CN104749210B - 一种利用压力试验机测量岩石热线膨胀系数的方法 - Google Patents
一种利用压力试验机测量岩石热线膨胀系数的方法 Download PDFInfo
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Abstract
一种利用压力试验机测量岩石热线膨胀系数的方法，包括以下步骤：选取岩石试样，钻取圆孔并刻出引线槽；安装硅胶加热片加热装置；包裹保温隔热层；安装电热偶；将装配好的岩石试样放置于单轴压力试验机上，在岩石试样顶面与底面垫上保温隔热垫；启动单轴压力试验机对岩石试样施加初始荷载；设定需要施加的终了温度，待体系稳定后记录下终了荷载值和轴心终了温度；最后计算热线膨胀系数。本发明利用常见的压力试验机测量岩石热线膨胀系数，与现有其他方法相比较，能较好地缩短单次测定所需要的时间，并且不需要考虑加热设备降温的问题，直接可以进行下一个试样的测定，实现工程设计中岩石热线膨胀系数的高效测量。
Description
技术领域
本发明涉及岩石力学试验的热线膨胀系数测量技术领域，更具体涉及一种利用压力试验机测量岩石热线膨胀系数的方法。
背景技术
岩石的热物理性质，在诸如深埋隧洞、地温异常地区的工程建设、核废料处理、地热开发及煤矿深部开采和石质文物保护中都具有重要的理论和现实意义。而且随着地下工程的不断发展，涉及岩石热力学相关的问题也在不断地涌现，比如温度每变化1℃可以产生0.4～0.5MPa的地应力变化，温度升高所产生的地应力变化对岩体的力学性质将产生较大影响，因此，岩石材料力学特性在温度场作用下的演变规律的研究就变得极其重要。其中岩石的热线膨胀系数作为岩石热物理特性的重要参数之一，在岩石热力学特性分析应用与研究中是不可或缺的。
目前，对于固体材料，热线膨胀系数的测量有多种方法，有非接触式和接触式测量方法。由于非接触式测量方法，其利用光学信号进行测量，原理相对复杂，往往不适合岩石类材料的测量。而接触式测量方法目前使用最为普遍的是通过直接量测一个不受约束的试样在温度变化条件下的变形量，再除以温度变化量，实现岩石在这一温度区间内的热线膨胀系数的测量，该方法原理简单，但在应用上尚存在一些问题。该方法多采用油或者水浴对岩石试样进行加热，用此加热方法测定完后加热设备与水或者油均需要进行降温，之后才能够进行下一个试样的测定，致使一般一天只能测定一个岩石试样的热线膨胀系数，耗时较大，给测量带来诸多不便。
公开号为CN103235002A的发明专利公开了一种岩石热膨胀系数测试装置，该发明的测试装置采用组接结构和内置式油加热方式，采用应变杆配以高精度应变片，测量岩样受热后轴向膨胀应变，来实现岩石热膨胀系数的量测，该装置发明原理和操作上虽然都比较简单方便，但是，每次只能测定一件样品，测定完后炉腔与热油降温速度较慢，直接影响下一个试样的测量。另外，公开号为CN103868947A的发明专利公开了一种0～60℃岩石线性热膨胀系数的测量方法和测量装置，通过设置恒温水浴循环控制装置、阶梯级变温水浴循环控制装置、粘贴有导线温度自补偿电阻应变片的铝合金样品、温度传感器、精密数据记录仪和计算机等装置，用已知热线膨胀系数的铝合金试样对应变片的热膨胀系数及测量方法的可靠性进行了校验，并通过对岩石试样所贴应变片监测到的应变值获得较高精度的岩石热线膨胀系数值，虽然该发明能获得较高精度的岩石热线膨胀系数，但该发明测定一个岩石试样的热线膨胀系数一般需要1～2天时间，用水浴循环加热同样存在测定完成后加热设备降温速度较慢的问题，而且该方法测定结果某种程度上依靠应变片的黏贴质量，如果在测定过程中发现应变片黏贴出现问题就需要返工，这样就给测量岩石热线膨胀系数带来了很多不便。
发明内容
针对上述存在问题，本发明的目的在于提供了一种利用压力试验机测量岩石热线膨胀系数的方法，解决现有方法存在的上述问题和不足，并在满足地下岩体工程设计对于岩石热线膨胀系数测量精度的要求下，进一步降低对岩石热线膨胀系数测量的时间成本。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种利用压力试验机测量岩石热线膨胀系数的方法，按照先后顺序，包括以下步骤：
(1)岩样加工：选取岩石试样，在岩石试样顶面轴心处钻取一个圆孔，并从圆孔处向岩石试样的边缘刻出一条引线槽；
(2)安装硅胶加热片加热装置：将硅胶加热片粘贴于岩石试样侧面四周，并用玻璃纤维胶带缠绕固定，硅胶加热片通过硅胶加热片导线与硅胶加热片温控器连接；将控温热电偶传感器固定在硅胶加热片外侧，控温热电偶传感器通过控温热电偶传感器导线与硅胶加热片温控器连接；
(3)包裹保温隔热层：确定硅胶加热片粘贴平整无鼓包凸起后，在硅胶加热片外部包裹保温隔热层；
(4)安装电热偶：将数显热电偶传感器置于圆孔中，数显热电偶传感器通过数显热电偶导线与数显热电偶读数器连接，数显热电偶导线置于引线槽中；
(5)装机：将装配好的岩石试样放置于单轴压力试验机上，在岩石试样顶面与底面垫上保温隔热垫，硅胶加热片导线、控温热电偶传感器导线和数显热电偶导线均从保温隔热层与保温隔热垫的夹缝中引出；
(6)预加载：启动单轴压力试验机对岩石试样施加初始荷载，并保持初始荷载大小稳定15～30min，然后记录下初始荷载值F0和岩石试样的轴心初始温度T0；
(7)加温测量：连通硅胶加热片的电源，通过硅胶加热片温控器设定需要施加的终了温度；待岩石试样的应力和温度稳定后，记录下终了荷载值F1和岩石试样的轴心终了温度T1；
(8)计算热线膨胀系数：利用下面的公式计算被测岩石试样的热线膨胀系数α值，
式中，A为被测岩石试样的横截面面积，E为被测岩石试样的弹性模量。
步骤(1)所述圆孔的深度为岩石试样高度的1/4～1/2倍；圆孔的直径与数显热电偶传感器和数显热电偶导线的尺寸相适应。
所述保温隔热层的厚度为30～100mm。
所述保温隔热垫的厚度为1～3mm。
保温隔热层的材料为橡塑保温材料，所述保温隔热垫为硅胶胶垫。
步骤(7)所述初始载荷的大小为破坏荷载的5～10％。
步骤(8)所述终了温度为50～70℃。
待取下测定好的试样后，将装配好的下一个试样放置于单轴压力试验机上，可直接进行下一个试样热线膨胀系数的测量。所述的单轴压力试验机为土木实验室常规设备，无需改装，可直接使用。
本发明所述方案的原理如下：
随着温度变化，对于一个不受约束的试样将产生的热变形，若热变形受到约束时就会产生热应力，热线膨胀系数常规测定方法是测量热变形量，再除以温度变化量得到试样的热线膨胀系数。但是，对于岩石材料，测量温度变化过程中的热应力同样是可行的，而且相对要简单些，因为荷载具有可传递性，不会由于中间有连接件而发生变化。因此，在弹性热变形过程中，不直接测量变形量，而是通过测量约束热变形而产生的抵抗力，再除以材料的弹性模量和抵抗力作用面积，就可以获得材料的热变形量以及热线膨胀系数。其中，弹性模量是材料一个基本力学参数，一般认为已知，也可以通过标准室内岩石单轴压缩试验获得。
利用压力试验机测量岩石热线膨胀系数时，按照测量岩石弹性模量相关规范要求选取被测试样的形状和尺寸，可为圆柱体或方柱体，圆柱体直径或方柱体边长宜为48～54mm，试件高径比宜控制在2.0～2.5。
在试样顶面轴心处钻取一定深度和直径的圆孔，并沿着顶面轴心向边缘辐射出一条引线槽，用于置放热电偶传感器监测试样轴心温度，再在试样外表面裹上加热控温设备并采取有效保温措施，按照标准单轴压缩实验方法将被测试样安置于单轴压力试验机上进行控温加热。随着温度的升高，试样有膨胀的趋势，但由于两端被试验机约束无法膨胀，致使试样内部产生抵抗膨胀的力，并反作用于试验机上，试验机通过里传感器便可以监测到这个抵抗力的大小。以监测到试样初始状态下的温度为基准点，记录下到达预设温度值并稳定时试样内部抵抗膨胀力的变化量值，利用下面的公式即可计算材料的热线膨胀系数：
其中，α为热线膨胀系数，单位为10-6/℃；ΔT为预设温度值点与温度基准点的温度差，单位为℃；ΔF为温度变化对应的荷载差，单位为kN；A为被测试样横截面面积，单位为m2；E为被测试样弹性模量，单位为GPa。
在基于单轴压力试验机进行热线膨胀系数测量时，需要注意的是，在整个测量温度范围内需要保证岩石试样始终处于受压的压紧状态和热弹性变形阶段，因此，对被测试样加温之前要进行一定的预加载，但须小于试样弹性极限，一般取为破坏荷载的5％左右，这样随着温度不断升高，压力载荷会慢慢增大，直到达到稳定，记录下相应的温度和荷载变化值，根据上面公式即可测得被测试样的热线鹏展系数值。
由于采用了上述技术方案，本发明具有如下几点有益效果：
(1)本发明基于单轴压力试验机，通过对装配好的岩石试样按照标准单轴压力实验方法监测岩石内部热应力变化，实现测量岩石热线膨胀系数的目的，原理简单，测量方便，而且本发明直接测量被测试样轴心内部温度，保证了温度测量的精度，从而能够保证热线膨胀系数测量结果的准确性。
(2)本发明使用可控温硅胶加热片进行加热，采用橡塑进行保温隔热，操作简便，安全可靠，并能够实现对岩石试样实施较快速地加温，可在较短的时间内测定一个试样。
(3)本发明所使用的设备仪器或材料，像单轴压力试验机、硅胶加热片加热装置和橡塑保温隔热材料均是实验室常规设备或材料，在测定过程中可直接使用，无需研发新的仪器设备或者新材料，这可使得在测定试样热线膨胀系数时大大节约了经济成本。
(4)本发明利用常见的压力试验机测量岩石热线膨胀系数，与现有其他方法相比较，能较好地缩短单次测定所需要的时间，并且不需要考虑加热设备降温的问题，直接可以进行下一个试样的测定，实现工程设计中岩石热线膨胀系数的高效测量。
(5)此外，可在测定过程中准备多个试样，在一个试样测定完成后，无需进行散热处理，可直接进行下一个试样的热线膨胀系数的测量，这很大程度上降低了岩石热线膨胀系数测量的时间成本。该方法虽然是针对岩石提出的，实际上不受材料的限制，可测量其他可压缩材料的热线膨胀系数。总的来说，本发明具有简单易行、测量效率高的优点。
附图说明
图1为本发明所述利用压力试验机测量岩石热线膨胀系数的方法示意图；
图2为本发明所述利用压力试验机测量岩石热线膨胀系数的方法试样加工图；
图3为本发明所述利用压力试验机测量岩石热线膨胀系数的方法被测试样装配图；
图4为本发明所述利用压力试验机测量岩石热线膨胀系数的方法被测试样装配俯视图；
图5为本发明所述利用压力试验机测量岩石热线膨胀系数的方法硅胶加热片加热装置示意图。
其中：单轴压力试验机1、保温隔热垫2、岩石试样3、硅胶加热片4、保温隔热层5、控温热电偶传感器6、数显热电偶传感器7、圆孔8、引线槽9、数显热电偶导线10、数显热电偶读数器11、控温热电偶传感器导线12、硅胶加热片导线13、硅胶加热片温控器14、交流电源15。
具体实施方式
下面结合说明书附图，以测量梧州花岗岩岩样的热线膨胀系数测量为例，对本发明的技术方案做进一步说明。
实施例1
一种利用压力试验机测量岩石热线膨胀系数的方法，按照先后顺序，包括以下步骤：
(1)岩样加工：选取圆柱形花岗岩试样3，截面直径50mm，高100mm；在花岗岩试样3顶面轴心处钻取深度为35mm和直径为3mm的圆孔8，并沿着顶面轴心向边缘辐射出一条宽和深均为3mm的引线槽9；
(2)安装硅胶加热片加热装置：将硅胶加热片4粘贴于花岗岩试样3侧面四周，并用玻璃纤维胶带缠绕固定，硅胶加热片4通过硅胶加热片导线13与硅胶加热片温控器14连接；将控温热电偶传感器6用玻璃纤维胶带固定在距离试样底面65mm高度处，控温热电偶传感器6下端基本与圆孔8最深处齐高，控温热电偶传感器6通过控温热电偶传感器导线12与硅胶加热片温控器14连接；硅胶加热片加热装置如图5所示，可直接从市场上购买或者定制，其中加热片长155mm，宽98mm略小于试样3的高度；
(3)包裹保温隔热层：确定加热片4粘贴平整无鼓包凸起后，在加热片4外部包裹80mm厚度的保温隔热层5，保温隔热层5为橡塑材料；
(4)安装电热偶：将数显热电偶传感器7置于花岗岩试样3的圆孔8里，数显热电偶传感器7通过数显热电偶导线10与数显热电偶读数器11连接，数显热电偶导线10置于引线槽9中；
(5)装机：装配好的花岗岩试样3如图4所示，将其放置于单轴压力试验机1上，在花岗岩试样3顶面与底面垫上保温隔热垫2；硅胶加热片导线13、控温热电偶传感器导线12和数显热电偶导线10均从保温隔热层5与保温隔热垫2的夹缝中引出；
(6)预加载：启动单轴压力试验机1对岩石试样3施加初始荷载，并保持初始荷载大小稳定15～30min，然后记录下初始荷载值F0和岩石试样3的轴心初始温度T0；
(7)加温测量：连通硅胶加热片4的电源15，通过硅胶加热片温控器14设定需要施加的终了温度，本实施例设置为60℃；待岩石试样3的应力和温度稳定后，记录下终了荷载值F1和岩石试样3的轴心终了温度T1；
(8)计算热线膨胀系数：利用下面的公式计算被测岩石的热线膨胀系数α值，
式中，A为被测岩石试样3的横截面面积，E为被测岩石试样3的弹性模量。
取下测定好的花岗岩试样3后，将装配好的下一个试样放置于单轴压力试验机上，无需降温冷却，可直接进行下一个试样热线膨胀系数的测量，1个花岗岩试样3的热线膨胀系数的测量耗时为125分钟。
测试结果见表1，以湘潭湘仪仪器有限公司生产的PCY-C热膨胀系数测定仪的测量结果为基准，本发明方法的测量相对误差为2.8％。
此外，利用本发明获得的其他5种岩石的热线膨胀系数见表1，以湘潭湘仪仪器有限公司生产的PCY-C热膨胀系数测定仪的测量结果为基准，本发明的最大相对误差为3.1％，满足地下工程设计所需的精度要求。
表1本发明方法与测定仪的测量结果对比
在其他具体实施例中，本发明所述方法的较优参数范围如下：
步骤(1)所述圆孔8的深度为岩石试样3高度的1/4～1/2倍；圆孔8的直径与数显热电偶传感器7和数显热电偶导线10的尺寸相适应。
所述保温隔热层5的厚度为30～100mm。
所述保温隔热垫的厚度为1～3mm。
所述保温隔热层的材料为橡塑保温材料，所述保温隔热垫为硅胶胶垫。
步骤(7)所述初始载荷的大小为破坏荷载的5～10％。
步骤(8)所述终了温度为50～70℃。
Claims (8)
1.一种利用压力试验机测量岩石热线膨胀系数的方法，其特征在于，按照先后顺序，包括以下步骤：
(1)岩样加工：选取岩石试样，在岩石试样顶面轴心处钻取一个圆孔，并从圆孔处向岩石试样的边缘刻出一条引线槽；
(2)安装硅胶加热片加热装置：将硅胶加热片粘贴于岩石试样侧面四周，并用玻璃纤维胶带缠绕固定，硅胶加热片通过硅胶加热片导线与硅胶加热片温控器连接；将控温热电偶传感器固定在硅胶加热片外侧，控温热电偶传感器通过控温热电偶传感器导线与硅胶加热片温控器连接；
(3)包裹保温隔热层：确定硅胶加热片粘贴平整无鼓包凸起后，在硅胶加热片外部包裹保温隔热层；
(4)安装电热偶：将数显热电偶传感器置于圆孔中，数显热电偶传感器通过数显热电偶导线与数显热电偶读数器连接，数显热电偶导线置于引线槽中；
(5)装机：将装配好的岩石试样放置于单轴压力试验机上，在岩石试样顶面与底面垫上保温隔热垫，硅胶加热片导线、控温热电偶传感器导线和数显热电偶导线均从保温隔热层与保温隔热垫的夹缝中引出；
(6)预加载：启动单轴压力试验机对岩石试样施加初始荷载，并保持初始荷载大小稳定15～30min，然后记录下初始荷载值F0和岩石试样的轴心初始温度T0；
(7)加温测量：连通硅胶加热片的电源，通过硅胶加热片温控器设定需要施加的终了温度；待岩石试样的应力和温度稳定后，记录下终了荷载值F1和岩石试样的轴心终了温度T1；
(8)计算热线膨胀系数：利用下面的公式计算被测岩石试样的热线膨胀系数α值，
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式中，A为被测岩石试样的横截面面积，E为被测岩石试样的弹性模量。
2.根据权利要求1所述的利用压力试验机测量岩石热线膨胀系数的方法，其特征在于：步骤(1)所述圆孔的深度为岩石试样高度的1/4～1/2倍；圆孔的直径与数显热电偶传感器和数显热电偶导线的尺寸相适应。
3.根据权利要求1所述的利用压力试验机测量岩石热线膨胀系数的方法，其特征在于：所述保温隔热层的厚度为30～100mm。
4.根据权利要求1所述的利用压力试验机测量岩石热线膨胀系数的方法，其特征在于：所述保温隔热垫的厚度为1～3mm。
5.根据权利要求1所述的利用压力试验机测量岩石热线膨胀系数的方法，其特征在于：保温隔热层的材料为橡塑保温材料。
6.根据权利要求1所述的利用压力试验机测量岩石热线膨胀系数的方法，其特征在于：所述保温隔热垫为硅胶胶垫。
7.根据权利要求1所述的利用压力试验机测量岩石热线膨胀系数的方法，其特征在于：步骤(7)所述初始载荷的大小为破坏荷载的5～10％。
8.根据权利要求1所述的利用压力试验机测量岩石热线膨胀系数的方法，其特征在于：步骤(8)所述终了温度为50～70℃。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |