多因素石膏岩膨胀试验方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种石膏岩膨胀试验方法，尤其涉及一种考虑水压、温度、浓度作用的 石膏岩试验方法。
【背景技术】
[0002] 膨胀岩是指与水发生物理化学反应，引起岩石含水量随时间而增高且体积发生膨 胀的一类岩石，属于易风化和软化的软弱岩石。当膨胀岩受到扰动，特别是当湿度条件变化 时，膨胀岩的性状常发生巨大变化，产生体积膨胀，对其中的构筑物产生膨胀压力，影响工 程的稳定性，如边坡岩体吸水膨胀而失稳；建筑物地基不均匀胀缩变形造成开裂；隧洞围 岩向洞内塑性挤出或底板隆起而导致洞室支护破坏等。因此，研宄膨胀岩的膨胀特性对指 导工程具有重要意义。
[0003] 石膏岩是一类特殊的膨胀岩，在隧道工程中经常遇到，其膨胀机理为石膏岩中的 硫酸钙在水的作用下，通过化学反应生成二水硫酸钙造成体积增大。石膏岩较其它膨胀岩， 其膨胀机理更加复杂，影响其膨胀的因素更多。
[0004] 目前，石膏岩膨胀性试验研宄存在如下问题：⑴由于其水化反应时间长且其膨 胀机理复杂，造成相关试验较少。（2)由于其膨胀涉及化学变化，传统的膨胀岩试验方法不 适合。（3)石膏岩中溶出的硫酸钙溶液对试验仪器具有腐蚀性。（4)石膏岩的膨胀性与岩 石中硫酸钙含量有关，现有试验方法没有考虑该因素。（5)试验中考虑的因素较单一，没有 考虑温度和水压对石膏岩膨胀性的影响。（6)试验无法建立考虑时间因素的石膏岩本构方 程。
【发明内容】
[0005] 针对现有技术中存在的上述不足，本发明提供了一种多因素石膏岩膨胀试验方 法。该方法能够很好地结合工程实际，能拟合出多种因素共同作用下石膏岩膨胀本构方程， 通过该方程进行数值计算，能够指导石膏岩施工。
[0006] 为了解决上述技术问题，本发明采用了如下技术方案：
[0007] 多因素石膏岩膨胀试验方法，在该方法中采用了一种试验装置，该试验装置包括 底座、密封圈、压紧环、螺母帽、支撑外壳、动件和位移计；所述底座的中部在竖直方向设置 一上端敞口的圆柱形腔体，所述底座的底部设置一与圆柱形腔体内相通的排水口；该试验 方法包括如下步骤：
[0008] 1)对石膏岩进行X-衍射分析，确定石膏岩中二水硫酸钙和硫酸钙的含量分别为 a % 和 b % ;
[0009] 2)取石膏岩，加工成直径50mm高IOOmm的圆柱型试件；
[0010] 3)烘干除去石膏岩中水分：先称取圆柱型试件质量Hi1，把圆柱型试件放置于40摄 氏度的烘干箱中烘干至恒重，再称取质量Hl2，得圆柱型试件的天然含水率；
[0011] mw= m !-Hi2
【主权项】
1.多因素石膏岩膨胀试验方法，其特征在于，在该方法中采用了一种试验装置，该试验 装置包括底座（1)、密封圈（2)、压紧环（3)、螺母帽（4)、支撑外壳（8)、动件（9)和位移计 (10);所述底座（1)的中部在竖直方向设置一上端敞口的圆柱形腔体，所述底座（1)的底部 设置一与圆柱形腔体内相通的排水口（5);该试验方法包括如下步骤： 1) 对石膏岩进行X-衍射分析，确定石膏岩中二水硫酸钙和硫酸钙的含量分别为a%和 b% ； 2) 取石膏岩，加工成直径50mm高IOOmm的圆柱型试件； 3) 烘干除去石膏岩中水分：先称取圆柱型试件质量Hi1，把圆柱型试件放置于40摄氏度 的烘干箱中烘干至恒重，再称取质量m 2，得圆柱型试件的天然含水率； mw= m ^m2
Hi1为烘干前圆柱型试件的质量，Hl2烘干后圆柱型试件的质量，mw为圆柱型试件中自由 水的质量，W为天然含水率； 4) 脱水得到含不同质量的硫酸钙的石膏岩试件：把圆柱型试件放置于220度烘干箱 中，使二水硫酸钙脱水变成硫酸钙；分别保持10小时、20小时、30小时、40小时，取出称质 量m 3，通过前后质量差换算出脱水后石膏岩中硫酸钙的含量； mj = m 3_Π12
ms = m ^m1 X b % nij为高温脱去的结晶水的质量，m 2为200度高温后新生成的硫酸钙质量，m 3为200度 高温后圆柱型试件中所含硫酸钙的总质量； 5) 把圆柱型试件（6)置于圆柱形腔体中，将密封圈（2)套在该圆柱型试件（6)的上部， 并将压紧环（3)套在该圆柱型试件（6)的上部并旋合在圆柱形腔体内的上部，压紧环（3) 的底端压紧密封圈（2);所述螺母帽（4)旋合在底座（1)的顶部并与底座（1)密封配合，在 底座（1)的顶端与螺母帽（4)内的顶部之间形成一环形腔体（7)，支撑外壳（8)竖直穿过螺 母帽（4)的顶部并固定在螺母帽（4)上，所述位移计（10)固定在支撑外壳（8)内的上部， 所述动件（9)设置在支撑外壳⑶的下部并与支撑外壳⑶滑动配合，动件（9)的底部与 圆柱型试件（6)的顶部接触，位移计（10)底部的探头与动件（9)的顶部接触； 6) 向环形腔体（7)内注入水溶液，并在水溶液中添加硫酸钠； 7) 把试验装置置于恒温水浴箱中并设置温度，通过气瓶向环形腔体（7)内通入含压氮 气对加入了硫酸钠的水溶液加压； 8) 当膨胀变形稳定后，取出圆柱型试件（6)，记录膨胀变形量，把圆柱型试件（6)擦干， 得质量叫在40度恒温箱中烘干至质量不变m 5，得吸水率，并通过对比试验前后质量变化计 算出水化率； mw2= m 5_m4 M = m5-m4-m3
mw2为膨胀试验后，吸收自由水的质量;M为参与水化反应的水的质量；d为硫酸钙的水 化率； 9)建立石膏岩膨胀应力应变关系：膨胀后的圆柱型试件（6)置于岩石膨胀压力试验 仪，采用逐级加压法把圆柱型试件（6)压回原长度，并记录膨胀力与膨胀变形值。
2.根据权利要求1所述的多因素石膏岩膨胀试验方法，其特征在于，在步骤7)中，恒温 水浴箱沿着底座（1)的外圆周设置。
【专利摘要】本发明公开了一种多因素石膏岩膨胀试验方法，步骤如下：1)确定石膏岩中二水硫酸钙和硫酸钙的比例；2)取石膏岩，加工成圆柱型试件；3)烘干除去岩石中水分；4)脱水得到含不同质量的硫酸钙试件；5)把试件置于试验装置中；6)设置温度和水压；7)在水溶液中添加硫酸钠；8)当膨胀变形稳定后，试件取出，对比试验前后质量变化计算出水化率；9)建立石膏岩膨胀应力应变关系。该方法能够很好地结合工程实际，能拟合出多种因素共同作用下石膏岩膨胀本构方程，通过该方程进行数值计算，能够指导石膏岩施工；试验方法简单考虑因素全面，能够缩短试验时间，对现场施工具有指导意义。
【IPC分类】G01N19-00
【公开号】CN104634729
【申请号】CN201510058800
【发明人】成子桥, 沈亮, 陈钒, 蒲文明, 潘家奇, 韩大勇, 王红娟, 任松, 吴建勋
【申请人】中电建路桥集团有限公司, 重庆大学
【公开日】2015年5月20日
【申请日】2015年2月4日