一种静态破碎剂水化物剪切强度测试装置和方法与流程

本发明属于岩土工程实验
技术领域：
，特别是一种静态破碎剂水化物剪切强度测试装置和方法。
背景技术：
：静态破碎剂也叫无声破碎剂、静态胀裂剂、非爆炸性破碎剂，是一种高膨胀性粉末状胶凝材料，其主要成分过烧cao在约束空间内发生水化反应生成ca(oh)2结晶，伴随着ca(oh)2结晶的不断生长，静态破碎剂宏观表现为不断膨胀，并对约束空间边界产生强大的膨胀压，最终实现静态爆破致裂。相对炸药爆破，静态破碎剂因其成本低，安全性高、工艺简单、爆破过程无震动、噪声和飞石等负面效应等优点，自20世纪70年代问世以来被广泛地应用于城市建筑静态拆除、石材开采、煤矿/金属矿山深部围岩静态致裂卸压及非常规地质能源开采等工程领域。目前，关于静态破碎剂的研究主要集中于静态破碎剂的膨胀机理、膨胀压测试、膨胀压影响因素和水化反应过程等方面。近年来，随着静态破碎剂的膨胀特性逐渐被应用于岩体支护等长期工程领域，除了上述静态破碎剂的短期基本性能之外，静态破碎剂水化物的力学性能成为长期工程的关键指标，特别是在约束状态下静态破碎剂水化物的剪切强度反映了材料抵抗剪切滑动的能力，是材料长期性能的重要指标。通过静态破碎剂水化物限制性剪切实验，可以获取正应力与剪应力的关系曲线，进而求得剪切强度的两个参数—内聚力和内摩擦角。静态破碎剂的水化物在约束空间内膨胀压的作用下形成致密高强的膨胀体，当约束装置解除时，膨胀压突然释放，导致膨胀体强度快速下降。暴露在空气中2～4小时后重新变成粉末，无法制备成传统的标准试样进行常规的直剪实验。即使选择在膨胀体粉化之前开展常规的直剪实验，由于实验过程中膨胀体强度逐渐下降，受力极易破碎，所以很难将正应力加载到反应结束状态时的膨胀体上，以模拟静态破碎剂真实的约束状态。因此，利用传统剪切试验机无法测试静态破碎剂水化物的剪切强度。近年来，有学者在传统岩石力学直剪试验机基础上，研究岩石在不同环境下的剪切试验。如cn107607413a专利文献公开了一种岩石剪切试验方法，该方法是利用改造的直剪试验机将实验的岩石试样浸泡在化学溶液中进行直剪试验。cn107782628a专利文献公开了一种静水压力条件下单裂隙岩石试件直剪-渗流试验装置与试验方法，它也是通过改造试验机，使试件在静水压力封装的条件下通过声发射检测系统和数据采集系统检测的直剪过程中裂隙面的摩擦破裂变化信息，为采动裂隙岩体在地下水作用下的剪切-渗流失稳机制提供依据。这类通过改造现有的直剪试验机模拟岩石在不同环境下的直剪试验方法无法解决粉状的静态破碎剂水化物在约束状态下直剪试验存在的技术难题。因此，研发可用于静态破碎剂水化物在约束状态下的剪切强度试验装置及方法成为本领域的一项重要研究课题。技术实现要素：为解决利用现有剪切试验机无法测试静态破碎剂水化物剪切强度的技术难题，本发明提供一种静态破碎剂水化物剪切强度测试装置和方法，用其测试静态破碎剂在不同水化反应时间、不同正应力条件下的静态破碎剂水化物的剪切强度，为扩展静态破碎剂的工程应用领域提供依据。本发明提供的静态破碎剂水化物剪切强度测试装置，包括环向膨胀压测试装置和剪应力加载和测试装置；所述环向膨胀压测试装置包括①一个环向约束壳体；②可通过紧固螺母和连接杆将环向约束壳体两端封闭的两个轴向约束板；③两个可粘贴在环向约束壳体外壁上的应变花；④与应变花相连接的静态应变采集仪；所述剪应力加载和测试装置包括①由基座、固定在基座上的立柱和固定在立柱上端的顶板组成的机架；②安装在顶板中心位置处的剪应力加载作动器，剪应力作动器的活塞通过开设在顶板中心的透孔与力传感器相接，力传感器与直剪压头相接，力传感器通过导线与数据采集仪相接；③与剪应力加载作动器相接的伺服加载控制器；④下端置于基座上部的直剪底座上、上端可与直剪压头相接的环向约束壳体(与所述环向膨胀压测试装置共用的环向约束壳体)。使用上述本发明静态破碎剂水化物剪切强度测试装置测试静态破碎剂水化物剪切强度的方法，包括以下步骤：步骤1：组装膨胀压测试装置首先将环向约束壳体的外壁用细砂纸、酒精和脱脂棉打磨擦拭干净，待其干燥后在其轴向中心处径向对称布置两组应变花，应变花接线处预先粘贴绝缘胶带，防止导线和环向约束壳体导电影响实验数据的采集，然后用电烙铁将应变花与导线焊接在一起，将应变花通过导线经1/4桥接方式与静态应变采集仪相接；然后将环向约束壳体的一端向下置于已与连连杆下端套接的轴向约束板中的下板上，备用；步骤2、按设定时间进行首次试验①制备静态破碎剂水化试样：将搅拌好的静态破碎剂倒入环向约束壳体内，用钢棒插捣密实，直至表面不再产生气泡，套上轴向约束板的上板，旋拧紧固螺母，用上下两个轴向约束板轴向夹紧环向约束壳体；②测试静态破碎剂水化反应达到首次试验设定时间时的膨胀压：随着静态破碎剂水化反应时间的不断增加，静态应变采集仪通过应变花随时采集环向约束壳体轴向和环向应变值，计算出静态破碎剂的膨胀压；水化反应到达首次试验设定时间时，终止膨胀压测试，记录此时静态破碎剂的膨胀压；③进行首次直剪试验拧下紧固螺母，拆除轴向约束板，然后将裹有静态破碎剂水化试样的环向约束壳体置于剪应力加载和测试装置的直剪底座和直剪压头之间，使直剪压头的下端面压持在静态破碎剂水化试样的顶面上；启动剪应力加载作动器，使剪应力加载作动器以负荷控制方式通过其活塞向环向约束壳体内的静态破碎剂水化试样施加剪应力，直至静态破碎剂水化物发生破坏时(此时装置显示的剪应力示数开始持续变小)，停止直剪试验，记录此时装置显示的剪应力；然后卸载剪应力，拆除环向约束壳体内的静态破碎剂水化物试样，完成静态破碎剂水化试样在设定水化反应时间下的首次直剪试验；步骤3、利用步骤2首次直剪试验后的环向约束壳体，按步骤2①重新制备静态破碎剂水化试样，然后按步骤2的②、③完成静态破碎剂在水化反应时间大于首次试验静态破碎剂水化反应时间的二次直剪试验；步骤4、重复上述步骤，以相同的方法逐次进行静态破碎剂在不同水化反应时间、不同膨胀压下的多次试验，直至静态破碎剂水化试样的膨胀压达到最大值时停止直剪试验，用膨胀压代替正应力，绘制正应力和剪应力关系曲线，利用该曲线求得静态破碎剂水化物剪切强度的两个参数——内聚力和内摩擦角。本发明的有益效果：1、本发明针对静态破碎剂在长久支护工程领域的锚固作用，用静态破碎剂水化物在有限空间产生的膨胀压代替直剪试验施加的正应力，用剪应力加载作动器(相当于直剪试验机)输出的轴向应力表征加载的剪应力，进行静态破碎剂水化物剪切强度的测试，从而解决了利用现有剪切试验机无法测试静态破碎剂水化物剪切强度的技术难题，为进一步扩展静态破碎剂在长期支护工程领域的应用提供了实验依据。2、本发明测试过程中，正应力由静态破碎剂水化物自身膨胀压提供，剪应力由剪应力加载作动器提供，既可获取静态破碎剂的膨胀压又可获取静态破碎剂水化物的剪切强度，测试过程简单、效率高，测试结果准确可靠。3、本发明既可用于测试不同水化反应时间静态破碎剂水化物的膨胀压和剪切强度，也可用于测试不同水灰比等其他条件下的静态破碎剂水化物的膨胀压与剪切强度，适用范围广。附图说明图1为本发明中的剪应力加载和测试装置结构示意图；图2为本发明中的环向膨胀压测试装置结构示意图(轴向剖视图)；图3为图2中轴向约束板的结构示意图，其中图3(a)为轴向约束板的剖视图，图3(b)为图3(a)的俯视图；图4为本发明实施例中的膨胀压和剪应力关系曲线。图中符号说明：1-基座，2-直剪底座，3-环向约束壳体，4-静态破碎剂，5-立柱，6-直剪压头，7-力传感器，8-顶板，9-剪切加载作动器，10-轴向约束板，11-连接杆，12-紧固螺母，13-应变花。具体实施方式以下结合附图和实施例对本发明做进一步说明。本实施例为测试某静态破碎剂水化物的剪切强度。本实施例所用的测试装置，包括环向膨胀压测试装置和剪应力加载和测试装置。如图2和图3所示，所述环向膨胀压测试装置包括①一个环向约束壳体3，该环向约束壳体由铸铁管或45#钢管制成，其外径为53-58mm，内孔径为48～51mm，高度为106～112mm；②两个由铸铁或45#钢制成的圆形轴向约束板10，每个轴向约束板直径为90～100mm，厚度为10～12mm，中心部位有直径与所示环向约束壳体内孔径相同、高度为3～6mm的圆形凸台，每个轴向约束板的周边有四个径向对称布置的安装孔，两个轴向约束板可通过其安装孔与四根上端带有外螺纹的连接杆11滑动套接，使用时，将装满静态破碎剂4的环向约束壳体置于上下两个轴向约束板之间，通过旋拧与连接杆上端螺纹连接的紧固螺母12将环向约束壳体的两端封闭；③两个可粘贴在环向约束壳体外壁上的应变花13；④与应变花相连接的静态应变采集仪(未图示)；如图1所示，所述剪应力加载和测试装置包括①由刚度≥3gn/m、承载力≥2000kn的合金钢制成的机架，该机架由圆形基座1和顶板8及上下两端分别与基座和顶板固定在一起的四根立柱5组成，其中顶板开设有中心孔，基座的上表面中心部位有通过螺栓(未图示)与基座固定连接的圆形直剪底座2，直剪底座用铸铁或45#钢制成，其中心上部有直径与所述环向约束壳体外径相同、深度为8～10mm的圆形凹槽(未图示)；②通过螺栓(未图示)固定安装在顶板中心位置处的剪应力加载作动器9，剪应力加载作动器的最大出力为1000～2000kn，其活塞穿过所述顶板中心孔，下端与力传感器7相接，力传感器与直剪压头6相接，力传感器通过导线与数据采集仪(未图示)相接；③与剪应力加载作动器相接的伺服加载控制器(未图示)；④下端置于基座上部的直剪底座2上、上端可与直剪压头相接的环向约束壳体3(该环向约束壳体与所述环向膨胀压测试装置共用)。使用上述测试装置测试该静态破碎剂水化物的剪切强度，操作步骤如下：步骤1：组装膨胀压测试装置首先将环向约束壳体的外壁用细砂纸、酒精和脱脂棉打磨擦拭干净，待其干燥后在轴向中心处径向对称标定两组测点，分别标记为1#、2#测点，在测点处画出沿环向约束壳体外壁径向和切向的标记线，在测点周围均匀涂一层502胶水，然后用镊子将应变花的中心置于测点位置，并使应变花的环向和轴向与标记线重合，待应变片花粘牢后，在环向约束壳体的表面与应变花接线处粘贴绝缘胶带，防止导线与环向约束壳体之间导电，粘贴完接线端子后用电烙铁将应变花与导线焊接在一起，并用万用表测量导线与应变花的电阻，如果电阻为120ω，则导通，否则未导通，重新焊接；将pt100热电阻用胶布粘在应变花测试点的周围，测量应变花的温度，并设计一组测量环境温度，将应变花和热电阻的引出导线与jm3812型静态应变采集仪用1/4桥进行连接；然后将环向约束壳体的一端向下置于已与连接杆下端套接的轴向约束板中的下板上，备用。步骤2、进行首次试验①制备静态破碎剂水化物试样：按静态破碎按的成分配比称取原料，经混合搅拌均匀制成拌合物，倒入环向约束壳体内，用钢棒插捣密实，直至表面不再产生气泡，套上轴向约束板的上板，旋拧紧固螺母，用上下两个轴向约束板轴向夹紧环向约束壳体；②测试静态破碎剂水化反应达到4h时的膨胀压：随着静态破碎剂水化反应时间的不断增加，静态应变采集仪通过应变花随时采集环向约束壳体轴向和环向应变值，计算出静态破碎剂的膨胀压；水化反应到达4h时终止膨胀压测试，此时静态破碎剂水化物的膨胀压为7.2mpa，记下此时的膨胀压值；③进行首次直剪试验拧下紧固螺母，拆除轴向约束板，然后将裹有静态破碎剂水化物的环向约束壳体置于剪应力加载和测试装置的直剪底座和直剪压头之间，使直剪压头的下端面压持在静态破碎剂水化物试样的顶面上；启动剪应力加载作动器，使剪应力加载作动器以负荷控制方式通过其活塞向环向约束壳体内的静态破碎剂水化物试样施加剪应力，当装置显示的压力为126.08kn时静态破碎剂水化物发生破坏，此时停止直剪试验，计算出此时的剪应力为32.1mpa，记下此时的剪应力值；然后卸载剪应力，拆除环向约束壳体内的静态破碎剂水化物，完成静态破碎剂水化物试样在水化反应时间为4h的首次直剪试验；步骤3、利用步骤2首次直剪试验后的环向约束壳体，按步骤2的①重新制备静态破碎剂水化物试样，然后按步骤2的②、③完成静态破碎剂水化物试样在水化反应时间为8h的二次试验，得到静态破碎剂在水化反应时间为8h时的膨胀压为15.4mpa，剪应力为37.4mpa；步骤4、重复上述步骤，以相同的方法依次完成静态破碎剂水化物试样水化反应时间分别为12h、16h、24h的共五次试验，第五次试验后静态破碎剂水化物试样的膨胀压达到最大值34.3mpa(此后膨胀压基本不再增长)，此后停止试验。综合五次试验，得到表1所示该静态破碎剂在不同反应时间和不同膨胀压下的剪应力。表1静态破碎剂不同反应时间、不同膨胀压下的剪应力水化反应时间(h)48121624膨胀压(mpa)7.215.423.128.334.3剪应力(mpa)32.137.440.342.844.4将表1绘制成如图4所示正应力(正应力用膨胀压代替)和剪应力关系曲线，通过正应力与剪应力拟合线(图4中虚线)求得该静态破碎剂水化物的内聚力为29.6mpa，内摩擦角为24.2°。当前第1页12