CN108088745A - 一种相对湿度循环作用下岩石弹性模量时效劣化过程测试装置及方法 - Google Patents

一种相对湿度循环作用下岩石弹性模量时效劣化过程测试装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种相对湿度循环作用下岩石弹性模量时效劣化过程测试装置及方法，本发明通过控制中心、空气泵、气阀、湿度产生装置和数显湿度计实现不同湿度值对岩石作用的精确控制，通过承压声波发射探头、承压声波接收探头和控制中心实现对超声波在岩石试样传播时间的记录，并通过计算得到岩石的弹性模量，将岩石弹性模量随时间劣化的数据绘于图上，通过对图进行分析，获得在相对湿度作用下单轴压缩过程中时效劣化规律，实现对岩石细观时效劣化过程中的宏观特征的实时测试。

Description

一种相对湿度循环作用下岩石弹性模量时效劣化过程测试装 置及方法
技术领域
本发明涉及岩石工程技术领域，尤其涉及一种相对湿度循环作用下岩石弹性模量时效劣化过程测试装置及方法。
背景技术
近年来，随着核废料地下储存、地下能源储存、二氧化碳地下储存、地热开发、石油开采等众多岩石工程的深度不断增加，地温不断升高，地温的升高将使地下水变为水蒸气。湿度的长时间作用，将会对岩石的各种力学参数造成不同程度的劣化，另一方面，岩石力学参数的劣化，也将导致湿度场发生变化。随着岩石工程深度的增加，地应力对岩石的作用也不容小觑。因此有必要开展岩石在应力-湿度作用下的力学参数劣化试验，分析岩石在应力-湿度作用下的稳定问题。
岩石力学试验是研究岩石各种力学特性的重要手段，是支撑岩石力学发展的基础。目前，关于岩石在应力、相对湿度、应力-水、应力-水-温度耦合等作用下的试验装置已经有不少。例如：中国专利公开号CN102928512B，发明名称为一种岩石时效劣化过程的测试方法，该申请案的技术方案介绍了一种岩石时效劣化过程的测试方法，但该申请案的弹性模量的计算公式所需的参数较多，容易造成测量误差，计算公式相对复杂仅能实现岩石在应力作用下弹性模量劣化的测试。中国专利公开号CN104990795A，发明名称为一种荷载作用下岩土样加速干湿循环的试验装置及其试验方法，该申请案的技术涉及岩土样在荷载作用下加速干湿循环的试验，操作方便，但装置复杂且没有对岩土样在整个过程中的力学参数劣化进行测试。
因此，现有实验装置无法满足相对湿度循环作用下岩石弹性模量时效劣化过程的测试的要求，需要进一步改进和发展。
发明内容
为了解决现有技术的不足，本发明提供了一种相对湿度循环作用下岩石弹性模量时效劣化过程测试装置及方法，实现对岩石细观时效劣化过程中的宏观特征的实时测试。
为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种相对湿度循环作用下岩石弹性模量时效劣化过程测试装置，包括溶液瓶、单轴压缩装置、岩石试样、空气泵和控制中心；所述溶液瓶内设有湿度产生装置及数显湿度计Ⅰ，所述单轴压缩装置置于透明密闭容器内，岩石试样置于单轴压缩装置之间，所述岩石试样上端面和下端面上对称放置一组承压声波发射探头和承压声波接收探头，所述空气泵包括空气泵Ⅰ和空气泵Ⅱ,所述溶液瓶的出气口通过空气泵Ⅰ与透明密闭容器一侧壁面的下侧连接，进气口通过空气泵Ⅱ与透明密闭容器另一侧壁面的上侧连接，所述控制中心与湿度产生装置、数显湿度计Ⅰ、承压声波发射探头和承压声波接收探头连接。
进一步的，所述透明密闭容器内设有数显湿度计Ⅱ，数显湿度计Ⅱ与控制中心相连。
进一步的，所述单轴压缩装置包括试验机上端压头和试验机下端压头，岩石试样置于上端压头和下端压头之间。
进一步的，所述承压声波发射探头和承压声波接收探头位于岩石试样的中心线上，用于不间断地测量时效试验过程中岩石试样的纵波速度。
进一步的，所述空气泵Ⅰ与溶液瓶之间设有气阀Ⅰ，所述气阀Ⅰ用于控制空气泵Ⅰ的进气与抽气，所述空气泵Ⅱ与溶液瓶之间设有气阀Ⅱ，所述气阀Ⅱ用于控制空气泵Ⅱ的进气与抽气，所述空气泵Ⅰ、空气泵Ⅱ、气阀Ⅰ和气阀Ⅱ与控制中心相连。
一种相对湿度循环作用下岩石弹性模量时效劣化过程测试方法，包括：
步骤一：控制中心启动控制程序，对透明密闭容器进行抽真空处理；
步骤二：控制中心自动控制岩样饱和，当岩样饱和后，启动承压声波发射探头和承压声波接收探头，并控制单轴压缩装置对岩样进行轴向加压破坏试验；
步骤三：控制中心实时读取并记录承压声波发射探头声波发射时间和承压声波接收探头声波接收时间，直到岩石试样破坏后，停止试验；
步骤四：根据声波发射时间和声波接收时间得到超声波在岩石试样中的传播时间，并通过换算得到岩石试样的弹性模量值E。
步骤五：以测量时刻为横坐标，以测量时刻对应的岩石试样的弹性模量为纵坐标，绘制岩石试样弹性模量随时间变化的曲线图，通过对曲线分析，获得岩石试样时效劣化过程中的弹性模量劣化规律。
进一步的，所述步骤一的抽真空过程包括打开气阀Ⅰ和空气泵Ⅰ，气阀Ⅰ控制空气泵Ⅰ对透明密闭容器进行抽真空，达到设定时间后，关闭气阀Ⅰ和空气泵Ⅰ。
进一步的，所述步骤二中，岩样饱和过程包括打开溶液瓶内的湿度产生装置，读取溶液瓶上方的数显湿度计Ⅰ示数，当溶液瓶内湿度达到设定值时，同时开启气阀Ⅰ、气阀Ⅱ、空气泵Ⅰ和空气泵Ⅱ，水气通过气体管路进入透明密闭容器，并在其中形成水气湿度循环，读取透明密闭容器内的数显湿度计Ⅱ示数，当湿度达到试验值时，岩样饱和过程完成。
进一步的，所述步骤四中，岩石试样的弹性模量值E的换算公式为：
E＝ρV2 (2)
其中，l为岩石试样高度，t为超声波在岩石试样中的传播时间，ρ为岩石试样密度。
进一步的，所述测试方法还包括以湿度为横坐标，以不同湿度对应的岩石试样的破坏时间为纵坐标，绘制岩石试样完全破坏的时间随湿度变化的曲线图，通过对曲线进行分析，获得湿度对于岩石试样时效劣化过程的影响规律。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明通过控制中心、空气泵、气阀、湿度产生装置和数显湿度计实现不同湿度值对岩石作用的精确控制，通过承压声波发射、承压声波接收探头和控制中心实现对超声波在岩石试样传播时间的记录，并通过计算得到岩石的弹性模量，将岩石弹性模量随时间劣化的数据绘于图上，通过对图进行分析，获得在相对湿度作用下单轴压缩过程中时效劣化规律，实现对岩石细观时效劣化过程中的宏观特征的实时测试。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。
图1是本发明测试装置结构示意图。
其中1、控制中心；2、透明密闭容器；3、空气泵Ⅰ；4、岩石试样；5、出气口；6、数显湿度计Ⅰ；7、湿度产生装置；8、试验机上端压头；9、承压声波发射探头；10、承压声波接收探头；11、试验机下端压头；12、进气口；13、空气泵Ⅱ；14、数显湿度计Ⅱ；15、溶液瓶；16气阀；17、气阀Ⅱ。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施例对本发明做进一步的说明。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
在本发明中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，只是为了便于叙述本发明各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本发明中任一部件或元件，不能理解为对本发明的限制。
本发明中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本发明中的具体含义，不能理解为对本发明的限制。
正如背景技术所介绍的，现有技术中存在现有实验装置无法满足相对湿度循环作用下岩石弹性模量时效劣化过程的测试的要求的问题，为了解决如上的技术问题，本申请提供了一种相对湿度循环作用下岩石弹性模量时效劣化过程测试装置及方法，该装置简单可操作性强，可实现不同湿度作用下岩石单轴压缩过程中弹性模量时效劣化过程的测试，为相对湿度循环作用下岩石单轴压缩过程中弹性模量时效劣化过程的测试研究提供一个可行的试验平台和试验方法。
如图1所示，一种相对湿度循环作用下岩石弹性模量时效劣化过程测试装置，包括溶液瓶15、单轴压缩装置、岩石试样4、空气泵和控制中心1；所述溶液瓶15内设有湿度产生装置7及数显湿度计Ⅰ6，所述单轴压缩装置置于透明密闭容器2内，岩石试样4置于单轴压缩装置之间，所述岩石试样4上端面和下端面上对称放置一组承压声波发射探头9和承压声波接收探头10，所述空气泵包括空气泵Ⅰ3和空气泵Ⅱ13，所述溶液瓶的出气口5通过空气泵Ⅰ3与透明密闭容器2一侧壁面的下侧连接，进气口12通过空气泵Ⅱ13与透明密闭容器2另一侧壁面的上侧连接，所述控制中心1与湿度产生装置7、数显湿度计Ⅰ6、承压声波发射探头9和承压声波接收探头10连接。
所述透明密闭容器2内设有数显湿度计Ⅱ14，数显湿度计Ⅱ14与控制中心2相连。
所述单轴压缩装置包括试验机上端压头8和试验机下端压头11，岩石试样4置于上端压头8和下端压头11之间。
所述承压声波发射探头9和承压声波接收探头10位于岩石试样4的中心线上，用于不间断地测量时效试验过程中岩石试样4的纵波速度。
所述空气泵Ⅰ3与溶液瓶15之间设有气阀Ⅰ16，所述气阀Ⅰ16用于控制空气泵Ⅰ3的进气与抽气，所述空气泵Ⅱ13与溶液瓶15之间设有气阀Ⅱ17，所述气阀Ⅱ17用于控制空气泵Ⅱ13的进气与抽气，所述空气泵Ⅰ3、空气泵Ⅱ13、气阀Ⅰ16和气阀Ⅱ17与控制中心1相连。
一种相对湿度循环作用下岩石弹性模量时效劣化过程测试方法，包括：
步骤一：控制中心1启动控制程序，对透明密闭容器2进行抽真空处理；
步骤二：控制中心1自动控制岩样4饱和，当岩样4饱和后，启动承压声波发射探头9和承压声波接收探头10，并控制单轴压缩装置对岩样4进行轴向加压破坏试验；
步骤三：控制中心1实时读取并记录承压声波发射探头9声波发射时间和承压声波接收探头10声波接收时间，直到岩石试样4破坏后，停止试验；
步骤四：根据声波发射时间和声波接收时间得到超声波在岩石试样4中的传播时间，并通过换算得到岩石试样4的弹性模量值E。
步骤五：以测量时刻为横坐标，以测量时刻对应的岩石试样4的弹性模量为纵坐标，绘制岩石试样4弹性模量随时间变化的曲线图，通过对曲线分析，获得岩石试样4时效劣化过程中的弹性模量劣化规律。
所述步骤一的抽真空过程包括打开气阀Ⅰ16和空气泵Ⅰ3，气阀Ⅰ16控制空气泵Ⅰ3对透明密闭容器2进行抽真空，达到设定时间后，关闭气阀Ⅰ16和空气泵Ⅰ3。抽真空过程中，气阀Ⅱ17和空气泵Ⅱ13始终处于关闭状态。
所述步骤二中，岩样饱和过程包括打开溶液瓶15内的湿度产生装置7，读取溶液瓶15上方的数显湿度计Ⅰ6示数，当溶液瓶15内湿度达到设定值时，同时开启气阀Ⅰ16、空气泵Ⅰ3、气阀Ⅱ17和空气泵Ⅱ13，水气通过气体管路进入透明密闭容器2，并在其中形成水气湿度循环，读取透明密闭容器2内的数显湿度计Ⅱ14示数，当湿度达到试验值时，岩样饱和过程完成。
所述步骤四中，岩石试样4的弹性模量值E的换算公式为：
E＝ρV2 (4)
其中，l为岩石试样高度，t为超声波在岩石试样中的传播时间，ρ为岩石试样密度。
所述测试方法还包括以湿度为横坐标，以不同湿度对应的岩石试样的破坏时间为纵坐标，绘制岩石试样完全破坏的时间随湿度变化的曲线图，通过对曲线进行分析，获得湿度对于岩石试样时效劣化过程的影响规律。
实施例一：
在本实施例中，承压声波发射探头9和承压声波接收探头10的直径为80mm，岩石试样4为直径50mm，高度100mm的标准岩石试样，共计十个。
分别测定岩石试样的密度，由于岩石试样不可能完全一样，因此取平均密度ρ＝2600kg/m3。
在拟定进行时效试验的岩石试样4的两个轴向端面涂抹黄油后分别对称设置承压声波发射探头9和承压声波接收探头10，并确保承压声波发射探头9和承压声波接收探头10分别位于岩石试样4的中心线上，以确保岩石试样4的纵向波速测量的准确性。
将设置好的承压声波发射探头9和承压声波接收探头10的岩石试样4放置在岩石试验机上端压头8和下端压头11之间。放置好之后，将透明密闭容器2安装在整个单轴压缩装置周围。
通过控制中心1控制湿度产生装置7产生水气，水气通过空气泵Ⅰ3和空气泵Ⅱ13的带动进入透明密闭容器2内，读取透明密闭容器上方的数显湿度计Ⅱ14的示数，当湿度达到试验值时，开启岩石压力试验机，对岩石试样4按0.3MPa/min的速度施加荷载，直至岩石试样4破坏，在此过程中，通过控制中心1读取并记录承压声波发射探头9的声波发射时间和承压声波接收探头10的声波接收时间，得到超声波在岩石试样4中的传播时间。
试验采用高l＝100mm，直径d＝50mm的标准岩石试样，在已知岩石试样的岩石试样的密度ρ后，将实验获得的超声波在岩石试样4中的传播时间t带入(式5)和(式6)换算得到岩石试样的弹性模量值E；
E＝ρV2 (6)
以测量时刻为横坐标，以测量时刻对应的岩石试样4的弹性模量为纵坐标，绘制岩石试样4弹性模量随时间变化的曲线图，通过对曲线分析，获得岩石试样4时效劣化过程中的弹性模量劣化规律。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种相对湿度循环作用下岩石弹性模量时效劣化过程测试装置，其特征在于：包括溶液瓶、单轴压缩装置、岩石试样、空气泵和控制中心；所述溶液瓶内设有湿度产生装置及数显湿度计Ⅰ，所述单轴压缩装置置于透明密闭容器内，岩石试样置于单轴压缩装置之间，所述岩石试样上端面和下端面上对称放置一组承压声波发射探头和承压声波接收探头，所述空气泵包括空气泵Ⅰ和空气泵Ⅱ,所述溶液瓶的出气口通过空气泵Ⅰ与透明密闭容器一侧壁面的下侧连接，进气口通过空气泵Ⅱ与透明密闭容器另一侧壁面的上侧连接，所述控制中心与湿度产生装置、数显湿度计Ⅰ、承压声波发射探头和承压声波接收探头连接。
2.如权利要求1所述的一种相对湿度循环作用下岩石弹性模量时效劣化过程测试装置，其特征在于，所述透明密闭容器内设有数显湿度计Ⅱ，数显湿度计Ⅱ与控制中心相连。
3.如权利要求1所述的一种相对湿度循环作用下岩石弹性模量时效劣化过程测试装置，其特征在于，所述单轴压缩装置包括试验机上端压头和试验机下端压头，岩石试样置于上端压头和下端压头之间。
4.如权利要求1所述的一种相对湿度循环作用下岩石弹性模量时效劣化过程测试装置，其特征在于，所述承压声波发射探头和承压声波接收探头位于岩石试样的中心线上，用于不间断地测量时效试验过程中岩石试样的纵波速度。
5.如权利要求1所述的一种相对湿度循环作用下岩石弹性模量时效劣化过程测试装置，其特征在于，所述空气泵Ⅰ与溶液瓶之间设有气阀Ⅰ，所述气阀Ⅰ用于控制空气泵Ⅰ的进气与抽气，所述空气泵Ⅱ与溶液瓶之间设有气阀Ⅱ，所述气阀Ⅱ用于控制空气泵Ⅱ的进气与抽气，所述空气泵Ⅰ、空气泵Ⅱ、气阀Ⅰ和气阀Ⅱ与控制中心相连。
6.一种相对湿度循环作用下岩石弹性模量时效劣化过程测试方法，包括：
步骤一：控制中心启动控制程序，对透明密闭容器进行抽真空处理；
步骤二：控制中心自动控制岩样饱和，当岩样饱和后，启动承压声波发射探头和承压声波接收探头，并控制单轴压缩装置对岩样进行轴向加压破坏试验；
步骤三：控制中心实时读取并记录承压声波发射探头声波发射时间和承压声波接收探头声波接收时间，直到岩石试样破坏后，停止试验；
步骤四：根据声波发射时间和声波接收时间得到超声波在岩石试样中的传播时间，并通过换算得到岩石试样的弹性模量值E；
步骤五：以测量时刻为横坐标，以测量时刻对应的岩石试样的弹性模量为纵坐标，绘制岩石试样弹性模量随时间变化的曲线图，通过对曲线分析，获得岩石试样时效劣化过程中的弹性模量劣化规律。
7.如权利要求6述的一种相对湿度循环作用下岩石弹性模量时效劣化过程测试方法，其特征在于，所述步骤一的抽真空过程包括打开气阀Ⅰ和空气泵Ⅰ，气阀Ⅰ控制空气泵Ⅰ对透明密闭容器进行抽真空，达到设定时间后，关闭气阀Ⅰ和空气泵Ⅰ。
8.如权利要求6所述的一种相对湿度循环作用下岩石弹性模量时效劣化过程测试方法，其特征在于，述步骤二中，岩样饱和过程包括打开溶液瓶内的湿度产生装置，读取溶液瓶上方的数显湿度计Ⅰ示数，当溶液瓶内湿度达到设定值时，同时开启气阀、空气泵Ⅰ和空气泵Ⅱ，水气通过气体管路进入透明密闭容器，并在其中形成水气湿度循环，读取透明密闭容器内的数显湿度计Ⅱ示数，当湿度达到试验值时，岩样饱和过程完成。
9.如权利要求6所述的一种相对湿度循环作用下岩石弹性模量时效劣化过程测试方法，其特征在于，所述步骤四中，岩石试样的弹性模量值E的换算公式为：
<mrow> <mi>V</mi> <mo>=</mo> <mfrac> <mi>l</mi> <mi>t</mi> </mfrac> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>
E＝ρV2 (2)
其中，l为岩石试样高度，t为超声波在岩石试样中的传播时间，ρ为岩石试样密度。
10.如权利要求6所述的一种相对湿度循环作用下岩石弹性模量时效劣化过程测试方法，其特征在于，所述测试方法还包括以湿度为横坐标，以不同湿度对应的岩石试样的破坏时间为纵坐标，绘制岩石试样完全破坏的时间随湿度变化的曲线图，通过对曲线进行分析，获得湿度对于岩石试样时效劣化过程的影响规律。
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