CN110018295A - 一种膨胀岩水化过程中侧限膨胀力的测试装置及测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种膨胀岩水化过程中侧限膨胀力的测试装置及测试方法，本发明的测试装置结构简单，操作方便，精确度高，且成本低，通过向密封罩内通入水蒸汽，来测试膨胀岩水化过程中的体积变化与时间和湿度之间的关系，从而为对膨胀岩的危害特性的研究提供参考，蒸汽发生器的开关由控制装置控制，使密封罩内的湿度保持在b到a范围之内，这样既省电又能达到湿度要求。本发明可以很方便的对水化过程中侧限膨胀力进行测试，并且精确度高、成本较低，对研究膨胀岩的膨胀力，对矿井巷道、铁路隧道、洞室工程中常常出现底板隆起、边墙挤出、混凝土衬砌破坏的现象的预防与解决具有指导意义。

Description

一种膨胀岩水化过程中侧限膨胀力的测试装置及测试方法

技术领域

本发明涉及膨胀岩水化过程中膨胀体积测试技术领域，具体涉及一种膨胀岩水化过程中侧限膨胀力的测试装置及测试方法。

背景技术

膨胀岩是指遇水作用而产生体积增大的岩石，由于其含有大量亲水矿物，湿度变化时有较大体积变化，所以称为膨胀岩。近年来在资源能源的开发以及交通、水利、电力和城镇建设工程中，均曾遇到膨胀岩所引起的工程问题，如在铁路隧道、洞室工程中，由于膨胀岩遇水膨胀特性，隧道底板常出现隆起、边墙挤出、混凝土衬砌破坏等现象，它给隧道工程建设带来严重的损失。因此，研究膨胀岩的体积膨胀特征，了解其对隧道工程产生的诸多危害，具有非常重要的理论价值和工程意义。

发明内容

为了更好地研究膨胀岩的侧限膨胀特性，本发明提供了一种结构简单、操作方便、精确度高、成本较低的膨胀岩水化过程中侧限膨胀力的测试装置及测试方法。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是，一种膨胀岩水化过程中侧限膨胀力的测试装置，包括反力架、密封装置、湿度传感器、蒸汽发生器及控制装置，反力架包括底座和横梁，底座上端两侧各固定有一根竖直立柱，横梁的两端分别固定在两根竖直立柱的上端；反力架的横梁中部开设有螺纹通孔，螺纹通孔内螺纹连接有一个螺纹杆，螺纹杆的上端固定连接有手柄，螺纹杆的下端固定连接有安装块，安装块位于安装架内并与安装架转动连接，安装架的两端分别套在两根竖直立柱上，安装架的下方安装有压力传感器；所述密封装置包括圆筒状密封罩、侧限钢筒、上板、下板、上密封盘和下密封盘，圆筒状密封罩顶端向内设置有圆环形上凸台，圆筒状密封罩底端向内设置有圆环形下凸台，下板放置在底座上，圆筒状密封罩放置在下板上，下密封盘放置在下板上且位于圆环形下凸台内，侧限钢筒放置在圆环形上凸台与圆环形下凸台之间，并且侧限钢筒、圆环形上凸台、圆环形下凸台、圆筒状密封罩侧壁之间围成一个环形空腔；膨胀岩试样放置在侧限钢筒内，上密封盘放置在膨胀岩试样上且位于圆环形上凸台内；上板放置在圆筒状密封罩上方，上板上方从下到上依次放置有上压头、第一垫块、垫片和第二垫块，垫片上安装有位移传感器；湿度传感器的探头位于环形空腔内，湿度传感器与控制装置相连，控制装置控制连接蒸汽发生器的开关，蒸汽发生器经蒸汽管道与环形空腔相连通；所述侧限钢筒的侧壁上均匀分布有透气孔。

优选的，所述控制装置包括施密特触发器、非门和定值电阻，施密特触发器的输入端与湿度传感器相连，施密特触发器的输出端经非门与蒸汽发生器的开关相连，施密特触发器、非门及蒸汽发生器的开关均经定值电阻连接直流电源，其中，蒸汽发生器的开关采用电磁继电器。

优选的，所述圆环形下凸台的内径与下密封盘的直径相同；圆环形上凸台的内径与上密封盘的直径相同。

采用所述的膨胀岩水化过程中侧限膨胀力的测试装置进行测试的方法，依次包括以下步骤：

（1）将膨胀岩加热脱水后用夹具加工成圆柱状膨胀岩试样，并将膨胀岩试样放入侧限钢筒中；

（2）旋转手柄，手柄带动螺纹杆向下运动，并通过安装块带动安装架和压力传感器向下移动，当压力传感器接触到第二垫块时，记录下此时压力传感器和位移传感器的读数；

（3）蒸汽发生器的开关由低电平触发断开，由高电平触发闭合，通过控制装置控制蒸汽发生器打开，当湿度传感器检测到密封罩内的湿度超过设定值a时，施密特触发器输出高电平，经非门后变为低电平，蒸汽发生器的开关断开，蒸汽发生器停止运转；当湿度传感器检测到膨胀岩试样的湿度位于b到a之间（b<a）时，施密特触发器持续输出高电平，维持蒸汽发生器的状态不变，此时密封罩内的蒸汽含量不断下降；当湿度传感器检测到膨胀岩试样的湿度低于设定值b时，施密特触发器输出低电平，经非门后变为高电平，蒸汽发生器的开关打开，蒸汽发生器再次开始运转，使密封罩内的湿度保持在b到a的范围之内；

（4）蒸汽经蒸汽管道进入密封罩内，膨胀岩试样遇水膨胀，向上挤压上板，使位移传感器的示数发生变化；当位移传感器示数的变化量超过设置的门槛值后，旋转反力架上的手柄，使位移传感器的示数恢复到初始位置，记下此时压力传感器和湿度传感器所记录的数据；

（5）循环以上步骤，即得随时间变化的膨胀岩的膨胀特性。

本发明产生的有益效果是：本发明结构简单，操作方便，精确度高，且成本低，通过向密封罩内通入水蒸汽，来测试膨胀岩水化过程中的体积变化与时间和湿度之间的关系，从而为对膨胀岩的危害特性的研究提供参考，蒸汽发生器的开关由控制装置控制，使密封罩内的湿度保持在b到a范围之内，这样既省电又能达到湿度要求。本发明可以很方便的对水化过程中侧限膨胀力进行测试，并且精确度高、成本较低，对研究膨胀岩的膨胀力，对矿井巷道、铁路隧道、洞室工程中常常出现底板隆起、边墙挤出、混凝土衬砌破坏的现象的预防与解决具有指导意义。

附图说明

图1为本发明所述测试装置的结构示意图；

图2为本发明所述控制装置的电路原理图；

图3为侧限钢筒的侧面展开示意图；

图4为加工膨胀岩试样的C型夹具的轴视图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的其他所有实施例，都属于本发明的保护范围。

实施例1

如图1－3所示，一种膨胀岩水化过程中侧限膨胀力的测试装置，包括反力架、密封装置、湿度传感器5、蒸汽发生器3及控制装置4，反力架包括底座27和横梁21，底座27上端两侧各固定有一根竖直立柱18，横梁21的两端分别固定在两根竖直立柱18的上端；反力架的横梁21中部开设有螺纹通孔，螺纹通孔内螺纹连接有一个螺纹杆30，螺纹杆30的上端固定连接有手柄1，螺纹杆30的下端固定连接有安装块23，安装块23卡接于安装架24内并与安装架24转动连接，安装架24的两端分别套在两根竖直立柱18上，安装架24的下方安装有压力传感器6；所述密封装置包括圆筒状密封罩28、侧限钢筒20、上板10、下板17、上密封盘31和下密封盘9，圆筒状密封罩28顶端向内设置有圆环形上凸台11，圆筒状密封罩28底端向内设置有圆环形下凸台16，下板17放置在底座27上，圆筒状密封罩28放置在下板17上，下密封盘9放置在下板17上且位于圆环形下凸台16内，侧限钢筒20放置在圆环形上凸台11与圆环形下凸台16之间，并且侧限钢筒20、圆环形上凸台11、圆环形下凸台16、圆筒状密封罩侧壁之间围成一个圆环形空腔29；石膏岩试样19放置在侧限钢筒20内，上密封盘31放置在石膏岩试样19上且位于圆环形上凸台11内；上板10放置在圆筒状密封罩28上方，上板10上方从下到上依次放置有上压头8、第一垫块25、垫片22和第二垫块26，垫片22上安装有位移传感器7；湿度传感器5的探头位于圆环形空腔29内，湿度传感器5与控制装置4相连，控制装置4控制连接蒸汽发生器的开关15，蒸汽发生器3经蒸汽管道2与圆环形空腔29相连通；所述侧限钢筒20的侧壁上均匀分布有透气孔32。

控制装置4包括施密特触发器12、非门13和定值电阻14，施密特触发器12的输入端与湿度传感器5相连，施密特触发器12的输出端经非门13与蒸汽发生器的开关15相连，施密特发生器12、非门13及蒸汽发生器的开关15均连接直流电源，其中，蒸汽发生器的开关15采用电磁继电器，非门13与电磁继电器的线圈相连，电磁继电器的开关控制蒸汽发生器的开合，且蒸汽发生器的开关15由低电平触发断开，由高电平触发闭合。

所述圆环形下凸台的内径、圆环形上凸台的内径、上密封盘的直径、下密封盘的直径均相同。

采用所述的膨胀岩水化过程中侧限膨胀力的测试装置进行测试的方法，依次包括以下步骤：

（1）把φ50mm的标准石膏岩试样在恒温箱内加热脱水，然后在机床上用C型夹具将石膏加工为φ48.85mmH35mm的石膏岩试样，并将石膏岩试样放入侧限钢筒中；

（2）旋转手柄，手柄带动螺纹杆向下运动，并通过安装块带动安装架和压力传感器向下移动，当压力传感器接触到第二垫块时，记录下此时压力传感器和位移传感器的读数；

（3）蒸汽发生器的开关由低电平触发断开，由高电平触发闭合，通过控制装置控制蒸汽发生器打开，当湿度传感器检测到密封罩内的湿度超过设定值a时，施密特触发器输出高电平，经非门后变为低电平，蒸汽发生器的开关断开，蒸汽发生器停止运转；当湿度传感器检测到膨胀岩试样的湿度位于b到a之间（b<a）时，施密特触发器持续输出高电平，维持蒸汽发生器的状态不变，此时密封罩内的蒸汽含量不断下降；当湿度传感器检测到膨胀岩试样的湿度低于设定值b时，施密特触发器输出低电平，经非门后变为高电平，蒸汽发生器的开关打开，蒸汽发生器再次开始运转，使密封罩内的湿度保持在b到a的范围之内；

（4）蒸汽经蒸汽管道进入密封罩内，膨胀岩试样遇水膨胀，向上挤压上板，使位移传感器的示数发生变化；当位移传感器示数的变化量超过设置的门槛值后，旋转反力架上的手柄，使位移传感器的示数恢复到初始位置，记下此时压力传感器和湿度传感器所记录的数据；

（5）循环以上步骤，即可得在一定湿度条件下（b到a），石膏岩试样侧限膨胀力与时间的关系数据，对数据进行拟合可得到石膏岩试样侧限膨胀力F和时间t的关系曲线图。

Claims (4)

1.一种膨胀岩水化过程中侧限膨胀力的测试装置，其特征在于，包括反力架、密封装置、湿度传感器、蒸汽发生器及控制装置，反力架包括底座和横梁，底座上端两侧各固定有一根竖直立柱，横梁的两端分别固定在两根竖直立柱的上端；反力架的横梁中部开设有螺纹通孔，螺纹通孔内螺纹连接有一个螺纹杆，螺纹杆的上端固定连接有手柄，螺纹杆的下端固定连接有安装块，安装块位于安装架内并与安装架转动连接，安装架的两端分别套在两根竖直立柱上，安装架的下方安装有压力传感器；所述密封装置包括圆筒状密封罩、侧限钢筒、上板、下板、上密封盘和下密封盘，圆筒状密封罩顶端向内设置有圆环形上凸台，圆筒状密封罩底端向内设置有圆环形下凸台，下板放置在底座上，圆筒状密封罩放置在下板上，下密封盘放置在下板上且位于圆环形下凸台内，侧限钢筒放置在圆环形上凸台与圆环形下凸台之间，并且侧限钢筒、圆环形上凸台、圆环形下凸台、圆筒状密封罩侧壁之间围成一个环形空腔；膨胀岩试样放置在侧限钢筒内，上密封盘放置在膨胀岩试样上且位于圆环形上凸台内；上板放置在圆筒状密封罩上方，上板上方从下到上依次放置有上压头、第一垫块、垫片和第二垫块，垫片上安装有位移传感器；湿度传感器的探头位于环形空腔内，湿度传感器与控制装置相连，控制装置控制连接蒸汽发生器的开关，蒸汽发生器经蒸汽管道与环形空腔相连通；所述侧限钢筒的侧壁上均匀分布有透气孔。

2.如权利要求1所述膨胀岩水化过程中侧限膨胀力的测试装置，其特征在于，所述控制装置包括施密特触发器、非门和定值电阻，施密特触发器的输入端与湿度传感器相连，施密特触发器的输出端经非门与蒸汽发生器的开关相连，施密特触发器、非门及蒸汽发生器的开关均经定值电阻连接直流电源，其中，蒸汽发生器的开关采用电磁继电器。

3.如权利要求1所述膨胀岩水化过程中侧限膨胀力的测试装置，其特征在于，所述圆环形下凸台的内径与下密封盘的直径相同；圆环形上凸台的内径与上密封盘的直径相同。

4.利用权利要求2所述的膨胀岩水化过程中侧限膨胀力的测试装置进行测试的方法，其特征在于，依次包括以下步骤：

（1）将膨胀岩加热脱水后用夹具加工成圆柱状膨胀岩试样，并将膨胀岩试样放入侧限钢筒中；

（2）旋转手柄，手柄带动螺纹杆向下运动，并通过安装块带动安装架和压力传感器向下移动，当压力传感器接触到第二垫块时，记录下此时压力传感器和位移传感器的读数；

（3）蒸汽发生器的开关由低电平触发断开，由高电平触发闭合，通过控制装置控制蒸汽发生器打开，当湿度传感器检测到密封罩内的湿度超过设定值a时，施密特触发器输出高电平，经非门后变为低电平，蒸汽发生器的开关断开，蒸汽发生器停止运转；当湿度传感器检测到膨胀岩试样的湿度位于b到a之间（b<a）时，施密特触发器持续输出高电平，维持蒸汽发生器的状态不变，此时密封罩内的蒸汽含量不断下降；当湿度传感器检测到膨胀岩试样的湿度低于设定值b时，施密特触发器输出低电平，经非门后变为高电平，蒸汽发生器的开关打开，蒸汽发生器再次开始运转，使密封罩内的湿度保持在b到a的范围之内；

（4）蒸汽经蒸汽管道进入密封罩内，膨胀岩试样遇水膨胀，向上挤压上板，使位移传感器的示数发生变化；当位移传感器示数的变化量超过设置的门槛值后，旋转反力架上的手柄，使位移传感器的示数恢复到初始位置，记下此时压力传感器和湿度传感器所记录的数据；

（5）循环以上步骤，即得随时间变化的膨胀岩的膨胀特性。