CN101303321A - 检测岩石微裂纹的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种对深部工程岩石微观结构进行检测的检测岩石微裂纹的方法，包括电解溶液配制、岩石试样安装、岩石交流阻抗谱数据采集和数据拟合分析，在试样上涂导电胶连导线，把试样水平装在容器间，容器中注电解溶液；试样外包凡士林或石蜡，把导线连到电化学工作站上，测试岩石试样试验装置自然电位，用电化学工作站调零；采用5mv扰动电压测试试样电化学阻抗谱，频率范围在1×106Hz到0.1Hz；选取高频弧段频率范围，加密测试数据点，用5mv扰动电压测试试样高频弧段阻抗谱，用全频率段阻抗谱定性判别岩石微裂纹大小变化；依据高频弧段测量数据，用ZPLOT模拟岩石高频弧段等效电路上电学元件数值，推导出试样内部微裂纹大小，具有检测精度高、检测简便、易于操作的优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种对深部工程岩石微观结构进行检测的检测岩石微裂纹的方法。
背景技术
由于深部地应力复杂，应力水平高，深部岩石隐性裂纹和浅部岩石比较，更易于影响到岩石的力学行为。如果说浅部岩体破坏一般是渐进的、且在临近破坏时往往表现出变形加剧现象、破坏前兆明显的话，那么在深部条件下，岩体破坏则具有强烈的冲击破坏性质，其动力响应的破坏过程往往是突发的、无前兆的突变过程。这种过程，在巷道中表现为大范围巷道的突然坍塌和失稳，在工作面中则表现为顶板的突然大面积冲击来压，导致的工程灾害十分严重。这主要是因为处于深部环境的岩石在工程力扰动下，大的构造层次由于其裂缝宽、强度低，岩石首先在这一层次上开始变形破坏，随着时间的延伸，低一级的构造层次也逐渐参与到岩石的变形破坏中。岩石埋藏越深，所处的应力环境越复杂，应力水平越高，参与岩石变形破坏的构造层次也越低。
岩石微裂纹的检测分为直接检测法和间接检测法。直接检测法是一种有害的检测方法，它们的制样加剧了岩石的损伤，对最终结果造成影响，而且仅限于平面测量，不能有效的检测材料的三维损伤情况。检测间接检测法的缺点是对岩石裂纹判断的精度不高，岩石很多细微的变化不能显示出来。
电阻率法只能测量连通的孔隙，对于不连通孔隙或者孤立的岩石孔洞却无能为力。最早应用交流电测量岩石等多孔介质的界面特性是Cole等，由于当时还没有恒电位仪，他们采用电解常数ε′和电解损耗因子ε″来描述砂岩和石灰岩在交流电下界面的变化特征。Cole测量了自然含水下砂岩和石灰岩在中高频段的电解常数变化特征，并从试验中求出q和τ0的近似值。后人认为：指数q可以代表多孔介质界面的驰豫过程。用电解参数来检测水泥或混凝土的特性也有很长历史，主要使用固定频率来检测水泥或混凝土的微结构特征和混凝土的响应。
20世纪50年代诞生了恒电位仪，对于研究岩石等介质的不可逆电极过程提供了方便，但是交流阻抗的测量要求恒电位仪必须有足够的响应速度和小的零点漂移。由于天然材料的多孔介质成分复杂，可能出现负电阻，更需要有控制电位性能良好的恒电位仪，所以，直到70年代才应用恒电位仪来测量不可逆电极的阻抗，但是主要应用在铁、铬、镍、钛等金属电极的钝化研究。一直到上世纪90年代，交流阻抗的测量才开始大面积应用在水泥系材料等多孔介质的测量中，借此来间接测量这些材料的内部结构。
在国内，上海硅酸盐研究所和同济大学等也有人利用ACIS来研究水泥等多孔介质的微结构，但只是局限于水泥水化过程中介质微结构的变化。
岩石的交流阻抗检测多集中应用于高温高压的深部岩体。Nover等设计了方解石在等静压和三轴压力下的实验，并且使用交流阻抗谱作为工具检测了水饱和岩石中的破裂，结果发现交流阻抗谱对于检测裂隙是一种非常敏感的工具。他们在实验中发现，当对方解石的压力加至9MPa时，方解石发生了破裂，而在方解石破裂前，即压力加至8.7MPa的时候，出现了前兆信号，主要表现为反映界面极化的电容在破裂前增加了一个数量级以上。这是因为压力(应力)诱使微结构发生了变化，破坏了原来的连通性，并且进一步影响了渗透性和导电性。虽然，他们的实验由于数据的缺乏，只给出了岩石极化的大致图形，但却让人们相信交流阻抗谱对于认识岩石破裂前兆是一种非常有效的工具。
目前，利用电化学方法测试材料的表面或界面情况一般采用三电极装置，即工作电极、参比电极和辅助电极，通过测量工作电极的电化学阻抗谱的变化来分析其表面状态，如研究腐蚀金属电极表面形成固体腐蚀物时，如果界面电容较小时，则认为金属表面形成致密的钝化膜，对于防腐材料则是较好的结果；如果界面电容较大时，则认为金属表面上生成疏松多孔的含水固体腐蚀产物，对于防腐材料则是较差的结果。根据上述理论，对三电极装置进行改装，把岩石试块作为工作电极，利用测量阻抗谱的变化来研究岩样内部微细裂纹的分布状态。这样既可以避免直接检测法的制样对岩石原来状态的损伤，又可以弥补检测间接检测法精度不高的缺陷。
发明内容
本发明的目的是针对深部岩石工程变形破坏、稳定性都和岩石的微观结构尤其是微裂纹的多少和空间展布紧密相连，而现有检测技术很难奏效的特点而提供一种思路清晰、装置简便、易于操作的检测岩石微裂纹的方法。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种检测岩石微裂纹的方法，其特征在于：包括电解溶液配制、岩石试样安装、岩石交流阻抗谱数据采集和数据拟合分析四个过程：
(1)电解溶液配制：称取一定量的氯化钠溶于蒸馏水中，配制成5％的NaCl溶液，
(2)岩石试样安装：按照研究区现场采集岩石块体的尺寸制成试样；在试样的两端涂上导电胶，连接上导线，使导线通过导电胶和试样相连，在两个相同的容器上开孔洞，把试样水平安装在两个相同的容器之间，在容器中注入高于试样的电解溶液；在试样外表面紧密包裹凡士林或者石蜡，用凡士林或者石蜡把交接部位封好，
(3)岩石交流阻抗谱数据采集：把导线连接到电化学工作站上，首先测试岩石试样试验装置系统的自然电位，即静置电位，利用电化学工作站进行调零；然后采用5mv的扰动电压测试试样的电化学阻抗谱，频率范围在1×106Hz到0.1Hz；根据前面测试结果，选取高频弧段的频率范围，加密测试数据点，采用5mv的扰动电压测试试样高频弧段的阻抗谱，
(4)数据拟合分析：利用全频率段的阻抗谱定性判别岩石微裂纹的相对大小和裂纹变化；依据高频弧段的测量数据，利用ZPLOT模拟岩石高频弧段等效电路上各个电学元件的数值，并根据各物理元件代表的意义，推导出岩石试样的内部微裂纹大小。
在步骤2中，安装前导线先和试样通过导电胶连接好，等导电胶凝固后再安装在两个容器中间合适位置；试样在安装前需要在步骤1配制好的5％的NaCl溶液中进行饱和浸泡，在容器中注入的电解溶液也是步骤1配制好的5％的NaCl溶液；试样为岩石试样，测试前通过钻切磨制成50×100mm的圆柱试样，容器中注入电解溶液后，连接部位保证没有溶液渗漏。
本发明的方法是将研究区工程的岩石试样安置在特殊的装置内，通过试样的交流阻抗谱检测和高频弧段阻抗谱数据的拟合，间接测量岩石微裂纹的方法。具有检测精度高、检测简便、易于操作的优点。
附图说明
图1为本发明的岩石试样安装结构示意图。
图2为本发明的实施例1的测试数据示意图。
图3为本发明的实施例2的测试数据示意图。
图4为本发明的实施例3的测试数据示意图。
具体实施方式
一种检测岩石微裂纹的方法，是利用电化学手段测量岩石微观结构的检测方法，其特征在于：包括电解溶液配制、岩样安装、岩石交流阻抗谱数据采集和数据拟合分析四个过程：
(1)电解溶液配制：称取一定量的氯化钠溶于蒸馏水中，配制成5％的NaCl溶液。
(2)岩石试样安装：按照研究区现场采集岩石块体的尺寸制成试样；在试样的两端涂上导电胶，连接上导线，使导线通过导电胶和试样相连，在两个相同的容器上开孔洞，把试样水平安装在两个相同的容器之间，在容器中注入高于试样的电解溶液；在试样外表面紧密包裹凡士林或者石蜡，用凡士林或者石蜡把交接部位封好。
如图1所示，导线1、2通过导电胶4、8和试样6相连，在试样6外表面紧密包裹橡皮膜(凡士林或石蜡)3，导线1、2在容器7中，备测试样6通过合适孔洞安装在容器7上，容器7中间注入高于备测试样6的电解溶液。通常要保证试样安装水平，整个装置放置水平、稳当，试样和容器相接部位密封要好。导线和电化学工作站的电极测量导线相连，导线1、2没有区别。测量完毕后应及时取出试样，以免导电胶经过长时间浸泡而失去粘结力，使导线松动或脱落。
(3)岩石交流阻抗谱数据采集：把导线连接到电化学工作站上，首先测试岩石试样试验装置系统的自然电位，即静置电位，利用电化学工作站进行调零；然后采用5mv的扰动电压测试试样的电化学阻抗谱，频率范围在1×106Hz到0.1Hz；根据前面测试结果，选取高频弧段的频率范围，加密测试数据点，采用5mv的扰动电压测试试样高频弧段的阻抗谱。
(4)数据拟合分析：利用全频率段的阻抗谱定性判别岩石微裂纹的相对大小和裂纹变化；依据高频弧段的测量数据，利用ZPLOT模拟岩石高频弧段等效电路上各个电学元件的数值，并根据各物理元件代表的意义，推导出岩石试样的内部微裂纹大小。
在步骤2中，安装前导线先和试样通过导电胶连接好，等导电胶凝固后再安装在两个容器中间合适位置；试样在安装前需要在步骤1配制好的5％的NaCl溶液中进行饱和浸泡，在容器中注入的电解溶液也是步骤1配制好的5％的NaCl溶液；试样为岩石试样，测试前通过钻切磨制成50×100mm的圆柱试样，容器中注入电解溶液后，连接部位保证没有溶液渗漏。
实施例1：取三亚某工程的花岗岩、山西某工程的砂岩和泥岩，制成φ50×20的试样，测试其交流阻抗谱，见附表1，得出孔隙率依次为砂岩＞花岗岩＞泥岩。如图2所示。
实施例2：
取某工程的砂岩，制成φ50×50的试样，测试其交流阻抗谱，见附表2，得出孔隙率依次为S3D2＞S202＞SL2＞SW2。如图3所示。
实施例3：
取某工程的泥岩，制成φ50×50的试样，测试其交流阻抗谱，见说明书附图4，得出孔隙率依次为M2402＜M1202＜MW2＜ML2。如图4所示。
Claims (2)
1、一种检测岩石微裂纹的方法，其特征在于：包括电解溶液配制、岩石试样安装、岩石交流阻抗谱数据采集和数据拟合分析四个过程：
(1)电解溶液配制：称取一定量的氯化钠溶于蒸馏水中，配制成5％NaCl溶液，
(2)岩石试样安装：按照研究区现场采集岩石块体的尺寸制成试样；在试样的两端涂上导电胶，连接上导线，使导线通过导电胶和试样相连，在两个相同的容器上开孔洞，把试样水平安装在两个相同的容器之间，在容器中注入高于试样的电解溶液；在试样外表面紧密包裹凡士林或者石蜡，用凡士林或者石蜡把交接部位封好，
(3)岩石交流阻抗谱数据采集：把导线连接到电化学工作站上，首先测试岩石试样试验装置系统的自然电位，即静置电位，利用电化学工作站进行调零；然后采用5mv的扰动电压测试试样的电化学阻抗谱，频率范围在1×106Hz到0.1Hz；根据前面测试结果，选取高频弧段的频率范围，加密测试数据点，采用5mv的扰动电压测试试样高频弧段的阻抗谱，
(4)数据拟合分析：利用全频率段的阻抗谱定性判别岩石微裂纹的相对大小和裂纹变化；依据高频弧段的测量数据，利用ZPLOT模拟岩石高频弧段等效电路上各个电学元件的数值，并根据各物理元件代表的意义，推导出岩石试样的内部微裂纹大小。
2、根据权利要求1所述的检测岩石微裂纹的方法，其特征在于：在步骤2中，安装前导线先和试样通过导电胶连接好，等导电胶凝固后再安装在两个容器中间合适位置；试样在安装前需要在步骤1配制好的5％的NaCl溶液中进行饱和浸泡，在容器中注入的电解溶液也是步骤1配制好的5％的NaCl溶液；试样为岩石试样，测试前通过钻切磨制成50×100mm的圆柱试样，容器中注入电解溶液后，连接部位保证没有溶液渗漏。
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