CN111122778A - 一种用于静态胀裂剂径向膨胀压力的测试装置及使用方法 - Google Patents

Abstract

一种用于静态胀裂剂径向膨胀压力的测试装置及使用方法，属于静态胀裂剂膨胀压力测试技术领域，可解决现有钻孔内装填静态胀裂剂后钻孔壁所受径向膨胀压力测量困难的问题。本发明利用橡胶套筒模拟钻孔壁，橡胶套筒内装填满按照最佳水灰比配制好的静态胀裂剂浆液，橡胶套筒外侧与钢筒之间的封闭空间充满液压油，橡胶套筒内的静态胀裂剂水化反应产生的径向膨胀压力作用于封闭空间的液压油，通过压力表可直接观测封闭空间液压油的压力值，封闭空间液压油的压力值即为橡胶套筒内静态胀裂剂水化反应产生的径向膨胀压力，实现准确测量钻孔内静态胀裂剂水化反应对钻孔壁所施加的径向膨胀压力。

Description

一种用于静态胀裂剂径向膨胀压力的测试装置及使用方法

技术领域

本发明属于静态胀裂剂膨胀压力测试技术领域，具体涉及一种用于静态胀裂剂径向膨胀压力的测试装置及使用方法。

背景技术

静态胀裂剂属于建材产品，对应的行业标准是“JC506-2008无声破碎剂”，其主要成分为熟石灰，是一种由多种无机物制作而成的具有膨胀性能的非***性破碎用的灰色粉状材料。它的工作原理是按适当水灰比配制成流动状浆体，并直接灌入钻孔中，经过水化反应后，体积增大约2～3倍，凝结成有一定强度的固体，在钻孔内完全凝结时可看作一个弹性圆柱体，随着时间的推移产生径向膨胀压力并施加给孔壁，达到破碎孔壁周围岩体的目的。

应用静态胀裂剂破碎岩体的工程实践过程中，首先要解决的关键问题是明确所选用静态胀裂剂材料在适当水灰比配制条件下，经水化反应后在钻孔中能够产生的最大径向膨胀压力及径向膨胀压力的变化过程，掌握所选用静态胀裂剂材料的膨胀性能，然后进行钻孔间距、排距等工程设计。在现有技术条件下，测试给定直径钻孔内按适当水灰比配制成的静态胀裂剂浆液经水化反应后产生的径向膨胀压力的大小比较困难。虽然行业标准“JC506-2008无声破碎剂”推荐及已有发明专利提供了一些测试方法，但均存在一定缺陷，使得测试结果误差较大，影响工程应用效果。

建材行业标准“JC506-2008无声破碎剂”推荐的测试钻孔内静态胀裂剂水化反应产生膨胀压力的方法是利用钢管模拟钻孔，在钢管外壁用胶水粘贴电阻应变片，并将粘贴有电阻应变片的钢管装入塑料袋内放入恒温水槽中，通过应变仪监测粘贴在钢管外壁上的应变片的应变值，得到钢管外壁在钢管内所装填静态胀裂剂膨胀压力作用下所产生的应变量，然后根据厚壁圆筒理论间接计算钢管内静态胀裂剂所产生的径向膨胀压力。这种方法明显存在两个缺陷：（1）钢管外壁所粘贴的电阻应变片属于电阻元件，对温度特别敏感，细微的温度差即可引起应变值较大的波动与变化。众所周知，静态胀裂剂水化反应过程会放出大量热能，而钢管材质导热性良好。因此钢管内静态胀裂剂水化反应放出的热量会使钢管壁的温度升高。该测试方法采取将钢管装在塑料袋内并放入恒温水槽中，以减小钢管温度升高所引起的误差。但应变片用胶水直接粘贴在钢管外壁上，直接受钢管壁温度升高影响较大，使测试结果不准确。（2）钢管材质的弹性模量为210GPa，而静态胀裂剂水化反应后可产生的最大膨胀压力为50-60MPa，钢管外壁在静态胀裂剂水化反应施加的膨胀应力作用下所产生的应变值非常小，进一步扩大了测试误差。因此，行业标准“JC506-2008无声破碎剂”推荐的测试静态胀裂剂膨胀压力的方法因为测试结果误差大而在实践测试中较少使用。

在公开文献中可以获得公开号为“CN103323164B 一种测量静态破碎剂膨胀压的测试***及测试方法”，其测试原理是在两端开口的钢管内放置静态胀裂剂，钢管两端设置活塞，并用安装有压力传感器的压力试验机接触活塞，钢管内的静态胀裂剂体积膨胀时推动活塞沿钢管轴向移动，利用与活塞接触的压力试验机上的压力传感器记录静态胀裂剂的轴向膨胀压力。这种方法存在的一个明显缺陷是认为钢管内的静态胀裂剂体积膨胀时会沿着钢管的轴向均匀扩散。但事实上，钢管内的静态胀裂剂水化反应体积膨胀时会凝结为具有一定抗剪强度的弹性圆柱体，从而与钢管壁之间存在很大的摩擦力和粘结力，这种摩擦力和粘结力会限制发生水化反应凝结固化后的静态胀裂剂圆柱体沿钢管轴向位移，从而使其测试的轴向膨胀压力并不能真实反应钢管内静态胀裂剂水化反应产生的实际轴向膨胀压力。

为了解决钻孔内装填静态胀裂剂后钻孔壁所受径向膨胀压力测量困难的问题，实现准确测量钻孔内静态胀裂剂水化反应对钻孔壁所施加的径向膨胀压力，掌握工程实践中所选用静态胀裂剂材料的膨胀性能，科学可靠地确定钻孔间距、排距等工程设计参数，迫切需要寻求一种用于静态胀裂剂径向膨胀压力的测试装置及方法。

发明内容

本发明针对现有钻孔内装填静态胀裂剂后钻孔壁所受径向膨胀压力测量困难的问题，提供一种利用钻孔壁周围环绕的封闭液压油直接测量钻孔内静态胀裂剂水化反应产生的径向膨胀压力大小的装置，并提供一种利用该装置准确测试钻孔内静态胀裂剂水化反应时在孔壁位置产生的径向膨胀压力大小的方法。

本发明采用如下技术方案：

一种用于静态胀裂剂径向膨胀压力的测试装置，包括刚性的钢筒和位于钢筒内的弹性良好的橡胶套筒，钢筒的两侧侧壁分别通过高压油管连接有压力表和液压泵，连接压力表的高压油管上设有排气阀，连接液压泵的高压油管上设有截止阀，钢筒和橡胶套筒之间设有液压油，橡胶套筒内设有静态胀裂剂，橡胶套筒的上下两端分别设有密封圈，钢筒的上下两端分别设有与橡胶套筒的密封圈匹配的半圆环形的凹槽，钢筒的上下两端分别设有若干螺栓孔，钢筒的上下两端分别设有顶盖和底座，顶盖和底座上分别设有与钢筒的螺栓孔匹配的螺栓孔，顶盖和底座分别通过螺栓与钢筒连接。

一种用于静态胀裂剂径向膨胀压力的测试装置的使用方法，包括如下步骤：

第一步，将橡胶套筒装入钢筒内，使橡胶套筒外缘的圆形的密封圈放置在钢筒的凹槽内，通过螺栓紧固钢筒与底座；

第二步，按最佳水灰比配制静态胀裂剂的浆液，从橡胶套筒的上端口将其装入橡胶套筒内，待静态胀裂剂的浆液装填至与橡胶套筒的上端口平齐时，用螺栓紧固钢筒与顶盖，在橡胶套筒与钢筒之间形成一个环绕的封闭空间；

第三步，打开钢筒外侧的截止阀和排气阀，利用液压泵向钢筒和橡胶套筒之间的环绕的封闭空间内注入液压油，待液压油注满钢筒与橡胶套筒之间的环绕封闭空间时，关闭截止阀和排气阀，注油过程中，利用排气阀排除钢筒和橡胶套筒之间的环绕的封闭空间内的空气；

第四步，观测并记录压力表读数，即可得到液压油所受静态胀裂剂水化反应过程中产生的径向膨胀应力的大小及其变化过程；

第五步，待压力表的读数不在变化时，判断橡胶套筒内的静态胀裂剂水化反应结束，打开截止阀，回收液压油至液压泵内；

第六步，待液压油回收结束后，拆除顶盖和底座，清理橡胶套筒内的静态胀裂剂，测试过程结束。

本发明的有益效果如下：

本发明所提供的技术方案解决了工程实践中钻孔内静态胀裂剂径向膨胀压力测试困难的问题，利用孔壁周围环绕的封闭液压油可直接测量孔壁所受径向膨胀压力的大小，可实现定量准确测试钻孔内静态胀裂剂水化反应所产生的径向膨胀压力。

橡胶套筒内的静态胀裂剂浆液水化反应过程中产生径向膨胀应力p，并作用到橡胶套筒上。橡胶套筒因具有良好的弹性而将所受到的径向膨胀压力传递给钢筒与橡胶套筒之间环绕封闭空间的液压油。

与现有技术相比，本发明所提供的测试钻孔内静态胀裂剂所产生的径向膨胀压力装置的原理科学，使用简单方便，可重复使用。所提供的测试方法属于直接测试法，测试误差小，增强了应用静态胀裂剂解决工程实践问题的可靠性，促进了静态胀裂剂在实践工程中的推广和应用。

附图说明

图1为本发明的装置结构示意图；

图2为本发明的橡胶套筒的主视结构示意图；

图3为本发明的钢筒的主视结构示意图；

图4为图1的A-A向剖视图；

图5为图1的B-B向剖视图；

图6为图1的C-C向剖视图；

图7为静态胀裂剂产生的径向膨胀压力示意图；

图8为本发明的螺栓的主视结构示意图；

图9为本发明的螺栓的俯视结构示意图；

其中：1-钢筒；2-液压油；3-橡胶套筒；4-静态胀裂剂；5-压力表；6-高压油管；7-排气阀；8-截止阀；9-底座；10-顶盖；11-液压泵；12-螺栓孔；13-密封圈；14-螺栓；15-凹槽。

具体实施方式

结合附图，对本发明作进一步说明。

一种用于静态胀裂剂径向膨胀压力的测试装置，包括刚性的钢筒1和位于钢筒1内的弹性良好的橡胶套筒2，钢筒1的两侧侧壁分别通过高压油管6连接有压力表5和液压泵11，连接压力表5的高压油管6上设有排气阀7，连接液压泵11的高压油管6上设有截止阀8，钢筒1和橡胶套筒3之间设有液压油2，橡胶套筒3内设有静态胀裂剂4，橡胶套筒3的上下两端分别设有密封圈13，钢筒1的上下两端分别设有与橡胶套筒3的密封圈13匹配的半圆环形的凹槽15，钢筒1的上下两端分别设有若干螺栓孔12，钢筒1的上下两端分别设有顶盖10和底座9，顶盖10和底座9上分别设有与钢筒1的螺栓孔12匹配的螺栓孔12，顶盖10和底座9分别通过螺栓14与钢筒1连接。

一种用于静态胀裂剂径向膨胀压力的测试装置的使用方法，包括如下步骤：

第一步，将橡胶套筒3装入钢筒1内，使橡胶套筒3外缘的圆形的密封圈13放置在钢筒1的凹槽15内，通过螺栓14紧固钢筒1与底座9；

第二步，按最佳水灰比配制静态胀裂剂4的浆液，从橡胶套筒3的上端口将其装入橡胶套筒3内，待静态胀裂剂4的浆液装填至与橡胶套筒3的上端口平齐时，用螺栓14紧固钢筒1与顶盖10，在橡胶套筒3与钢筒1之间形成一个环绕的封闭空间；

第三步，打开钢筒1外侧的截止阀8和排气阀7，利用液压泵11向钢筒1和橡胶套筒3之间的环绕的封闭空间内注入液压油2，待液压油2注满钢筒1与橡胶套筒3之间的环绕封闭空间时，关闭截止阀8和排气阀7，注油过程中，利用排气阀7排除钢筒1和橡胶套筒3之间的环绕的封闭空间内的空气；

第四步，观测并记录压力表5读数，即可得到液压油2所受静态胀裂剂4水化反应过程中产生的径向膨胀应力的大小及其变化过程；

第五步，待压力表5的读数不再变化时，判断橡胶套筒3内的静态胀裂剂4水化反应结束，打开截止阀8，回收液压油2至液压泵11内；

第六步，待液压油2回收结束后，拆除顶盖10和底座9，清理橡胶套筒3内的静态胀裂剂4，测试过程结束。

所述钢筒1为Q235型冷加工钢管，钢筒1高度为500mm，壁厚为10mm，内径为74mm，外径为94mm，弹性模量为210GPa（视为刚性体）。钢筒1上、下外缘11厚度为10mm，直径为120mm，在上、下外缘直径84mm处开深度为2mm的半圆环形的凹槽15，在上、下外缘直径108mm位置加工直径为6mm的12个内六角螺栓的螺栓孔12，螺纹为1mm，螺纹长度为10mm。

所述静态胀裂剂4是按照建材行业标准“JC506-2008无声破碎剂”生产的静态胀裂剂，属于建材类产品，主要成分为熟石灰，是一种由多种无机物制作而成的具有膨胀性能的非***性破碎用的灰色粉状材料。它的工作原理是与适量水调成流动状浆体，直接灌入钻孔中，经过水化反应，使晶体变形，随时间的推移产生径向膨胀压力p并施加给孔壁。使用环境温度范围为10-30°，初凝时间大于10分钟，终凝时间小于150分钟，最佳水灰比为0.3：0.7，常温洁净水搅拌，最大膨胀压力为50-60MPa。

所述钢筒1的底座9、顶盖10为Q235型冷加工圆形钢板，厚度为10mm，直径为120mm，在直径108mm位置加工直径为10mm的12个内六角螺栓的螺栓孔12，无螺纹，在内侧面直径84mm处开深度为2mm的半圆环形的凹槽15。

所述螺栓14为内六角紧固螺栓，材质为304不锈钢，型号为M6*10，螺纹直径d为6mm，螺纹长度b为10mm，螺帽厚度k为5mm，螺帽直径dk为9mm，总长度L为18mm。

所述橡胶套筒3的内径为50mm，外径为54mm，壁厚为2mm，高度为500mm，上下外缘直径为88mm，外缘轮廓为直径4mm的圆形的密封圈13；橡胶材质，黑色，耐围压100MPa，气密性及弹性良好，永久变形小。

所述压力表5为数字型精密压力表，公称直径为Φ60mm，测量精度等级为0.1级，量程为100MPa。

所述液压泵11为小型手动单向压力泵，操作简单，使用方便。

所述高压油管6为橡胶金属编织高压油管，耐高压100MPa，内径为10mm，快速接头连接。

所述液压油2为抗磨性和稳定性优良的耐压液压油，体积膨胀及压缩系数低，受压时近似认为体积不发生变化。

Claims (2)

1.一种用于静态胀裂剂径向膨胀压力的测试装置，其特征在于：包括刚性的钢筒（1）和位于钢筒（1）内的弹性良好的橡胶套筒（2），钢筒（1）的两侧侧壁分别通过高压油管（6）连接有压力表（5）和液压泵（11），连接压力表（5）的高压油管（6）上设有排气阀（7），连接液压泵（11）的高压油管（6）上设有截止阀（8），钢筒（1）和橡胶套筒（3）之间设有液压油（2），橡胶套筒（3）内设有静态胀裂剂（4），橡胶套筒（3）的上下两端分别设有密封圈（13），钢筒（1）的上下两端分别设有与橡胶套筒（3）的密封圈（13）匹配的半圆形的凹槽（15），钢筒（1）的上下两端分别设有若干螺栓孔（12），钢筒（1）的上下两端分别设有顶盖（10）和底座（9），顶盖（10）和底座（9）上分别设有与钢筒（1）的螺栓孔（12）匹配的螺栓孔（12），顶盖（10）和底座（9）分别通过螺栓（14）与钢筒（1）连接。

2.一种如权利要求1所述的用于静态胀裂剂径向膨胀压力的测试装置的使用方法，其特征在于：包括如下步骤：

第一步，将橡胶套筒（3）装入钢筒（1）内，使橡胶套筒（3）外缘的圆形的密封圈（13）放置在钢筒（1）的凹槽（15）内，通过螺栓（14）紧固钢筒（1）与底座（9）；

第二步，按最佳水灰比配制静态胀裂剂（4）的浆液，从橡胶套筒（3）的上端口将其装入橡胶套筒（3）内，待静态胀裂剂（4）的浆液装填至与橡胶套筒（3）的上端口平齐时，用螺栓（14）紧固钢筒（1）与顶盖（10），在橡胶套筒（3）与钢筒（1）之间形成一个环绕的封闭空间；

第三步，打开钢筒（1）外侧的截止阀（8）和排气阀（7），利用液压泵（11）向钢筒（1）和橡胶套筒（3）之间的环绕的封闭空间内注入液压油（2），待液压油（2）注满钢筒（1）与橡胶套筒（3）之间的环绕封闭空间时，关闭截止阀（8）和排气阀（7），注油过程中，利用排气阀（7）排除钢筒（1）和橡胶套筒（3）之间的环绕的封闭空间内的空气；

第四步，观测并记录压力表（5）读数，即可得到液压油（2）所受静态胀裂剂（4）水化反应过程中产生的径向膨胀应力的大小及其变化过程；

第五步，待压力表（5）的读数不再变化时，判断橡胶套筒（3）内的静态胀裂剂（4）水化反应结束，打开截止阀（8），回收液压油（2）至液压泵（11）内；

第六步，待液压油（2）回收结束后，拆除顶盖（10）和底座（9），清理橡胶套筒（3）内的静态胀裂剂（4），测试过程结束。

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