CN108151937A - 一种用于静态破碎剂膨胀压的测试装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于静态破碎剂膨胀压的测试装置及方法，属于岩土工程的技术领域。该装置中第一限位板固定在平台上，且与第二限位板相对设置；测量杆包括光滑段和螺纹段；光滑段的端部固定设置在第一限位板上；螺纹段穿过第二限位板且在第二限位板外套设有限位螺母；位于第一限位板和第二限位板之间的光滑段上设置有测量段；测量段上粘贴有电阻应变片；测试圆筒由第一半圆筒和第二半圆筒对缝耦合拼装而成；第一限位杆的第一端固定在第一限位板上，第二端设置有弧形夹板；第二限位杆的第一端固定在第二限位板上，第二端抵靠在第二半圆筒外壁上。本发明削弱了敏感因子对膨胀压力真值的影响，提高了测量的准确性。

Description

一种用于静态破碎剂膨胀压的测试装置及方法

技术领域

本发明涉及岩土工程的技术领域，特别是涉及一种用于静态破碎剂膨胀压的测试装置及方法。

背景技术

静态破碎剂是目前广泛应用于岩土工程领域的一种高膨胀性粉末状裂岩材料，其通过与水混合并进行水化放热反应，在较短的时间内发生体积膨胀，从而在有限的空间内产生较大的膨胀压力。以钻孔装药破岩为例，当作用于孔壁的膨胀压造成岩石内部集中拉应力超过其抗拉强度时，沿孔壁径向张开的裂隙逐步扩展，最终造成岩石的裂解破坏，这就是静态破碎剂的破岩机理，而其产生膨胀压力的大小将直接决定破岩效果的发挥程度。

在公开号为“CN103323164A”的“一种测量静态破碎剂膨胀压的测试系统及测试方法”专利中，通过静态破碎剂在管筒内发生水化反应造成的体积膨胀，在底面活塞产生轴向膨胀压力，引起底部活塞下的压力传感器读数变化，并推动顶面活塞向上移动，从而使位移传感器读数变化。该测量方法也存在如下缺点：其一，这种方法只能得到静态破碎剂在发生水化反应后产生的轴向膨胀压，对于其在管筒侧壁产生的径向膨胀压是无法测量的，而真正起到破岩作用的一般是径向膨胀压。其二，由于上部压力试验机的加载方式是通过液压油传动下部压力试验机压头，从而使压头紧贴上部活塞，但静态破碎剂水化反应产生的轴向膨胀压不完全能将压力试验机油缸内的液压油顶推逆向流动，所以上部位移传感器观测的读数变化并不能完全推断轴向膨胀压力的大小。

综上所述，以现有技术计算得到的静态破碎剂水化反应产生膨胀压力与真实值会存在较大的误差，因而提出一套具体的用于静态破碎剂膨胀压的测试方法及测试装置，对完善静态破碎破岩技术理论具有重要的理论及实践意义。

发明内容

为克服现有技术的不足，弥补现有手段的缺陷，削弱敏感因子对膨胀压力真值的影响，提高测量的准确性，本发明提供一种用于静态破碎剂膨胀压的测试装置及方法。

本发明提供一种用于静态破碎剂膨胀压的测试装置，包括第一限位板、第二限位板、测量杆、电阻应变片、测试圆筒、第一限位杆、第二限位杆、与电阻应变片通过导线连接的电阻应变仪以及与电阻应变仪电连接的计算机；第一限位板固定在平台上，且与第二限位板相对设置；测量杆包括光滑段和螺纹段；光滑段的端部固定设置在第一限位板上；螺纹段穿过第二限位板且在第二限位板外套设有限位螺母；位于第一限位板和第二限位板之间的光滑段上设置有测量段；测量段上粘贴有电阻应变片；测试圆筒由第一半圆筒和第二半圆筒对缝耦合拼装而成，设置在第一限位板、第二限位板和两个测量杆围合成的空间内；第一限位杆的第一端固定在第一限位板上，第二端设置有用于卡紧第一半圆筒的弧形夹板；第二限位杆的第一端固定在第二限位板上，第二端用于抵靠在第二半圆筒外壁上。

进一步地，第一半圆筒的顶壁上设置有注浆孔；第二半圆筒的顶壁上设置有排气孔。

进一步地，该用于静态破碎剂膨胀压的测试装置还包括固定在第二半圆筒外壁上的垫片；第二限位杆的第二端抵靠在垫片上。

进一步地，该用于静态破碎剂膨胀压的测试装置还包括设置在测试圆筒内壁的密封膜。

进一步地，第一半圆筒和第二半圆筒对缝接线所在平面与测量杆的轴线垂直。

具体地，第一限位板和第二限位板均为钢板；测试圆筒为钢筒；第一限位杆、第二限位杆和测量杆均为钢筋。

本发明还提供一种用于静态破碎剂膨胀压的测试方法，该方法是基于上述任一项所述的用于静态破碎剂膨胀压的测试装置实施的，包括下述步骤：

步骤一：将第一半圆筒和第二半圆筒对缝耦合拼装成测试圆筒；

步骤二：通过第一限位杆上的弧形夹板固定第一半圆筒；

步骤三：旋动限位螺母，调节第二限位板向第二半圆筒移动至第二限位杆的第二端抵靠在第二半圆筒外壁上；

步骤四：用砂纸将测量杆的测量段打磨干净，用酒精球反复擦洗贴片处至无明显污渍，将电阻应变片粘贴至贴片处，并用导线将电阻应变片与电阻应变仪连接，将电阻应变仪终端导出至计算机中，将第一限位板固定在平台上；

步骤五：将制备好的静态破碎剂注入测试圆筒中，封闭测试圆筒；

步骤六：破碎剂水化反应进行，第二半圆筒在膨胀压作用下带动第二限位板移动，拉伸测量段造成电阻应变片示数变化，通过电阻应变仪输出至计算机得到测量段的拉伸应变，根据下述公式④即可得到膨胀压力的大小，

根据破碎剂反应产生的径向膨胀压的理论模型，以测量段轴向为y轴方向，垂直于测量段轴向的方向为x轴方向，沿测试圆筒径向分布的膨胀压在y轴上的合力为：

以上式中：F _y 为测试圆筒在y轴方向的合力，p为破碎剂在对测试圆筒内产生的径向膨胀压，θ为径向膨胀压与x轴的夹角，R为测试圆筒内径，E为弹性模量，A为测量段的截面积，F _p 为测量段所受拉力，l ₀ 为测量段原长。

进一步地，步骤一中还包括：在拼装好测试圆筒后，在测试圆筒内套装密封膜。

进一步地，步骤三中还包括：在旋动限位螺母前，在第二半圆筒的外壁固定用于与第二限位杆的第二端抵靠的垫片。

进一步地，步骤五中具体为：用漏斗将制备好的静态破碎剂通过所述第一半圆筒预留的注浆孔灌注到所述测试圆筒中，至所述第二半圆筒预留的排气孔返浆后，停止注浆，并用塞子封住注浆孔及排气孔，检查测试圆筒表面情况。

与现有技术相比，本发明的优势在于：

本发明避免了复杂的机械加工工艺和大型仪器设备的使用，依靠简单机械构件的有机结合及相关的理论推导，即可实现测量膨胀压力的目的，具有试验装置简单、可操作性强的特点；

本发明将电阻应变片设置在测量杆的测量段上而不是将其直接设置在测试圆筒的侧壁上，不但有效剔除了破碎剂水化反应放出的热量对电阻应变片的干扰，而且有效缓解了行业标准中将电阻应变片粘贴于钢管轴向中段得出的膨胀压力会存在较大偏差的技术问题，通过应力的传递路径可以较为准确地得到径向膨胀压力的大小；

本发明以垫片为过渡构件，隔断了第二限位杆与第二半圆筒的直接联系，这样既可以有效避免点接触式的应力传递路径造成的较大误差，也可以根据垫片长度削弱端部集中应力的影响；

本发明依靠电阻应变仪的终端输出，可以得到膨胀压力随时间的变化过程，对于进一步分析静态破碎剂与水反应的不同阶段有直观的体现。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图，其中：

图1是本发明实施例1提供的用于静态破碎剂膨胀压的测试装置的主视图；

图2是图1所示用于静态破碎剂膨胀压的测试装置的俯视图；

图3是图1所示用于静态破碎剂膨胀压的测试装置的左视图；

图4是图1所示用于静态破碎剂膨胀压的测试装置的右视图；

图5是本发明实施例2提供的用于静态破碎剂膨胀压的测试方法中计算破碎剂反应产生的径向膨胀压的理论模型。

标号：1-第一限位板；2-第二限位板；3-测量杆；4-电阻应变片；5-第一限位杆；6-第二限位杆；7-导线；8-电阻应变仪；9-计算机；10-螺纹段；11-限位螺母；12-测量段；13-第一半圆筒；14-第二半圆筒；15-弧形夹板；16-注浆孔；17-排气孔；18-垫片。

具体实施方式

实施例1

本实施例提供一种用于静态破碎剂膨胀压的测试装置，如图1至图4所示，包括第一限位板1、第二限位板2、测量杆3、电阻应变片4、测试圆筒、第一限位杆5、第二限位杆6、与电阻应变片4通过导线7连接的电阻应变仪8以及与电阻应变仪8电连接的计算机9；第一限位板1固定在平台上，且与第二限位板2相对设置；测量杆3包括光滑段和螺纹段10；光滑段的端部固定设置在第一限位板1上；螺纹段10穿过第二限位板2且在第二限位板2外套设有限位螺母11；位于第一限位板1和第二限位板2之间的光滑段上设置有测量段12；测量段12上粘贴有电阻应变片4；测试圆筒由第一半圆筒13和第二半圆筒14对缝耦合拼装而成，设置在第一限位板1、第二限位板2和两个测量杆3围合成的空间内；第一限位杆5的第一端固定在第一限位板1上，第二端设置有用于卡紧第一半圆筒13的弧形夹板15；第二限位杆6的第一端固定在第二限位板2上，第二端用于抵靠在第二半圆筒14外壁上。

进一步地，第二限位板2悬空设置，以减小第二限位板2在膨胀压作用下移动时受到的阻力，提高准确性。

进一步地，第一半圆筒13的顶壁上设置有用于灌注静态破碎剂的注浆孔16；第二半圆筒14的顶壁上设置有排气孔17。在灌注完成后，需要用塞子封闭注浆孔16和排气孔17。

进一步地，该用于静态破碎剂膨胀压的测试装置还包括固定在第二半圆筒14外壁上的垫片18；第二限位杆6的第二端抵靠在垫片18上。本实施例提供的测试装置以垫片18为过渡构件，隔断了第二限位杆6与第二半圆筒14的直接联系，这样既可以有效避免点接触式的应力传递路径造成的较大误差，也可以根据垫片18长度削弱端部集中应力的影响。

优选地，垫片18的长度是测试圆筒轴向高度的3/5。

进一步地，该用于静态破碎剂膨胀压的测试装置还包括设置在测试圆筒内壁的密封膜，以防止破碎剂在测试过程中泄漏。

进一步地，第一半圆筒13和第二半圆筒14对缝接线所在平面与测量杆3的轴线垂直，以保证应力的传递正向。

为使减小第一限位板1、第二限位板2、测量杆3、测试圆筒、第一限位杆5以及第二限位杆6因变形带来的误差，本实施例中采用刚性较大的钢制品制作上述部件。具体地，第一限位板1和第二限位板2均为钢板；测试圆筒为钢筒；第一限位杆5、第二限位杆6和测量杆3均为钢筋。

实施例2

本实施例提供一种用于静态破碎剂膨胀压的测试方法，该方法是基于实施例1所述的用于静态破碎剂膨胀压的测试装置实施的，根据静态破碎剂水化反应产生的膨胀压力的传递路径，通过电阻应变片4测量测量段12的应变特征，从而计算得出破碎剂产生膨胀压力的大小，包括下述步骤：

步骤一：将第一半圆筒13和第二半圆筒14对缝耦合拼装成测试圆筒；

步骤二：通过第一限位杆5上的弧形夹板15固定第一半圆筒13；

步骤三：旋动限位螺母11，调节第二限位板2向第二半圆筒14移动至第二限位杆6的第二端抵靠在第二半圆筒14外壁上；

步骤四：用砂纸将测量杆3的测量段12打磨干净，用酒精球反复擦洗贴片处至无明显污渍，将电阻应变片4粘贴至贴片处，并用导线7将电阻应变片4与电阻应变仪8连接，将电阻应变仪8终端导出至计算机9中，将第一限位板1固定在平台上；

步骤五：将制备好的静态破碎剂注入测试圆筒中，封闭测试圆筒；

步骤六：破碎剂水化反应进行，第二半圆筒14在膨胀压作用下带动第二限位板2移动，拉伸测量段12造成电阻应变片4示数变化，通过电阻应变仪8输出至计算机9得到测量段12的拉伸应变，根据下述公式④即可得到膨胀压力的大小，

如图5所示，根据破碎剂反应产生的径向膨胀压的理论模型，以测量段12轴向为y轴方向，垂直于测量段12轴向的方向为x轴方向，沿测试圆筒径向分布的膨胀压在y轴上的合力为：

以上式中：F _y 为测试圆筒在y轴方向的合力，p为破碎剂在对测试圆筒内产生的径向膨胀压，θ为径向膨胀压与x轴的夹角，R为测试圆筒内径，E为弹性模量，A为测量段的截面积，F _p 为测量段所受拉力，l ₀ 为测量段原长。

通过电阻应变片4得到测量段12的拉伸应变ε，结合公式④即可求得静态破碎剂与水反应产生的膨胀压力p的大小。此外，通过电阻应变仪8导出测量段12应变曲线，可以推导得出膨胀压随时间的变化趋势，对于分析破碎剂反应的时间效应有重要意义。

进一步地，步骤一中还包括：在拼装好测试圆筒后，在测试圆筒内套装密封膜。

进一步地，步骤三中还包括：在旋动限位螺母11前，在第二半圆筒14的外壁固定用于与第二限位杆6的第二端抵靠的垫片18。

进一步地，步骤五中具体为：用漏斗将制备好的静态破碎剂通过第一半圆筒13预留的注浆孔16灌注到测试圆筒中，至第二半圆筒14预留的排气孔17返浆后，停止注浆，并用塞子封住注浆孔16及排气孔17，检查测试圆筒表面情况。

实施例3

本实施例以测量静态破碎剂与水的质量配比（水灰比）为7:3时的膨胀压力为例，其具体实施如下。

1、装置构建尺寸及加工要求：

（1）第一半圆筒13和第二半圆筒14为半圆薄壁钢筒：半径30mm，壁厚4mm，高度500mm，上下封底；加工切面应平整光滑，并使两片钢筒能沿切面拼缝整齐，无明显空隙及错缝现象，在进行试验前可灌水观测钢筒的渗漏情况；

（2）第一半圆筒13上注浆孔16直径宜为10mm~15mm，第二半圆筒14上排气孔17直径为5mm~10mm，便于排浆和封孔需要；

（3）第一限位板1和第二限位板2为钢板：长×宽×厚=700mm×80mm×20mm。钢板材质和厚度应尽可能保证钢板受应力作用不发生明显变形为宜，钢板两端对称开孔直径为25mm；

（4）测量杆3为钢筋：钢筋直径为20mm，测量段12直径为10mm，长度50mm，螺纹段10加工长度宜为80mm~100mm；

（5）第一限位杆5和第二限位杆6均为钢筋：钢筋直径为15mm，长度为50mm；弧形夹板15半径略大于第一半圆筒13的半径；垫片18的厚度以10~20mm内为宜，长度取钢筒轴向的3/5，焊接在第二半圆筒14外壁；

（6）第一限位板1和第一限位杆5之间焊接，第二限位板2和第二限位杆6之间焊接，焊接点应保证足够的强度，在第一限位杆5和第二限位杆6受拉时不会发生断裂；

（7）电阻应变片4为电阻式应变片，其敏感栅尺寸为3mm×2mm，基底尺寸为7mm×4mm。粘贴方式以“T”型为主，于测量段12的中心位置径向粘贴。

2、试验操作流程：

试验前，将第一半圆筒13和第二半圆筒14对缝耦合拼装完整，检查拼缝情况，同时为防止后续错缝漏浆，在拼缝前沿测试圆筒内部环向套装塑料薄膜；松弛限位螺母11，将测试圆筒从装置侧面嵌入弧形夹板15，弧形夹板15的半径应稍大于第一半圆筒13半径，以便第一半圆筒13筒壁能紧靠弧形夹板15内壁，同时测试圆筒对缝接线所在平面与测量杆3的轴线垂直，以保证应力的传递正向；

旋动限位螺母11，通过第二限位板2将对缝拼装整齐的第二半圆筒14固定，并在第二半圆筒14与第二限位杆6间安置垫片18，以保证应力传递的均匀性；限位螺母11的位置以恰好夹紧测试圆筒为宜，切勿过度旋拧限位螺母11，造成第一限位板1、第二限位板2弯折或测试圆筒变形；

粘贴电阻应变片4前，用砂纸将两根测量杆3的测量段12打磨干净，用酒精球反复擦洗贴片处，至无明显污渍时，用502胶将电阻应变片4粘贴至贴片处，并用导线7将电阻应变片4与电阻应变仪8连接，同时将电阻应变仪8终端导出至计算机9中，将整体装置以第一限位板1和第一限位杆5固定于平台上；

检查静态破碎剂的存储状态，根据预定试验方案，将破碎剂按质量配比7:3与水混合，并用玻璃棒充分搅拌至均匀；用漏斗将搅拌后的混合液通过第一半圆筒13顶壁预留的注浆孔16灌注到测试圆筒内，待第二半圆筒14预留的排气孔17返浆后，停止注浆，并用塞子封住注浆孔16及排气孔17，检查测试圆筒表面情况，沾染破碎剂或是否有漏浆等情况；

随着时间推移，破碎剂水化反应逐渐进行，第二半圆筒14受膨胀压力的作用带动第二限位板2的移动，进而拉伸测量段12造成电阻应变片4示数变化，通过电阻应变仪8输出至计算机9的测量段12应变数据，根据实施例2中推导公式④即可得到膨胀压力的大小。

上仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种用于静态破碎剂膨胀压的测试装置，其特征在于，包括第一限位板（1）、第二限位板（2）、测量杆（3）、电阻应变片（4）、测试圆筒、第一限位杆（5）、第二限位杆（6）、与所述电阻应变片（4）通过导线（7）连接的电阻应变仪（8）以及与所述电阻应变仪（8）电连接的计算机（9）；

所述第一限位板（1）固定在平台上，且与所述第二限位板（2）相对设置；

所述测量杆（3）包括光滑段和螺纹段（10）；光滑段的端部固定设置在所述第一限位板（1）上；螺纹段（10）穿过所述第二限位板（2）且在所述第二限位板（2）外套设有限位螺母（11）；位于所述第一限位板（1）和第二限位板（2）之间的光滑段上设置有测量段（12）；

所述测量段（12）上粘贴有所述电阻应变片（4）；

所述测试圆筒由第一半圆筒（13）和第二半圆筒（14）对缝耦合拼装而成，设置在所述第一限位板（1）、第二限位板（2）和两个测量杆（3）围合成的空间内；

所述第一限位杆（5）的第一端固定在所述第一限位板（1）上，第二端设置有用于卡紧所述第一半圆筒（13）的弧形夹板（15）；

所述第二限位杆（6）的第一端固定在所述第二限位板（2）上，第二端用于抵靠在所述第二半圆筒（14）外壁上。

2.根据权利要求1所述的用于静态破碎剂膨胀压的测试装置，其特征在于，所述第一半圆筒（13）的顶壁上设置有注浆孔（16）；

所述第二半圆筒（14）的顶壁上设置有排气孔（17）。

3.根据权利要求1或2所述的用于静态破碎剂膨胀压的测试装置，其特征在于，还包括固定在所述第二半圆筒（14）外壁上的垫片（18）；

所述第二限位杆（6）的第二端抵靠在所述垫片（18）上。

4.根据权利要求1所述的用于静态破碎剂膨胀压的测试装置，其特征在于，还包括设置在测试圆筒内壁的密封膜。

5.根据权利要求1所述的用于静态破碎剂膨胀压的测试装置，其特征在于，所述第一半圆筒和第二半圆筒对缝接线所在平面与所述测量杆的轴线垂直。

6.根据权利要求1所述的用于静态破碎剂膨胀压的测试装置，其特征在于，

所述第一限位板（1）和第二限位板（2）均为钢板；

所述测试圆筒为钢筒；

所述第一限位杆（5）、第二限位杆（6）和测量杆（3）均为钢筋。

7.一种用于静态破碎剂膨胀压的测试方法，其特征在于，该方法是基于权利要求1-6任一项所述的用于静态破碎剂膨胀压的测试装置实施的，包括下述步骤：

步骤一：将第一半圆筒（13）和第二半圆筒（14）对缝耦合拼装成测试圆筒；

步骤二：通过第一限位杆（5）上的弧形夹板（15）固定第一半圆筒（13）；

步骤三：旋动限位螺母（11），调节第二限位板（2）向第二半圆筒（14）移动至第二限位杆（6）的第二端抵靠在第二半圆筒（14）外壁上；

步骤四：用砂纸将测量杆（3）的测量段（12）打磨干净，用酒精球反复擦洗贴片处至无明显污渍，将电阻应变片（4）粘贴至贴片处，并用导线（7）将电阻应变片（4）与电阻应变仪（8）连接，将电阻应变仪（8）终端导出至计算机（9）中，将第一限位板（1）固定在平台上；

步骤五：将制备好的静态破碎剂注入测试圆筒中，封闭测试圆筒；

步骤六：破碎剂水化反应进行，第二半圆筒（14）在膨胀压作用下带动第二限位板（2）移动，拉伸测量段（12）造成电阻应变片（4）示数变化，通过电阻应变仪（8）输出至计算机（9）得到测量段（12）的拉伸应变，根据下述公式④即可得到膨胀压力的大小，

根据破碎剂反应产生的径向膨胀压的理论模型，以测量段（12）轴向为y轴方向，垂直于测量段（12）轴向的方向为x轴方向，沿测试圆筒径向分布的膨胀压在y轴上的合力为：

-------------①

测量段的伸长量为：-------------②

测量段轴向应变为：----------------③

由于F _y =F _p ，联立上式即可得：----------④

以上式中：F _y 为测试圆筒在y轴方向的合力，p为破碎剂在对测试圆筒内产生的径向膨胀压，θ为径向膨胀压与x轴的夹角，R为测试圆筒内径，E为弹性模量，A为测量段的截面积，F _p 为测量段所受拉力，l ₀ 为测量段原长。

8.根据权利要求7所述的用于静态破碎剂膨胀压的测试方法，其特征在于，所述步骤一中还包括：在拼装好测试圆筒后，在所述测试圆筒内套装密封膜。

9.根据权利要求7所述的用于静态破碎剂膨胀压的测试方法，其特征在于，所述步骤三中还包括：在旋动限位螺母（11）前，在所述第二半圆筒（14）的外壁固定用于与第二限位杆（6）的第二端抵靠的垫片（18）。

10.根据权利要求7所述的用于静态破碎剂膨胀压的测试方法，其特征在于，所述步骤五中具体为：用漏斗将制备好的静态破碎剂通过所述第一半圆筒（13）预留的注浆孔（16）灌注到所述测试圆筒中，至所述第二半圆筒（14）预留的排气孔（17）返浆后，停止注浆，并用塞子封住注浆孔（16）及排气孔（17），检查测试圆筒表面情况。