一种基于核磁共振和冻融损伤的压缩试验系统及方法

1.本发明属于岩土工程技术领域，尤其涉及一种基于核磁共振和冻融损伤的压缩试验系统及方法。


背景技术：

2.高原高寒地区露天排土场的作用主要是接纳、收容露天矿山剥离的岩土，进行堆积时岩土之间存在的间隙较大，容易造成浸水的效果，且高原高寒地区入冬时间较早，早晚温差也较大，排土场存在循环冻融的现象。在循环冻融、重力及排土场结构等共同作用下，可能发生边坡失稳滑落，长期的开采扰动、爆破振动等一系列人为活动也会对排土场的稳定性有所影响。随着研究的不断深入与科学实验室的建立，针对排土场的非连续介质力学特性，通常采用室内试验的方法进行科学研究。
3.排土场通过长期的冻融循环、重力作用和矿山活动等影响其力学性质和结构都发生了改变，研究排土场微观破坏演变到宏观破坏的累积破坏过程，有利于判别排土场边坡失稳的破坏机制，进行合理的灾害预防。伴随着核磁共振技术的发展，研究岩土体在冻融作用和三轴加载双重作用下内部孔隙的微观变化累积至宏观变化的破裂过程有利于分析高原高寒地区排土场的稳定性研究，而技术关键在于研发冻融、核磁共振和三轴加载试验相配套的试验系统。基于以上需求，本发明提供了一种基于核磁共振和冻融损伤的压缩试验系统。本发明的试验系统解决了高原高寒地区排土场内部和临近表面的岩土体的微观破坏与宏观破坏过程的技术问题与科学研究。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种基于核磁共振和冻融损伤的压缩试验系统及方法，为完成岩土体试件在冻融试验和压缩试验双重条件下的损伤破坏成像分析，对样品进行持续循环的冻融试验、压缩试验和累积损伤成像分析，也可用于饱水状态岩土体试件的累积损伤成像分析。
5.为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案实现：
6.一种基于核磁共振和冻融损伤的压缩试验系统，包括方舱核磁共振仪、压缩试验系统、冷空气中转控制仪、温度控制装置，所述方舱核磁共振仪内设置有电热板，所述电热板与温度控制装置电连接，所述方舱核磁共振仪内设置有试验机底座用于放置试验样品，在所述试验机底座的上方有试验机压缩杆，所述试验机压缩杆从方舱核磁共振仪上端穿入并与压缩试验系统连接，所述方舱核磁共振仪通过管道与冷空气中转控制仪连接，在所述方舱核磁共振仪内还设有主磁体，所述主磁体向外连接磁共振分析设备，所述主磁体与试验样品放置位置相对，冷空气中转控制仪向方舱核磁共振仪内通入冷媒或压缩空气，所述方舱核磁共振仪还设有注水孔。
7.所述方舱核磁共振仪为方形，侧面设有密封阀门，所述试验机底座在方舱核磁共振仪底部中心位置，所述主磁体在方舱核磁共振仪的侧壁上。
8.在所述方舱核磁共振仪中还设有压力传感器和温度传感器。
9.所述方舱核磁共振仪采用非金属保温材料制成。
10.所述试验机压缩杆和试验机底座均采用高强度硬度的航空玻璃材质。
11.所述方舱核磁共振仪中的温度环境为-40～100℃。
12.一种利用基于核磁共振和冻融损伤的压缩试验系统的试验方法，包括如下方法：
13.将试验样品固定于试验机底座上，向方舱核磁共振仪内注入没过试验样品的水，通过冷空气中转控制仪向方舱核磁共振仪内通入压缩空气，对试验环境进行加压，对试验样品进行饱水处理，然后进行下述试验：
14.1)通过冷空气中转控制仪向方舱核磁共振仪中送入冷媒，对饱水处理后的试验样品进行反复的冻融试验，通过磁共振分析设备对试验样品进行冻融试验后的累积损伤情况、裂纹扩展情况、试验样品内部孔隙的变化情况的观察；
15.2)通过试验机压缩杆对试验样品进行压缩试验，通过磁共振分析设备对试验样品进行压缩试验后的累积损伤情况、裂纹扩展情况、试验样品内部孔隙的变化情况的观察；
16.3)对试验样品进行反复的冻融试验后，再进行压缩试验，通过磁共振分析设备对饱水状态试验样品在连续冻融试验和压缩试验后的累积损伤成像进行分析。
17.对试件施加围压，可以通过空气中转控制仪结合压力传感器进行调控。
18.饱水处理时，核磁共振仪内饱水的压力为15-25kpa。
19.现有技术相比，本发明的有益效果是：
20.1)本发明提供了一种基于核磁共振和冻融损伤的压缩试验系统及方法，不仅可以进行循环冻融试验，还可进行岩土体内部的孔隙度成像分析；
21.2)本发明中可通过冷空气中转控制仪往密封式的试验环境中加压空气达到试件饱水状态，节省了一部分经济成本。
22.3)本发明结合了压缩试验系统，可进行冻融循环和施加试件围压双重条件下的压缩试验研究，进而还可通过核磁共振成像分析累积冻融和累积加荷双重条件下材料样品的损伤特性和内部裂纹的扩展情况，有助于相关领域的学术研究。
23.4)通过本发明的试验系统，可进行试验环境加压，形成空气围压或液体围压的施加形式，注水形成水压时，可模拟水下压缩试验的科学方法。
附图说明
24.图1为本发明的结构示意图。
25.图2为方舱核磁共振仪的密封阀门的示意图。
26.图中：1-方舱核磁共振仪；2-通孔ⅰ；3-温度传感器；4-通孔ⅱ；5-电热板；6-通孔ⅲ；7-试验样品；8-试验机底座；9-拉手；10-密封阀门；11-导线ⅰ；12-温度调控装置；13-导管ⅰ；14-导管ⅱ；15-导线ⅱ；16-冷空气中转控制仪；17-导管ⅲ；18-导线ⅲ；19-温度显示栏；20-温度设置栏；21-导线ⅳ；22-导线
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；23-主磁体；24-试验机压缩杆；25-贯通孔；26-折页；27-压力传感器；28-导线。
具体实施方式
27.下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明：
28.一种基于核磁共振和冻融损伤的压缩试验系统，包括方舱核磁共振仪1、压缩试验系统、冷空气中转控制仪16、温度控制装置12，所述方舱核磁共振仪1内设置有电热板5，所述电热板5与温度控制装置12电连接，所述方舱核磁共振仪1内设置有试验机底座8用于放置试验样品7，在所述试验机底座8的上方有试验机压缩杆25，所述试验机压缩杆25从方舱核磁共振仪1上端穿入并与压缩试验系统连接，所述方舱核磁共振仪1通过管道与冷空气中转控制仪16连接，在所述方舱核磁共振仪1内还设有主磁体23，所述主磁体23向外连接磁共振分析设备，所述主磁体23与试验样品7放置位置相对，冷空气中转控制仪16向方舱核磁共振仪1内通入冷媒或压缩空气，方舱核磁共振仪1还设有注水孔6。
29.所述方舱核磁共振仪1为方形，侧面设有密封阀门9，所述试验机底座8在方舱核磁共振仪1底部中心位置，所述主磁体23在方舱核磁共振仪1的侧壁上。
30.在所述方舱核磁共振仪1中还设有压力传感器27和温度传感器3。
31.所述方舱核磁共振仪1采用非金属保温材料制成。
32.所述试验机压缩杆25和试验机底座8均采用高强度硬度的航空玻璃材质。
33.所述方舱核磁共振仪1中的温度环境为-40～100℃。
34.一种基于核磁共振和冻融损伤的压缩试验系统的试验方法，包括如下方法：
35.将试验样品7固定于试验机底座8上，关闭方舱核磁共振仪1的密封阀门9，向方舱核磁共振仪1内注入没过试验样品7的水，通过冷空气中转控制仪16向方舱核磁共振仪内通入压缩空气，对方舱核磁共振仪内的试验环境进行加压，对试验样品进行饱水处理并通过磁共振分析设备对试验样品7进行分析，然后进行下述试验：
36.1)通过冷空气中转控制仪16向方舱核磁共振仪中送入冷媒，对饱水处理后的试验样品7进行反复的冻融试验，通过磁共振分析设备对试验样品7进行冻融试验后的累积损伤情况、裂纹扩展情况、试验样品内部孔隙的变化情况的观察；
37.2)通过试验机压缩杆25对试验样品7进行压缩试验，通过磁共振分析设备对试验样品7进行压缩试验后的累积损伤情况、裂纹扩展情况、试验样品内部孔隙的变化情况的观察；
38.3)对试验样品7进行反复的冻融试验后，再进行压缩试验，通过磁共振分析设备对饱水状态试验样品在连续冻融试验和压缩试验后的累积损伤成像进行分析。
39.饱水处理时，方舱核磁共振仪1内的压力为核磁共振饱水的压力，一般为15-25kpa。
40.如图1-图2所示，主磁体23位于方舱核磁共振仪1内的后侧中心，用于试验样品7内部的水成像分析，主磁体23通过导线
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22连接磁共振分析设备；方舱核磁共振仪1底部的前侧底端设有注水孔6，可通过该孔注水进行水体冻融试验。
41.压缩试验系统包括试验机底座8和试验机压缩杆24，试验机底座8设置在方舱核磁共振仪1内部的底面中心，用于放置试验样品7等，试验机压缩杆24设置在方舱核磁共振仪1上端中心处，由贯通孔25耦合嵌套安装而成。
42.冷空气中转控制仪16包括导管ⅰ13、导管ⅱ14和导管ⅲ17，导管ⅲ17可以通过三通连接制造冷媒的设备(例如液态氮)和压缩空气设备，并通过阀门对两种介质进行切换同时控制通入量。温度调控装置通过导线ⅱ15连接冷空气中转控制仪16，方舱核磁共振仪1底部的前侧和后侧设有通孔ⅰ2连接导管ⅰ13、通孔ⅱ4连接导管ⅱ14。
43.温度设置仪包括温度设置栏20和温度显示栏19，可对试验环境的温度进行设置，方舱核磁共振仪1内部的左侧设有温度传感器3，温度传感器3通过导线ⅳ21连接温度设置仪，温度设置仪通过导线ⅲ18连接温度调控装置12，温度调控装置12可根据温度传感器3提供的温度信号控制电热板5，或者向冷空气中转控制仪16发送控制信号，通过冷空气中转控制仪调控冷媒通入量从而控制制冷温度；方舱核磁共振仪1内部的前后侧和左侧均安装有共五个电热板5，用于热化冰冻状态下的水体和试验样品7；五个电热板通过导线ⅰ11连接温度调控装置12。
44.压力传感器27设于温度传感器3正下方，通过导线ⅵ28连接压力显示器，用于测量试验环境的围压。
45.密封阀门10设于方舱核磁共振仪1底部的左侧与方舱开口完美契合，不仅用于试验样品7取放，还可形成密封的空间；密封阀门10设有拉手9，用于开启密封阀门10。
46.方舱核磁共振仪1的夹层部位设有保温材料，冷空气中转控制仪16可对试验环境进行加压，保证试验样品7处于饱水状态。
47.实施例1：
48.试验样品7选择岩土预制裂纹混合试件，关闭密封阀门，往方舱核磁共振仪1内注入没过试件的水，通过冷空气中转控制仪16对试验样品7通空气施压进行饱水处理，然后进行循环冻融试验，通过磁共振分析设备观察冻融试验的冻融损伤情况，进一步地，进行压缩试验，通过磁共振分析设备观察冻融试验和压缩试验双重条件下的累积损伤情况或裂纹扩展情况、试件内部孔隙的变化情况。
49.实施例2：
50.选择黏土状的试验样品进行循环冻融试验，黏土状的试验样品存在易冻裂和易受冲击破坏的情况，可以更好的观察黏土在冻融和循环冲击荷载条件下内部孔隙扩张和内部裂纹扩展的变化情况，关闭密封阀门，往方舱核磁共振仪内注入没过试件的水，通过冷空气中转控制仪16对试验样品7通空气施压进行饱水处理，进行循环冻融试验，通过磁共振分析设备观察冻融试验的冻融损伤情况，进一步地，施加围压，进一步地，进行压缩试验，通过磁共振分析设备观察冻融试验和压缩试验双重条件下的累积损伤情况或裂纹扩展情况、试件内部孔隙的变化情况。
51.实施例3：
52.选择试验样品混凝土试件进行循环冻融试验，关闭密封阀门，往方舱核磁共振仪内注入没过试件的水，通过冷空气中转控制仪16对试验样品7通空气施压进行饱水处理，进行压缩试验，通过磁共振分析设备观察压缩试验后的损伤情况或裂纹扩展情况、试件内部孔隙的变化情况。
53.实施例4：
54.选择试验样品混凝土试件进行循环冻融试验，关闭密封阀门，往方舱核磁共振仪内注入没过试件的水，通过冷空气中转控制仪16对试验样品7通空气施压进行饱水处理，进行循环冻融试验，进一步地，施加围压，进一步地，进行压缩试验，通过磁共振分析设备观察冻融试验和压缩试验双重条件下的累积损伤情况或裂纹扩展情况、试件内部孔隙的变化情况。