一种腐蚀岩石的模拟装置及实时检测方法与流程

本发明涉及一种模拟装置，具体涉及一种基于电化学手段，用于实验室内模拟岩石腐蚀的过程并对岩石腐蚀过程进行实时检测的腐蚀岩石的模拟装置及实时检测方法。

背景技术：

随着城市建设的快速发展，土地资源日趋紧张，地下空间资源的开发和利用已成为许多城市日后的发展趋势。然而地质环境对石质构筑物及地下工程长期稳定性的影响已成为目前关注的热点问题。

岩体在经过不同时期、不同程度的构造作用改造以及地下水、地应力、温度和化学等地质环境因素的影响，使其结构趋于复杂化，岩石的物理状态以及力学性质也随之发生着变化。

在影响岩土工程安全性的诸多因素中，由于地下水是普遍存在于岩体结构中的流体，其化学成分相当复杂，并且通过物理、化学和力学作用直接或间接影响着岩体的变形特征与力学性质，使其成为最活跃的影响因素之一。

水作为一种溶液，可以溶解岩石中的某些矿物成分，从而改变岩石矿物的组成。水经过岩石，一部分元素会随着水的运移而迁出，岩石颗粒间凝聚力降低，岩石出现体积膨胀、岩石孔隙度增加、微裂隙发展等现象，岩石本身结构发生变化从而导致岩石性状逐渐弱化。另外，水通过对岩体施加静水压力的和动水压力，使岩体的原始应力状态发生改变，随着附加应力的增加，孔隙水压增大，加快了裂纹的扩展，使岩石强度降低。随时间的推进，岩石矿物组构即骨架不断调整重组，导致其应力、应变状态亦随时间而持续变化即蠕变，进而直接影响着岩石构筑物的长期稳定性。例如，地下隧道数十年后仍可出现变形、断裂；某些岩类由于环境变化引起的时效膨胀现象对地下建筑产生严重的影响；水库大坝坝基、拱坝坝肩在酸性降水及地下水的长期作用下，强度、变形等力学特性会发生显著变化而导致异常破坏：岩溶地区、海水入侵地区由于地下水的长期作用会发生地面塌陷。可见，地下水在流动过程中的使岩石的矿物成分和结构发生变化，进而导致岩石物理力学特性产生了劣化效应，是岩土工程稳定性评价不容忽视的问题。

电化学阻抗谱是给电化学系统施加一个频率不同的小振幅的交流电势波，测量交流电势与电流信号的比值,此比值即为系统的阻抗随正弦波频率ω的变化，或者是阻抗的相位角Φ随ω的变化。岩土电化学的基本思路就是根据岩土材料的交流电响应特征，按照介质内部不同材料及其组成结构的交流电响应特征及其弛豫时间，建立物理模型，简化成为电学模型，进而建立起等效电路，数值模拟出整个电路的阻抗曲线，和实测曲线进行反复拟合校正，最终得出符合材料真实特性的电学模型。根据实测结果计算出各个电学元件的参数和变化规律，按照各个电学元件代表的含义，得出岩土的内部特征及其变化规律。

而传统的腐蚀岩石的模拟装置精度低，模拟过程复杂，难以实现岩石微观结构变化的实时检测。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是传统的腐蚀岩石的模拟装置精度低，模拟过程复杂，提供一种能够实现岩石微观结构变化的实时检测，精度高的腐蚀岩石的模拟装置及实时检测方法。

为解决上述技术问题，本发明采用下述技术方案：一种腐蚀岩石的模拟装置，包括腐蚀岩石模拟装置和电化学检测装置，所述的腐蚀岩石模拟装置包括腐蚀模拟器、夹具、储水槽和电极，储水槽内设有水泵，水泵通过水管与腐蚀模拟器相连通，腐蚀模拟器内设有岩样，岩样两端凸出腐蚀模拟器，电极设在岩样和夹具之间，电极通过导线与电化学检测装置电连接。

所述的电化学检测装置包括电化学工作站，与电化学工作站电连接的电脑主机，与电脑主机相连的显示器。

所述腐蚀模拟器为两端开口的圆筒，在圆筒侧壁的下方设有进水口，圆筒侧壁的上方设有出水口，进水口设在圆筒的左侧，出水口设在圆筒的右侧。

所述夹具包括固定板和设置在固定板外侧的夹板，所述的固定板为正方体，固定板中间设有与腐蚀模拟器外径相配合的孔洞，固定板上还设有若干个螺栓孔I。

所述夹板为两块长方体板对接而成，长方体板一侧的长边上设有半圆形凹槽，半圆形凹槽底部设有半圆形通槽，半圆形凹槽与半圆形通槽中心线在同一轴线上，半圆形凹槽半径大于半圆形通槽半径；两块长方体板对接后两个半圆形凹槽构成圆形凹槽、两个半圆形通槽构成圆形通孔；

所述长方体板设有半圆形凹槽的一侧下方设有半圆弧板，半圆弧板上设有螺栓孔II，长方体板上部还设有螺栓孔III，螺栓孔II和螺栓孔III均与与螺栓孔I相配合。

所述长方体板的侧面设有直角卡槽，直角卡槽卡接在储水槽上方。

所述腐蚀模拟器两端与固定板之间设有密封圈I，岩样两端与夹板之间设有密封圈II。

所述的电极为铜片，电极通过夹板固定在岩样两端；所述水泵为自吸式水泵，水管上设有阀门。

一种腐蚀岩石的模拟装置的实时检测方法，其特征在于包括以下步骤：①将密封圈I套在腐蚀模拟器两端，并将腐蚀模拟器两端分别卡入两个固定板中；②将岩样加工成圆柱体，将岩样放入腐蚀模拟器，岩样两端凸出腐蚀模拟器，在岩样两端套上密封圈II；③组装夹板，两块长方体板通过与螺栓孔II相配合的螺栓活动连接，此时在拼接成的圆形凹槽处安放电极，并将电极夹在岩样两端的密封圈内，电极通过圆形通孔露出；④向储水槽内注入实验溶液；⑤通过直角卡槽将组装好的腐蚀模拟器、岩样、夹具卡于储水槽两端，电线连接电化学工作站；⑥打开电源，水泵将实验溶液泵送至腐蚀模拟器中；⑦通过电极，利用电化学工作站控制，向岩样输送不同频段的电流，通过电极将岩样的变化转化成电数据传输给电化学检测装置（1），电脑采集实验数据；⑧将电脑采集的实验数据进行分析，绘制Nyquist和Bode曲线图，研究岩石微观结构变化。Nyquist曲线即为奈奎斯特曲线，Bode曲线即为波德曲线。

所述岩样为直径为50mm的圆柱体。

采用上述结构的本发明是一种用于室内研究岩石在腐蚀环境中微观结构变化的试验研究。该装置通过实验溶液循环作用于岩石，对岩石进行腐蚀模拟，通过电化学工作站对岩石微观结构进行实时检测。可以测试腐蚀岩石模拟过程中岩样电化学信号的变化，通过电化学的特征参数分析岩样微观结构变化。

与已有技术相比，本发明精度较高。本发明简化了模拟环境的步骤，方便了实验的操作，并且结合电化学的理论，实现了对岩石微观结构变化的实时检测。本发明从电化学的角度分析岩石微观结构的变化，是一种辅助实施室内腐蚀岩石研究的工具。通过模拟腐蚀环境分析对岩石造成的损伤程度，进而可以推断岩土工程的长期稳定性。

附图说明

图1是本发明结构示意图；

图2是本发明腐蚀模拟器剖面结构示意图；

图3是本发明左视结构示意图；

图4是本发明腐蚀模拟器和夹具拼装后立体结构示意图；

图5是本发明固定板结构示意图；

图6是本发明夹板结构示意图；

图7是本发明夹板的长方体板结构示意图之1；

图8是本发明夹板的长方体板结构示意图之2；

图9是本发明腐蚀模拟器结构示意图。

具体实施方式

如图1至图9所示，一种腐蚀岩石的模拟装置，包括腐蚀岩石模拟装置和电化学检测装置1，所述的腐蚀岩石模拟装置包括腐蚀模拟器6、夹具7、储水槽2和电极8，储水槽2内设有水泵21，水泵21通过水管22与腐蚀模拟器6相连通，腐蚀模拟器6内设有岩样9，岩样9两端凸出腐蚀模拟器6，电极8设在岩样9和夹具7之间，电极8通过导线81与电化学检测装置1电连接。储水槽，根据试验要求可选择不同材质。

所述的电化学检测装置1包括电化学工作站11，与电化学工作站11电连接的电脑主机3，与电脑主机3相连的显示器31。电化学工作站11还包括电化学检测软件，用于提供实时、连续的检测。可以实时观测腐蚀岩石微观结构的变化。电化学工作站11为CHI660E电化学工作站。

所述腐蚀模拟器6为两端开口的圆筒，在圆筒侧壁的下方设有进水口61，圆筒侧壁的上方设有出水口62，进水口61设在圆筒的左侧，出水口62设在圆筒的右侧。所述腐蚀模拟器是尺寸为ø60×110mm的圆筒，壁厚2mm。在圆筒侧壁相对两侧，距圆筒筒口边缘15mm处分别开设ø=5mm的孔洞，并在此处垂直安接ø5×20mm的导管，作为出水口62，进水口61。实验时，岩样放于腐蚀模拟器6中，由夹具对其进行固定与密封，实验溶液由下部进水口61进入，待充满整个腐蚀模拟器6，由上部出水口62流出，用于模拟岩石整体受腐的情况。

所述夹具7包括固定板5和设置在固定板5外侧的夹板4，所述的固定板5为正方体，固定板5中间设有与腐蚀模拟器6外径相配合的孔洞51，固定板5上还设有若干个螺栓孔I52。夹具的分别设置与合理布孔使岩样牢牢固定在腐蚀模拟器中间，并可使腐蚀模拟器密封。固定板为120×120×10mm的正方体，孔洞51直径为65mm，螺栓孔I 52分别设置在固定板5两顶角与底边中间距各边缘5mm处，螺栓孔直径为8mm，腐蚀模拟器两端分别卡在固定板5的孔洞51中。

所述夹板4为两块长方体板44对接而成，长方体板44一侧的长边上设有半圆形凹槽48，半圆形凹槽48底部设有半圆形通槽49，半圆形凹槽48与半圆形通槽49中心线在同一轴线上，半圆形凹槽半径大于半圆形通槽半径；两块长方体板44对接后两个半圆形凹槽构成圆形凹槽41、两个半圆形通槽构成圆形通孔42。使用时，圆形凹槽41内径与岩样9外径相配合，圆形通孔42内安装电极8。

所述长方体板44设有半圆形凹槽的一侧下方设有半圆弧板45，半圆弧板45上设有螺栓孔II43，长方体板44上部还设有螺栓孔III46，螺栓孔II43和螺栓孔III46均与与螺栓孔I52相配合。固定板与夹板通过相互配合的螺栓孔进行固定、连接；长方体板44尺寸为120×60×5mm，螺栓孔III46设在单侧顶角距各边缘边缘5mm处、直径为8mm；半圆弧板45设置在距底边16mm处向外延伸8mm，半圆弧板半径为8mm，厚度为2.5mm，半圆弧板中心位置开有ø=8mm的螺栓孔II43，半圆弧板与在半圆形凹槽在长方体板44的同侧，半圆形凹槽半径为25mm。

所述长方体板44的侧面设有直角卡槽47，直角卡槽47卡接在储水槽2上方。直角卡槽47安装在长方体板44的外侧面，直角卡槽有尺寸为15×10×15mm与10×10×15mm长方体组成。直角卡槽用于与储水槽相连。两块长方体板44通过与螺栓孔II43相配合的螺栓活动连接，可绕螺栓进行开合旋转。拼接后的夹板，整体尺寸与固定板一致。

所述腐蚀模拟器6两端与固定板5之间设有密封圈I66，岩样9两端与夹板4之间设有密封圈II67。试验时，先将密封圈I66套在腐蚀模拟器两端，并将其卡入固定板中；再岩样放入腐蚀模拟器中，岩样略向外凸出；在岩样两端套上密封圈，将组装好的夹板夹在岩样上，将夹板通过螺栓与固定板连接。

所述的电极8为铜片，电极8通过夹板4固定在岩样9两端。岩样两端通过电极与CHI660E电化学工作站相连。导线81焊于铜片上，铜片直径为50mm，铜片放于夹板组成的直径为50mm的圆形凹槽41的孔洞处，岩样和夹具将铜片牢牢的夹在中间。导线通过夹具圆形通孔42伸出与电化学检测装置1连接，CHI660E电化学工作站与电脑主机连接，主机与显示器连接。

所述水泵3为自吸式水泵，水管22上设有阀门23。自吸式水泵放于储水槽内，水管分别连接水泵与腐蚀模拟器下部进水口，阀门23用于调节溶液流速；腐蚀模拟器上部出水口连接的水管直接引入储水槽内。试验时，储水槽中的实验溶液由自吸式水泵流经水管泵送至腐蚀模拟器中，过于充盈的溶液由腐蚀模拟器上部出水口经水管回收至储水槽，形成一个循环回路。实验溶液可持续循环流向岩样，溶液流速可通过阀门进行控制，可模拟不同流速、不同浓度的溶液随实验时间的推移对岩样的侵蚀影响。整个实验装置的每个部分都可自由拆卸。可根据自身的试验方案的要求进行改装。方便实验的进行。电化学检测装置可以进行实时检测，实验数据的采集与成图可以一次实施完成。

一种腐蚀岩石的模拟装置的实时检测方法，其特征在于包括以下步骤：①将密封圈I66套在腐蚀模拟器6两端，并将腐蚀模拟器6两端分别卡入两个固定板中；②将岩样9加工成圆柱体，将岩样9放入腐蚀模拟器6，岩样9两端凸出腐蚀模拟器6，在岩样两端套上密封圈II67；③组装夹板，两块长方体板44通过与螺栓孔II43相配合的螺栓活动连接，此时在拼接成的圆形凹槽41处安放电极8，并将电极8夹在岩样9两端的密封圈内，电极8通过圆形通孔42露出；④向储水槽2内注入实验溶液；⑤通过直角卡槽47将组装好的腐蚀模拟器、岩样、夹具卡于储水槽两端，电线连接电化学工作站；⑥打开电源，水泵将实验溶液泵送至腐蚀模拟器中；⑦通过电极，利用电化学工作站控制，向岩样输送不同频段的电流，通过电极将岩样的变化转化成电数据传输给电化学检测装置（1），电脑采集实验数据；⑧将电脑采集的实验数据进行分析，绘制Nyquist和Bode曲线图，研究岩石微观结构变化。所述岩样为直径为50mm的圆柱体。

电极夹在岩石两端，也就相当于电池卡在正负极上；电化学工作站通过一端电极向岩石输送电流，电流流经岩石，通过另一端电极进行一个接收；电化学工作站可以输送直流与交流电，根据试验要求可以自行选择；电化学工作站启动工作，采集与分析数据。检测原理为：由于化学腐蚀后，岩石内部孔隙会变大，岩石处于饱水状态，导电能力会比腐蚀前变强，因此，腐蚀前后接受的电信号会有差距。

实验时，首先向储水槽内注入实验所需的实验溶液，打开自吸式水泵与阀门，使实验溶液由自吸式水泵经水管流向腐蚀模拟器。待试验溶液充满腐蚀模拟器使岩样饱和，开启电化学工作站，通过电脑对电化学信号进行检测和记录。根据实验方案的要求，通过阀门对溶液流速进行改变，已达到实验预期效果。通过电化学阻抗谱的特征参数分析岩样微观结构的变化。