CN106323858B - 岩土体风化试验系统的试验方法 - Google Patents

岩土体风化试验系统的试验方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种岩土体风化试验系统及试验方法，该试验系统包括设置在恒温恒湿箱体内部的温湿度传感器探头、高精度称重传感器、空气循环机、微型电子显微镜、加热丝、半导体制冷片、加湿器和除湿器，空气循环机出风口方向正对高精度称重传感器，微型电子显微镜镜头朝向称重传感器顶端，高精度称重传感器与称重传感器模块连接，空气循环机与空气循环机模块连接，加湿器和除湿器与湿度控制模块连接，加湿器和除湿器与湿度控制模块连接，微型电子显微镜、空气循环控制模块、称重传感器模块、温度控制模块、湿度控制模块和温湿度传感器探头模块分别与微机连接。基于本试验系统的试验方法操作简单、方便，试验结果的精度和准确度均高于传统试验方法。

Description

岩土体风化试验系统的试验方法
技术领域
本发明涉及岩土体风化试验系统及试验方法，尤其是一种适用于黏土矿物含量较高的岩土体在不同温度、湿度和风流速度条件下的失水或吸水过程中含水率和宏细观结构的演化试验系统及试验方法。
背景技术
岩土体在不同温度、湿度和风流速度环境下的风化过程研究是边坡工程、隧道工程、地基加固、采矿工程和水利工程等一系列岩土体工程结构稳定性的最基础性研究课题之一，具有十分重要的科学价值和工程意义。
风化作用是影响岩土体结构长期稳定的主要因素之一，特别是对于泥岩、页岩等弱胶结岩土体，由于这类岩土体中含有大量亲水性黏土矿物，干燥岩土体在一定的温度、湿度环境下极易发生吸水风化，并造成岩土体结构的软化和崩解，而高含水率岩土体在一定的温度、湿度环境下又容易发生失水收缩开裂型的风化，无论岩土体是收缩开裂型风化还是吸水软化型风化，岩土体中的含水率和宏细观结构均发生变化，并影响岩土体的物理力学特性，从而带来相应的工程问题。
因此，岩土体在环境影响下的风化过程是值得深入研究和探索的科学问题，要开展岩土体风化试验研究的首要条件是给试验材料提供高精度且稳定的温度、湿度和风流环境，同时在试验过程中要能实现自动监测记录岩土体的含水率和宏观、细观结构随时间的演化过程，提高工作效率，并避免试验过程中人工操作影响恒温恒湿箱体内的环境。
此外，为进行岩土体风化过程中的失水和吸水演化试验的定量分析，对试验环境的要求较高，恒温恒湿箱体内不能产生凝露，然而，目前已有的恒温恒湿箱(如：一种恒温恒湿箱，专利申请号：201310364767.8)通常只有加湿功能而没有除湿功能，且控制精度较低，这类恒温恒湿箱体往往只能提供高湿度环境，此外持续的高湿度供给将导致空气中的水汽饱和后产生凝露，凝露形成的水滴易滴落试样上，而不是通过岩土体中黏土矿物与空气中水汽交换的方式进行结合，这会对试验结果产生影响，很难进行岩土体失水和吸水风化的定量分析。
部分具有除湿功能的恒温恒湿箱(如：适用于静电纺丝的恒温恒湿箱及恒温恒湿方法，专利申请号：201510136534.1)则是采用恒温恒湿箱体的半导体制冷片来降低恒温恒湿箱体内的湿度，通过将箱体内空气中的水汽凝露成水滴的方式来除湿，这同样会因为凝露对试验结果产生影响，此外，这种除湿方式使得箱体中的温度降低，不能实现温度环境的恒定，当箱体温度增加后又会使凝露在箱体内的水滴继续汽化，空气湿度继续增加，导致难以实现不改变温度的条件下降低箱体内的湿度环境。
无论是干燥岩土体吸收空气中水分后的软化型风化试验，还是高饱和岩土体在一定温度和湿度环境下的失水型风化试验，如果没有稳定的控制措施，恒温恒湿箱箱内的温度和湿度是一个动态变化的过程，例如，在相对湿度较低的环境下(相对湿度60％RH)，饱和岩土体失水风化过程中，恒温恒湿箱内空气中的水汽含量(湿度)增加，此时需要适量降低空气湿度，并使相对湿度稳定在60％RH，以满足试验环境条件的精确控制。
恒温恒湿箱内温度和湿度环境的稳定控制是保证开展岩土体风化试验的首要条件，在开展岩土体试样的风化试验过程中，岩土体试样的含水率和宏细观结构在时时发生变化，为了得到岩土体试样在风化过程中含水率和宏细观结构的演化规律，并以此揭示岩土体的风化特性，需间隔一段时间(如：10分钟、30分钟或1小时等)对试样进行含水率测定，并用显微镜对试样的宏细观结构进行定时记录。
如果将岩土体试样从恒温恒湿箱箱体中将岩土体试样取出，然后分别进行含水率测定和宏细观结构记录，首先开箱取样会使恒温恒湿箱内的温度和湿度受该箱体外环境影响较大，待岩土体的含水率和宏细观结构测试完后再放入恒温恒湿箱中继续试验，恒温恒湿箱内温度和湿度环境在重新调整到设定值的过程会影响试验结果，其次，重复的手动测试工作大大地降低了试验效率，此外，岩土体试样从恒温恒湿箱中取出后进行测试，测试过程中室内的温度和湿度环境对试样参数影响，而且试样的宏细观结构随含水率在实时发生变化，因此，需要研制岩土体风化试验系统，通过精确控制恒温恒湿箱内的温度、湿度和风流速度，确保岩土体风化试验的开展过程中环境条件的长期稳定，同时监测岩土体风化过程中的含水率和宏细观结构随时间的演化规律，从而确定对精确定量得到岩土体的风化演变规律。
发明内容
发明目的：本发明的目的是提供一种具有高精度自动控制、不产生凝露且能进行含水率和宏细观结构实时监测并记录的岩土体风化试验系统及试验方法，该风化试验系统能提供长期稳定的温度、湿度和风流速度试验环境，基于该风化试验系统的试验方法操作简单，大大地提高岩土体风化试验效率和精度，并降低劳动强度。
为了实现上述目的，本发明采用了如下的技术方案：一种岩土体风化试验系统，其特征在于：包括恒温恒湿箱体、加湿器、除湿器、湿度控制模块、加热丝、半导体制冷片、温度控制模块、试验平台、微型电子显微镜、微型电子显微镜支架、高精度称重传感器、称重传感器模块、空气循环机、空气循环控制模块、温湿度传感器探头、温湿度传感器探头支架、温湿度传感器模块和微机；
将温湿度传感器探头支架的一端焊接在恒温恒湿箱体内部的顶板上，温湿度传感器探头悬挂在温湿度传感器探头支架的另一端，温湿度传感器探头与温湿度传感器模块连接，在恒温恒湿箱体内部焊接一试验平台，试验平台上面固定一个高精度称重传感器和一个空气循环机，空气循环机的出风口方向正对高精度称重传感器，高精度称重传感器与称重传感器模块连接，空气循环机与空气循环机模块连接，微型电子显微镜固定在位于恒温恒湿箱体内部的微型电子显微镜支架一端，微型电子显微镜支架的另一端焊接在恒温恒湿箱体内，微型电子显微镜镜头朝向称重传感器的顶端，在恒温恒湿箱体内壁上分别安装加热丝和半导体制冷片，加热丝和半导体制冷片与温度控制模块连接，在恒温恒湿箱体底板上安装加湿器和除湿器，并将加湿器和除湿器与湿度控制模块连接，将微型电子显微镜、空气循环控制模块、称重传感器模块、温度控制模块、湿度控制模块和温湿度传感器模块分别与微机连接。
进一步的，所述温度控制模块的控制范围为-20℃～50℃，控制精度为0.1℃；湿度控制模块的控制范围为20％～100％RH，控制精度为1％RH；高精度称重传感器的量程为200g，传感器精度为0.001g；微型电子显微镜的放大倍率区间为1～10000倍；空气循环控制模块的风流速度控制范围为0m/s～10m/s。
进一步的，所述称重传感器模块、空气循环控制模块、温度控制模块、湿度控制模块均位于恒温恒湿箱体外部。
根据上述岩土体风化试验系统的试验方法，该试验方法包括以下步骤：
在试验开始前，在微机上设置恒温恒湿箱体内的温度、湿度和风流速度，微机根据温湿度传感器探头获得的恒温恒湿箱体内的温度和湿度值，将控制信号分别发送至温度控制模块、湿度控制模块和空气循环控制模块，启动对应的空气循环机、加湿机或除湿机、加热丝或半导体制冷片，将恒温恒湿箱体内的风流速度、湿度和温度调整至微机上的设定值；
在微机上设置数据监测和记录的频率，然后开始试验，微机通过高精度称重传感器得到的岩土体的质量随时间的变化规律，自动计算出岩土体在风化过程中的含水率演化规律，同时，微机通过微型电子显微镜监测并记录岩土体的细观结构随含水率的同步演化规律，当微机监测到的岩土体含水率在24小时内保持稳定不变，且当岩土体的细观结构也基本不发生变化后，停止试验。
有益效果：与已有的恒温恒湿箱相比，本试验系统根据恒温恒湿箱体内的温湿度传感器探头，结合温度控制模块和湿度控制模块，通过微机分别精确控制加热丝和半导体制冷片来调节恒温恒湿箱体内的温度，使恒温恒湿箱体内不出现影响试验结果的凝露现象，同时微机分别精确控制加湿机和除湿机来调节恒温恒湿箱体内的湿度，使岩土体在风化试验过程中无论是吸水还是失水后，恒温恒湿箱体内的湿度始终保持在设定值；本试验系统还包含空气循环机，并通过微机控制使得恒温恒湿箱体内的空气能够以一定的速度循环流动，以便开展不同风流速度条件下的岩土体风化试验；本试验系统通过高精度称重传感器监测岩土体在风化过程中的质量变化，通过微机计算后能过获得岩土体在风化过程中的含水率演化规律，并通过微型电子显微镜实时监测和记录岩土体在风化过程中的宏细观结构演化规律，在一定温度、湿度和风流速度环境下岩土体含水率和宏细观结构演化规律的实时自动监测和记录避免了以往岩土体风化试验过程中的重复性人工操作，同时也避免了外界环境的影响，提高了试验效率；基于本试验系统的试验方法简单，且操作方便，试验结果的精度和准确度均高于传统试验方法。
附图说明
图1为岩土体恒温恒湿试验装置的结构示意图。
图中：1、恒温恒湿箱体；2、加湿器；3、除湿器；4、湿度控制模块；5、加热丝； 6、半导体制冷片；7、温度控制模块；8、试验平台；9、微型电子显微镜；10、微型电子显微镜支架；11、高精度称重传感器；12、称重传感器模块；13、空气循环机；14、空气循环控制模块；15、温湿度传感器探头；16、温湿度传感器探头支架；17、温湿度传感器模块；18、微机。
具体实施方式：
下面结合附图对本发明做更进一步的解释。
如图1所示，本发明的一种岩土体风化试验系统，包括恒温恒湿箱体、加湿器、除湿器、湿度控制模块、加热丝、半导体制冷片、温度控制模块、试验平台、微型电子显微镜、微型电子显微镜支架、高精度称重传感器、称重传感器模块、空气循环机、空气循环控制模块、温湿度传感器探头、温湿度传感器探头支架、温湿度传感器模块和微机。将温湿度传感器探头支架的一端焊接在恒温恒湿箱体内部的顶板上，温湿度传感器探头悬挂在温湿度传感器探头支架的另一端，温湿度传感器探头与温湿度传感器模块连接，用于监测和记录恒温恒湿箱体内部的温度和湿度；在恒温恒湿箱体内部焊接一试验平台，试验平台上面固定一个高精度称重传感器和一个空气循环机，空气循环机的出风口方向正对高精度称重传感器，高精度称重传感器与称重传感器模块连接，空气循环机与空气循环机模块连接，空气循环机用于提供稳定的风流环境，称重传感器用于监测岩土体质量的变化，并结合微机得到岩土体在风化过程中的含水率演化规律；微型电子显微镜固定在位于恒温恒湿箱体内部的微型电子显微镜支架一端，微型电子显微镜支架的另一端焊接在恒温恒湿箱体内，微型电子显微镜镜头朝向称重传感器的顶端，微型电子显微镜用于监测和记录岩土体在风化过程中的宏细观结构演化规律；在恒温恒湿箱体内壁上分别安装加热丝和半导体制冷片，加热丝和半导体制冷片与温度控制模块连接，用于调解恒温恒湿箱体内的温度；在恒温恒湿箱体底板上安装加湿器和除湿器，并将加湿器和除湿器与湿度控制模块连接，用于调节恒温恒湿箱体内的湿度；所述称重传感器模块、空气循环控制模块、温度控制模块、湿度控制模块均位于恒温恒湿箱体外部，将微型电子显微镜、空气循环控制模块、称重传感器模块、温度控制模块、湿度控制模块和温湿度传感器模块分别与微机连接。
本实施例中，所述温度控制模块的控制范围为-20℃～50℃，控制精度为0.1℃；湿度控制模块的控制范围为20％～100％RH，控制精度为1％RH；高精度称重传感器的量程为200g，传感器精度为0.001g；微型电子显微镜的放大倍率区间为1～10000倍；空气循环控制模块的风流速度控制范围为0m/s～10m/s。
根据上述岩土体风化试验系统的试验方法：
在试验开始前，在微机上设置恒温恒湿箱体内的温度、湿度和风流速度，温度为15℃，湿度为80％RH，风流速度为3m/s，微机根据温湿度传感器探头获得的恒温恒湿箱体内的温度和湿度值，将控制信号分别发送至温度控制模块、湿度控制模块和空气循环控制模块，启动对应的空气循环机、加湿机或除湿机、加热丝或半导体制冷片，将恒温恒湿箱体内的风流速度、湿度和温度调整至微机上的设定值，如果恒温恒湿箱内的温度大于15℃，微机自动向温度控制模块发送指令，并开启半导体制冷片直到恒温恒湿箱体内的温度降至15℃后，微机根据温湿度传感器探头采集到的温度数据，再次向温度控制模块发送指令，关闭半导体制冷片，反之，若恒温恒湿箱内的温度小于15℃，微机则自动通过温度控制模块开启加热丝，并当加热丝将恒温恒湿箱内的温度加热至15℃后，再由微机发送指令通过温度控制模块使加热丝停止工作，类似的，微机分别向湿度控制模块和空气循环控制模块发送指令，将恒温恒湿箱体内的湿度和风流速度分别调节至 80％RH和3m/s；
在微机上设置数据监测和记录的频率，设置高精度称重传感器和微型电子显微镜数据监测和记录的频率为1分钟/次，然后开始试验，微机通过高精度称重传感器得到的岩土体的质量随时间的变化规律，自动计算出岩土体在风化过程中的含水率演化规律，同时，微机通过微型电子显微镜监测并记录岩土体在放大500倍时的细观结构随含水率的同步演化规律；当微机监测到的岩土体含水率在24小时内保持稳定不变，且当岩土体的细观结构也基本不发生变化后，停止试验。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种岩土体风化试验系统的试验方法，该岩土体风化试验系统包括恒温恒湿箱体、加湿器、除湿器、湿度控制模块、加热丝、半导体制冷片、温度控制模块、试验平台、微型电子显微镜、微型电子显微镜支架、高精度称重传感器、称重传感器模块、空气循环机、空气循环控制模块、温湿度传感器探头、温湿度传感器探头支架、温湿度传感器模块和微机；将温湿度传感器探头支架的一端焊接在恒温恒湿箱体内部的顶板上，温湿度传感器探头悬挂在温湿度传感器探头支架的另一端，温湿度传感器探头与温湿度传感器模块连接，在恒温恒湿箱体内部焊接一试验平台，试验平台上面固定一个高精度称重传感器和一个空气循环机，空气循环机的出风口方向正对高精度称重传感器，高精度称重传感器与称重传感器模块连接，空气循环机与空气循环机模块连接，微型电子显微镜固定在位于恒温恒湿箱体内部的微型电子显微镜支架一端，微型电子显微镜支架的另一端焊接在恒温恒湿箱体内，微型电子显微镜镜头朝向称重传感器的顶端，在恒温恒湿箱体内壁上分别安装加热丝和半导体制冷片，加热丝和半导体制冷片与温度控制模块连接，在恒温恒湿箱体底板上安装加湿器和除湿器，并将加湿器和除湿器与湿度控制模块连接，将微型电子显微镜、空气循环控制模块、称重传感器模块、温度控制模块、湿度控制模块和温湿度传感器模块分别与微机连接；其特征在于，该试验方法包括以下步骤：
在试验开始前，在微机上设置恒温恒湿箱体内的温度、湿度和风流速度，微机根据温湿度传感器探头获得的恒温恒湿箱体内的温度和湿度值，将控制信号分别发送至温度控制模块、湿度控制模块和空气循环控制模块，启动对应的空气循环机、加湿机或除湿机、加热丝或半导体制冷片，将恒温恒湿箱体内的风流速度、湿度和温度调整至微机上的设定值；
在微机上设置数据监测和记录的频率，然后开始试验，微机通过高精度称重传感器得到的岩土体的质量随时间的变化规律，自动计算出岩土体在风化过程中的含水率演化规律，同时，微机通过微型电子显微镜监测并记录岩土体的细观结构随含水率的同步演化规律，当微机监测到的岩土体含水率在24小时内保持稳定不变，且当岩土体的细观结构也基本不发生变化后，停止试验。
2.根据权利要求1所述的岩土体风化试验系统的试验方法，其特征在于：所述温度控制模块的控制范围为-20℃～50℃，控制精度为0.1℃；湿度控制模块的控制范围为20％～100％RH，控制精度为1％RH；高精度称重传感器的量程为200g，传感器精度为0.001g；微型电子显微镜的放大倍率区间为1～10000倍；空气循环控制模块的风流速度控制范围为0m/s～10m/s。
3.根据权利要求1或2所述的岩土体风化试验系统的试验方法，其特征在于：所述称重传感器模块、空气循环控制模块、温度控制模块、湿度控制模块和温湿度传感器模块均位于恒温恒湿箱体外部。
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