一种软岩电化学改性的渗滤式试验装置及方法

摘要

本发明属于软岩的电化学改性试验领域，具体涉及一种软岩电化学改性的渗滤式试验装置及方法，解决了电化学改性试验过程中电极附近区域电解液发生电解反应，电极阳极在酸性条件下发生氧化反应造成腐蚀严重的问题，包括试验装备和基于试验装置的试验方法，其中试验装置为经过组合的渗滤式溶液室和样品室，渗滤式溶液室远离样品室的一端设置有方板，样品室、渗滤式溶液室和方板固定成整体。本发明结构简单、性能可靠、操作方便，实验现象易于观察记录，安全性高，具有广泛的实用性。通过该装置能够有效降低电化学试验过程中电解液电解产生的极端pH值对电极片和岩样的腐蚀作用，进而有效提高了试验装置和结果的可靠性。

说明书

技术领域

本发明属于软岩的电化学改性试验领域，具体涉及一种软岩电化学改性的渗滤式试验装置及方法。

背景技术

矿产资源开发和岩土工程建设中，经常会遇到一种不良岩体－软岩，这种岩体往往含有大量黏土矿物，通常为蒙脱石族、伊利石族和高岭石族等三大类，在这三类中又以蒙脱石族的性能最差，它是一种物理化学性质极端活泼的矿物，极易吸水膨胀，产生膨胀应力使处于这类岩层中的巷道和硐室产生大变形；且吸水后岩石强度迅速降低甚至泥化，导致岩体失稳而坍塌，造成安全事故，危及人身安全。

目前，常用的软岩工程稳定性控制途径与方法多为锚喷加固、强力棚式支护、砌碹或封闭混凝土拱，以及这几种方式相结合衍生出的各类支护方式，研究重点多放在已破碎或软化崩解的软岩的加固上，只是从力的平衡角度进行加固。对煤系软岩而言，由于其独特的物理化学性质，使其对温度、湿度、应力和地下水等环境因素极为敏感，特别是湿度条件变化时，软岩的性质和状态会发生很大变化，产生水化膨胀、碎胀扩容、强度降低等。此时，传统的支护方式由于支护系统不能承受巨大的膨胀和碎胀应力，而锚固系统又没有足够的着力点，加固的软岩工程往往只能维持一段时间，需要经常返修，返修量和费用很大。

发明专利（2008100484894）公开了一种软岩的电化学加固方法，其基本原理是采用人工方法对泥岩施加直流电场，在电场作用下泥岩内部带电离子发生定向移动，从而使泥岩的物质成分和结构发生改变，吸水膨胀性降低，强度提高，产生不可逆转的固化。但由于对泥岩吸水膨胀性、电化学加固效果以及实际施工过程中所需电流、电压、电解液、加电时机和加电时间等参数认识不清，造成施工的盲目性，使得该方法在工程实践中难以推广应用。

发明专利（2009100737801）公开了一种电化学改变软岩膨胀性的试验装置，其基本原理是测试不同电解液和电场作用下软岩的膨胀性能，形成不同条件下软岩的膨胀特征曲线，通过对比这些曲线得出不同电解液、电场作用下软岩的膨胀性差异，用以解读电化学方法对软岩膨胀性的抑制作用。但由于试验过程中电极附近区域电解液发生电解反应，使阳极周围区域呈酸性，电极阳极在酸性条件下发生氧化反应，腐蚀严重，制约该装置的使用。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种软岩电化学改性的渗滤式试验装置及方法，试验时将软岩岩样置于阴阳极溶液室之间，阴阳极溶液室均由三个相互间由纤维素过滤器隔开的独立小室组成，为防止电化学作用过程中电解液电解产生的极端pH值(阳极酸性pH降低，阴极碱性pH升高)影响岩样，中间小室填充pH缓冲材料，试验结束后，对岩样进行常规物理力学特征实验，对比得出不同电解液、电场作用下软岩物理力学特征的变化，为软岩电化学改性的工程实践提供基础的试验数据。

本发明是通过如下技术方案实现的：一种软岩电化学改性的渗滤式试验装置，包括呈空心圆柱结构的渗滤式溶液室和样品室且二者沿轴向水平设置，样品室的两侧对称设置有渗滤式溶液室，渗滤式溶液室远离样品室的一端设置有方板，样品室、渗滤式溶液室和方板固定成整体，样品室用于放置岩样，渗滤式溶液室由三个相互独立的溶液小室依次排列组合而成，溶液小室包括小室C1、小室C2和小室C3，小室C3与样品室接触连接，小室C1与方板接触连接，相邻的溶液小室间设置有纤维素过滤器，每个小室顶部均设置有注液口，通过注液口，小室C1和小室C3腔体内注射有电解液，小室C2腔体内注射有缓冲材料，小室C1内均设置有电极片，一侧小室C1内的电极片通过导线连接电源、开关、电流表后与另一侧小室C1的电极片连接，两个电极片间还并联有电压表。

方板、渗滤式溶液室和样品室均为机玻璃材质，渗滤式溶液室的三个小室间均设置有硅胶垫片，硅胶垫片呈环形且设置在纤维过滤器的两侧，小室C1与方板间以及小室C3与样品室间也设置有呈环形的硅胶垫片。

方板的顶部和底部分别对称开有四个螺栓孔，渗滤式溶液室和样品室的两侧轴向端部均设置有凸出表面的环形板，环形板与螺栓孔相对应的位置设置有圆孔，圆孔和螺栓孔内贯穿有螺纹杆，螺纹杆与方板外部利用加宽镀锌垫片和螺帽固定。

样品室内表面光滑，且样品室的内径为50mm，长度为100mm、50mm或者25mm中的任意一种。

一种基于软岩电化学改性的渗滤式试验装置的试验方法，包括如下步骤：

S1.按照试验需求加工岩样，将加工好的岩样放入样品室中，保证岩样与样品室内壁紧密接触；

S2.组装渗滤式溶液室，即按照相互对称的顺序分别组装小室C1、小室C2和小室C3，相邻的小室间均安装纤维素过滤器，纤维素过滤器的两侧设置环形硅胶垫片；

S3.将携带有岩样的样品室贯穿设置在螺纹杆上，并在样品室的两侧通过螺纹杆分别连接经步骤S2组装后的渗滤式溶液室，其中样品室和小室C3接触连接且二者间设置硅胶垫片；

S4.在螺纹杆的两端连接方板，方板与小室C1接触部位设置硅胶垫片，并将螺纹杆端部的螺帽拧紧，从而实现对本发明装置的固定；

S5. 将电极片分别置于两侧的溶液室小室C1内，一侧小室C1内的电极片通过导线连接电源、开关、电流表后与另一侧小室C1的电极片连接，另外在两个电极片间并联电压表；

S6. 使用注射器通过注液口分别向渗滤式溶液室内注入所需电解液和缓冲材料，其液面需低于注液口，使试验过程产生的气体得以顺利排出，避免胀裂实验装置；

S6.按设定方案，可调节电源输出所需电流电压，亦可进行不同电解液种类、浓度、加电时机和加电时间的试验，结合试验前后岩样的力学强度测试结果，给出泥岩电化学改性效果，得出泥岩电化学改性的最佳工艺参数。

电源输出为直流电，电压0～110V，电流0～3A，有数值显示窗口且连续可调。

本发明相比现有技术具有的特定技术特征及有益效果是：

本发明结构简单、性能可靠、操作方便，实验现象易于观察记录，安全性高，具有广泛的实用性。通过该装置能够有效降低电化学试验过程中电解液电解产生的极端pH值（阳极酸性pH降低，阴极碱性pH升高）对电极片和岩样的腐蚀作用，进而有效提高了试验装置和结果的可靠性。

附图说明

图1为本发明软岩电化学改性的渗滤式试验装置的结构示意图。

图中：1-螺纹杆，2-螺帽，3-加宽镀锌垫片，4-方板，5-电极片，6-纤维素过滤器，7-注液口，8-岩样，9-样品室，10-硅胶垫片，11-电压表，12-电源，13-开关，14-电流表，15-导线，16-渗滤式溶液室，17-小室C1，18-小室C2，19-小室C3，20-环形板。

具体实施方式

参照图1对本发明进行进一步阐述，本发明一种用于软岩电化学改性的渗滤式试验装置，包括两个渗滤式溶液室16和一个样品室9、螺纹杆1、螺帽2、加宽镀锌垫片3、方板4、电极片5、硅胶垫片10、电压表11、电源12、开关13、电流表14和导线15。为避免实验时电解液电解产生的极端pH值对电极以及岩样造成腐蚀，将渗滤式溶液室16进行设计，通过三个外侧上部留有注液口7且相互独立的圆柱形溶液小室组成，溶液小室包括小室C117、小室C218和小室C319组成，小室C117和小室C218以及小室C218和小室C319间分别装有纤维素过滤器6，试验时小室C117和小室C319分别注入相应的电解液，小室C218放置缓冲材料；电极5置于小室C117内，通过穿过注液口7的导线15和电压表11、电源12、开关13、电流表14相连；样品室9的规格需按照岩样8的标准尺寸进行设定，即样品室9选用的内径为50mm,长度可以为100mm、50mm、25mm中的任意一种，用以适应标准的压缩、剪切和劈裂试验试件。为便于观察记录试验现象，方板4、渗滤式溶液室16和样品室9均采用透明有机玻璃材质，相互间放置硅胶垫片10，通过4根位于方板4对角线上且分别贯穿渗滤式溶液室16和样品室9外环的螺纹杆1、螺帽2、加宽镀锌垫片3传力，挤压接触并密封。样品室9置于中间位置，渗滤式溶液室16和方板4对称布置在样品室9的两侧。

其中：样品室9的内表面必须打磨平整光滑，壁厚与其外形尺寸有关，为适应多种尺寸的岩样，可配置多个不同尺寸的样品室9。渗滤式溶液室16的尺寸与样品室9尺寸相匹配，即二者的内径相同，各部件间通过接触挤压实现密封。方板4的顶部和底部分别对称开有四个螺栓孔，渗滤式溶液室16和样品室9的两侧轴向端部位置均设置有凸出表面的环形板20，即环形板20的内径与渗滤式溶液室16或样品室9的外径相同；环形板20在与方板4螺栓孔的相对应位置设置有圆孔，相同位置的圆孔和螺栓孔内分别贯穿有螺纹杆1，螺纹杆1与方板4外部利用加宽镀锌垫片3和螺帽2固定。螺纹杆1与方板4及各腔室相配合，配合恰好可以保证螺纹杆1可以通过各部件预设的通孔，以达到紧固密封要求。本发明中的环形板20也可以利用其他形状的板来替代。

基于本发明的试验装置，具体的试验方法包括如下步骤：

S1.按照试验需求加工岩样8，将加工好的岩样8放入样品室9中，保证岩样8与样品室9内壁紧密接触；

S2.组装渗滤式溶液室16，即按照相互对称的顺序分别组装小室C117、小室C218和小室C319，相邻的小室间均安装纤维素过滤器6，纤维素过滤器6的两侧设置环形硅胶垫片10；

S3.将携带有岩样8的样品室9贯穿设置在螺纹杆1上，并在样品室9的两侧通过螺纹杆1分别连接经步骤S2组装后的渗滤式溶液室16，其中样品室9和小室C319接触连接且二者间设置硅胶垫片10；

S4.在螺纹杆1的两端连接方板4，方板4与小室C117接触部位设置硅胶垫片10，并将螺纹杆1端部的螺帽2拧紧，从而实现对本发明装置的固定；

S5. 将电极片5分别置于两侧的小室C117内，一侧小室C117内的电极片5通过导线15连接电源12、开关13、电流表14后与另一侧小室C117的电极片5连接，另外在两个电极片5间并联电压表11；

S6. 使用注射器通过注液口7分别向渗滤式溶液室16内注入所需电解液和缓冲材料，其液面需低于注液口7，使试验过程产生的气体得以顺利排出，避免胀裂实验装置；

S6.按设定方案，可调节电源12输出所需电流电压，其中，电源12输出为直流电，电压0～110V，电流0～3A，有数值显示窗口且连续可调；亦可进行不同电解液种类、浓度、加电时机和加电时间的试验，结合试验前后岩样8的力学强度测试结果，给出泥岩电化学改性效果，得出泥岩电化学改性的最佳工艺参数。

最后说明的是，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出改进，也可以对上述具体实施方式的进行组合，这些改进及组合形成的技术方案也应视为发明的权力范围当中。