CN104634729A - 多因素石膏岩膨胀试验方法 - Google Patents
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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
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;
mw=m1-m2
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,mw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;
mj=m3-m2
ms=mz+m1×b%
mj为高温脱去的结晶水的质量,mz为200度高温后新生成的硫酸钙质量,ms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;
mw2=m5-m4
M=m5-m4-m3
mw2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;
mw=m1-m2
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,mw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;
mj=m3-m2
ms=mz+m1×b%
mj为220度高温脱去的结晶水的质量,mz为200度高温后新生成的硫酸钙质量,ms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;
mw2=m5-m4
M=m5-m4-m3
mw2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;
mw=m1-m2
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,mw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;
mj=m3-m2
ms=mz+m1×b%
mj为高温脱去的结晶水的质量,mz为200度高温后新生成的硫酸钙质量,ms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;
mw2=m5-m4
M=m5-m4-m3
mw2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。
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