CN110231279B - 岩石干湿循环溶蚀综合试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种岩石干湿循环溶蚀综合试验方法，步骤A：利用动水环境模拟试验装置进行岩石动水溶蚀模拟试验；步骤B：利用静水环境模拟试验装置进行岩石静水溶蚀模拟试验；步骤C：利用干燥模拟试验装置进行岩石失水烘干；步骤D：同一岩样的试验试样7，重复步骤A至步骤C，分别完成3次干湿循环、6次干湿循环、10次干湿循环试验后，再将劣化后的试验试样7用保鲜膜密封，保存在干燥箱内，以备后续岩石力学试验采用。该方法能对岩石进行干湿循环溶蚀综合试验，并结合各具体步骤中的参数，能真实模拟自然界水岩溶蚀过程，精确地揭示岩石与水之间的溶蚀规律。

Description

岩石干湿循环溶蚀综合试验方法

技术领域

本发明涉及一种岩石溶蚀试验方法，具体涉及水—岩干湿循环溶蚀的综合试验方法。

背景技术

溶蚀是指岩石中的矿物与酸液或者地层水之间发生的反应。其中，岩石中的矿物与地层水之间发生的反应称为“水—岩溶蚀”。现有技术中水对岩石的溶蚀试验多以静态水溶蚀为研究手段，对岩石的溶蚀效果不同。但现实情况中，水对岩石的作用，包括流动形式的动水和浸泡形式的静水。在地下水多以季节性雨水补给的地区，水岩的相互作用往往呈现水流溶蚀、静水浸泡和反复干湿共同作用的情况。因此单独采用静态水进行水岩溶蚀的研究方法无法精确地揭示岩石与水之间的溶蚀规律。相应地，对静态水溶蚀后岩石的质量、岩石的孔隙度、溶蚀液成分含量、溶蚀量、溶解度、微观结构变化、力学状态变化等进行测定和分析也存在偏差。因此，以静态水溶蚀进行研究的方式，特别是对于含膏岩石的力学特性研究存在较大的局限性。

发明内容

本发明拟提供一种能对岩石进行干湿循环溶蚀综合试验的方法，确保试验过程中的岩石受动水、静水及反复干湿共同作用，能真实反映自然界中岩石的溶蚀过程，水岩溶蚀后的质量、岩石的孔隙度、溶蚀液成分含量、溶蚀量、溶解度、微观结构变化、力学状态变化等测定和分析结果与真实情况更吻合，后续的力学测试结果更具指导价值。

为此，本发明所采用的技术方案为：一种岩石干湿循环溶蚀综合试验方法，包括如下步骤：

步骤A：利用动水环境模拟试验装置进行岩石动水溶蚀模拟试验；

所述动水环境模拟试验装置包括恒压水箱，所述恒压水箱共有四个出水口并从左到右依次等距间隔设置，每个出水口配备有一个出水管路，每个出水管路上串联有水流止水阀、装样容器、浮子流量计、流速控制阀，所述装样容器包括装样筒和顶盖，装样筒通过外螺纹与顶盖的内螺纹旋合在一起并配备密封圈实现密封；在顶盖上开有进水口，在装样筒底部开有出水口，在顶盖上还开有透气孔，并配备有橡皮软塞用于试验过程中封堵；在装样容器内放置有试样滤网架，所述试样滤网架为上小下大的圆锥台，在圆锥台的侧壁上开有与内腔相通的格栅孔，且圆锥台的内腔与装样容器的出水口相通；所述出水管路、装样容器、浮子流量计均采用透明材质；

步骤A—1：制作圆柱形的试验试样，将试验试样的上、下端头均采用塑料薄膜包裹4—8mm并结合橡筋箍紧，将试验试样放置在试样滤网架上，在顶盖内侧安装好密封圈，顶盖旋紧在装样筒上；

步骤A—2：关闭所有的水流止水阀，打开恒压水箱的水源开关，使恒压水箱上水至设计水位高度；

步骤A—3：打开出水管路上的水流止水阀，待装样容器的出水口排水时，用橡皮软塞封堵顶盖上的透气孔，然后少许打开流速控制阀，使水流缓慢地流过浮子流量计；之后将流速控制阀缓缓开至最大，直到水充满整个出水管路，关闭流速控制阀；

步骤A—4：检测各个出水管路是否有漏水，并进行封堵，然后缓慢打开流速控制阀，同时观察浮子流量计中的度数，达到预定流速后，保持流速控制阀的开关大小，开始试验，将试验试样控制在8个小时内浸泡完成，后持续48小时浸泡，其中为了不让水流速度对试验试样单面冲刷，每隔12小时后旋转一面，每隔12小时采集一次浸出液；

步骤B：利用静水环境模拟试验装置进行岩石静水溶蚀模拟试验；

所述静水环境模拟试验装置采用透明密封盒，透明密封盒带有透明塑料盖，在透明密封盒的侧壁上设置有刻度线；所述刻度线由上下等距间隔设置的四条短横线构成；

将试验试样竖直放入透明密封盒内，向透明密封盒内注入浸泡水实现试验试样的三维浸没吸水，试验过程中按每两小时增加1/4试验试样的浸没高度，全部浸没完毕后再持续48小时的浸水时间；

步骤C：利用干燥模拟试验装置进行岩石失水烘干；

所述干燥模拟试验装置采用烘干箱，若试验试样为石膏质岩，则采用的烘干温度为50℃，其余岩石采用的烘干温度为105—110℃，烘干时间为24小时；

步骤D：同一岩样的试验试样，重复步骤A至步骤C，分别完成3次干湿循环、6次干湿循环、10次干湿循环试验后，再将劣化后的试验试样用保鲜膜密封，保存在干燥箱内，以备后续岩石力学试验采用。

作为上述方案的优选，在步骤A中，所述恒压水箱包括蓄水箱和水位控制阀，所述水位控制阀安装在蓄水箱的顶部进水口处，在水位控制阀的出水口处接有净水器；所述蓄水箱安装在置物架上，使蓄水箱距离地面的高度为1.5m—1.8m，且装样容器低于蓄水箱；在步骤B中，由恒压水箱向透明密封盒内注入浸泡水。

进一步优选为，在步骤A中，四个所述出水管路上的装样容器、浮子流量计固定安装在同一支撑架上，所述支撑架由底板、立板，以及上下间隔设置并前后错开的第一水平安装板、第二水平安装板组成，四个出水管路上的装样容器从左到右依次间隔安装在第一水平安装板上，四个出水管路上的浮子流量计从左到右依次间隔安装在第二水平安装板上。

进一步优选为，在步骤A中，对于试验试样的岩样选择，首先对岩石进行矿物成分分析，XRD送样样本要具有整体代表性，再进行标准试样加工，去除其中存在有缺陷的样品，最后进行超声波检测，剔除其中离散度较大的岩样，再对岩样进行试验编号。

本发明的有益效果：该方法通过依次对岩石进行动水溶蚀模拟试验、静水溶蚀模拟试验以及干燥模拟试验的反复多次循环，并结合各具体步骤中的参数，能真实模拟自然界水岩溶蚀过程，精确地揭示岩石与水之间的溶蚀规律；特别是动水环境模拟试验装置，能为试验试样提供持续稳定的动态水流，并巧妙设置试验步骤，反复循环作用于试验试样，使试验过程更接近真实情况，对研究水—岩溶蚀后的岩石力学特性，特别是含膏岩石的力学特性具有重要指导意义。

附图说明

图1为本发明的方法步骤图。

图2为动水环境模拟试验装置的正视图(不含试样滤网架、试验试样)。

图3为图2的左视图(不含试样滤网架、试验试样)。

图4为装样容器中水流方向示意。

图5为装样容器中水流涡流效果图。

图6为静水环境模拟试验装置的正视图。

具体实施方式

下面通过实施例并结合附图，对本发明作进一步说明：

结合图2—图5所示，动水环境模拟试验装置主要由恒压水箱1、水流止水阀2、装样容器3、浮子流量计4、流速控制阀5、试样滤网架6、试验试样7、薄膜包裹、出水管路组成。

恒压水箱1主要由蓄水箱1a和水位控制阀1b组成，主要作用是为整套动态水流装置提供恒定的水流速度。

水位控制阀1b安装在蓄水箱1a的顶部进水口处，其目的是为保持蓄水箱内的稳定水位高度和为动态水流装置提供稳定的流速，不需要人为维持蓄水箱的水位，简化了试验操作。在水位控制阀1b的出水口处接有净水器。优选为，采用美的MC122-2型便携式净水器，其滤芯为碳纤维材质，由5层材质组合滤水，过滤精度为2-40nm，能过滤掉泥沙、铁锈并能吸附96％余氯，保证试验用水的质量要求。

蓄水箱1a安装在置物架8上，使蓄水箱1a距离地面的高度为1.5m—1.8m，且装样容器3低于蓄水箱1a。恒压水箱通过放置1.5-1.8m的高度来提供足够的水压，以确保水流能达到设计要求。

本装置可同时设置多个试验水路，缩短试验时间。试验试件的增多，致使试验时间的增加，本装置采用多水路同一恒压水箱设计，每条水路可分别模拟不同的流速环境，并可根据试验设计需要设置不同个数的水路个数。还可在水路的出水口端接收水流溶蚀的溶出液，对溶出液进行研究。整套装置可实现多水路条件、多流速控制、流速溶蚀试验、溶出液取样等试验需求。在安装时，恒压水箱1可同时设置4个出水管路或者更多，能同时进行四个或更多个试验试样7的动态水流环境模拟试验，以节省试验时间。在恒压水箱1的每个出水管路上串联有水流止水阀2、装样容器3、浮子流量计4、流速控制阀5。水流止水阀2的作用是提供各条水路的水流。每条水路配备一个流速控制阀5，可实现各个水路间的独自控制，能随时控制开始或者停止该水路下的动态水流试验。流速控制阀5作用是控制各个水路的流速，设计在单个水路的尾端，通过开关的大小控制出水量，配合观察浮子流量计显示的实时流量值，从而使整条水路中的流速到达设计流速要求。浮子流量计4主要目的是实时观测装置内的流速，可以随时观测装置各水路中的流速情况，配套流速止水阀，可实现量程内的流速要求，流量计采用6—60L/h的塑料浮子流量计，型号为LZS-15C。

装样容器3的作用主要是为了模拟水流在岩石上的溶蚀作用，该装置可以提高水流和岩样的接触效果，让岩石达到既能浸泡在水流中，又能受到水流冲刷作用。装样容器3由装样筒3a和顶盖3b组成。配备顶盖3b，目的是方便试验试样7的装取。在顶盖3b上开有进水口，在装样筒3a底部开有出水口。最好是，装样筒3a通过外螺纹与顶盖3b的内螺纹旋合在一起并配备密封圈实现密封；装样容器的封闭式设计能够使水流充分与岩样接触，并能使岩样处在一定的水流压力下，模拟岩-水作用效果更为接近现实状况。另外，顶盖3b上的进水口与装样筒3a底的出水口最好孔径一致。在顶盖3b上还开有透气孔，作用是排出充水时装样容器3内的空气；透气孔配备有橡皮软塞用于试验过程中封堵。水路连接时，装样容器3的进水口、出水口采用金属水管接口旋接软管，外加螺丝卡箍旋紧。装样容器3可采用亚克力材质，设置螺纹旋合的顶盖3b，方便装样和清洗。在密封充水时，配合设计的透气孔使装样容器达到满水状态。

出水管路、装样容器3、浮子流量计4均采用透明材质，可以全过程观察水流在装置内的行进路程和阶段，只需通过水流止水阀2、浮子流量计4、流速控制阀5就可控制一路水流通道，并可通过观测浮子流量计来达到设计水速。

在装样容器3内放置有试样滤网架6。试样滤网架6的目的是为了让水流能畅通地在装样容器3中流出，并且可以使试验试样7在动水下保持稳定。试样滤网架6为上小下大的圆锥台，在圆锥台的侧壁上开有与内腔相通的格栅孔，且圆锥台的内腔与装样容器3的出水口相通；试样滤网架6上放置有试验试样7，试验试样7呈圆柱形。试样滤网架6最好采用塑料提笼结构，将试验试样7置于一定高度，并确保水流能顺利地从装样容器3的出水口流出。

装样容器3中水流的流向分布(如图4、图5所示中箭头所示)，管流在变截面处会出现涡流现象,涡流的存在会加快水流对岩面的机械溶蚀作用，导致端面不整齐、不规则。为了让试验试样7在水流作用后仍能进行力学试验，对试验试样7两端封闭处理，试验试样7的上、下端头均采用塑料薄膜包裹，这种方式可以使水流作用后岩样端面仍能保持完整性。通过这种处理方式，既能观察岩样受水流溶蚀的作用效果，还能满足单轴、三轴试验对试样的尺寸要求。试验试样7的上、下端头均采用塑料薄膜包裹，可以防止垂直水流对岩样的重力冲刷作用和后期力学试验试样端面的完整性，防止上下端面破损严重，包裹设计的轴向长度约为5mm。

恒压水箱1共有四个出水口并从左到右依次等距间隔设置，每个出水口配备有一个出水管路，每个出水管路上串联有水流止水阀2、装样容器3、浮子流量计4、流速控制阀5。

四个出水管路上的装样容器3、浮子流量计4固定安装在同一支撑架9上。支撑架9由底板9a、立板9b，以及上下间隔设置并前后错开的第一水平安装板9c、第二水平安装板9d组成，四个出水管路上的装样容器3从左到右依次间隔安装在第一水平安装板9c上，四个出水管路上的浮子流量计4从左到右依次间隔安装在第二水平安装板9d上。支撑架9能满足浮子流量计的安装要求，用来垂直并固定浮子流量计和装样容器。

图6所示为静水环境模拟试验装置，采用透明密封盒10，透明密封盒10带有透明塑料盖10a，在透明密封盒10的侧壁上设置有刻度线10b。透明密封盒10的大小应确保试验试样放入后能三维浸没吸水。最好是，透明密封盒10侧壁上的刻度线10b由上下等距间隔设置的四条短横线构成，透明密封盒10采用方形盒，实验过程中在自然条件下每两小时浸没1/4试验试样的高度，全部浸没后再持续48小时的浸水时间。

干燥模拟试验装置采用烘干箱(图中未示出)。

一种岩石干湿循环溶蚀综合试验方法，如图1所示，包括如下步骤：

步骤A：利用动水环境模拟试验装置进行岩石动水溶蚀模拟试验；

步骤A—1：制作圆柱形的试验试样7，将试验试样7的上、下端头均采用塑料薄膜包裹4—8mm并结合橡筋箍紧，将试验试样7放置在试样滤网架6上，在顶盖3b内侧安装好密封圈，顶盖3b旋紧在装样筒3a上；

步骤A—2：关闭所有的水流止水阀2，打开恒压水箱1的水源开关，使恒压水箱1上水至设计水位高度；

步骤A—3：打开出水管路上的水流止水阀2，待装样容器3的出水口排水时，用橡皮软塞封堵顶盖3b上的透气孔，然后少许打开流速控制阀5，使水流缓慢地流过浮子流量计4；之后将流速控制阀5缓缓开至最大，直到水充满整个出水管路，关闭流速控制阀5；

步骤A—4：检测各个出水管路是否有漏水，并进行封堵，然后缓慢打开流速控制阀5，同时观察浮子流量计4中的度数，达到预定流速后，保持流速控制阀5的开关大小，开始试验。将试验试样7控制在8个小时内浸泡完成，后持续48小时浸泡，其中为了不让水流速度对试验试样7单面冲刷，每隔12小时后旋转一面，每隔12小时采集一次浸出液。

在步骤A中，对于试验试样7的岩样选择，首先对岩石进行矿物成分分析，XRD送样样本要具有整体代表性，再进行标准试样加工，去除其中存在有缺陷的样品，最后进行超声波检测，剔除其中离散度较大的岩样，再对岩样进行试验编号

步骤B：利用静水环境模拟试验装置进行岩石静水溶蚀模拟试验；

将试验试样7竖直放入透明密封盒10内，向透明密封盒10内注入浸泡水实现试验试样7的三维浸没吸水，试验过程中按每两小时增加1/4试验试样7的浸没高度，全部浸没完毕后再持续48小时的浸水时间。在步骤B中，最好是，由恒压水箱1向透明密封盒10内注入浸泡水。

步骤C：利用干燥模拟试验装置进行岩石失水烘干；

干燥模拟试验装置采用烘干箱，若试验试样7为石膏质岩，则采用的烘干温度为50℃，其余岩石采用的烘干温度为105—110℃，烘干时间为24小时。

步骤D：同一岩样的试验试样7，重复步骤A至步骤C，分别完成3次干湿循环、6次干湿循环、10次干湿循环试验后，再将劣化后的试验试样7用保鲜膜密封，保存在干燥箱内，以备后续岩石力学试验采用。

Claims (4)

1.一种岩石干湿循环溶蚀综合试验方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤A：利用动水环境模拟试验装置进行岩石动水溶蚀模拟试验；

所述动水环境模拟试验装置包括恒压水箱(1)，所述恒压水箱(1)共有四个出水口并从左到右依次等距间隔设置，每个出水口配备有一个出水管路，每个出水管路上串联有水流止水阀(2)、装样容器(3)、浮子流量计(4)、流速控制阀(5)，所述装样容器(3)包括装样筒(3a)和顶盖(3b)，装样筒(3a)通过外螺纹与顶盖(3b)的内螺纹旋合在一起并配备密封圈实现密封；在顶盖(3b)上开有进水口，在装样筒(3a)底部开有出水口，在顶盖(3b)上还开有透气孔，并配备有橡皮软塞用于试验过程中封堵；在装样容器(3)内放置有试样滤网架(6)，所述试样滤网架(6)为上小下大的圆锥台，在圆锥台的侧壁上开有与内腔相通的格栅孔，且圆锥台的内腔与装样容器(3)的出水口相通；所述出水管路、装样容器(3)、浮子流量计(4)均采用透明材质；

步骤A—1：制作圆柱形的试验试样(7)，将试验试样(7)的上、下端头均采用塑料薄膜包裹4—8mm并结合橡筋箍紧，将试验试样(7)放置在试样滤网架(6)上，在顶盖(3b)内侧安装好密封圈，顶盖(3b)旋紧在装样筒(3a)上；

步骤A—2：关闭所有的水流止水阀(2)，打开恒压水箱(1)的水源开关，使恒压水箱(1)上水至设计水位高度；

步骤A—3：打开出水管路上的水流止水阀(2)，待装样容器(3)的出水口排水时，用橡皮软塞封堵顶盖(3b)上的透气孔，然后少许打开流速控制阀(5)，使水流缓慢地流过浮子流量计(4)；之后将流速控制阀(5)缓缓开至最大，直到水充满整个出水管路，关闭流速控制阀(5)；

步骤A—4：检测各个出水管路是否有漏水，并进行封堵，然后缓慢打开流速控制阀(5)，同时观察浮子流量计(4)中的度数，达到预定流速后，保持流速控制阀(5)的开关大小，开始试验，将试验试样(7)控制在8个小时内浸泡完成，后持续48小时浸泡，其中为了不让水流速度对试验试样(7)单面冲刷，每隔12小时后旋转一面，每隔12小时采集一次浸出液；

步骤B：利用静水环境模拟试验装置进行岩石静水溶蚀模拟试验；

所述静水环境模拟试验装置采用透明密封盒(10)，透明密封盒(10)带有透明塑料盖(10a)，在透明密封盒(10)的侧壁上设置有刻度线(10b)；所述刻度线(10b)由上下等距间隔设置的四条短横线构成；

将试验试样(7)竖直放入透明密封盒(10)内，向透明密封盒(10)内注入浸泡水实现试验试样(7)的三维浸没吸水，试验过程中按每两小时增加1/4试验试样(7)的浸没高度，全部浸没完毕后再持续48小时的浸水时间；

步骤C：利用干燥模拟试验装置进行岩石失水烘干；

所述干燥模拟试验装置采用烘干箱，若试验试样(7)为石膏质岩，则采用的烘干温度为50℃，其余岩石采用的烘干温度为105—110℃，烘干时间为24小时；

步骤D：同一岩样的试验试样(7)，重复步骤A至步骤C，分别完成3次干湿循环、6次干湿循环、10次干湿循环试验后，再将劣化后的试验试样(7)用保鲜膜密封，保存在干燥箱内，以备后续岩石力学试验采用。

2.按照权利要求1所述的岩石干湿循环溶蚀综合试验方法，其特征在于：在步骤A中，所述恒压水箱(1)包括蓄水箱(1a)和水位控制阀(1b)，所述水位控制阀(1b)安装在蓄水箱(1a)的顶部进水口处，在水位控制阀(1b)的出水口处接有净水器；所述蓄水箱(1a)安装在置物架(8)上，使蓄水箱(1a)距离地面的高度为1.5m—1.8m，且装样容器(3)低于蓄水箱(1a)；在步骤B中，由恒压水箱(1)向透明密封盒(10)内注入浸泡水。

3.按照权利要求1所述的岩石干湿循环溶蚀综合试验方法，其特征在于：在步骤A中，四个所述出水管路上的装样容器(3)、浮子流量计(4)固定安装在同一支撑架(9)上，所述支撑架(9)由底板(9a)、立板(9b)，以及上下间隔设置并前后错开的第一水平安装板(9c)、第二水平安装板(9d)组成，四个出水管路上的装样容器(3)从左到右依次间隔安装在第一水平安装板(9c)上，四个出水管路上的浮子流量计(4)从左到右依次间隔安装在第二水平安装板(9d)上。

4.按照权利要求1所述的岩石干湿循环溶蚀综合试验方法，其特征在于：在步骤A中，对于试验试样(7)的岩样选择，首先对岩石进行矿物成分分析，XRD送样样本要具有整体代表性，再进行标准试样加工，去除其中存在有缺陷的样品，最后进行超声波检测，剔除其中离散度较大的岩样，再对岩样进行试验编号。

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