CN103364457B - 一种岩石冻融损伤破坏的实时监测装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于岩土工程领域，具体公开一种岩石冻融损伤破坏的实时监测装置和方法。所述检测装置包括左、右两个装置，左、右两个装置通过螺栓和螺母相连，每个装置由盛装槽和固定装置组成，固定装置上设有电极插孔，电极插孔通过金属丝与金属网片相连，金属网片设置在安装孔端部，安装孔设置在固定装置上，电极插孔通过电极插销与导线相连，试样两端置于安装孔内，试样外包覆有橡胶膜。所述方法是如下进行的：制试样、饱水；安装试样并放入冻融试验机内、进行冻融试验，测定交流阻抗谱；分析岩石冻融损伤破坏的变化规律。本发明可以在不破坏岩石试样内部微观结构基础上测试岩石冻融损伤特征，同时还能在冻融试验过程中进行其损伤破坏测量。

Description

一种岩石冻融损伤破坏的实时监测装置

技术领域

本发明属于岩土工程领域，具体涉及一种用电化学方法测量岩石冻融损伤特征的装置和方法。 

背景技术

我国永久性和季节性寒区面积约占国土总面积的3/4。冻融环境条件或寒区岩土工程中冻融环境的变化，对岩石稳定性影响是一个不可忽视的因素。 

岩石是一种大自然长期构造和作用的地质材料，其内部各种缺陷的存在是必然的，这种缺陷为冻融损伤提供了必要条件。冻融作用会加剧围岩的风化，从而加剧围岩的冻融损伤。损伤力学理论的发展为复杂的岩石材料的研究提供了新的思路和手段。近年来，国内外在岩石损伤力学研究方面开展了大量的研究工作，但对岩石冻融损伤力学的研究和检测还未进行深入的研究。原因是没有有效的检测仪器和手段。常规的损伤检测多采用声波检测，电镜分析等。声波检测难以对损伤的具体位置和大小做出合理的解释；电镜分析需要磨片处理，容易使材料的损伤受到人为的干扰，不能达到预期分析的目的。 

岩石冻融损伤是冻融条件下岩石损伤裂纹扩展变化的宏观表现，岩石损伤裂纹的检测一般可分为直接检测法和间接检测法。直接检测法虽然可以直观、形象的显示和检测岩石的损伤状态和裂纹形态，但是，其制样加剧了岩石的损伤，对岩石微细裂纹的检测不利。岩石损伤裂纹的间接检测法是通过一定的物理假设去建立岩石的宏观物理量与损伤变量之间的关系，这些方法有质量密度变化检测法、弹模变化检测法、核磁共振、超声波检测法、声发射检测技术等。医用CT技术和岩石力学试验机相结合进行岩石细观试验，是“葛修润”院士及其课题组首先研制，并成功应用于常温下岩石、土和负温下冻岩、冻土的压缩、卸载、蠕变、疲劳破坏的细观损伤破坏试验，对于研究岩土损伤机理提供了新的手段。此项技术在国内外岩土力学界开创了CT实时试验的先河，为岩土力学的室内试验研究提供了一条新的途径。虽然CT技术在揭示岩石等固体材料的损伤中发挥了一定作用，但是它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，而且它的制样也损害了岩石试样原来的裂纹状况，测试结果有一定误差。 

发明内容

本发明要解决的技术问题是岩石冻融损伤检测时精度不高、无法实时监测，提供一种检测精度高、并可以实时监测的岩石冻融损伤破坏的实时监测装置，并介绍了岩石冻融损伤破坏的实时监测方法。 

本发明的技术方案是以下述方式实现的：一种岩石冻融损伤破坏的实时监测装置，包括左、右两个结构相同的装置，左、右两个装置的端角处通过螺栓和螺母相连，每个装置由盛装槽和固定装置组成，盛装槽的上盖上连有把手，固定装置上设有电极插孔，电极插孔通过金属丝与金属网片相连，金属网片设置在安装孔端部，安装孔设置在固定装置上并与盛装槽连通，电极插孔通过电极插销与导线相连，试样两端置于安装孔内，试样外包覆有橡胶膜。 

所述橡胶膜为可伸缩橡胶膜。 

所述金属网片通过导电胶和试样相连。 

所述安装孔和试样交接部涂覆有密封层，所述密封层是凡士林或者石蜡。 

所述试样为Ф50*50mm的圆柱试样。 

一种岩石冻融损伤破坏的实时监测方法，是按照下述步骤进行的： 

（1）通过钻切磨制取圆柱状的试样，然后饱水；

（2）将试样安装在安装孔内，之后将岩石冻融损伤破坏的实时监测装置放置于冻融试验机内，并通过导线和电化学工作站相连；

（3）在冻融试验机内进行冻融试验，分别进行±20℃的冻融循环，测定每次冻融循环的交流阻抗谱；

（4）通过交流阻抗谱Nyquist曲线上阻抗弧的特征参数分析岩石冻融损伤破坏的变化规律。

本发明通过测量岩石在冻融损伤过程中的交流阻抗谱，分析阻抗弧的特征参数可以得出损伤裂纹的扩展情况，从而分析岩石冻融损伤破坏的变化规律。可以在不破坏岩石试样内部微观结构基础上测试岩石冻融损伤特征，同时还能在冻融试验过程中进行其损伤破坏测量。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和检测间接检测法精度不高的缺陷，同时可以实现岩石冻融损伤破坏的实时检测。 

附图说明

图1是本发明的结构示意图。 

图2是本发明的分体示意图。 

具体实施方式

 如附图所示，一种岩石冻融损伤破坏的实时监测装置，包括左、右两个结构相同的装置，左、右两个装置的端角处通过螺栓9和螺母8相连，每个装置由盛装槽11和固定装置12组成，盛装槽11的上盖上连有把手15，固定装置12上设有电极插孔3，电极插孔3通过金属丝16与金属网片13相连，金属网片13设置在安装孔4端部，安装孔4设置在固定装置上并与盛装槽11连通，电极插孔3通过电极插销2与导线1相连，试样6两端置于安装孔4内，试样6外包覆有橡胶膜14。 

所述橡胶膜14为可伸缩橡胶膜，可以在测量试样冻融损伤破坏特征时，保证试样为一个整体。所述金属网片13通过导电胶和试样6相连，金属网片为多孔网片，可以使导电溶液和试样连接。所述安装孔4和试样6交接部涂覆有密封层，所述密封层是凡士林或者石蜡，可以使安装孔4和试样6交界处密封较好。 

所述试样6为Ф50*50mm的圆柱试样。 

本发明中，盛装槽11内装有5%（分析纯）的NaCl导电溶液5，其液面高度超过安装孔4的高度，盛装槽11可以通过把手15打开和闭合上盖，闭合后应该保证盛装槽11的密封性好。 

所述固定装置12为长方体，两个固定装置12的四角通过螺栓9和螺母8相连，导线1通过电极插销2、电极插孔3、金属丝16与金属网片13相连。 

所述岩石冻融损伤破坏的实时监测装置使用过程如下：把准备好的试样16用普通生活用水煮沸饱和，并用橡胶膜14紧密包裹在试样16圆周，达到不让溶液外渗的目的。在试样16的两端涂上导电胶，然后安装在安装孔4内，使试样和金属网片13紧密接触，然后用螺栓9和螺母8把两个固定装置12安装固定，并将试样6和安装孔4用石蜡或者凡士林密封。然后给盛装槽11内注入NaCl溶液，使得液面高于试样安装孔4的高度。盖好盛装槽11的上盖，检查连接部位，保证没有溶液渗漏。根据实验安排，可以同时安装相应数目的装置进行平行试验。把装好的装置平稳放入冻融试验机。在电极插孔3中插入电极插销2，在导线1上标注相应试样的编号。导线和电化学工作站相连，根据导线上的编号测量需要研究的岩石试样，并根据结果研究岩石冻融损伤破坏特征。测量完毕后应及时取出试样，放出导电溶液，整理装置归位。 

所示岩石冻融损伤破坏的实时监测方法，是按照下述步骤进行的： 

（1）通过钻切磨制取Ф50mm×50mm圆柱状的试样6，然后饱水，所述饱水是通过煮沸方式饱水，饱水溶液用生活用水，可以保证其有一定导电能力，同时还不至于影响冻结温度的过大变化；

（2）将试样6安装在安装孔4内，注意试样6两端和安装孔应结合紧密，需要时可以在试样6两端用导电胶和金属网片13相连，并在试样6和安装孔处用石蜡或凡士林密封，安装后在盛装槽1内注入NaCl溶液，检测试样6接头处的密封情况，之后将岩石冻融损伤破坏实时监测装置放置于冻融试验机内，把电极插销2插入电极插孔3内，通过导线1和电化学工作站相连；

（3）在冻融试验机内进行冻融试验，分别进行±20℃的冻融循环50次，在每次冻融循环的20℃时测量一次岩石试样的交流阻抗谱；

（4）把所有的交流阻抗谱Nyquist曲线放在一起，对比阻抗弧的特征参数，分析岩石冻融损伤破坏的变化规律。

Claims (5)

1. 一种岩石冻融损伤破坏的实时监测装置，包括左、右两个结构相同的装置，左、右两个装置的端角处通过螺栓（9）和螺母（8）相连，每个装置由盛装槽（11）和固定装置（12）组成，盛装槽（11）的上盖上连有把手（15），其特征在于：固定装置（12）上设有电极插孔（3），电极插孔（3）通过金属丝（16）与金属网片（13）相连，金属网片（13）设置在安装孔（4）端部，安装孔（4）设置在固定装置上并与盛装槽（11）连通，电极插孔（3）通过电极插销（2）与导线（1）相连，试样（6）两端置于安装孔（4）内，试样（6）外包覆有橡胶膜（14）。

2. 根据权利要求1 所述的岩石冻融损伤破坏的实时监测装置，其特征在于：所述橡胶膜（14）为可伸缩橡胶膜。

3. 根据权利要求1 所述的岩石冻融损伤破坏的实时监测装置，其特征在于：所述金属网片（13）通过导电胶和试样（6）相连。

4.根据权利要求1 所述的岩石冻融损伤破坏的实时监测装置，其特征在于：所述安装孔（4）和试样（6）交接部涂覆有密封层，所述密封层是凡士林或者石蜡。

5. 根据权利要求1 所述的岩石冻融损伤破坏的实时监测装置，其特征在于：所述试样（6）为Ф50*50mm 的圆柱试样。