一种岩石软化表面电化学效应量测系统

摘要

本发明涉及一种岩石软化表面电化学效应量测系统，该系统电势-PH值联合量测系统、表面损伤高分辨观测系统、多通道动态三维成像处置系统组成。其主要优点在于能够在水溶液环境下不间断立体量测标准与非标准岩石样品遇水软化全过程的表面电化学效应演化规律，对于揭示岩石遇水软化表面效应形成机制，具有十分重要的科学意义和实际应用价值。

说明书

技术领域

本发明属于岩土工程试验仪器领域，特别涉及一种岩石遇水软化的表面电 化学效应量测系统，适用于水溶液环境下不间断立体量测标准与非标准岩石样 品遇水软化全过程的表面电化学效应。

背景技术

岩石遇水软化是国际工程地质学科领域的前沿课题之一。其软化效应研究 是其中的重点和难点，是许多重大工程灾害产生的根源，已经成为学术界与工 程界共同关注的焦点。目前，通过实验在其软化机制、变形破坏的力学效应及 其本构模型方面已经开展了较多工作，初步形成了岩石软化研究的基本理论框 架。但是，在岩石软化全过程中有一个非常值得关注的现象：岩石软化的表面 效应。即：水溶液中岩石软化从表面开始，其表面特有的膨胀性矿物、粘土矿 物、易溶性矿物或有机质组分等，遇水后由于各种物理的、化学的、力学的作 用，其表面颗粒流失，孔隙变形，结构逐渐松散，加之电荷分布改变的影响， 有时这种作用会非常迅速，导致表面损伤破坏，体积膨胀加剧，强度衰减，进 而向内部扩展，最终导致岩石灾难性的结构损伤。但是，这一表面效应研究刚 刚引起关注，正处于研究起步阶段。而这可能正是加剧工程岩体失稳破坏的关 键原因之一。但是，目前还没有专门用于研究岩石软化表面效应的试验仪器， 特别是，相对于表面力学效应、物理效应测试手段，专门的岩石软化的表面电 化学效应测试仪器基本空白，只能借助精度低、稳定性差、非连续性、效率低、 操作繁琐的人工测试手段逐点进行测试，远远无法满足岩石软化表面效应定量 研究的需要。因此，设计研制一种水溶液环境中岩石软化的表面电化学效应量 测系统，解决岩石软化表电化学面效应试验仪器欠缺的问题，对于揭示其表面 效应形成机制，具有十分重要的科学意义和实际应用价值。

发明内容

本发明的目是，针对现有岩石软化表面效应研究中专门试验仪器欠缺的问， 提供一种能够在水溶液环境下不间断立体量测标准与非标准岩石样品遇水软化 全过程的表面电化学效应的试验系统。

本发明涉及的一种岩石软化表面电化学效应量测系统，由电势-PH值联合量 测系统、表面损伤高分辨观测系统、多通道动态三维成像处置系统组成。

1、电势-PH值联合量测系统

电势-PH值联合量测系统由复用移动探针、电位-PH复合双电极、三维探针 空心导轨、环形岩样承台、导线防腐与封装模块等组成，可实现岩石表面、水 溶液的电势、PH值的不间断稳定同步量测，实现对标准与非标准岩样遇水软化 表面电化学效应演化规律的精确量测。

2、表面损伤高分辨观测系统

表面损伤高分辨观测系统由三维可调导轨、高分辨图像采集器与智能图像 采集控制器及其软件等组成，可实现对岩样表面裂隙等细观损伤产生和发展进 行全过程高分辨捕捉与记录，实现水溶液条件下不间断稳定观测岩石软化表面 损伤演化规律。

3、多通道动态三维成像处置系统

多通道动态三维成像处置系统由多通道同步量测模块、动态三维快速成像 处置模块等组成，可实现岩石表面、水溶液的电势、PH值及岩石损伤的同步立 体量测控制，实现岩石表面损伤、电势、PH值等云图的三维快速成像与演化规 律分析。

本发明具有以下优点：

1、能够实现标准与非标准岩样软化过程中表面、水溶液的电势、PH值的不 间断稳定同步量测。

2、能够实现水溶液条件下岩样表面裂隙等细观损伤产生和发展进行全过程 不间断稳定高分辨捕捉与记录。

3、能够实现岩石表面、水溶液的电势、PH值及岩石损伤的同步立体量测控 制。

4、能够实现岩石遇水软化过程中表面损伤、电势、PH值等云图的三维快速 成像与演化规律分析。

5、本系统精度高、稳定性高、连续性且效率高、结构简单、操作方便，对 试验测试人员没有很强的技术要求。

附图说明

图1是本发明的整体组成结构示意图，图2是电势-PH值联合量测系统结 构示意图。

其中：

A.电势-PH值联合量测系统：A1.环形岩样承台；A2.三维探针空心导轨；A3. 电位-PH复合双电极；A4.复用移动探针；A5.导线防腐与封装模块；A6.电极安 装环。

B.表面损伤高分辨观测系统：B1.三维可调导轨；B2.高分辨图像采集器；B3. 智能图像采集控制器；B4.竖向移动固定环；B5.竖向支杆。

C.多通道动态三维成像处置系统：C1.多通道同步量测模块；C2.动态三维 快速成像处置模块；C3.复用移动探针导线；C4.电位-PH复合双电极导线；C5. 高分辨图像采集器与控制器导线；C6.多通道同步量测模块导线；C7.高性能计 算机。

D.水溶液进出控制通道。

E.玻璃容器。

图3是具体试验实施方式流程图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的技术方案进一步说明：

1、电势-PH值联合量测系统

A1.环形岩样承台与A2.三维探针空心导轨一次铸模加工成型，并在表面喷 涂防腐材料；在A1.环形岩样承台量测分别设置A6.电极安装环，将A3.电位-PH 复合双电极布置在A6.电极安装环上；在A2.三维探针空心导轨侧面与上下底面 布设A4.复用移动探针，A4.复用移动探针与A3.电位-PH复合双电极、C1.多通 道同步量测模块的联接导线布设于A2.三维探针空心导轨内部空腔内，并用A5. 导线防腐与封装模块进行保护，从而保证试验不受导线干扰与导线自身免受溶 液腐蚀。试验过程中，A.电势-PH值联合量测系统首先放入无水E.玻璃容器中， 再将岩石样品放置在A1.环形岩样承台上；A4.复用移动探针布设于A2.三维探 针空心导轨侧面与上下底面，可根据岩石样品形状与量测布设需要在A2.三维探 针空心导轨上进行移动与折叠，；通过D.水溶液进出控制通道向E.玻璃容器注 入所需溶液；最后，根据电势、PH值量测需要启用其中一个A3.电位-PH复合双 电极、另外一个作为备用，或两个同时启用，从而完成A4.复用移动探针对电势 -PH值的联合量测。

2、表面损伤高分辨观测系统

B2.高分辨图像采集器安装在B1.三维可调导轨上的可遥控动力装置，B1. 三维可调导轨通过B4.竖向移动固定环固定在B5.竖向支杆上，并可通过B4.竖 向移动固定环上的固定旋钮来调节B1.三维可调导轨的高度，环形导轨E5在一 侧开有活动接口，可沿一定方向打开，方便装卸。试验过程中，B.表面损伤高 分辨观测系统置于E.玻璃容器外侧；同时，B2.高分辨图像采集器在B3.智能图 像采集控制器的控制下，可沿B1.三维可调导轨自由移动，实现水溶液条件下对 岩样表面裂隙等细观损伤产生和发展进行全过程不间断稳定高分辨捕捉与记 录，实时观测岩石软化表面损伤演化规律。

3、多通道动态三维成像处置系统

A3.电位-PH复合双电极、A4.复用移动探针通过C3.复用移动探针导线、C4. 高分辨图像采集器与控制器导线与C1.多通道同步量测模块相连；C1.多通道同 步量测模块设置有多个通道的内置电表，可实现多个A4.复用移动探针同时进行 数据采集与记录工作；B2.高分辨图像采集器、B3.智能图像采集控制器通过C5. 高分辨图像采集器与控制器导线与C1.多通道同步量测模块相连；C1.多通道同 步量测模块通过C6.多通道同步量测模块导线与C2.动态三维快速成像处置模 块、C7.高性能计算机相连，实现数据同步解调与快速分析处置。试验过程中， C1.多通道同步量测模块根据分析需要设置数据采集频率，将岩石表面、水溶液 的电势、PH值及裂隙损伤等数据同步解调之后，传至C1.多通道同步量测模块； C1.多通道同步量测模块采用数据挖掘与数字化技术，建立多元异构量测数据快 速处置系统，实现岩石表面损伤、电势、PH值等云图的三维快速成像与演化规 律分析。

4.在上述系统的基础上，基于递进式冲突检测和消解技术，对上述四项硬 件的进行集成与智能优化设计；引入协同设计思想，开发系统智能控制模块， 实现操作模式变换、多相观测调整等系统运行的智能化操作，形成岩石软化表 面电化学效应量测系统。