CN108051477B - 一种单轴压缩条件下岩石横向导热系数的测量方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于岩石性能测试领域，具体涉及一种单轴压缩条件下岩石横向导热系数的测量方法。本发明包括如下步骤：步骤一、制备端面为正方形的棱柱形岩样；步骤二、将岩样竖放在尺寸匹配的压力机上、下压头之间；步骤三、采用固定装置将热传导探头、聚苯乙烯泡沫板固定在岩样的一个侧面；步骤四、在岩样中部安装轴向引伸计和横向引伸计；步骤五、对岩样进行单轴加载，采用热常数分析仪测得岩样的导热系数，并记录测量点对应的岩样轴向应力、轴向应变、横向应变值；步骤六、分别绘制导热系数随轴向应力、轴向应变和横向应变的变化关系图。本发明能够实现单轴压缩条件下岩样横向导热系数、轴向应力、轴向应变和横向应变的一体化测量。

Description

一种单轴压缩条件下岩石横向导热系数的测量方法
技术领域
本发明属于岩石性能测试领域，具体涉及一种单轴压缩条件下岩石横向导热系数的测量方法。
背景技术
深地质处置是国际上公认的高放废物处置方法，在处置库围岩所有工程特性中，热传导特性是最为重要的因素之一，其直接影响处置库的整体布局和处置单元间距的优化。处置库的开挖扰动了深部岩体的初始应力状态，导致围岩应力重分布，开挖面附近的应力方向发生变化，垂直开挖面方向应力解除至零，沿开挖面方向则发生应力集中，岩石近似处于单轴状态。高放废物释放的热量主要沿垂直于开挖面方向传播，准确评价该方向岩石热传导特性是目前高放废物地质处置工程研究领域的瓶颈问题之一，采用室内测量方法来获取岩样在单轴压缩条件下的横向导热系数是解决这一问题的重要途径。
现有单轴压缩条件下的岩样导热系数测量多采用分条(Divided bar)法和瞬时平面热源(TPS)法。分条法是一种稳态测量方法，不仅测量速度较慢，而且主要针对于圆柱形岩样在压缩过程中的轴向导热系数测量，难以测得垂直于压缩应力方向上的横向导热系数。此外，这种方法也难以对岩样进行轴向应变、横向应变和导热系数一体化测量。瞬时平面热源法通常将热传导探头夹于两块圆柱形岩样之间，由于热传导探头不能承受高压，难以获得硬岩(如花岗岩)在高压应力下的导热系数。同时，这种将热传导探头夹于两块岩样之间的组合结构也仅能获得轴向导热系数。因此，本发明就是在这种情况下，开发了一种单轴压缩条件下岩石横向导热系数的测量方法。
发明内容
本发明解决的技术问题：本发明提供一种单轴压缩条件下岩石横向导热系数的测量方法，能够实现岩样横向导热系数、轴向应力、轴向应变和横向应变一体化测量。
本发明采用如下技术方案：
一种单轴压缩条件下岩石横向导热系数的测量方法，包括如下步骤：
步骤一、制备端面为正方形的棱柱形岩样；
步骤二、将岩样竖放在尺寸匹配的压力机上、下压头之间；
步骤三、采用固定装置将热传导探头、聚苯乙烯泡沫板固定在岩样的一个侧面；
步骤四、在岩样中部安装轴向引伸计和横向引伸计；
步骤五、对岩样进行单轴加载，加载过程与变形测量同步进行，采用热常数分析仪测得岩样的导热系数，并记录测量点对应的岩样轴向应力、轴向应变、横向应变值；
步骤六、分别绘制导热系数随轴向应力、轴向应变和横向应变的变化关系图。
所述步骤一中，端面为正方形的棱柱形岩样，高度与正方形边长之比为2～2.5:1。
所述步骤二中，压力机上、下压头横截面为正方形，其边长大于岩样端面。
所述步骤三的具体步骤为：
将固定装置套在岩样的中部，固定装置包括框架和螺栓，框架为一体式无焊接结构，包括上下两个尺寸相同的长方形框和两个长度相同的竖杆，两个竖杆分别位于两个长方形框短边的中部，其中一个竖杆的中部钻有小孔，小孔上有螺纹，用于上紧螺栓，螺栓底部焊有圆形钢制垫片；
将热传导探头竖向放置，使其感应面的一侧贴附在岩样侧面的中部，导线从岩样侧面的下部引出；
在热传导探头感应面的另一侧放入聚苯乙烯泡沫板，使其与岩样侧面吻合；
拧紧螺栓，将热传导探头紧密夹持在岩样和聚苯乙烯泡沫板之间。
所述步骤四中，在岩样中部安装轴向引伸计和横向引伸计，分别测量岩石在压缩过程中的轴向和横向变形。用于测量横向变形的引伸计采用刀口式设计，引伸计刀口直接卡在岩样两个对立的侧面中部。
所述步骤五中，热常数分析仪测量岩样导热系数的原理为瞬时平面热源法，每次导热系数测量前需要一定时间平衡探头与测量物质之间的温度。
所述步骤五具体分为两个阶段：第一阶段为恒载测量阶段；第二阶段为横向变形控制测量阶段。
所述第一阶段的特征是：轴向应力水平较低，保持轴向应力不变时，岩样轴向变形和横向变形能够保持稳定；在该阶段，可采用热常数分析仪在任一预设的测量点保持横载，进行导热系数测量。
所述第二该阶段的特征是：轴向应力水平较高，岩样不能满足第一阶段的要求；在该阶段，采用横向变形匀速增加的方式加载，在热传导探头温度平衡允许的时间范围内，每间隔一定时间进行一次岩石导热系数测量。
本发明的有益效果：
(1)、本发明采用固定装置将岩样、热传导探头和聚苯乙烯泡沫板固定为一体，不影响轴向和横向引伸计的安装和正常工作，实现了岩样横向导热系数、轴向应力、轴向应变和横向应变一体化测量；
(2)、在试验过程中，热传导探头位于岩样侧面，不直接承受轴向压力，使其得到有效保护，避免了发生损坏，能够应用于岩石单轴压缩破坏全过程的导热系数测量；
(3)、岩样在受压发生横向膨胀变形过程中与热传导探头的接触更为紧密，进一步减少了热传导探头与岩样接触面间的热抵制，使导热系数的测量结果更为准确；
(4)、利用聚苯乙烯泡沫板作为隔热材料符合瞬时平面热源法的单面测量原理，同时聚苯乙烯泡沫板为柔性材质，具有一定的缓冲能力，避免了岩石受力膨胀变形过程中挤坏固定装置而导致测量失败的情况发生。
(5)、根据岩样单轴压缩过程表现出的不同特征，将导热系数测量划分为两个阶段，提出了相应的岩样横向导热系数测量方法，实现了岩样单轴压缩破坏全过程的横向导热系数测量。
附图说明
图1为本发明中岩样、热传导探头、聚苯乙烯泡沫板、轴向引伸计、横向引伸计和固定装置安装的剖面结构示意图；
图2为本发明中岩样、热传导探头、聚苯乙烯泡沫板、轴向引伸计、横向引伸计和固定装置安装的俯视结构示意图；
图3为本发明中岩样、热传导探头、聚苯乙烯泡沫板、轴向引伸计、横向引伸计和固定装置安装的左视结构示意图；
图4为加载过程中岩样的应力-应变曲线及横向导热系数测量点；
图5为本发明中岩样导热系数随轴向应力的变化关系图；
图6为本发明中岩样导热系数随轴向应变的变化关系图；
图7为本发明中岩样导热系数随横向应变的变化关系图；
图中：1.固定装置，2.岩样，3.圆形钢制垫片，4.螺栓，5.热传导探头，6.热传导导线，7.聚苯乙烯泡沫板，8.轴向引伸计，9.横向引伸计
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明提供的一种单轴压缩条件下岩石横向导热系数的测量方法作进一步详细的说明。
以甘肃北山高放废物地质处置库预选区花岗岩为例，本发明提供的一种单轴压缩条件下岩石横向导热系数的测量方法，包括如下步骤：
步骤一、制备端面为正方形的棱柱形岩样；
对钻取的完整花岗岩岩芯进行加工，制备成尺寸为45×45×112.5mm3的棱柱形岩样，岩样各面的粗糙度小于3um。
步骤二、将岩样竖放在尺寸匹配的压力机上、下压头之间；
将岩样竖放在压力机上、下压头之间，压头截面大小为46×46mm2。
步骤三、采用固定装置将热传导探头、聚苯乙烯泡沫板固定在岩样的一个侧面；
如图1和图2所示，首先将固定装置1套在岩样2的中部，固定装置1由铝材质制成，包括框架和螺栓4，框架为一体式无焊接结构，包括上下两个尺寸相同的长方形框和两个长度相同的竖杆，两个竖杆分别位于两个长方形框短边的中部，其中一个竖杆的中部钻有小孔，小孔上有螺纹，用于上紧螺栓4，螺栓4底部焊有圆形钢制垫片3，该圆形钢制垫片3的直径为45mm，厚度为1mm；然后将热传导探头5竖向放置，使其感应面的一侧贴附在岩样侧面的中部，导线6从岩样2侧面的下部引出；随后在热传导探头5感应面的另一侧放入聚苯乙烯泡沫板7，使其与岩样2侧面吻合，聚苯乙烯泡沫板的尺寸为15×45×112.5mm3；最后拧紧螺栓4，将热传导探头5紧密夹持在岩样2和聚苯乙烯泡沫板7之间。
步骤四、在岩样中部安装轴向引伸计和横向引伸计；
如图3所示，在岩样中部安装轴向引伸计8和横向引伸计9，分别用于测量岩石在压缩过程中的轴向和横向变形。
步骤五、对岩样进行单轴加载，加载过程与变形测量同步进行，采用热常数分析仪测得岩样的导热系数，并记录测量点对应的岩样轴向应力、轴向应变、横向应变值；
采用压力机对岩样进行单轴加载，加载过程与应变测量同步进行。试验采用的花岗岩强度为170MPa左右，在140MPa以内保持横载，岩样变形参数基本不变。
第一阶段在0MPa、10MPa、20MPa、30MPa、40MPa、50MPa、65MPa、80MPa、95MPa、110MPa、125MPa、140MPa，12个应力水平下保持横载，采用热常数分析仪测得岩样的导热系数，并记录测量数据。
在第二阶段，当应力超过140Mpa以后，将加载方式转换为横向变形控制，横向变形增长速率设为0.002mm/min，每间隔5min进行一次导热系数测量，记录测量数据。
岩石导热系数测量点在轴向应力-轴向应变曲线中的位置如图4所示。
步骤六、如图5、图6和图7所示，分别绘制北山花岗岩横向导热系数随轴向应力、轴向应变和横向应变的变化关系图。

Claims (5)

1.一种单轴压缩条件下岩石横向导热系数的测量方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤一、制备端面为正方形的棱柱形岩样；
步骤二、将岩样竖放在尺寸匹配的压力机上、下压头之间；
步骤三、采用固定装置将热传导探头、聚苯乙烯泡沫板固定在岩样的一个侧面；
步骤四、在岩样中部安装轴向引伸计和横向引伸计；
步骤五、对岩样进行单轴加载，加载过程与变形测量同步进行，采用热常数分析仪测得岩样的导热系数，并记录测量点对应的岩样轴向应力、轴向应变、横向应变值；
步骤六、分别绘制导热系数随轴向应力、轴向应变和横向应变的变化关系图；
所述步骤五中，热常数分析仪测量岩样导热系数的原理为瞬时平面热源法，每次导热系数测量前需要一定时间平衡探头与测量物质之间的温度；
所述步骤五具体分为两个阶段：第一阶段为恒载测量阶段；第二阶段为横向变形控制测量阶段；
所述第一阶段的特征是：轴向应力水平较低，保持轴向应力不变时，岩样轴向变形和横向变形能够保持稳定；在该阶段，采用热常数分析仪在任一预设的测量点保持恒载，进行导热系数测量；
所述第二阶段的特征是：轴向应力水平较高，岩样不能满足第一阶段的要求；在该阶段，采用横向变形匀速增加的方式加载，在热传导探头温度平衡允许的时间范围内，每间隔一定时间进行一次岩石导热系数测量。
2.根据权利要求1所述的一种单轴压缩条件下岩石横向导热系数的测量方法，其特征在于：所述步骤一中，端面为正方形的棱柱形岩样，高度与正方形边长之比为2～2.5:1。
3.根据权利要求1所述的一种单轴压缩条件下岩石横向导热系数的测量方法，其特征在于：所述步骤二中，压力机上、下压头横截面为正方形，其边长大于岩样端面。
4.根据权利要求1所述的一种单轴压缩条件下岩石横向导热系数的测量方法，其特征在于：所述步骤三的具体步骤为：
将固定装置(1)套在岩样(2)的中部，固定装置(1)包括框架和螺栓(4)，框架为一体式无焊接结构，包括上下两个尺寸相同的长方形框和两个长度相同的竖杆，两个竖杆分别位于两个长方形框短边的中部，其中一个竖杆的中部钻有小孔，小孔上有螺纹，用于上紧螺栓(4)，螺栓(4)底部焊有圆形钢制垫片(3)；
将热传导探头(5)竖向放置，使其感应面的一侧贴附在岩样侧面的中部，导线(6)从岩样(2)侧面的下部引出；
在热传导探头(5)感应面的另一侧放入聚苯乙烯泡沫板(7)，使其与岩样(2)侧面吻合；
拧紧螺栓(4)，将热传导探头(5)紧密夹持在岩样(2)和聚苯乙烯泡沫板(7)之间。
5.根据权利要求1所述的一种单轴压缩条件下岩石横向导热系数的测量方法，其特征在于：所述步骤四中，在岩样中部安装轴向引伸计(8)和横向引伸计(9)，分别测量岩石在压缩过程中的轴向和横向变形；用于测量横向变形的引伸计采用刀口式设计，引伸计刀口直接卡在岩样两个对立的侧面中部。
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