复杂应力状态下岩土材料热物性参数的测试装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种复杂应力状态下岩土材料热物性参数的测试装置及方法，包括试样组件、压力腔室、轴压加载组件、围压加载组件和试样加热组件；试样加热组件包括坚硬试样加热组件和松软试样加热组件；坚硬试样加热组件包括加热板、冷却板、底部热流传感器和顶部热流传感器；松软试样加热组件包括双针热探头；双针热探头包括平行并列布设的加热探针和温度探针。方法包括步骤1、制备试样组件；步骤2、加载围压；步骤3、测试初始状态热物性参数；步骤4、加载轴压；步骤5、测试轴压下热物性参数；步骤6、调整围压。本发明专利技术能实现在不同应力场条件下的热导率和体积比热容测试，且具有操作简便、快捷、结果精度高等优点。结果精度高等优点。结果精度高等优点。

【技术实现步骤摘要】
复杂应力状态下岩土材料热物性参数的测试装置及方法


[0001]本专利技术涉及土木工程、岩土工程领域中的多孔材料基本物理性质参数的测试技术，特别是一种复杂应力状态下岩土材料热物性参数的测试装置及方法。

技术介绍

[0002]岩土材料的热物性参数是土木工程领域中热工构筑物设计、施工的重要设计参数之一。随着化石能源消耗的不断增长，以及由此带来的环境危害，使得人们不断寻求新的清洁能源同时，也努力提高能源的利用效率。近年来，土木工程领域内的热工构筑物逐渐兴起，规模和数量呈明显增长态势。热工构筑物的设计和施工过程中，对于周围岩土材料的热物性参数，如热导率、热容量和热辐射等，要求测量准确，这对于热工构筑物的热交换效率和服役性能均有着直接影响。了解热能在岩土材料中的传递特点以及准确、有效的测试其热物性参数指标，对于工程实践有着重要的意义。岩土材料具有多孔性、介质多相性、不均匀性等特点，使得准确量测其在不同制备状态下的热物性参数尤为重要。热导率和比热容是表征岩土材料热传导特性的重要指标，能够直接反映热量在其中的传递效率。
[0003]岩土材料热导率/比热容的测试方法多种多样，按照测试原理可以分为两大类：稳态法和非稳态法；按照测试设备可以有热探针法、平板法、水加热法等等。这些测试技术发展至今，都较为成熟，能够准确的量测岩土材料的热物性参数。值得注意的是，岩土材料在实际工程应用时，均处于一定的应力场环境中，例如，寒区道路路基填料在服役过程中，不仅要承受上部结构的自重，还需要承受来自外部车辆荷载的作用。岩土材料中的固相颗粒介质在不同的应力环境下，其相互间的接触性状不同，会直接影响总体的热传导特性。因此，需要研发新型、高效的测试装置，用于量测岩土材料在复杂应力状态下的热物性参数。

技术实现思路

[0004]本专利技术要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种复杂应力状态下岩土材料热物性参数的测试装置及方法，该复杂应力状态下岩土材料热物性参数的测试装置及方法能对热工构筑物中复杂应力环境下岩土材料的热传导性能进行定量评价，具有操作简单、快捷、测试精度高等优点，具有良好的社会经济效益和工程应用前景。
[0005]为解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案是：
[0006]一种复杂应力状态下岩土材料热物性参数的测试装置，包括试样组件、压力腔室、轴压加载组件、围压加载组件和试样加热组件。
[0007]试样组件包括岩土试样、试样支座、试样帽和乳胶膜；试样支座同轴设置在岩土试样底部，试样帽同轴放置在岩土试样顶部，乳胶膜能一体式密封包覆岩土试样、试样支座和试样帽。
[0008]压力腔室为同轴设置在试样组件外周的密封腔室。
[0009]轴压加载组件用于向试样组件施加轴向压力。
[0010]围压加载组件用于向试样组件施加围压。
[0011]试样加热组件包括坚硬试样加热组件和松软试样加热组件。
[0012]坚硬试样加热组件包括加热板、冷却板、底部热流传感器和顶部热流传感器。
[0013]加热板设置在试样支座顶部，冷却板设置在试样帽底部，底部热流传感器用于检测岩土试样顶部温度，顶部热流传感器用于检测岩土试样底部温度。
[0014]松软试样加热组件包括双针热探头，双针热探头底部可拆卸式安装在试样支座或加热板上，双针热探头顶部能伸入试样内部；双针热探头包括平行并列布设的加热探针和温度探针。
[0015]试样组件还包括绝热薄膜，绝热薄膜同轴一体式包覆在岩土试样、试样支座和试样帽外周，乳胶膜包覆在绝热薄膜外周。
[0016]双针热探头的热导率k量程为0.02W/(m
·
K)至2.00W/(m
·
K)，体积比热容c的量程为0.5MJ/m3至4.0MJ/m3，测量误差应低于
±
10％。
[0017]轴压加载组件包括反力架和传力导杆，传力导杆安装在反力架顶部，且高度能够升降。
[0018]轴压加载组件还包括位移传感器，位移传感器能检测试样组件的轴向位移。
[0019]一种复杂应力状态下岩土材料热物性参数的测试方法，包括如下步骤。
[0020]步骤1、制备试样组件，具体包括如下步骤：
[0021]步骤11、制备岩土试样：根据待模拟岩土材料的物理性能，将原状土掺加设定剂量的添加剂和水，并成型或压实，形成设定尺寸的岩土试样；根据岩土试样的强度，将岩土试样分为坚硬岩土试样和松软岩土试样；其中，坚硬岩土试样的强度大于松软岩土试样的强度。
[0022]步骤12、安装试样加热组件：在试样支座顶部从下至上依次铺设加热板和底部热流传感器，在试样帽底部依次设置冷却板和顶部热流传感器；双针热探头根据岩土试样类型选择是否安装，当岩土试样为松软岩土试样时，将双针热探头底部可拆卸式安装在试样支座或加热板上；否则，不安装双针热探头。
[0023]步骤13、安装岩土试样：将步骤11制备的岩土试样放置在步骤12的试样支座顶部，当岩土试样为松软岩土试样时，双针热探头顶部伸入松软岩土试样内部；然后，将步骤12的试样帽放置在岩土试样顶部。
[0024]步骤14、包覆岩土试样：将绝热薄膜和乳胶膜从内至外依次包覆在步骤13安装完成的岩土试样外周。
[0025]步骤2、加载围压：将步骤1制备完成的岩土试样放置在压力腔室底部中心，通过向压力腔室注水的方式，向岩土试样施加设定压力的围压。
[0026]步骤3、测试初始状态热物性参数：对步骤2加载有设定压力围压的岩土试样进行加热，并测试，从而得到初始状态热物性参数，具体计算方法为：
[0027]A、当岩土试样为松软岩土试样时，初始状态热物性参数包括初始热导率k0‑1和初始体积比热容c0‑1；其中，初始热导率k0‑1和初始体积比热容c0‑1均采用双针热探头测试得到。
[0028]B、当岩土试样为坚硬岩土试样时，初始状态热物性参数包括初始热导率k0‑2，初始热导率k0‑2采用坚硬试样加热组件测试得到。
[0029]步骤4、加载轴压：对完成初始状态热物性参数测试且恢复至加热前温度的岩土试
样，采用轴压加载组件进行等梯度d的梯级式轴压的施加，直至达到所需的最大轴向荷载；其中，梯度d的计算公式为：
[0030][0031]式中，F
a
为施加的上一级轴向荷载；F
b
为施加的下一级轴向荷载。
[0032]步骤5、测试轴压下热物性参数：在步骤4的每级轴压加载之后，均采用步骤3的方法进行该级轴压下的热物性参数测试，从而得到不同轴压下的热物性参数测试。
[0033]步骤6、调整步骤2中向岩土试样施加的围压的设定压力值，重复步骤3至步骤5，从而得到不同围压下的热物性参数测试。
[0034]步骤3A中，采用双针热探头测试初始热导率k0‑1的方法，具体包括如下：
[0035]步骤3A1、加热岩土试样：采用加热探针主动对岩土试样进行加热，且加热总时间为t
h
，单位为秒本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种复杂应力状态下岩土材料热物性参数的测试装置，其特征在于：包括试样组件、压力腔室、轴压加载组件、围压加载组件和试样加热组件；试样组件包括岩土试样、试样支座、试样帽和乳胶膜；试样支座同轴设置在岩土试样底部，试样帽同轴放置在岩土试样顶部，乳胶膜能一体式密封包覆岩土试样、试样支座和试样帽；压力腔室为同轴设置在试样组件外周的密封腔室；轴压加载组件用于向试样组件施加轴向压力；围压加载组件用于向试样组件施加围压；试样加热组件包括坚硬试样加热组件和松软试样加热组件；坚硬试样加热组件包括加热板、冷却板、底部热流传感器和顶部热流传感器；加热板设置在试样支座顶部，冷却板设置在试样帽底部，底部热流传感器用于检测岩土试样顶部温度，顶部热流传感器用于检测岩土试样底部温度；松软试样加热组件包括双针热探头，双针热探头底部可拆卸式安装在试样支座或加热板上，双针热探头顶部能伸入试样内部；双针热探头包括平行并列布设的加热探针和温度探针。2.根据权利要求1所述的复杂应力状态下岩土材料热物性参数的测试装置，其特征在于：试样组件还包括绝热薄膜，绝热薄膜同轴一体式包覆在岩土试样、试样支座和试样帽外周，乳胶膜包覆在绝热薄膜外周。3.根据权利要求1所述的复杂应力状态下岩土材料热物性参数的测试装置，其特征在于：双针热探头的热导率k量程为0.02W/(m
·
K)至2.00W/(m
·
K)，体积比热容c的量程为0.5MJ/m3至4.0MJ/m3，测量误差应低于
±
10％。4.根据权利要求1所述的复杂应力状态下岩土材料热物性参数的测试装置，其特征在于：轴压加载组件包括反力架和传力导杆，传力导杆安装在反力架顶部，且高度能够升降。5.根据权利要求4所述的复杂应力状态下岩土材料热物性参数的测试装置，其特征在于：轴压加载组件还包括位移传感器，位移传感器能检测试样组件的轴向位移。6.一种复杂应力状态下岩土材料热物性参数的测试方法，其特征在于：包括如下步骤：步骤1、制备试样组件，具体包括如下步骤：步骤11、制备岩土试样：根据待模拟岩土材料的物理性能，将原状土掺加设定剂量的添加剂和水，并成型或压实，形成设定尺寸的岩土试样；根据岩土试样的强度，将岩土试样分为坚硬岩土试样和松软岩土试样；其中，坚硬岩土试样的强度大于松软岩土试样的强度；步骤12、安装试样加热组件：在试样支座顶部从下至上依次铺设加热板和底部热流传感器，在试样帽底部依次设置冷却板和顶部热流传感器；双针热探头根据岩土试样类型选择是否安装，当岩土试样为松软岩土试样时，将双针热探头底部可拆卸式安装在试样支座或加热板上；否则，不安装双针热探头；步骤13、安装岩土试样：将步骤11制备的岩土试样放置在步骤12的试样支座顶部，当岩土试样为松软岩土试样时，双针热探头顶部伸入松软岩土试样内部；然后，将步骤12的试样帽放置在岩土试样顶部；步骤14、包覆岩土试样：将绝热薄膜和乳胶膜从内至外依次包覆在步骤13安装完成的岩土试样外周；
步骤2、加载围压：将步骤1制备完成的岩土试样放置在压力腔室底部中心，通过向压力腔室注水的方式，向岩土试样施加设定压力的围压；步骤3、测试初始状态热物性参数：对步骤2加载有设定压力围压的岩土试样进行加热，并测试，从而得到初始状态热物性参数，具体计算方法为：A、当岩土试样为松软岩土试样时，初始状态热物性参数包括初始热导率k0‑1和初始体积比热容c0‑1；其中，初始热导率k0‑1和初始体积比热容c0‑1均采用双针热探头测试得到；B、当...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨玉玲，张涛，周峰，储亚，韩爱民，徐洪钟，
申请(专利权)人：南京工业大学，
类型：发明
国别省市：