一種利用壓力試驗機測量巖石熱線膨脹系數的裝置的制造方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及巖石力學試驗的熱線膨脹系數測量技術領域，更具體涉及一種利用壓 力試驗機測量巖石熱線膨脹系數的裝置。
【背景技術】
[0002] 巖石的熱物理性質，在諸如深埋隧洞、地溫異常地區的工程建設、核廢料處理、地 熱開發及煤礦深部開采和石質文物保護中都具有重要的理論和現實意義。而且隨著地下工 程的不斷發展，涉及巖石熱力學相關的問題也在不斷地涌現，比如溫度每變化1°C可以產生 0· 4~0· 5MPa的地應力變化，溫度升高所產生的地應力變化對巖體的力學性質將產生較大 影響，因此，巖石材料力學特性在溫度場作用下的演變規律的研宄就變得極其重要。其中巖 石的熱線膨脹系數作為巖石熱物理特性的重要參數之一，在巖石熱力學特性分析應用與研 宄中是不可或缺的。
[0003] 目前，對于固體材料，熱線膨脹系數的測量有多種方法，有非接觸式和接觸式測量 方法。由于非接觸式測量方法，其利用光學信號進行測量，原理相對復雜，往往不適合巖石 類材料的測量。而接觸式測量方法目前使用最為普遍的是通過直接量測一個不受約束的試 樣在溫度變化條件下的變形量，再除以溫度變化量，實現巖石在這一溫度區間內的熱線膨 脹系數的測量，該方法原理簡單，但在應用上尚存在一些問題。該方法多采用油或者水浴對 巖石試樣進行加熱，用此加熱方法測定完后加熱設備與水或者油均需要進行降溫，之后才 能夠進行下一個試樣的測定，致使一般一天只能測定一個巖石試樣的熱線膨脹系數，耗時 較大，給測量帶來諸多不便。
[0004]
【發明內容】
[0005] 針對上述存在問題，本發明的目的在于提供了一種利用壓力試驗機測量巖石熱線 膨脹系數的裝置，解決現有方法存在的上述問題和不足，并在滿足地下巖體工程設計對于 巖石熱線膨脹系數測量精度的要求下，進一步降低對巖石熱線膨脹系數測量的時間成本。
[0006] 為了達到上述目的，本發明采用以下技術方案：
[0007] -種利用壓力試驗機測量巖石熱線膨脹系數的裝置，包括巖石試樣、硅膠加熱片 加熱裝置、單軸壓力試驗機、保溫隔熱墊、保溫隔熱層、數顯熱電偶傳感器以及數顯熱電偶 讀數器；
[0008] 所述巖石試樣的頂面軸心處有圓孔，巖石試樣的頂面設有引線槽，所述引線槽連 通圓孔與巖石試樣的邊緣；
[0009] 所述硅膠加熱片加熱裝置包括硅膠加熱片、硅膠加熱片溫控器以及控溫熱電偶傳 感器，所述硅膠加熱片粘貼于巖石試樣側面四周，并由玻璃纖維膠帶纏繞固定，硅膠加熱片 通過硅膠加熱片導線與硅膠加熱片溫控器連接；所述控溫熱電偶傳感器固定在硅膠加熱片 外側，控溫熱電偶傳感器通過控溫熱電偶傳感器導線與硅膠加熱片溫控器連接；硅膠加熱 片外部包裹有保溫隔熱層；
[0010] 所述數顯熱電偶傳感器位于圓孔中，數顯熱電偶傳感器通過數顯熱電偶導線與數 顯熱電偶讀數器連接，數顯熱電偶傳感器導線埋設于引線槽中；所述巖石試樣放置于單軸 壓力試驗機上，巖石試樣頂面與單軸壓力試驗機之間以及巖石試樣底面與單軸壓力試驗機 之間設有保溫隔熱墊；硅膠加熱片導線、控溫熱電偶傳感器導線和數顯熱電偶傳感器導線 均從保溫隔熱層與保溫隔熱墊的夾縫中引出。
[0011] 所述圓孔的深度為巖石試樣高度的1/4~1/2倍；圓孔的直徑與數顯熱電偶傳感 器和數顯熱電偶傳感器導線的尺寸相適應。
[0012] 所述保溫隔熱層的厚度為30~100mm。
[0013] 所述保溫隔熱墊的厚度為1~3mm。
[0014] 所述保溫隔熱層的材料為橡塑保溫材料，所述保溫隔熱墊為硅膠膠墊。
[0015] 待取下測定好的試樣后，將裝配好的下一個試樣放置于單軸壓力試驗機上，可直 接進行下一個試樣熱線膨脹系數的測量。所述的單軸壓力試驗機為土木實驗室常規設備， 無需改裝，可直接使用。
[0016] 本發明所述方案的原理如下：
[0017] 隨著溫度變化，對于一個不受約束的試樣將產生的熱變形，若熱變形受到約束時 就會產生熱應力，熱線膨脹系數常規測定方法是測量熱變形量，再除以溫度變化量得到試 樣的熱線膨脹系數。但是，對于巖石材料，測量溫度變化過程中的熱應力同樣是可行的，而 且相對要簡單些，因為荷載具有可傳遞性，不會由于中間有連接件而發生變化。因此，在彈 性熱變形過程中，不直接測量變形量，而是通過測量約束熱變形而產生的抵抗力，再除以材 料的彈性模量和抵抗力作用面積，就可以獲得材料的熱變形量以及熱線膨脹系數。其中，彈 性模量是材料一個基本力學參數，一般認為已知，也可以通過標準室內巖石單軸壓縮試驗 獲得。
[0018] 利用壓力試驗機測量巖石熱線膨脹系數時，按照測量巖石彈性模量相關規范要求 選取被測試樣的形狀和尺寸，可為圓柱體或方柱體，圓柱體直徑或方柱體邊長宜為48~ 54mm，試件高徑比宜控制在2. 0~2. 5。
[0019] 在試樣頂面軸心處鉆取一定深度和直徑的圓孔，并沿著頂面軸心向邊緣輻射出一 條引線槽，用于置放熱電偶傳感器監測試樣軸心溫度，再在試樣外表面裹上加熱控溫設備 并采取有效保溫措施，按照標準單軸壓縮實驗方法將被測試樣安置于單軸壓力試驗機上進 行控溫加熱。隨著溫度的升高，試樣有膨脹的趨勢，但由于兩端被試驗機約束無法膨脹，致 使試樣內部產生抵抗膨脹的力，并反作用于試驗機上，試驗機通過力傳感器便可以監測到 這個抵抗力的大小。以監測到試樣初始狀態下的溫度為基準點，記錄下到達預設溫度值并 穩定時試樣內部抵抗膨脹力的變化量值，利用下面的公式即可計算材料的熱線膨脹系數： AF a -- EAAT
[0020] 其中，α為熱線膨脹系數，單位為1(T6/°C; ΛΤ為預設溫度值點與溫度基準點的溫 度差，單位為°〇 ;△ F為溫度變化對應的荷載差，單位為kN ;A為被測試樣橫截面面積，單位 為m2;E為被測試樣彈性模量，單位為GPa。
[0021] 在基于單軸壓力試驗機進行熱線膨脹系數測量時，需要注意的是，在整個測量溫 度范圍內需要保證巖石試樣始終處于受壓的壓緊狀態和熱彈性變形階段，因此，對被測試 樣加溫之前要進行一定的預加載，但須小于試樣彈性極限，一般取為破壞荷載的5%左右， 這樣隨著溫度不斷升高，壓力載荷會慢慢增大，直到達到穩定，記錄下相應的溫度和荷載變 化值，根據上面公式即可測得被測試樣的熱線鵬展系數值。
[0022] 由于采用了上述技術方案，本發明具有如下幾點有益效果：
[0023] (1)本發明基于單軸壓力試驗機，通過對裝配好的巖石試樣按照標準單軸壓力實 驗方法監測巖石內部熱應力變化，實現測量巖石熱線膨脹系數的目的，原理簡單，測量方 便，而且本發明直接測量被測試樣軸心內部溫度，保證了溫度測量的精度，從而能夠保證熱 線膨脹系數測量結果的準確性。
[0024] (2)本發明使用可控溫硅膠加熱片進行加熱，采用橡塑進行保溫隔熱，操作簡便， 安全可靠，并能夠實現對巖石試樣實施較快速地加溫，可在較短的時間內測定一個試樣。
[0025] (3)本發明所使用的設備儀器或材料，像單軸壓力試驗機、硅膠加熱片加熱裝置和 橡塑保溫隔熱材料均是實驗室常規設備或材料，在測定過程中可直接使用，無需研發新的 儀器設備或者新材料，這可使得在測定試樣熱線膨脹系數時大大節約了經濟成本。
[0026] (4)本發明利用壓力試驗機測量巖石熱線膨脹系數，與現有其他裝置相比較，能較 好地縮短單次測定所需要的時間，并且不需要考慮加熱設備降溫的問題，直接可以進行下 一個試樣的測定，實現工程設計中巖石熱線膨脹系數的高效測量。
[0027] (5)此外，可在測定過程中準備多個試樣，在一個試樣測定完成后，無需進行散熱 處理，可直接進行下一個試樣的熱線膨脹系數的測量，這很大程度上降低了巖石熱線膨脹 系數測量的時間成本。該裝置雖然是針對巖石提出的，實際上不受材料的限制，可測量其他 可壓縮材料的熱線膨脹系數。總的來說，本發明具有簡單易行、測量效率高的優點。
【附圖說明】
[0028] 圖1為本發明所述利用壓力試驗機測量巖石熱線膨脹系數的裝置示意圖；
[0029] 圖2為本發明所述利用壓力試驗機測量巖石熱線