一种膨胀性岩石湿度扩散模拟装置及湿度扩散系数测定方法

本发明涉及岩石实验，具体涉及一种膨胀性岩石湿度扩散模拟装置及湿度扩散系数测定方法。

背景技术：

1、膨胀性岩石是指与水发生物理化学反应，导致岩石含水量随时间增加，且体积随时间增大的一类岩石。当膨胀性岩石受到扰动，遇到地下水后，其性状发生巨大变化，产生体积膨胀，如：硬石膏岩水化重结晶后，其体积可增加30％左右，会对其中的构筑物产生膨胀应力，影响工程的稳定性。膨胀性岩石对环境因素非常敏感，特别是湿度条件变化时，岩石的物理力学性质会产生很大的变化，除体积膨胀外，还会强度降低，对膨胀性岩石工程的稳定性产生较大的影响，而湿度是岩石型巷道强度损伤的重要因素，测量岩石湿度扩散系数和湿度变化的深度，对于评估岩石工程在不同湿度条件下的稳定性具有重要意义。膨胀性岩石具有吸水膨胀崩解的特性，但目前的一些湿度扩散试验方法存在一定的局限性，现有的试验装置通常不考虑岩石的崩解特性，不适用于岩石这类岩石。另一方面，重量法和电阻法是两种常用的方法来测试材料的湿度扩散性能，重量法通过测量材料在湿度环境下的质量变化来评估湿度扩散性能。电阻法利用材料在湿度变化下的电阻变化来评估湿度扩散性能。传统的重量法和电阻法在测试过程中可能受到外部条件的干扰，不能实时的提供湿度变化的数据，而且无法提供关于湿度扩散深度和不同位置湿度扩散系数的详细信息，且传统的电阻法为将传感器放在待测材料内部，会破坏待测材料本身结构。针对上述存在的问题，研究设计一种新型的膨胀性岩石湿度扩散模拟装置及湿度扩散系数测定方法，克服现有膨胀性岩石湿度扩散测量中所存在的问题是十分必要的。

技术实现思路

1、为了解决现有膨胀性岩石湿度扩散测量中存在的没有考虑膨胀性岩石吸水膨胀崩解特性、测量时受外部条件干扰严重、不能详细提供湿度扩散系数信息且会破坏岩石本身结构的问题，本发明提供了一种膨胀性岩石湿度扩散模拟装置及湿度扩散系数测定方法。本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：一种膨胀性岩石湿度扩散系数测定方法，采用一种膨胀性岩石湿度扩散模拟装置进行湿度扩散系数测定，所述膨胀性岩石湿度扩散模拟装置包括恒温恒湿箱、试样槽、应变片列阵和数据采集与控制系统；所述恒温恒湿箱用于调节试验环境的温度和湿度，并保持湿度温度的稳定性；所述试样槽设置于所述恒温恒湿箱内部且一端开口，用于放置岩石试样；所述应变片列阵设置于所述试样槽外表面，用于测量所述试样槽外壁不同位置的应变数据，并将所述应变数据传输给所述数据采集与控制系统；所述数据采集与控制系统分别与所述恒温恒湿箱及所述应变片连接，用于接收所述应变数据并存储、处理和分析，以及控制所述恒温恒湿箱内部温度及湿度；

2、所述膨胀性岩石湿度扩散系数测定方法包括如下步骤：

3、s1.制作岩石试样，并进行预处理：采集目标区域的岩样样品，将岩样样品进行加工，加工出多个相同的岩石试样，对多个岩石试样进行干燥处理，消除内部残余水分，分别对处理后的多个岩石试样进行密度测试并记录其干密度；

4、s2.进行多组对照试验，建立应变数据与含水率关系曲线：将步骤s1干燥处理后的岩石试样置于所述试样槽内部，将所述试样槽及岩石试样整体进行称重，称重后将所述试样槽及岩石试样放入恒温恒湿箱中静置进行扩散试验，在扩散过程中，所述数据采集与控制系统通过所述应变片列阵对所述试样槽的筒壁外侧应变数据进行连续监测，直到应变数据稳定，将所述试样槽及岩石试样整体进行称重，所述数据采集与控制系统记录该湿度条件下对应的所述试样槽筒壁外侧应变数据，通过所述数据采集与控制系统调节所述恒温恒湿箱内部湿度并重复上述步骤，制备不同含水率的岩石试样，通过所述试样槽筒外侧应变数据获得不同含水率岩石试样的应变数据，利用回归公式对岩石试样应变数据与含水率之间的关系进行拟合，绘制应变数据与含水率关系曲线；

5、s3.岩石湿度扩散系数测定：将步骤s1干燥处理后的岩石试样置于所述试样槽2中进行岩石湿度扩散试验，所述数据采集与控制系统通过所述应变片列阵采集不同扩散时间下的所述试样槽筒壁外侧应变数据，通过应变数据和含水率之间的关系曲线确定在每个时间下岩石试样内部不同位置的含水率，根据fick第二定律由含水率计算每个时间下岩石试样不同位置的湿度扩散系数。

6、根据本技术一些实施例的膨胀性岩石湿度扩散系数测定方法，所述步骤s1中加工后的所述岩石试样为直径50mm高200mm的圆柱状试样，干燥处理包括将所述岩石试样放入烘箱中，设置恒定温度为105℃，持续烘干24小时，烘干后将所述岩石试样放置在干燥器中冷却至室温，将冷却后的所述岩石试样置于真空容器中，通过真空泵对所述岩石试样进行抽真空，将所述真空泵的真空压力表读数设置为100kpa，抽气时间大于1小时，且抽至无气泡逸出。

7、根据本技术一些实施例的膨胀性岩石湿度扩散系数测定方法，所述步骤s2中，将所述恒温恒湿箱内部湿度分别调节为20％、40％、60％、80％、100％，获得不同含水率的岩石试样，所述含水率的计算如公式(1)所示：

8、

9、式中：mw为含水率，ma为岩石试样内水分平衡状态状态时试样槽及岩石试样的质量，m0为初始时试样槽及岩石试样的质量。

10、根据本技术一些实施例的膨胀性岩石湿度扩散系数测定方法，所述步骤s3中，fick第二定律如公式(2)所示：

11、

12、式中：c为岩石试样对应扩散距离x处的水分浓度，t为扩散时长，dh为湿度扩散系数，x为扩散距离，

13、水分浓度c如公式(4)所示：

14、c＝mw×ρd  (4)

15、式中：mw为含水率，ρd为岩石试样的干密度，

16、根据fick第二定律，湿度扩散系数如公式(3)所示：

17、

18、式中：erfc-1是erfc的反函数，t为扩散时长，x为扩散距离，c为对应扩散距离x处的水分浓度，cmax为岩石试样扩散起始位置的水分浓度。

19、本发明还提供了一种上述方法所使用的膨胀性岩石湿度扩散模拟装置

20、根据本技术一些实施例的膨胀性岩石湿度扩散模拟装置，所述试样槽为一端封口的圆筒结构，所述试样槽的材质为钢，所述试样槽内径为50mm，长度为200mm，所述试样槽外表面设有刻度线，所述刻度线用于为所述应变片提供定位位置。

21、根据本技术一些实施例的膨胀性岩石湿度扩散模拟装置，所述应变片列阵包括沿所述试样槽轴向设置的20个应变片，所述试样槽上方和下方分别均匀设置10个所述应变片，且所述应变片在所述试样槽上方和下方上下交错设置。

22、根据本技术一些实施例的膨胀性岩石湿度扩散模拟装置，所述应变片包括环向应变片和径向应变片，所述环向应变片用于测量所述试样槽内部所述岩石试样吸湿膨胀的轴向应数据，所述径向应变片用于测量所述试样槽内部所述岩石试样吸湿膨胀的径向应数据。

23、根据本技术一些实施例的膨胀性岩石湿度扩散模拟装置，所述数据采集与控制系统包括数据采集及分析系统、湿度控制系统和温度控制系统，所述数据采集及分析系统用于接收所述应变数据并存储，通过与所述岩石试样的含水率数据相对应，建立应变与湿度扩散之间的关系模型，通过分析所述应变数据，计算所述岩石试样不同位置的湿度扩散系数，并推算所述岩石试样的湿度扩散深度和吸水率分布；所述湿度控制系统用于调节和控制试验过程中环境的湿度；所述温度控制系统用于调节和控制试验过程中环境的温度。

24、根据本技术一些实施例的膨胀性岩石湿度扩散模拟装置，所述数据采集与控制系统通过数据传输线分别与所述恒温恒湿箱以及应变片列阵相连接。

25、本发明的一种膨胀性岩石湿度扩散模拟装置及湿度扩散系数测定方法，通过在试样槽一端开口创建单一方向的湿度扩散路径，能够精确模拟现实中膨胀性岩石中的湿度扩散过程，可以准确模拟岩石试样在不同时间下的吸湿深度和位置的含水率变化，装置设置了沿着试样槽轴向布置的应变片，可以实现对不同位置的含水率和湿度扩散系数的监测和分析，通过多点监测使得在岩石试样内部湿度变化的研究更加全面和准确，充分考虑了膨胀性岩石吸水膨胀崩解的特性，相对于传统的重量法和电阻法，提供了更高效快速的湿度扩散测试方法，可以实时、准确的获取和记录湿度扩散数据，大大缩短了测试周期，本湿度扩散系数测定方法采用非破坏性测试方式，不会对岩石试样造成显著的物理损伤，更不会对岩石试样内部结构造成损坏。