CN108106962B - 一种悬挂网筛极软岩耐崩解性测试装置及操作方法 - Google Patents

Abstract

本发明开发了一种用于测试极软岩耐崩解性的测试装置和方法。所用到的关键设备为：悬挂网筛；隔离板；磁力搅拌器。发明的测试仪器按以下原理运作：1)网筛上一定质量岩块遇水崩解产生大量碎屑；2)磁力搅拌器产生旋转水流，旋转水流剥离岩块上的碎屑、推动网筛稳定运动；3)悬挂网筛发生自转和公转运动，使崩解物碎屑在筛面产生晃动，促进筛分；4)隔离板隔断水流运动，通过筛孔的崩解物可沉积在隔离板下，确保搅拌器转子稳定旋转；5)试验结束后，烘干并称量留在筛网上碎屑，除以原质量，可得耐崩解性评价指标。本发明开发的转轴倾斜悬挂网筛系统和隔离板，可确保系统持续稳定运行，崩解物充分筛分，实现对极软岩耐崩解性的准确评价。

Description

一种悬挂网筛极软岩耐崩解性测试装置及操作方法

技术领域

本发明涉及一种悬挂网筛极软岩耐崩解性测试装置及操作方法。

背景技术

岩石的坚硬程度根据岩块的饱和单轴抗压强度标准值f_rk可为坚硬岩、较硬岩、较软岩、软岩和极软岩5个等级^[1]。分类指标如表1所示：

表1岩石坚硬程度分级

各等级岩石均可能有一定崩解性，但是极软岩往往具有强烈的崩解性。所谓岩石的“崩解性”是指岩石与水环境(或自然环境)中解体的性质。岩石崩解和岩石破碎类似，都是解体。但是岩石的“崩解”与“破碎”的机理并不相同，因为“破碎”一般是指岩石在外力作用下解体。所以，“崩解”主要与岩石抗自然环境(水、温、光照)风化的性能有关；而“破碎”则与岩石抗力学破坏能力相关。

由于岩石往往处于复杂的水、温环境中，因此准确、定量评价岩石的耐崩解能力，对于涉及岩石的工程很重要。定量评价岩石抗风化能力的指标就是耐崩解指标。目前主流的岩石耐崩解性试验方法是美国材料与试验协会标准制定的《Standard Test Method forSlake Durability of Shales and Similar Weak Rocks》 ASTM D4644-04^[2]，该方法采用图1所示仪器进行试验。试验基本原理如下：

1)称量滚筒的质量C；

2)称量滚筒和烘干试样的总质量B；

3)开动设备，开始崩解试验，网筛滚筒旋转；

4)试验后，称量滚筒与剩余的总烘干质量W_F；

5)按下式计算得到页岩耐崩解指数

I_d2＝[W_F-C)/(B-C)]×100。

具体试验操作方法如下：

1)挑选10个形状接近且每个质量在40～60g的具有代表性的岩块。试样总体重量接近在450～550g，并尽可能去除试样的锐角。把试样放在滚筒中；

2)将滚筒安装在耐崩解仪的电机上，向水槽内加纯净水至滚筒轴线下20mm处。启动电机使滚筒以20转/分钟的速率转动10 分钟，记录试验开始和10分钟后的水温；

3)将试样移出滚筒，烘干并记录质量；

4)重复滚动，然后烘干试样并再次记录质量。

这种方法适用于力学强度较高的硬质岩。对于软质岩，这种方法有一个很大的缺陷，试验过程中，网筛滚筒的滚动对岩石产生较大的的机械碰撞，由于软岩强度较低，这种碰撞在试验过程中“破碎”软岩，这样，实验结果就包含了崩解和破碎两种作用的，从而导致崩解测试结果失真。由于一直没有更好的方法，这种方法在全世界得到广泛应用，我国交通部《公路岩石试验规程》 (JTGE41-2005)T0207-2005^[3]中测试岩石耐崩解性的试验方法就来源这种方法，所用设备也基本一致。

分析上述方法中，滚动的网筛(滚筒网筛)是核心部件，它的作用如下：

1)对崩解物进行筛分需要用一定规格网筛，以计算崩解的程度。

2)滚筒网筛的转动是不可缺少的。因为滚筒的转动有凉瓜作用：①使岩块崩解的产物从岩块表面脱落；②在筛面与颗粒间产生相对移动，使筛分能够完成。

滚筒网筛的缺点是：岩块崩解物从母块上剥离以及崩解物筛分的动力来源于滚筒网筛的运动：滚筒网筛带动岩块在网筛面上提升，产生落体和滑移运动。这个过程中，岩块与网筛面产生强烈的碰撞，使岩块发生机械破坏，带来明显的误差。对于强度较低的软质岩，上述方法往往带来不可接受的误差。

作为上述方法的改进，专利CN201410176043(一种软岩耐崩解性实验装置及其使用方法)公开了一种通过磁力搅拌器带动水流，以水流作为动力来源将软岩岩块崩解物从母块上剥离及筛分的试验方法。该方法的核心是：①将网筛固定：网筛不运动，就避免了岩块与网筛间的碰撞，消除前述方法中机械破坏带来的实验误差；②采用磁力搅拌器带动水流形成动力，推动崩解物运动实现筛分。因为网筛不动，则需要软岩岩石崩解物颗粒运动。

极软岩的强度更低于软岩，极软岩的单轴饱和抗压强度往往为0，因为软岩一浸到水中，马上开裂，因此单轴饱和抗压强度 0。很多种类极软岩具有强烈崩解性，与软岩想必，崩解既迅速，崩解物又多。在我国中部、西部广泛分布的红层软岩，就是这样的一类极软岩。因此，用CN201410176043方法测试极软岩时候，又存在2个问题：

1)筛分可能不充分：由于网筛固定，当极软岩崩解迅速时，被水流剥离的产物，落在网筛上，大量粒径小于网筛孔径的颗粒堆积在筛面上，卡在筛孔中，不能通过筛孔，即使增大磁力搅拌器转速，也无法推动其下落。

2)通过网筛落下的沉积物对磁力搅拌器运动有显著影响。在该设备中，磁力搅拌器机器转子只能安置在桶体下部。极软岩的崩解物很多，通过筛孔的崩解物落下来，会在桶体下部累积，影响转子旋转，甚至使试验停止。

因此，针对极软岩的崩解测试，该类装置需进一步改进，改进的思路是：

1)不能使用滚筒网筛，但是网筛也不能固定(而固定网筛是发明专利CN201410176043的核心)，对于极软岩的崩解测试，需要让网筛能产生类似一般建筑材料颗粒筛分试验中所用的“摇筛机”一样的晃动。而且网筛运动不能太剧烈，发生岩石颗粒与网筛碰撞的现象。

2)筛下的崩解物，需要采用某种方式收集，使之从水流中分离出来，不影响转子运动。发明专利CN201410176043中，没有能从水流中分离崩解物的装置和功能。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明公开了一种悬挂网筛极软岩耐崩解性的测试装置及操作方法，本专利通过采用悬挂网筛系统实现了卡在筛孔中颗粒可以顺利通过网筛，实现充分筛分，避免了筛分不充分导致的误差，同时实验中岩块和崩解碎屑不与装置任何部位发生碰撞，避免了碰撞所致的机械破碎带来的测试误差，此外通过隔离板避免了崩解物沉淀影响磁力搅拌器转子运动。

为实现上述目的，本专利的技术方案如下：

一种悬挂网筛极软岩耐崩解性测试装置，包括桶体，悬挂网筛和三角支架，桶体下方放置有磁力搅拌器，所述三角支架通过挂钩连接悬挂网筛；悬挂网筛处于桶体内；桶体内安装有隔离板，隔离板中部设有通孔，通孔部位安装有用于放置转子的转子旋转平台；隔离板的底面与转子旋转平台的底面处于同一平面，且均高于桶体底部。

进一步的改进，所述悬挂网筛包括刚性的竖连杆、竖连杆通过筛套连接架连接有筛套，筛套底部为金属网筛面；竖连杆与筛套连接架转动连接；筛套连接架三端固定在筛套的内侧壁上。

进一步的改进，所述悬挂网筛与三角支架的活动连接。

这样桶体的内部设有崩解产物的隔离板。隔离板的直接作用是隔离旋转水流运动，隔离板上的是水流是运动的，隔离板下的水流基本静止。其效果是，水流中的崩解物通过圆孔到达隔离板下，就会沉淀下来，不再随水流运动，这样就避免了崩解沉积物在转子旋转平台上堆积，对磁力搅拌器转子运动产生干扰。

进一步的改进，所述隔离板为圆环构造，转子旋转平台位于圆环内；转子旋转平台与隔离板之间存在20～50mm宽间隙；转子旋转平台的高度与隔离板顶面的高度相同或高于隔离板。

进一步的改进，所述转子旋转平台安装在桶体底部，通过螺纹旋钮的连接方式与桶体底板相连，可控制旋钮深度来调节转子旋转平台与隔离板相对高差，获得最佳的隔离效果。

一种悬挂网筛极软岩耐崩解性测试装置的操作方法，包括如下步骤：

步骤一将隔离板放入在桶体，插入插销使隔离板固定在桶体内；在桶体的底部安装转子旋转平台，并调节其高度；将磁力搅拌器的转子放置在转子旋转平台上；将桶体放在磁力搅拌器中心位置；架设并调节好三角支架，使三角支架的中心垂线通过桶体的中心；

步骤二向桶体内加入水或崩解液至设定高度；把待测试岩块放入金属网筛面的中心位置，再将悬挂网筛放入桶体内，竖连杆的挂钩与三角支架的挂钩相扣；移动悬挂网筛的过程中避免岩块偏离金属网筛面的中心位置；

步骤三启动磁力搅拌器，逐渐增加转速至所需转速，直到悬挂网筛作稳定公转运动；悬挂网筛内的岩块崩解产物在水流的作用下持续从网孔中筛出，直到崩解完成；

步骤四试验中，调整转子旋转平台与隔离板相对高差，获得最佳的水流隔离效果

本专利装置整体如图2所示。本专利通过采用2个特殊的机构实现极软岩耐崩解性测试：

1采用悬挂网筛系统，如图3所示，通过特殊的设计，使悬挂网筛在旋转水流作用下可产生类似地球运动方式的自转和公转运动。该运动下，由于重力作用，位于网筛上的崩解物相对网筛发生如图4所示的晃动，由于晃动，卡在筛孔中颗粒可以顺利通过网筛，实现充分筛分。通过实测，发现实验中岩块和崩解碎屑不与装置任何部位发生碰撞，避免了碰撞所致的机械破碎带来的测试误差。

2设计隔离板隔离水流运动促使崩解物沉积。如图5、图6所示，隔离板位于桶 体下部，其安装高度与转子平台相同。隔离板为圆环，转子平台位于圆环内，隔离板内缘与平台间有一定间隙。隔离板把桶中水隔离成上下两部分，上方水可被磁力搅拌器转子搅动，形成运动水流；下方水基本不受磁力搅拌器转子运动影响，由于隔离板的存在，也基本不被上部水流带动，因此下方水基本呈静止状态。被上方运动水流带到间隙上方的崩解物碎屑就会从间隙中沉积，进到隔离板下方沉积下来。因此隔离板可从水流中分离过筛的崩解物，避免崩解物沉淀影响磁力搅拌器转子运动，保证仪器正常运转。

具备了这两个机构的装置，可以用于强度低、崩解性强的极软岩的耐崩解性测试。

一种悬挂网筛极软岩耐崩解性测试方法，包括如下步骤：

步骤一将隔离板放入在桶体，插入插销使隔离板固定在桶体内；在桶体的底部安装转子旋转平台，并调节其高度；将磁力搅拌器的转子放置在转子旋转平台上；将桶体放在磁力搅拌器中心位置；架设并调节好三角支架，使三角支架的中心垂线通过桶体的中心；

步骤二向桶体内加入水崩解液至一定高度；把待测试烘干岩块放入金属网筛面的中心位置，再将悬挂网筛放入桶体内，竖连杆的挂钩与三角支架的挂钩相扣；

步骤三启动磁力搅拌器，逐渐增加转速至所需转速，直到悬挂网筛做匀速、转轴倾斜的公转运动，实现悬挂网筛产生类似“摇筛机”筛分运动；悬挂网筛内的岩块崩解产物持续从网孔中筛出，直到崩解完成。

步骤四取出悬挂网筛，收集留在网筛上的崩解物碎屑，烘干称重，计算岩块耐崩解性指标。

岩石耐崩解性试验的基本要求是：

1崩解试验过程中要尽可能避免岩块与设备产生显著碰撞，确保岩石的解体只是由水、温度变化所致。

2崩解产物能得到充分筛分；

3崩解产物不会影响磁力搅拌机运转；

根据岩石耐崩解性测试方法的基本要求和岩土颗粒在水中搬运的基本规律，本发明提出按以下原理实现极软岩崩解物剥离和充分筛分，且避免碰撞：

1)不再使用滚筒网筛和竖向滚动作用，避免岩块被网筛提升产生下落运动导致的碰撞。

2)使用悬挂网筛在水流中呈倾斜的公转方式(如图6所示)，网筛面上岩块的受力按周期改变，促进崩解物充分筛分。

3)使用隔离板，避免了被筛分而下落的崩解物对转子的运动造成影响。

以上原理最大程度避免了岩石耐崩解性试验中的机械碰撞效应，且崩解物颗粒的筛分能够及时有效的进行，确保耐崩解性试验结果的准确性。

为实现上述目的，本发明的技术方案由如下核心部件组成：

1)桶体及悬挂三角支架；

2)悬挂网筛；

3)隔离板与转子旋转平台；

4)磁力搅拌器。

试验的步骤如下：

1)选取质量约为50g的块状岩石放入烘箱内烘干，取出后冷却20分钟，记录岩块质量M₁；

2)按步骤装备好试验装置并加水(崩解液)至水位限位孔；

3)将岩块放置在网筛面的中心位置，把盛有岩块的悬挂网筛挂置在三角支架的挂钩上；启动磁力搅拌器，调节转速。在需要的崩解时间结束后关闭磁力搅拌器，缓缓提出网筛，收集网筛内的崩解剩余物；

4)烘干崩解剩余物，称重并记录其质量M₂；计算得到软岩耐崩解性系数I_d(1)＝M₂/M₁。

附图说明

图1为现有方法测试装置结构示意图；

图2为本发明测试装置结构示意图；

图3为网筛主视结构示意图；

图4为网筛运动及岩块受力示意图。

图5为桶体主视结构示意图；

图6为桶体俯视结构示意图；

其中，1.桶体；2.水位限位孔；3.悬挂网筛；31.竖连杆； 32.筛套连接架；33.筛套；34.金属网筛面；4.隔离板；5.磁力搅拌器转子；6.转子旋转平台；7.磁力搅拌器；8.三角支架；81.挂钩。

具体实施方式

下面结合附图说明具体实施方式。

本发明的测试仪器按以下原理运作：

1)网筛上一定质量岩块遇水崩解；

2)磁力搅拌器产生旋转水流，旋转水流剥离岩块上的崩解物、推动网筛稳定运动；

3)悬挂网筛发生转轴倾斜的公转运动，使崩解物颗粒在筛面产生晃动，促进筛分；

4)隔离板隔离水流运动，通过筛孔的崩解物沉积在隔离板下，确保磁力搅拌器转子旋转持续稳定；

5)试验结束后，烘干并称量留在筛网上碎屑，除以原质量，可算得软岩耐崩解性评价指标。

桶体1的特征是：

1)如图3～4所示，桶体上部分有内直径等于10mm的水位限位孔；水位限位孔通过塑料管嘴外延10mm；

2)桶体内部设有隔离板，隔离板设置在距桶体底板40～45mm 处，隔离板外直径等于桶体的内直径，通过插入插销的方式与桶体连接与固定；

3)桶体底板中心位置处有转子旋转平台，通过螺纹套筒的连接方式与桶体底板相连，可控制旋钮深度来调节转子旋转平台的高度，子旋转平台与桶体底板间的高度为25～30mm。

悬挂网筛3的特征是：

1)金属与有机玻璃材质，具有较好刚度，金属的竖连接杆长约200mm，上端为挂钩，下端为螺栓构造；

2)筛套连接架高50mm，上部有圆孔与竖连接杆活动连接，使用锁死的螺栓防止两者脱离，下部有三个脚支，固定连接在筛套的内壁上；

3)筛套高度为50mm，筛套下部包裹金属筛网面，金属筛网面直径约145mm，两者尺寸相协调，筛套外直径为150mm，内直径为140mm；

隔离板4的特征四：

1)隔离板为圆环构造，转子旋转平台(6)位于圆环内；转子旋转平台6与隔离板4之间存在20～50mm宽间隙；

2)隔离板4的安装高度需与旋转平台6高度协调。隔离板4 的安装高度固定，旋转平台6的高度可调整。旋转平台6安装在桶1底部，通过螺纹旋钮的连接方式与桶1底板相连，可控制旋钮深度来调节转子旋转平台6高度，从而调整其与隔离板的高差，获得最佳的水流隔离效果。

参考文献：

[1]《岩土工程勘察规范》(GB 50021-2001)(2009版)。

[2]ASTM D4644-04，Slake Durability of Shales and Similar Weak Rocks。

[3]《公路岩石试验规程》(JTGE41-2005)。

Claims (6)

1.一种悬挂网筛极软岩耐崩解性测试装置，包括桶体(1)，悬挂网筛(3)和三角支架，桶体(1)下方放置有磁力搅拌器(7)，其特征在于，所述三角支架通过挂钩(81)连接悬挂网筛(3)；悬挂网筛(3)处于桶体(1)内；桶体(1)内安装有隔离板(4)，隔离板(4)中部设有通孔(41)，通孔部位安装有用于放置转子(5)的转子旋转平台(6)；隔离板(4)的底面与转子旋转平台(6)的底面处于同一平面，且均高于桶体(1)底部。

2.如权利要求1所述的悬挂网筛极软岩耐崩解性测试装置，其特征在于：所述悬挂网筛(3)包括刚性的竖连杆(31)、竖连杆(31)通过筛套连接架(32)连接有筛套(33)，筛套(33)底部为金属网筛面(34)；竖连杆(31)与筛套连接架(32)转动连接；筛套连接架(32)三端固定在筛套(33)的内侧壁上。

3.如权利要求2所述的悬挂网筛极软岩耐崩解性测试装置，其特征在于：所述悬挂网筛(3)与三角支架(8)的活动连接。

4.如权利要求1所述的悬挂网筛极软岩耐崩解性测试装置，其特征在于：所述隔离板(4)为圆环构造，转子旋转平台(6)位于圆环内；转子旋转平台(6)与隔离板(4)之间存在20～50mm宽间隙；转子旋转平台(6)的高度与隔离板(4)顶面的高度相同或高于隔离板(4)。

5.如权利要求1所述悬挂网筛极软岩耐崩解性测试装置，其特征在于，所述转子旋转平台(6)安装在桶体(1)底部，通过螺纹旋钮的连接方式与桶体(1)底板相连，可控制旋钮深度来调节转子旋转平台(6)与隔离板相对高差，获得最佳的隔离效果。

6.一种悬挂网筛极软岩耐崩解性测试装置的操作方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一)将隔离板(4)放入在桶体(1)，插入插销使隔离板(4)固定在桶体(1)内；在桶体(1)的底部安装转子旋转平台(6)，并调节其高度；将磁力搅拌器的转子(5)放置在转子旋转平台(6)上；将桶体(1)放在磁力搅拌器(7)中心位置；架设并调节好三角支架(8)，使三角支架(8)的中心垂线通过桶体(1)的中心；

步骤二)向桶体(1)内加入水或崩解液至设定高度；把待测试岩块放入金属网筛面(34)的中心位置，再将悬挂网筛(3)放入桶体(1)内，竖连杆(31)的挂钩与三角支架(8)的挂钩(81)相扣；移动悬挂网筛(3)的过程中避免岩块偏离金属网筛面(34)的中心位置；

步骤三)启动磁力搅拌器(7)，逐渐增加转速至所需转速，直到悬挂网筛(3)作稳定公转运动；悬挂网筛(3)内的岩块崩解产物在水流的作用下持续从网孔中筛出，直到崩解完成；

步骤四)试验中，调整转子旋转平台(6)与隔离板相对高差，获得最佳的水流隔离效果。

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