CN101644637A - 一种改变岩石性能的试验方法 - Google Patents

Abstract

一种改变岩石性能的试验方法，属于岩石电化学改性技术的范畴，其特征在于是一种在直流电场和电解液共同作用下岩石力学特性和孔隙结构电化学改性的试验方法。本试验方法能够对电化学改性前后泥岩、砂岩、泥质砂岩和砂质泥岩等软岩的力学参数、阳极和阴极区域软岩的孔隙结构等进行进一步的深入研究。改性前泥岩的抗拉强度为0.989MPa，改性后泥岩的抗拉强度提高了73.7％～153.9％；对电化学改性前后阳极和阴极区域软岩的孔隙结构进行进一步研究，改性前泥岩的孔隙率为8.13％，改性后阳极区域泥岩的孔隙率降低了155％，阴极区域泥岩的孔隙率增大了182％。

Description

一种改变岩石性能的试验方法

技术领域

本发明一种改变岩石性能的试验方法，属于岩石电化学改性技术的范畴，具体是一种在直流电场和电解液共同作用下岩石力学特性和孔隙结构电化学改性的试验方法。

背景技术

矿业工程、岩土工程、水电工程、隧道及地下储库等领域经常涉及到大量含有黏土矿物的岩石，这类岩石称之为软岩。长期以来，由于这类软岩的水化膨胀、碎胀扩容和强度降低等物理力学特性对软岩工程的稳定性产生了极大影响。已有的软岩工程稳定性控制理论与方法基本上是被动的支护与锚固或注浆加固，这些方法均是通过改变软岩的外在因素以控制软岩工程的稳定性，存在着较大的局限性和时效性，因此，寻求提高软岩自身的物理力学特性以控制软岩与软岩工程的长期稳定性的方法显得十分迫切。已有研究表明，电化学改性是提高软岩物理力学特性的一种有效方法。

现有的软岩电化学改性的研究均是建立在不施加电解液的试验研究基础上，将电极材料直接锲入不规则的软岩块体中，在电极两端直接施加直流电或交流电，电化学改性后测试软岩的物理力学参数，但测试效果很不理想。由软岩的矿物成分可知，软岩主要由黏土矿物和硅酸盐矿物组成，黏土矿物不导电，而硅酸盐为半导体，在外加直流电场或交流电场的作用下，其电导率远低于电解液的电导率，软岩的导电性主要取决于软岩孔隙中电解液的导电性，孔隙的构造、结构和电解液渗透、填充的程度对电化学改性效果起主要作用。发明专利(CN101487837A)公开了电化学改变软岩膨胀性的试验装置，主要由样品室、电源、前置器、数据采集器和输出设备(计算机和打印机)等部分组成。该装置可以测试不同电场和电解液作用下软岩的膨胀特性，测试数据自动采集，生成不同电化学条件下软岩的膨胀特性曲线。但该装置是基于软岩膨胀特性的测试装置，仅能对电化学改性后软岩的膨胀特性进行测试，不能应用于不同直流电场和电解液共同作用下软岩力学特性和孔隙结构的电化学改性等试验内容的研究。

综上所述，在目前岩石电化学改性的现有技术中，没有在直流电场和电解液共同作用下研究软岩力学特性和孔隙结构电化学改性的试验方法，因此，须寻求基于直流电场和电解液共同作用下研究软岩力学特性和孔隙结构电化学改性的试验方法。

发明内容

本发明一种改变岩石性能的试验方法，目的在于克服现有技术的不足和缺陷，提供一种在直流电场和电解液共同作用下，试验研究软岩力学特性和孔隙结构电化学改性的方法。

本发明一种改变岩石性能的试验方法，其特征在于是一种在直流电场和电解液共同作用下研究软岩力学特性和孔隙结构电化学改性的试验方法，具体而言是一种使用电化学方法对泥岩、砂岩、泥质砂岩和砂质泥岩的力学特性和孔隙结构进行电化学改性的实验室试验方法，具体的技术方案为：

I、把采集到的泥岩、砂岩、泥质砂岩和砂质泥岩样品制成高径比为2∶1、1∶1或1∶2的标准岩芯试件；

II、搭建岩芯试件电化学改性的试验平台，搭建该平台的主要原部件包括直流电源1、电流表2、有机玻璃管组件3、软岩标准岩芯4、电极5、蠕动泵6、软管7、电解液8、导线9和容器10，所述的有机玻璃管组件3由有机玻璃管导套11、有机玻璃管上端堵头12、有机玻璃管下端堵头13和电极5组成；

III、根据II所述的直流电源1提供直流电场的电位梯度为0～20V·cm^-1，直流电压为0～200V；

IV、根据II所述的电极5的材料为活泼金属材料或惰性电极，铁、铜、铝、石墨和铂电极；I所述的标准岩芯试件的上端为电极阳极，下端为电极阴极；

V、根据II所述的电解液8为极性分子电解液，即为水、单一酸性电解质或混合酸性电解质组成的电解液；

VI、根据II所述的蠕动泵6的流量为0～10rpm，蠕动泵6驱动电解液8从有机玻璃管上端堵头12输入，进入岩芯试件发生电化学反应后从有机玻璃管下端堵头13输出，由软管7导入容器中。

本发明一种改变岩石性能的试验方法与现有技术相比较，具有以下突出的实质性特点和显著的效果：

1、上述岩石电化学改性的试验方法，其特征在于：在直流电场和电解液共同作用下对软岩进行电化学改性的试验研究。基于本发明能够对电化学改性前后软岩的力学参数、阳极和阴极区域软岩的孔隙结构等进行进一步的深入研究。岩石电化学改性取决于岩石中孔隙的构造和结构、孔隙中电解液的导电性、电解液的渗透和填充的程度。软岩电化学改性的试验方法，可以试验研究不同电位梯度的直流电场和不同浓度的电解液条件下软岩的电化学改性。

2、本发明基于软岩电化学改性的试验方法，对电化学改性前后软岩的力学参数进行进一步研究，改性前泥岩的抗拉强度为0.989MPa，改性后泥岩的抗拉强度提高了73.7％～153.9％；对电化学改性前后阳极和阴极区域软岩的孔隙结构进行进一步研究，改性前泥岩的孔隙率为8.13％，改性后阳极区域泥岩的孔隙率降低了155％，阴极区域泥岩的孔隙率增大了182％。

3、本发明基于软岩电化学改性的试验方法，广泛用于泥岩、砂岩、泥质砂岩和砂质泥岩等软岩力学特性和孔隙结构电化学改性的试验研究。

附图说明

图1为搭建的软岩电化学改性的试验平台。

图中：直流电源1、电流表2、有机玻璃管组件3、岩芯试件4、电极5、蠕动泵6、软管7、电解液8、导线9和容器10。

图2为图1中有机玻璃管组件3的零件图。

图中：有机玻璃管导套11、有机玻璃管上端堵头12、有机玻璃管下端堵头13和电极5。

图3为基于本发明泥岩在电位梯度为5V·cm^-1和不同CaCl₂电解液浓度(C)条件下，电化学改性前后力学特性抗拉强度(σ_t)的测试结果。

图中：■为电化学改性前泥岩的抗拉强度；△为电化学改性后泥岩的抗拉强度。

图4为基于本发明泥岩在电位梯度为5V·cm^-1和CaCl₂电解液浓度为0.5mol·l^-1条件下，阳极和阴极区域泥岩孔隙结构的测试结果。

图中：图4(a)是电化学改性前后阳极区域泥岩孔隙率(n)随孔隙孔径(P)的变化曲线；图4(b)电化学改性前后阴极区域泥岩孔隙率(n)随孔隙孔径(P)的变化曲线。■为电化学改性前；△为电化学改性后。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步的说明。

实施方式1：

由本发明的试验方法对泥岩进行电化学改性试验，目的是泥岩力学特性电化学改性的试验研究。试验过程为：

I、把采集到的伊利石含量为主的泥岩样制成高径比为1∶2的标准岩芯试件；

II、按照图1所示的岩芯试件电化学改性的试验平台，对其进行电化学改性试验；

III、直流电源的电位梯度为5V·cm^-1；

IV、电极材料为活泼金属材料，阳极为铝电极，阴极为铜电极，岩芯试件的上端为电极阳极，下端为电极阴极；

V、所述的电解液为0.05～4mol·1^-1的CaCl₂电解液，为单一酸性电解液；

VI、蠕动泵的流量为0.1～10rpm。

图3为力学特性抗拉强度(σ_t)的测试结果，和改性前相比较，改性后抗拉强度提高了73.7％～153.9％。

实施方式2：在水作为电解液的条件下，电化学改性前后对泥岩进行力学参数分析，改性前抗拉强度为0.989MPa，改性后抗拉强度为2.049MPa。其它同实施方式1。

实施方式3：在电位梯度为5V·cm^-1和CaCl₂电解液浓度为0.5mol·l^-1条件下，电化学改性前后对阳极和阴极区域的泥岩进行孔隙结构分析，图4为孔隙结构的测试结果，和改性前相比较，阳极区域的孔隙率降低，阴极区域的孔隙率增加。其它同实施方式1。

实施方式4：在电位梯度为5V·cm^-1和CaCl₂电解液浓度为0.5mol·l^-1条件下，电化学改性前后对砂岩进行力学参数分析，改性前抗拉强度为3.67MPa，改性后抗拉强度为3.78MPa。其它同实施方式1。

Claims (1)

1、一种改变岩石性能的试验方法，其特征在于是一种在直流电场和电解液共同作用下研究软岩力学特性和孔隙结构电化学改性的试验方法，具体而言是一种使用电化学方法对泥岩、砂岩、泥质砂岩和砂质泥岩的力学特性和孔隙结构进行电化学改性的实验室试验方法，具体的技术方案为：

I、把采集到的泥岩、砂岩、泥质砂岩和砂质泥岩样品制成高径比为2∶1、1∶1或1∶2的标准岩芯试件；

II、搭建岩芯试件电化学改性的试验平台，搭建该平台的主要原部件包括直流电源1、电流表2、有机玻璃管组件3、软岩标准岩芯4、电极5、蠕动泵6、软管7、电解液8、导线9和容器10，所述的有机玻璃管组件3由有机玻璃管导套11、有机玻璃管上端堵头12、有机玻璃管下端堵头13和电极5组成；

III、根据II所述的直流电源1提供直流电场的电位梯度为0～20V·cm^-1，直流电压为0～200V；

IV、根据II所述的电极5的材料为活泼金属材料或惰性电极，铁、铜、铝、石墨和铂电极；I所述的标准岩芯试件的上端为电极阳极，下端为电极阴极；

V、根据II所述的电解液8为极性分子电解液，即为水、单一酸性电解质或混合酸性电解质组成的电解液；

VI、根据II所述的蠕动泵6的流量为0～10rpm，蠕动泵6驱动电解液8从有机玻璃管上端堵头12输入，进入岩芯试件发生电化学反应后从有机玻璃管下端堵头13输出，由软管7导入容器中。

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