CN104634729A - 多因素石膏岩膨胀试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多因素石膏岩膨胀试验方法，步骤如下：1)确定石膏岩中二水硫酸钙和硫酸钙的比例；2)取石膏岩，加工成圆柱型试件；3)烘干除去岩石中水分；4)脱水得到含不同质量的硫酸钙试件；5)把试件置于试验装置中；6)设置温度和水压；7)在水溶液中添加硫酸钠；8)当膨胀变形稳定后，试件取出，对比试验前后质量变化计算出水化率；9)建立石膏岩膨胀应力应变关系。该方法能够很好地结合工程实际，能拟合出多种因素共同作用下石膏岩膨胀本构方程，通过该方程进行数值计算，能够指导石膏岩施工；试验方法简单考虑因素全面，能够缩短试验时间，对现场施工具有指导意义。

Description

多因素石膏岩膨胀试验方法

技术领域

本发明涉及一种石膏岩膨胀试验方法，尤其涉及一种考虑水压、温度、浓度作用的石膏岩试验方法。

背景技术

膨胀岩是指与水发生物理化学反应，引起岩石含水量随时间而增高且体积发生膨胀的一类岩石，属于易风化和软化的软弱岩石。当膨胀岩受到扰动，特别是当湿度条件变化时，膨胀岩的性状常发生巨大变化，产生体积膨胀，对其中的构筑物产生膨胀压力，影响工程的稳定性，如边坡岩体吸水膨胀而失稳；建筑物地基不均匀胀缩变形造成开裂；隧洞围岩向洞内塑性挤出或底板隆起而导致洞室支护破坏等。因此，研究膨胀岩的膨胀特性对指导工程具有重要意义。

石膏岩是一类特殊的膨胀岩，在隧道工程中经常遇到，其膨胀机理为石膏岩中的硫酸钙在水的作用下，通过化学反应生成二水硫酸钙造成体积增大。石膏岩较其它膨胀岩，其膨胀机理更加复杂，影响其膨胀的因素更多。

目前，石膏岩膨胀性试验研究存在如下问题：(1)由于其水化反应时间长且其膨胀机理复杂，造成相关试验较少。(2)由于其膨胀涉及化学变化，传统的膨胀岩试验方法不适合。(3)石膏岩中溶出的硫酸钙溶液对试验仪器具有腐蚀性。(4)石膏岩的膨胀性与岩石中硫酸钙含量有关，现有试验方法没有考虑该因素。(5)试验中考虑的因素较单一，没有考虑温度和水压对石膏岩膨胀性的影响。(6)试验无法建立考虑时间因素的石膏岩本构方程。

发明内容

针对现有技术中存在的上述不足，本发明提供了一种多因素石膏岩膨胀试验方法。该方法能够很好地结合工程实际，能拟合出多种因素共同作用下石膏岩膨胀本构方程，通过该方程进行数值计算，能够指导石膏岩施工。

为了解决上述技术问题，本发明采用了如下技术方案：

多因素石膏岩膨胀试验方法，在该方法中采用了一种试验装置，该试验装置包括底座、密封圈、压紧环、螺母帽、支撑外壳、动件和位移计；所述底座的中部在竖直方向设置一上端敞口的圆柱形腔体，所述底座的底部设置一与圆柱形腔体内相通的排水口；该试验方法包括如下步骤：

1)对石膏岩进行X-衍射分析，确定石膏岩中二水硫酸钙和硫酸钙的含量分别为a％和b％；

2)取石膏岩，加工成直径50mm高100mm的圆柱型试件；

3)烘干除去石膏岩中水分：先称取圆柱型试件质量m₁，把圆柱型试件放置于40摄氏度的烘干箱中烘干至恒重，再称取质量m₂，得圆柱型试件的天然含水率；

m_w＝m₁-m₂

$w=\frac{m_w}{m_2}\×100\%$

m₁为烘干前圆柱型试件的质量，m₂烘干后圆柱型试件的质量，m_w为圆柱型试件中自由水的质量，w为天然含水率；

4)脱水得到含不同质量的硫酸钙的石膏岩试件：把圆柱型试件放置于220度烘干箱中，使二水硫酸钙脱水变成硫酸钙；分别保持10小时、20小时、30小时、40小时，取出称质量m₃，通过前后质量差换算出脱水后石膏岩中硫酸钙的含量；

m_j＝m₃-m₂

$m_z=(m_3-m_2)\×\frac{136}{36}$

m_s＝m_z+m₁×b％

m_j为高温脱去的结晶水的质量，m_z为200度高温后新生成的硫酸钙质量，m_s为200度高温后圆柱型试件中所含硫酸钙的总质量；

5)把圆柱型试件置于圆柱形腔体中，将密封圈套在该圆柱型试件的上部，并将压紧环套在该圆柱型试件的上部并旋合在圆柱形腔体内的上部，压紧环的底端压紧密封圈；所述螺母帽旋合在底座的顶部并与底座密封配合，在底座的顶端与螺母帽内的顶部之间形成一环形腔体，支撑外壳竖直穿过螺母帽的顶部并固定在螺母帽上，所述位移计固定在支撑外壳内的上部，所述动件设置在支撑外壳的下部并与支撑外壳滑动配合，动件的底部与圆柱型试件的顶部接触，位移计底部的探头与动件的顶部接触；

6)向环形腔体内注入水溶液，并在水溶液中添加硫酸钠；

7)把试验装置置于恒温水浴箱中并设置温度，通过气瓶向环形腔体内通入含压氮气对加入了硫酸钠的水溶液加压；

8)当膨胀变形稳定后，取出圆柱型试件，记录膨胀变形量，把圆柱型试件擦干，得质量m₄在40度恒温箱中烘干至质量不变m₅，得吸水率，并通过对比试验前后质量变化计算出水化率；

m_w2＝m₅-m₄

M＝m₅-m₄-m₃

$d=\left(\frac{136}{36}M\right)/m_s$

m_w2为膨胀试验后，吸收自由水的质量；M为参与水化反应的水的质量；d为硫酸钙的水化率；

9)建立石膏岩膨胀应力应变关系：膨胀后的圆柱型试件置于岩石膨胀压力试验仪，采用逐级加压法把圆柱型试件压回原长度，并记录膨胀力与膨胀变形值。

作为本发明的一种优选方案，在步骤7)中，恒温水浴箱沿着底座的外圆周设置。

与现有技术相比，本发明的多因素石膏岩膨胀试验方法具有如下优点：

1、该方法能够很好地结合工程实际，能拟合出多种因素共同作用下石膏岩膨胀本构方程，通过该方程进行数值计算，能够指导石膏岩施工。

2、试验方法简单考虑因素全面，能够缩短试验时间，对现场施工具有指导意义。

附图说明

图1为试验装置的剖面视图；

图2为螺母帽的剖面视图。

附图中：1—底座；2—密封圈；3—压紧环；4—螺母帽；5—排水口；6—圆柱型试件；7—环形腔体；8—支撑外壳；9—动件；10—位移计；11—进气口；12—支撑外壳安装孔。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细地描述。

多因素石膏岩膨胀试验方法，在该方法中采用了一种试验装置，如图1所示，该试验装置包括底座1、密封圈2、压紧环3、螺母帽4、支撑外壳8、动件9和位移计10。底座1的中部在竖直方向设置一上端敞口的圆柱形腔体，底座1的底部设置一与圆柱形腔体内相通的排水口5。该试验方法包括如下步骤：

1)对石膏岩进行X-衍射分析，确定石膏岩中二水硫酸钙(CaSO₄·2H₂O)和硫酸钙(CaSO₄)的含量分别为a％和b％，即确定石膏岩中二水硫酸钙和硫酸钙的比例。

2)取石膏岩，加工成直径50mm高100mm的圆柱型试件。

3)烘干除去石膏岩中水分：先称取圆柱型试件质量m₁，把圆柱型试件放置于40摄氏度的烘干箱中烘干至恒重，再称取质量m₂，得圆柱型试件的天然含水率；

m_w＝m₁-m₂

$w=\frac{m_w}{m_2}\×100\%$

m₁为烘干前圆柱型试件的质量，m₂烘干后圆柱型试件的质量，m_w为圆柱型试件中自由水的质量，w为天然含水率。

4)脱水得到含不同质量的硫酸钙的石膏岩试件：把圆柱型试件放置于220度烘干箱中，使二水硫酸钙脱水变成硫酸钙；分别保持10小时、20小时、30小时、40小时，取出称质量m₃，通过前后质量差换算出脱水后石膏岩中硫酸钙的含量；

m_j＝m₃-m₂

$m_z=(m_3-m_2)\×\frac{136}{36}$

m_s＝m_z+m₁×b％

m_j为220度高温脱去的结晶水的质量，m_z为200度高温后新生成的硫酸钙质量，m_s为220度高温后圆柱型试件中所含硫酸钙的总质量。

5)把圆柱型试件6置于圆柱形腔体中，将密封圈2套在该圆柱型试件6的上部，并将压紧环3套在该圆柱型试件6的上部并旋合在圆柱形腔体内的上部，压紧环3的底端压紧密封圈2；螺母帽4旋合在底座1的顶部并与底座1密封配合，螺母帽4的结构如图2所示，在螺母帽4的顶部中间位置设置支撑外壳安装孔12，螺母帽4的顶部还设置一进气口11，在底座1的顶端与螺母帽4内的顶部之间形成一环形腔体7，支撑外壳8竖直穿过螺母帽4顶部的支撑外壳安装孔12并固定在螺母帽4上，位移计10固定在支撑外壳8内的上部，动件9设置在支撑外壳8的下部并与支撑外壳8滑动配合，动件9的底部与圆柱型试件6的顶部接触，位移计10底部的探头与动件9的顶部接触。在圆柱型试件6受力变形过程中，该圆柱型试件6驱动动件9上下移动，进而驱动位移计10底部的探头作上下移动，通过该位移计10测出圆柱型试件6的膨胀变形量。

6)向环形腔体7内注入水溶液。通常石膏岩膨胀变形较缓慢，试验周期较长。当试验目的中不考虑膨胀变形和时间关系时，或试验目的为硫酸根浓度对膨胀变形速率影响时，可以采用在水溶液中添加不同质量的硫酸钠。硫酸钠具有增加反应速度，缩短反应时间并且不影响膨胀后的力学特性的作用。

7)把试验装置置于恒温水浴箱中并设置温度，恒温水浴箱沿着底座1的外圆周设置。通过气瓶向环形腔体7内通入含压氮气(含有压力的氮气)对加入了硫酸钠的水溶液加压。

8)当膨胀变形稳定后，取出圆柱型试件6，记录膨胀变形量，把圆柱型试件6擦干，得质量m₄在40度恒温箱中烘干至质量不变m₅，得吸水率，并通过对比试验前后质量变化计算出水化率；

m_w2＝m₅-m₄

M＝m₅-m₄-m₃

$d=\left(\frac{136}{35}M\right)/m_s$

m_w2为膨胀试验后，吸收自由水的质量；M为参与水化反应的水的质量；d为硫酸钙的水化率。

9)建立石膏岩膨胀应力应变关系：膨胀后的圆柱型试件6置于岩石膨胀压力试验仪，采用逐级加压法把圆柱型试件6压回原长度，并记录膨胀力与膨胀变形值。

通过以上步骤：1、得出含有不同质量硫酸钙的石膏岩；2、得出多因素作用后石膏岩的吸水量；3、得出试验后石膏岩中实际参与反应的硫酸钙质量即水化率；4、通过位移计得出膨胀变形与时间的关系；5、得出石膏岩膨胀本构关系。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (2)

1.多因素石膏岩膨胀试验方法，其特征在于，在该方法中采用了一种试验装置，该试验装置包括底座(1)、密封圈(2)、压紧环(3)、螺母帽(4)、支撑外壳(8)、动件(9)和位移计(10)；所述底座(1)的中部在竖直方向设置一上端敞口的圆柱形腔体，所述底座(1)的底部设置一与圆柱形腔体内相通的排水口(5)；该试验方法包括如下步骤：

1)对石膏岩进行X-衍射分析，确定石膏岩中二水硫酸钙和硫酸钙的含量分别为a％和b％；

2)取石膏岩，加工成直径50mm高100mm的圆柱型试件；

3)烘干除去石膏岩中水分：先称取圆柱型试件质量m₁，把圆柱型试件放置于40摄氏度的烘干箱中烘干至恒重，再称取质量m₂，得圆柱型试件的天然含水率；

m_w＝m₁-m₂

$w=\frac{m_w}{m_2}\×100\%$

m₁为烘干前圆柱型试件的质量，m₂烘干后圆柱型试件的质量，m_w为圆柱型试件中自由水的质量，w为天然含水率；

4)脱水得到含不同质量的硫酸钙的石膏岩试件：把圆柱型试件放置于220度烘干箱中，使二水硫酸钙脱水变成硫酸钙；分别保持10小时、20小时、30小时、40小时，取出称质量m₃，通过前后质量差换算出脱水后石膏岩中硫酸钙的含量；

m_j＝m₃-m₂

$m_z=(m_3-m_2)\×\frac{136}{36}$

m_s＝m_z+m₁×b％

m_j为高温脱去的结晶水的质量，m_z为200度高温后新生成的硫酸钙质量，m_s为200度高温后圆柱型试件中所含硫酸钙的总质量；

5)把圆柱型试件(6)置于圆柱形腔体中，将密封圈(2)套在该圆柱型试件(6)的上部，并将压紧环(3)套在该圆柱型试件(6)的上部并旋合在圆柱形腔体内的上部，压紧环(3)的底端压紧密封圈(2)；所述螺母帽(4)旋合在底座(1)的顶部并与底座(1)密封配合，在底座(1)的顶端与螺母帽(4)内的顶部之间形成一环形腔体(7)，支撑外壳(8)竖直穿过螺母帽(4)的顶部并固定在螺母帽(4)上，所述位移计(10)固定在支撑外壳(8)内的上部，所述动件(9)设置在支撑外壳(8)的下部并与支撑外壳(8)滑动配合，动件(9)的底部与圆柱型试件(6)的顶部接触，位移计(10)底部的探头与动件(9)的顶部接触；

6)向环形腔体(7)内注入水溶液，并在水溶液中添加硫酸钠；

7)把试验装置置于恒温水浴箱中并设置温度，通过气瓶向环形腔体(7)内通入含压氮气对加入了硫酸钠的水溶液加压；

8)当膨胀变形稳定后，取出圆柱型试件(6)，记录膨胀变形量，把圆柱型试件(6)擦干，得质量m₄在40度恒温箱中烘干至质量不变m₅，得吸水率，并通过对比试验前后质量变化计算出水化率；

m_w2＝m₅-m₄

M＝m₅-m₄-m₃

$d=\left(\frac{136}{36}M\right)/m_s$

m_w2为膨胀试验后，吸收自由水的质量；M为参与水化反应的水的质量；d为硫酸钙的水化率；

9)建立石膏岩膨胀应力应变关系：膨胀后的圆柱型试件(6)置于岩石膨胀压力试验仪，采用逐级加压法把圆柱型试件(6)压回原长度，并记录膨胀力与膨胀变形值。

2.根据权利要求1所述的多因素石膏岩膨胀试验方法，其特征在于，在步骤7)中，恒温水浴箱沿着底座(1)的外圆周设置。