森压杆，但传统的分离式霍普金森压杆不具备高温条件下的冲击剪切试验功能，因此为了研究高温岩石工程中岩体在冲击剪切作用下的特性，亟需开发一种适用于分离式霍普金森杆的岩石高温剪切试验装置和方法。
现有的高温霍普金森压杆装置，例如CN208223987U、CN110296898A等均为热辐射式加热，受热辐射效率的限制不能快速升温，不能对试样施加围压，也不能对试样施加动态剪切力。
此外其它对岩石进行动态剪切的已公开的试验装置和方法，例如CN108204918A、CN107796711A、CN110057690A等均无法实现有围压状态的剪切加载方式，无法再现工程中岩体的压-剪受力状态。
专利CN203616199U虽然公开了一种能够实现均匀围压的柔性压力室，但是其是通过柔性的内外壁之间通入气体或液体实现加载，并不能适应于高温加热环境，而且会对SHPB实验的波形采集产生不利应用。
综上，因此要想实现高温高压状态下的岩石剪切加载，必须克服上述缺陷，开发新的加载装置。
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加载方便、模块化、性能可靠的适用于分离式霍普金森杆的岩石高温剪切试验装置和方法。
为解决上述技术问题，本发明采用了下列技术方案：
一种适用于分离式霍普金森杆的岩石高温剪切试验装置，其特征在于：包括高温围压加载单元和SHPB动态加载单元；
所述高温围压加载单元的刚性保温框架内由外到内依次嵌套有加热元件、包裹在柔性金属网袋内的碳化硅颗粒和岩石试样，所述刚性保温框架上设有作用于所述碳化硅颗粒的伺服压力机；
所述SHPB动态加载单元的入射杆和透射杆分别对准所述岩石试样相对的两端。
进一步的，所述伺服压力机沿所述岩石试样周向均布；
所述柔性金属网袋通过连接管与所述伺服压力机的活塞杆端滑动连接，所述连接管内填充有碳化硅颗粒。
进一步的，所述刚性保温框架侧部开孔供所述连接管穿过，两端开孔供所述入射杆和透射杆穿过。
进一步的，所述刚性保温框架与所述连接管固定连接。
进一步的，所述加热元件为刚性电阻加热圈。
进一步的，所述电阻加热圈内设有感温元件，所述电阻加热圈的电压大小由计算机根据感温元件的温度自动调整，以实现温度的恒定保持。
进一步的，所述碳化硅颗粒粒径小于1mm；
所述柔性金属网袋的金属丝直径小于0.5mm且孔径小于0.5mm。
进一步的，所述透射杆为空心杆体结构，且其外径与所述岩石试样的直径一致，内径大于所述入射杆的直径。
进一步的，所述岩石试样呈圆柱状。
一种适用于分离式霍普金森杆的岩石高温剪切试验方法，使用上述岩石高温剪切试验装置，包括以下步骤：
步骤1、高温围压加载单元安装
首先，在刚性保温框架中安装加热元件；其次，在刚性保温框架中安装柔性金属网袋，并在柔性金属网袋内充满碳化硅颗粒；随后在刚性保温框架上安装伺服压力机，伺服压力机的活塞杆端作用在柔性金属网袋内的碳化硅颗粒；
步骤2、SHPB动态加载单元安装
首先将试样安装到柔性金属网袋所围成的空腔区域内；其次调整整个温围压加载单元的垂直高度，使试样的两端分别接触SHPB动态加载单元的入射杆和透射杆；
步骤3、启动伺服压力机使碳化硅颗粒均匀的包覆到试样的环面上，通过调整各个方向上伺服压力机的压力大小，将试样的中心与入射杆和透射杆的中心对齐，并使入射杆和空心透射杆接触试样。
步骤4、设定伺服压力机的压力为目标压力，在保证围压不变的情况下，利用加热元件将试样加热到设定温度；
步骤5、通过SHPB动态加载单元的触发装置向入射杆施加应力波，监测入射杆和空心透射杆的应变变化并记录；
步骤6、利用测得的入射波、透射波和反射波对试样材料的变形和破坏情况进行分析，得到试样的动态力学性能数据。试样的动态抗剪强度为：
Figure BDA0002308182490000031
式中Td为动态抗剪强度；pmax为最大动态载荷，由入射杆(8)和透射杆(9)上的应变片和弹性模量可换算得到；R和r分别为透射杆的内半径和入射杆的半径；d为试样的厚度。剪切应变率为：
Figure BDA0002308182490000032
式中
Figure BDA0002308182490000033
为剪切应变率；vp为该岩石的纵波波速；εI、εR和εT分别为入射应变、反射应变和透射应变，其中前两者由入射杆(8)上的应变片先后测得，透射应变由透射杆(9)上的应变片测得。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1、本发明通过使用固体碳化硅颗粒作为温度传导介质，由柔性金属网袋包裹碳化硅颗粒作为压力传导介质，并由刚性保温框架包裹和提供反力支撑实现对岩石试样的温度和压力的同步加载，同时，碳化硅颗粒的温度稳定性好且热导率高，因此可实现1300℃以下的快速和精准的温度和压力加载。
2、采用碳化硅颗粒作为力和温度的传导介质时，在加载时，相互挤压的颗粒之间会在自锁效应的作用下而形成稳定的力链网络，除了提供围压还能提供试样侧面的摩擦力，这样能使试样在入射杆和透射杆的作用下不会移动，使试样受到完全的剪切力，因而本发明的方案不会造成入射波的损耗，可以采集到完整的透射波和反射波，因而测得的动态力学参数准确度高。
3、通过连接管将柔性金属网袋和伺服压力机连接，实现刚性保温框架的内部加压和压力的外部伺服控制功能，避免高温对伺服压力机的影响，安装模块化、温度和压力的控制精确。
4、通过实心的金属杆作为入射杆，以空心金属杆作为透射杆，与中间的圆盘形岩石试样实现岩石的动态剪切功能，组装和拆卸方便，对岩石试样的制备要求低。
附图说明
图1为装置的主视图；
图2为装置的各主要部件分离主视图；
图3为装置的俯视图。
其中：1-刚性保温框架，2-加热元件，3-碳化硅颗粒，4-柔性金属网袋，5-岩石试样，6-连接管，7-伺服压力机，8-入射杆，9-透射杆。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参见图1-图3，一种适用于分离式霍普金森杆的岩石高温剪切试验装置，包括高温围压加载单元和SHPB动态加载单元，高温围压加载单元包括刚性保温框架1、加热元件2、碳化硅颗粒3、柔性金属网袋4、连接管6和伺服压力机7，SHPB动态加载单元为常规的SHPB试验***，刚性保温框架1向内依次嵌套有加热元件2、包裹在柔性金属网袋4内的碳化硅颗粒3和岩石试样5，加热元件2用于对岩石试样进行加热，伺服压力机7设置在刚性保温框架上并且作用于碳化硅颗粒，从而利用碳化硅颗粒作为压力传导介质，将围压均匀传导至岩石试样5，SHPB动态加载单元的入射杆8和透射杆9分别对准岩石试样5相对的两端，从而对岩石试样施加冲击力。
本发明通过使用固体碳化硅颗粒作为温度传导介质，由柔性金属网袋包裹碳化硅颗粒作为压力传导介质，并由刚性保温框架包裹和提供反力支撑实现对岩石试样的温度和压力的同步加载，同时，碳化硅颗粒的温度稳定性好且热导率高，因此可实现1300℃以下的快速温度和压力加载。通过实心的金属杆作为入射杆，以空心金属杆作为透射杆，与中间的圆盘形岩石试样实现岩石的动态剪切功能，组装和拆卸方便，对岩石试样的制备要求低。
相比专利CN203616199U等传统方法中直接使用气体和液体作为压力传导介质，碳化硅颗粒具有耐高温、抗压力强且热导率大的优点，能够满足本发明中要求的温度和压力同步、快速和准确的加载要求。
另外，本实施例中采用碳化硅颗粒作为力和温度的传导介质时，还具有如下优点：在加载时，相互挤压的颗粒之间会在自锁效应的作用下而形成稳定的力链网络，除了提供围压还能提供试样侧面的摩擦力，这样能使试样在入射杆和透射杆的作用下不会移动，使试样受到完全的剪切力，因而本发明的方案不会造成入射波的损耗，可以采集到完整的透射波和反射波，因而测得的动态力学参数准确度高。而传统的采用气体和液体作为压力传导介质的方案由于介质的流动性而不能提供侧向摩擦力，在入射杆和透射杆的作用下会发生位移，因而会造成入射波、透射波和反射波的不平衡。
参见图2和图3，可以理解的是，若干伺服压力机7沿岩石试样5周向均布，柔性金属网袋4通过连接管6与伺服压力机5的活塞杆端滑动连接，连接管6内同样填充有碳化硅颗粒。
本实施例伺服压力机7的活塞杆在连接管内滑动，从而挤压连接管碳化硅颗粒，将压力均匀的分散至柔性金属网袋7内的碳化硅颗粒上，从而实现岩石试样周边各处的均匀加载，相比压力直接作用在柔性金属网袋，压力分布更加均匀，传递性更好。
具体的，刚性保温框架1材质为刚性的保温材料，内部开孔供连接管6穿过，外部开孔供SHPB试验***的入射杆8和透射杆9穿过；入射杆8和透射杆9不固定在刚性保温框架1上，可自由活动；透射杆9设置为空心杆体结构，其外径与岩石试样5的直径一致，内径大于入射杆8的直径，从而可以方便对冲击破坏后的岩石试样5进行收集。
在实际应用中，碳化硅颗粒3优选选择小于1mm的颗粒，因为过大的粒径，不利于压力的传递，相应的，柔性金属网袋4的孔径优选选择小于0.5mm的网袋，同时金属丝直径一般小于0.5mm。当然也可以采用其他粒径大小的碳化硅颗粒3以及孔径的柔性金属网袋4。
在一些实施例中，加热元件2采用刚性电阻加热圈，电阻加热圈内有感温元件，电阻加热圈的电压大小由计算机根据感温元件的温度自动调整，以实现温度的恒定保持；伺服压力机由计算机控制可提供恒定压力，岩石试样为圆柱状。
本发明还提供一种采用上述岩石高温剪切试验装置的试验方法，包括以下步骤：
步骤1：高温围压加载单元
首先在刚性保温框架1中安装电阻加热圈，其次在刚性保温框架1中安装连接管6，连接管6的内侧接头安装柔性金属网袋4，并在连接管6和柔性金属网袋4内充满碳化硅颗粒3；随后连接管6的外侧接头安装伺服压力机7，并在伺服压力机7靠近连接管6的部分充满碳化硅颗粒3。
步骤2：SHPB动态加载单元
首先将试样5安装到柔性金属网袋4所围成的空腔区域内；其次调整整个高温围压加载部分的垂直高度，使试样5的两侧分别接触入射杆8和空心透射杆9。
步骤3：启动伺服压力机7使碳化硅颗粒3均匀的包覆到试样5的环面上，通过调整各个方向上伺服压力机7的压力大小，将试样5的中心与入射杆8和空心透射杆9的中心对齐，并使入射杆8和空心透射杆9接触试样5。
步骤4：对电阻加热圈2施加电压使其温度升高，同时伺服压力机7设定目标压力并维持不变，直到试样5的温度达到目标温度。
步骤5：通过常规的霍普金森压杆试验的触发装置向入射杆8施加应力波，监测入射杆8和空心透射杆9的应变变化并记录。试样的动态抗剪强度可由下式计算得到：
Figure BDA0002308182490000061
式中Td为动态抗剪强度；pmax为最大动态载荷，由入射杆(8)和透射杆(9)上的应变片和弹性模量可换算得到；R和r分别为透射杆的内半径和入射杆的半径；d为试样的厚度。剪切应变率为：
Figure BDA0002308182490000062
式中
Figure BDA0002308182490000063
为剪切应变率；vp为该岩石的纵波波速；εI、εR和εT分别为入射应变、反射应变和透射应变，其中前两者由入射杆(8)上的应变片先后测得，透射应变由透射杆(9)上的应变片测得。
步骤6：冲击剪切试验结束后，首先卸掉伺服压力机7的压力，其次停止向电阻加热圈2施加的电压，最后更换试样，重复步骤3-6。
本发明所提供的适用于分离式霍普金森杆的岩石高温剪切试验装置的工作原理是：通过将入射杆8、岩石试样5和空心透射杆9按照如图2所示的位置安装可实现岩石材料在冲击条件下的剪切受力过程，动态剪切破坏后的试样可由空心透射杆9的空腔收集。冲击过程中的应变率等参数可由贴在入射杆8和透射杆9上的应变片获取。同时，将岩石试样5、柔性金属网袋4、碳化硅颗粒3、电阻加热圈2、刚性保温框架1、连接管6和伺服压力机7按照如图1和图3所示的方式安装，当4个方向上的伺服压力机7同时产生压力会推动碳化硅颗粒3向内挤压，在刚性保温框架1的反力作用下，碳化硅颗粒3的压力传导到试样5的弧形面上，即可实现岩石试样四周的均布围压的施加。刚性保温框架1内的电阻加热圈产生的热量也可以经由碳化硅颗粒3传导到试样上。这样就实现了岩石试样上温度和压力的同步加载。
本发明解决现有技术中无法在对试样动态剪切加载的同时同步施加高温和围压的限制；以碳化硅颗粒作为压力和温度的传导介质可实现精准快速的控制，同时会在施加围压后靠颗粒的自锁效应对试样施加侧向的摩擦力，使试样在水平方向上不会移动，可获得高精度的动力学参数。本发明具有安装模块化、温度加载快、组装和拆卸方便，对岩石试样的制备要求低等优点。
上述实施例仅仅是清楚地说明本发明所作的举例，而非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里也无需也无法对所有的实施例予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。

Claims (9)

1.一种适用于分离式霍普金森杆的岩石高温剪切试验方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、高温围压加载单元安装
首先，在刚性保温框架(1)中安装加热元件(2)；其次，在刚性保温框架(1)中安装柔性金属网袋(4)，并在柔性金属网袋(4)内充满碳化硅颗粒(3)；随后在刚性保温框架(1)上安装伺服压力机(7)，伺服压力机(7)的活塞杆端作用在柔性金属网袋(4)内的碳化硅颗粒(3)；
步骤2、SHPB动态加载单元安装
首先将试样(5)安装到柔性金属网袋(4)所围成的空腔区域内；其次调整整个温围压加载单元的垂直高度，使试样(5)的两端分别接触SHPB动态加载单元的入射杆(8)和透射杆(9)；
步骤3、启动伺服压力机(7)使碳化硅颗粒(3)均匀的包覆到试样(5)的环面上，通过调整各个方向上伺服压力机(7)的压力大小，将试样(5)的中心与入射杆(8)和透射杆(9)的中心对齐，并使入射杆(8)和空心透射杆(9)接触试样(5)；
步骤4、设定伺服压力机(7)的压力为目标压力，在保证围压不变的情况下，利用加热元件(2)将试样(5)加热到设定温度；
步骤5、通过SHPB动态加载单元的触发装置向入射杆(8)施加应力波，监测入射杆(8)和空心透射杆(9)的应变变化并记录；
步骤6、利用测得的入射波、透射波和反射波对试样材料的变形和破坏情况进行分析，得到试样的动态力学性能数据，试样的动态抗剪强度为：
Figure FDA0002948950080000011
式中：Td为动态抗剪强度；
pmax为最大动态载荷，由入射杆(8)和透射杆(9)上的应变片和弹性模量换算得到；
R和r分别为透射杆的内腔半径和入射杆的半径；
d为试样的厚度；
试样的剪切应变率为：
Figure FDA0002948950080000021
式中：
Figure FDA0002948950080000022
为剪切应变率；
vp为该岩石的纵波波速；
εI、εR和εT分别为入射应变、反射应变和透射应变，其中前两者由入射杆(8)上的应变片先后测得，透射应变由透射杆(9)上的应变片测得。
2.根据权利要求1所述的岩石高温剪切试验方法，其特征在于：所述伺服压力机(7)沿所述岩石试样(5)周向均布；
所述柔性金属网袋(4)通过连接管(6)与所述伺服压力机(7)的活塞杆端滑动连接，所述连接管(6)内填充有碳化硅颗粒(3)。
3.根据权利要求2所述的岩石高温剪切试验方法，其特征在于：所述刚性保温框架(1)侧部开孔供所述连接管(6)穿过，两端开孔供所述入射杆(8)和透射杆(9)穿过。
4.根据权利要求3所述的岩石高温剪切试验方法，其特征在于：所述刚性保温框架(1)与所述连接管(6)固定连接。
5.根据权利要求1所述的岩石高温剪切试验方法，其特征在于：所述加热元件(2)为刚性电阻加热圈。
6.根据权利要求5所述的岩石高温剪切试验方法，其特征在于：所述电阻加热圈内设有感温元件，所述电阻加热圈的电压大小由计算机根据感温元件的温度自动调整，以实现温度的恒定保持。
7.根据权利要求1-6任一项所述的岩石高温剪切试验方法，其特征在于：所述碳化硅颗粒(3)粒径小于1mm；
所述柔性金属网袋(4)的金属丝直径小于0.5mm且孔径小于0.5mm。
8.根据权利要求1-6任一项所述的岩石高温剪切试验方法，其特征在于：所述透射杆(9)为空心杆体结构，且其外径与所述岩石试样(5)的直径一致，内径大于所述入射杆(8)的直径。
9.根据权利要求1-6任一项所述的岩石高温剪切试验方法，其特征在于，所述岩石试样(5)呈圆柱状。
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