CN112834559A - 一种可考虑温度梯度的岩石冻融循环实验装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种可考虑温度梯度的岩石冻融循环实验装置，由水温控制系统、恒温水浴箱、流量计、水泵、阀门、温度传感器、温度监测系统、顶端温度源、顶端温控系统、底端温度源、底端温控系统、导热装置、岩石试样、透水滤网、保温箱主体、隔板组成，水温控制系统、恒温水浴箱、流量计、水泵、阀门依次连接并布置在保温箱主体左右两侧，岩石试样顶端和底端均设有导热装置；透水滤网将岩石试样和导热装置包裹在内，隔板布置在岩石试样不同高度处，温度传感器与温度监测系统相连，本发明具有结构简单、操作方便等特点。

Description

一种可考虑温度梯度的岩石冻融循环实验装置
技术领域
本发明专利涉及一种可考虑温度梯度的岩石冻融循环实验装置。
背景技术
寒区昼夜更替会导致环境温度发生周期性变化，当温度低于水冰相变点时，岩石内部的水会相变成冰，并伴随着体积膨胀，导致岩石内部裂隙和孔洞的扩展以及新裂纹的产生，岩石产生不可逆的损伤；当温度回升并高于水冰相变点后，岩石内部的冰融化成水，称为一次冻融循环。
在实验室内，通常采用冻融循环试验机开展岩石冻融循环过程的模拟，在中国专利授权书，CN 106908472 B中公布了一种可考虑水流影响的冻融循环实验装置，包括出水阀门、进水阀门、出水泵、进水泵、出水流量计、进水流量计、温度传感器、液氮循环系统、储水容器、进水管、出水管、实验箱主体、实验箱盖、试样架、温度控制系统、流量控制系统、导线、液氮、进水管孔、出水管孔、液氮循环孔、导线孔、试样和盛水容器组成，该装置通过出水阀门、出水泵、出水流量计和出水管组成的出水系统与进水阀门、进水泵、进水流量计和进水管组成的进水系统的配合能够在试样周围形成稳定的水流流过，从而实现在试样融化过程中考虑水流作用的目的，通过控制出水流量计和进水流量计的流量不同，能够实现控制水流速度的目的。
以上装置虽然能够将水流的影响考虑在岩石的冻融循环中的融化过程，但在实际的寒区工程中，对于处在河边或处于地下水流动附近的岩石，其冻结过程并非瞬间完成，通常岩石在靠近冷源附近会率先冻结，而在岩石接触水流的部位，其温度变化速率会产生变化，且变化幅度会受到水流流速和水流温度的影响，这样会在岩石内部形成温度梯度，因此，在设计冻融循环试验机时需要考虑温度梯度的影响，更符合工程实际。
发明内容
本发明的目的是为了提供一种可考虑温度梯度的岩石冻融循环实验装置，利用该装置，能够在岩石冻融循环过程中考虑温度梯度的影响。本发明具有结构简单、操作方便等特点。
为了达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种可考虑温度梯度的岩石冻融循环实验装置，是由水温控制系统、恒温水浴箱、流量计、水泵、阀门、温度传感器、温度监测系统、顶端温度源、顶端温控系统、底端温度源、底端温控系统、导热装置、岩石试样、透水滤网、保温箱主体、隔板组成。其中，水温控制系统、恒温水浴箱、流量计、水泵、阀门依次连接并布置在保温箱主体左右两侧；保温箱主体左右两侧从上至下可设置多个水温控制系统、恒温水浴箱、流量计、水泵、阀门；岩石试样顶端和底端均设有导热装置；顶端温度源和底端温度源分别与顶端温控系统和底端温控系统相连；透水滤网将岩石试样和导热装置包裹在内；隔板布置在岩石试样不同高度处使保温箱主体内部形成多层独立空间；每层独立空间内均设置有温度传感器，温度传感器与温度监测系统相连。
上述装置中，所述透水滤网、保温箱主体、隔板均由耐低温材料组成。
上述装置中，所述透水滤网可供水流通过，但岩石试样在冻融过程中的产生的破碎颗粒无法穿过此透水滤网。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
通过设置水温控制系统、恒温水浴箱、流量计、水泵、阀门、隔板，并将其设置成所述布置方式，可使得岩石试样在不同高度范围内的温度不同，在岩石冻结的过程中，通过控制每层水流的流速和温度可控制岩石试样在不同高度范围内的降温速率，从而使岩石试样在冻结过程中内部形成温度梯度；通过流量计、温度传感器、温度监测系统可实时监测不同高度范围内的水流温度和水流速度，以便实时进行调节；通过透水滤网可将岩石试样在冻融过程中剥落的破碎颗粒收集起来，以便测量冻融循环引起的岩石试样的损伤量。
附图说明
图1是本发明的可考虑温度梯度的岩石冻融循环实验装置结构示意图。
图中标号说明：1-水温控制系统，2-恒温水浴箱，3-流量计，4-水泵，5-阀门，6-温度传感器，7-温度监测系统，8-顶端温度源，9-顶端温控系统，10-底端温度源，11-底端温控系统， 12-导热装置，13-岩石试样，14-透水滤网，15-保温箱主体，16-隔板。
具体实施方式
以下将结合附图和具体实施例对本发明专利做进一步的详细说明，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，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前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例：
如图1是一种可考虑温度梯度的岩石冻融循环实验装置，是由水温控制系统1、恒温水浴箱2、流量计3、水泵4、阀门5、温度传感器6、温度监测系统7、顶端温度源8、顶端温控系统9、底端温度源10、底端温控系统11、导热装置12、岩石试样13、透水滤网14、保温箱主体15、隔板16组成。其中，水温控制系统1、恒温水浴箱2、流量计3、水泵4、阀门5依次连接并布置在保温箱主体15左右两侧；保温箱主体15左右两侧从上至下可设置多个水温控制系统1、恒温水浴箱2、流量计3、水泵4、阀门5；岩石试样13顶端和底端均设有导热装置12；顶端温度源8和底端温度源10分别与顶端温控系统9和底端温控系统11相连；透水滤网14将岩石试样13和导热装置12包裹在内；隔板16布置在岩石试样14不同高度处使保温箱主体15内部形成多层独立空间；每层独立空间内均设置有温度传感器6，温度传感器6与温度监测系统7相连；透水滤网14、保温箱主体15、隔板16均由耐低温材料组成；透水滤网14可供水流通过，但岩石试样13在冻融过程中的产生的破碎颗粒无法穿过此透水滤网。
冻融循环试验步骤如下：
第一步，在保温箱主体15内从底端至顶端依次布置底端温度源10、导热装置12、岩石试样13、导热装置12、顶端温度源8，将顶端温度源8和底端温度源10分别与顶端温控系统9和底端温控系统11相连，将隔板16根据设计需求固定在不同岩石试样13高度位置，在图1中，隔板将岩石试样13分为三层，分别记为上层、中层、下层，每一层的恒温水浴箱位于保温箱主体15左右两侧，为方便描述，分别记为上层左侧恒温水浴箱2、上层右侧恒温水浴箱2、中层左侧恒温水浴箱2、中层右侧恒温水浴箱2、下层左侧恒温水浴箱2、下层右侧恒温水浴箱2，使用多个透水滤网14围住岩石试样13和导热装置12，上层透水滤网14上下端与分别与顶端温度源8和隔板16相接触，中层透水滤网14上下端与分别与隔板16相接触，下层透水滤网14上下端与分别与隔板16和底端温度源10相接触，布置完成后，关闭所有的阀门5；
第二步，将蒸馏水倒入每层的恒温水浴箱2内，借助每层的水温控制系统1设置对应的恒温水浴箱2内蒸馏水的温度；
第三步，开启所有阀门5，然后根据每层设计的水流方向开启对应的水泵，例如，若需要设置上层水流方向为从左到右，则需要开启位于上层右侧的水泵4，一段时间后，就会在上层形成从左到右的稳定水流，同时，借助流量计3和温度传感器6实时监测每层水流的温度和流速，根据设计需要可实时进行调整；
第四步，待每层水流稳定后，开启顶端温控系统9和底端温控系统11，设置顶端温度源 8和底端温度源10的温度，在冻结过程中，通过导热装置12可将冷量传递到岩石试样13上，由于上层、中层、下层均有设置好的温度和流速的流动水，在冻结过程中岩石试样13内部会形成温度梯度，并逐渐冻结；
第五步，当岩石试样13全部冻结后，关闭所有的水泵4和阀门5；
第六步，待达到设定的冻结时间后，关闭顶端温控系统9和底端温控系统11，借助每层水温控制系统1设置对应的恒温水浴箱2内蒸馏水的温度，打开所有的水泵4和阀门5，借助流量计3和温度传感器6实时监测每层水流的温度和流速，根据设置需要可实时进行调整，由于每层流动水的温度和流速不同，可使岩石试样13在融化过程也可形成温度梯度，并在流动的水中逐渐融化；
第七步，待到达所需的融化时间后，一次冻融循环完成，然后，重复步骤三到步骤六，直到完成所有的冻融循环次数，待最后一次冻融循完成后，所有的拆除隔板16，取出岩石试样13和透水滤网14，并测试位于透水滤网14内岩石试样13在冻融过程中剥落的破碎颗粒，以便进行后续分析。

Claims (2)

1.一种可考虑温度梯度的岩石冻融循环实验装置，是由水温控制系统(1)、恒温水浴箱(2)、流量计(3)、水泵(4)、阀门(5)、温度传感器(6)、温度监测系统(7)、顶端温度源(8)、顶端温控系统(9)、底端温度源(10)、底端温控系统(11)、导热装置(12)、岩石试样(13)、透水滤网(14)、保温箱主体(15)、隔板(16)组成，其特征在于：水温控制系统(1)、恒温水浴箱(2)、流量计(3)、水泵(4)、阀门(5)依次连接并布置在保温箱主体(15)左右两侧；保温箱主体(15)左右两侧从上至下可设置多个水温控制系统(1)、恒温水浴箱(2)、流量计(3)、水泵(4)、阀门(5)；岩石试样(13)顶端和底端均设有导热装置(12)；顶端温度源(8)和底端温度源(10)分别与顶端温控系统(9)和底端温控系统(11)相连；透水滤网(14)将岩石试样(13)和导热装置(12)包裹在内；隔板(16)布置在岩石试样(14)不同高度处使保温箱主体(15)内部形成多层独立空间；每层独立空间内均设置有温度传感器(6)，温度传感器(6)与温度监测系统(7)相连。
2.根据权利要求1所述的一种可考虑温度梯度的岩石冻融循环实验装置，其特征在于：所述透水滤网(14)、保温箱主体(15)、隔板(16)均由耐低温材料组成。
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