一种岩石实时微观损伤的X-射线CT加载-检测装置及试验方法

本发明属于岩石工程及岩石微观结构图像处理，具体涉及一种岩石实时微观损伤的x-射线ct加载-检测装置及试验方法。

背景技术：

1、目前深部岩石工程的破裂行为严重影响地下空间和能源工程的安全性和稳定性。不同工程扰动作用下岩石的应力场、应变场和渗流场等均与岩石微观破裂演化过程紧密相关。由于缺乏捕捉深部岩石微观破裂过程的试验技术和装备，目前对于不同工况下的岩石微观破裂行为及演化过程研究仍面临着巨大的挑战，且缺乏对应力荷载作用下岩石微观破裂机理的研究。因此，研究不同加条件下的岩石微观破裂行为及演化机理对促进岩爆机理研究、地下空间和深部能源开发和地震超前预报等具有重要意义。

2、x-射线层析(computerized tomography,ct)成像(简称x-ct)技术具有无损监测和3d可视化的特点。它可以精确捕获岩石内部各类微观基质成分和空隙成分(微观孔隙和裂隙)的演化过程，从而揭示不同加载条件下岩石微观破裂机理。然而，目前的x-ct试验技术仅能捕捉岩石破坏前后的结构变化，很难获取岩石破裂中间过程。同时，进行岩石微观破裂x-ct试验时，所采用的试样尺寸通常为直径×高度仅为几个毫米(如φ2×4mm)，会引起岩石试样在加载试验过程中发生炸裂，从而损伤成像探头和检测版，且无法获取完整的全应力-应变曲线，导致对岩石微观破裂机理和力学特性演化规律认识不足，进而直接影响参照这些试验参数和机理设计的深部能源工程和地下工程的安全性和稳定性及施工安全性。

3、为解决传统单轴压缩设备无法进行实时岩石微观破裂x-ct成像、试样炸裂损坏x-射线层析成像探头和无法获取完整应力-应变曲线的问题，本发明拟提供一种岩石实时微观损伤的x-射线ct加载-检测装置及试验方法。

技术实现思路

1、针对现有设备和技术存在的问题，本发明要解决的技术问题是提供一种岩石实时微观损伤的x-射线ct加载-检测装置及试验方法，它可以有效避免试样炸裂损坏x-ct成像探头和平板检测器，获取岩石微观破裂全过程数字化图像及相应完整的全应力-应变曲线。

2、本发明提供的技术方案如下：

3、第一方面，本发明提供一种岩石实时微观损伤的x-射线ct加载-检测装置，其特征在于，包括：

4、岩石力学单轴压缩试验加载测试装置、位于其外部的精细实时捕捉岩石微观破裂特征信息的x-射线ct检测装置，以及数据控制处理系统；

5、所述岩石力学单轴压缩试验加载测试装置包括：

6、岩石微观试件夹持器，上下分离结构，对试件竖向夹持；

7、夹持器上部分由下至上依次设置的传载压板、加载压头、缓冲加载装置、连接杆和加载电机；

8、夹持器下部分由上至下依次设置的固定底座、承载底座和旋转台；

9、压力传感器，设置于夹持器上；

10、弧形碟片，连接到缓冲加载装置；

11、加载轨道，竖向设置，用于弧形碟片的竖向导向；

12、透明挡板，围绕夹持器圈周设置，开有用于弧形碟片竖向通过的通槽；

13、所述压力传感器和x-射线ct检测装置连接到数据控制处理系统。

14、进一步，所述岩石微观试件夹持器的上部分和下部分均包括用于安装试样的开有槽口的基座和设置于远离试样一侧的限位凸柱，所述限位凸柱的数量至少为三个。

15、更进一步，通过改变夹持器上槽口的形状以适配不同形状和尺寸的岩石试件。

16、再进一步，所述传载压板设置有匹配限位凸柱的凹槽。

17、进一步，所述缓冲加载装置为内置弹簧的套筒，套筒内部上端还设置有可沿套筒内壁上下移动的，并与弹簧连接的限位板；套筒下端与加载压头固定连接。

18、进一步，所述连接杆为高强度金属杆，其与限位板和加载电机固定连接，用于加载应力传递。

19、更进一步，所述固定底座设置有匹配限位凸柱的凹槽。

20、进一步，所述弧形碟片包括固定连接的弧形连接片和限位卡扣，弧形连接片沿长度方向呈弧形，限位卡扣与加载轨道活动连接。

21、进一步，所述透明挡板为透明peek塑料挡板。

22、进一步，岩石试件的尺寸为小于等于φ10mm×20mm。

23、第二方面，本发明提供利用第一方面所述装置实施实施岩石单轴压缩预试验测试的方法，其特征在于，步骤如下：

24、(1)制备好岩石微观标准试件，并选择与之端部形状尺寸相对应的夹持器；

25、(2)将夹持器分别与传载压板和固定底座固紧连接，并随后安装岩石微观标准试件和透明peek塑料挡板；

26、(3)运行数据控制处理系统，选定加载方式和加载速率；

27、(4)试验过程以设定加载速率缓慢加载至岩石微观试件破坏，记录岩石微观试件大致破坏过程节点数据，并通过数据处理系统记录相应的由于岩石试件太小而获得的不完整应力-应变曲线和峰值应力。

28、第三方面，本发明提供在第二方面的基础上进一步实施岩石微观单轴压缩x-ct破坏试验的方法，其特征在于，步骤如下：

29、(1)制备好岩石微观标准试件，并选择与之端部形状尺寸相对应的夹持器；

30、(2)将夹持器分别与传载压板和固定底座固紧连接，并随后安装岩石微观标准试件和透明peek塑料挡板；

31、(3)运行数据控制处理系统，选定加载方式和加载速率；

32、(4)试验过程中，以设定加载速率分别缓慢加载至20％、50％、70％、80％、90％和100％峰值应力与峰后破坏阶段，并在各个阶段开启x-射线检测装置，运用x-ct射线成像扫描，捕捉岩石微观试件裂纹扩展过程；

33、(5)运行数据控制处理系统，获取相应各个阶段的应力和应变值、完整的应力-应变曲线和岩石破裂x-ct数字化图像；

34、(6)结合完整的应力-应变曲线和岩石破裂x-ct数字化图像，采用数字化图像分析技术研究岩石微观破裂演化力学特性演化规律。

35、本发明的有益技术效果是：

36、(1)可通过改变岩石微观试件夹持器鼎形零件内部凹槽形状和尺寸，夹持固定不同形状和尺寸的岩石微观试件；

37、(2)采用透明peek塑料材料制作挡板，不仅可以顺利让x-射线穿透，还可以有效防止岩石微观试件压缩破坏产生的碎块损伤x-射线ct扫描设备；

38、(3)可实现岩石微观特征和微观结构演化过程的实时精细捕捉；弥补岩石微观试件力学测试仅能获取单轴抗强度的缺点，获取岩石微观试件完整应力-应变曲线和岩石微观破裂过程数字化图像。

39、(4)岩石实时微观损伤的x-射线ct加载-检测装置制作简单且测试灵活多样，为涉及岩石微观损伤断裂的深部能源和地下空间工程试验方法提供了有效的基础试验装置和方法。

技术特征：

1.一种岩石实时微观损伤的x-射线ct加载-检测装置，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的岩石实时微观损伤的x-射线ct加载-检测装置，其特征在于，所述岩石微观试件夹持器的上部分和下部分均包括用于安装试样的开有槽口的基座和设置于远离试样一侧的限位凸柱，所述限位凸柱的数量至少为三个。

3.根据权利要求2所述的岩石实时微观损伤的x-射线ct加载-检测装置，其特征在于，通过改变夹持器上槽口的形状以适配不同形状和尺寸的岩石试件。

4.根据权利要求3所述的岩石实时微观损伤的x-射线ct加载-检测装置，其特征在于，所述传载压板设置有匹配限位凸柱的凹槽。

5.根据权利要求1所述的岩石实时微观损伤的x-射线ct加载-检测装置，其特征在于，所述缓冲加载装置为内置弹簧的套筒，套筒内部上端还设置有可沿套筒内壁上下移动的，并与弹簧连接的限位板；套筒下端与加载压头固定连接。

6.根据权利要求5所述的岩石实时微观损伤的x-射线ct加载-检测装置，其特征在于，所述连接杆为高强度金属杆，其与限位板和加载电机固定连接，用于加载应力传递。

7.根据权利要求3所述的岩石实时微观损伤的x-射线ct加载-检测装置，其特征在于，所述固定底座设置有匹配限位凸柱的凹槽。

8.根据权利要求1所述的岩石实时微观损伤的x-射线ct加载-检测装置，其特征在于，所述弧形碟片包括固定连接的弧形连接片和限位卡扣，弧形连接片沿长度方向呈弧形，限位卡扣与加载轨道活动连接。

9.一种利用权利要求1-8任一项所述的岩石实时微观损伤的x-射线ct加载-检测装置实施岩石单轴压缩预试验测试的方法，其特征在于，步骤如下：

10.一种利用权利要求9所述的岩石单轴压缩预试验测试的方法实施岩石微观单轴压缩x-ct破坏试验的方法，其特征在于，步骤如下：

技术总结
本发明公开了一种岩石实时微观损伤的X‑射线CT加载‑检测装置及试验方法。该装置包括岩石力学单轴压缩试验加载测试装置、位于其外部的精细实时捕捉岩石微观破裂特征信息的X‑射线CT检测装置，以及数据控制处理系统；所述岩石力学单轴压缩试验加载测试装置包括：岩石微观试件夹持器；夹持器上部分由下至上依次设置的传载压板、加载压头、缓冲加载装置、连接杆和加载电机；夹持器下部分由上至下依次设置的固定底座、承载底座和旋转台；压力传感器；加载轨道；透明PEEK塑料挡板；本发明可实现对不同形状岩石试件进行微观损伤力学测试分析；可以精细实时捕捉岩石微观裂纹和微观结构演化过程；获取岩石微观试件完整应力‑应变曲线。

技术研发人员：赵智,陈俊伟,周小平
受保护的技术使用者：武汉大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15