本發(fā)明涉及巖土體風(fēng)化試驗(yàn)系統(tǒng)及試驗(yàn)方法，尤其是一種適用于黏土礦物含量較高的巖土體在不同溫度、濕度和風(fēng)流速度條件下的失水或吸水過(guò)程中含水率和宏細(xì)觀結(jié)構(gòu)的演化試驗(yàn)系統(tǒng)及試驗(yàn)方法。

背景技術(shù)：

巖土體在不同溫度、濕度和風(fēng)流速度環(huán)境下的風(fēng)化過(guò)程研究是邊坡工程、隧道工程、地基加固、采礦工程和水利工程等一系列巖土體工程結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的最基礎(chǔ)性研究課題之一，具有十分重要的科學(xué)價(jià)值和工程意義。

風(fēng)化作用是影響巖土體結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期穩(wěn)定的主要因素之一，特別是對(duì)于泥巖、頁(yè)巖等弱膠結(jié)巖土體，由于這類巖土體中含有大量親水性黏土礦物，干燥巖土體在一定的溫度、濕度環(huán)境下極易發(fā)生吸水風(fēng)化，并造成巖土體結(jié)構(gòu)的軟化和崩解，而高含水率巖土體在一定的溫度、濕度環(huán)境下又容易發(fā)生失水收縮開(kāi)裂型的風(fēng)化，無(wú)論巖土體是收縮開(kāi)裂型風(fēng)化還是吸水軟化型風(fēng)化，巖土體中的含水率和宏細(xì)觀結(jié)構(gòu)均發(fā)生變化，并影響巖土體的物理力學(xué)特性，從而帶來(lái)相應(yīng)的工程問(wèn)題。

因此，巖土體在環(huán)境影響下的風(fēng)化過(guò)程是值得深入研究和探索的科學(xué)問(wèn)題，要開(kāi)展巖土體風(fēng)化試驗(yàn)研究的首要條件是給試驗(yàn)材料提供高精度且穩(wěn)定的溫度、濕度和風(fēng)流環(huán)境，同時(shí)在試驗(yàn)過(guò)程中要能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)監(jiān)測(cè)記錄巖土體的含水率和宏觀、細(xì)觀結(jié)構(gòu)隨時(shí)間的演化過(guò)程，提高工作效率，并避免試驗(yàn)過(guò)程中人工操作影響恒溫恒濕箱體內(nèi)的環(huán)境。

此外，為進(jìn)行巖土體風(fēng)化過(guò)程中的失水和吸水演化試驗(yàn)的定量分析，對(duì)試驗(yàn)環(huán)境的要求較高，恒溫恒濕箱體內(nèi)不能產(chǎn)生凝露，然而，目前已有的恒溫恒濕箱(如：一種恒溫恒濕箱，專利申請(qǐng)?zhí)枺?01310364767.8)通常只有加濕功能而沒(méi)有除濕功能，且控制精度較低，這類恒溫恒濕箱體往往只能提供高濕度環(huán)境，此外持續(xù)的高濕度供給將導(dǎo)致空氣中的水汽飽和后產(chǎn)生凝露，凝露形成的水滴易滴落試樣上，而不是通過(guò)巖土體中黏土礦物與空氣中水汽交換的方式進(jìn)行結(jié)合，這會(huì)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生影響，很難進(jìn)行巖土體失水和吸水風(fēng)化的定量分析。

部分具有除濕功能的恒溫恒濕箱(如：適用于靜電紡絲的恒溫恒濕箱及恒溫恒濕方法，專利申請(qǐng)?zhí)枺?01510136534.1)則是采用恒溫恒濕箱體的半導(dǎo)體制冷片來(lái)降低恒溫恒濕箱體內(nèi)的濕度，通過(guò)將箱體內(nèi)空氣中的水汽凝露成水滴的方式來(lái)除濕，這同樣會(huì)因?yàn)槟秾?duì)試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生影響，此外，這種除濕方式使得箱體中的溫度降低，不能實(shí)現(xiàn)溫度環(huán)境的恒定，當(dāng)箱體溫度增加后又會(huì)使凝露在箱體內(nèi)的水滴繼續(xù)汽化，空氣濕度繼續(xù)增加，導(dǎo)致難以實(shí)現(xiàn)不改變溫度的條件下降低箱體內(nèi)的濕度環(huán)境。

無(wú)論是干燥巖土體吸收空氣中水分后的軟化型風(fēng)化試驗(yàn)，還是高飽和巖土體在一定溫度和濕度環(huán)境下的失水型風(fēng)化試驗(yàn)，如果沒(méi)有穩(wěn)定的控制措施，恒溫恒濕箱箱內(nèi)的溫度和濕度是一個(gè)動(dòng)態(tài)變化的過(guò)程，例如，在相對(duì)濕度較低的環(huán)境下(相對(duì)濕度60％RH)，飽和巖土體失水風(fēng)化過(guò)程中，恒溫恒濕箱內(nèi)空氣中的水汽含量(濕度)增加，此時(shí)需要適量降低空氣濕度，并使相對(duì)濕度穩(wěn)定在60％RH，以滿足試驗(yàn)環(huán)境條件的精確控制。

恒溫恒濕箱內(nèi)溫度和濕度環(huán)境的穩(wěn)定控制是保證開(kāi)展巖土體風(fēng)化試驗(yàn)的首要條件，在開(kāi)展巖土體試樣的風(fēng)化試驗(yàn)過(guò)程中，巖土體試樣的含水率和宏細(xì)觀結(jié)構(gòu)在時(shí)時(shí)發(fā)生變化，為了得到巖土體試樣在風(fēng)化過(guò)程中含水率和宏細(xì)觀結(jié)構(gòu)的演化規(guī)律，并以此揭示巖土體的風(fēng)化特性，需間隔一段時(shí)間(如：10分鐘、30分鐘或1小時(shí)等)對(duì)試樣進(jìn)行含水率測(cè)定，并用顯微鏡對(duì)試樣的宏細(xì)觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行定時(shí)記錄。

如果將巖土體試樣從恒溫恒濕箱箱體中將巖土體試樣取出，然后分別進(jìn)行含水率測(cè)定和宏細(xì)觀結(jié)構(gòu)記錄，首先開(kāi)箱取樣會(huì)使恒溫恒濕箱內(nèi)的溫度和濕度受該箱體外環(huán)境影響較大，待巖土體的含水率和宏細(xì)觀結(jié)構(gòu)測(cè)試完后再放入恒溫恒濕箱中繼續(xù)試驗(yàn)，恒溫恒濕箱內(nèi)溫度和濕度環(huán)境在重新調(diào)整到設(shè)定值的過(guò)程會(huì)影響試驗(yàn)結(jié)果，其次，重復(fù)的手動(dòng)測(cè)試工作大大地降低了試驗(yàn)效率，此外，巖土體試樣從恒溫恒濕箱中取出后進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試過(guò)程中室內(nèi)的溫度和濕度環(huán)境對(duì)試樣參數(shù)影響，而且試樣的宏細(xì)觀結(jié)構(gòu)隨含水率在實(shí)時(shí)發(fā)生變化，因此，需要研制巖土體風(fēng)化試驗(yàn)系統(tǒng)，通過(guò)精確控制恒溫恒濕箱內(nèi)的溫度、濕度和風(fēng)流速度，確保巖土體風(fēng)化試驗(yàn)的開(kāi)展過(guò)程中環(huán)境條件的長(zhǎng)期穩(wěn)定，同時(shí)監(jiān)測(cè)巖土體風(fēng)化過(guò)程中的含水率和宏細(xì)觀結(jié)構(gòu)隨時(shí)間的演化規(guī)律，從而確定對(duì)精確定量得到巖土體的風(fēng)化演變規(guī)律。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

發(fā)明目的：本發(fā)明的目的是提供一種具有高精度自動(dòng)控制、不產(chǎn)生凝露且能進(jìn)行含水率和宏細(xì)觀結(jié)構(gòu)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并記錄的巖土體風(fēng)化試驗(yàn)系統(tǒng)及試驗(yàn)方法，該風(fēng)化試驗(yàn)系統(tǒng)能提供長(zhǎng)期穩(wěn)定的溫度、濕度和風(fēng)流速度試驗(yàn)環(huán)境，基于該風(fēng)化試驗(yàn)系統(tǒng)的試驗(yàn)方法操作簡(jiǎn)單，大大地提高巖土體風(fēng)化試驗(yàn)效率和精度，并降低勞動(dòng)強(qiáng)度。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用了如下的技術(shù)方案：一種巖土體風(fēng)化試驗(yàn)系統(tǒng)，其特征在于：包括恒溫恒濕箱體、加濕器、除濕器、濕度控制模塊、加熱絲、半導(dǎo)體制冷片、溫度控制模塊、試驗(yàn)平臺(tái)、微型電子顯微鏡、微型電子顯微鏡支架、高精度稱重傳感器、稱重傳感器模塊、空氣循環(huán)機(jī)、空氣循環(huán)控制模塊、溫濕度傳感器探頭、溫濕度傳感器探頭支架、溫濕度傳感器模塊和微機(jī)；

將溫濕度傳感器探頭支架的一端焊接在恒溫恒濕箱體內(nèi)部的頂板上，溫濕度傳感器探頭懸掛在溫濕度傳感器探頭支架的另一端，溫濕度傳感器探頭與溫濕度傳感器模塊連接，在恒溫恒濕箱體內(nèi)部焊接一試驗(yàn)平臺(tái)，試驗(yàn)平臺(tái)上面固定一個(gè)高精度稱重傳感器和一個(gè)空氣循環(huán)機(jī)，空氣循環(huán)機(jī)的出風(fēng)口方向正對(duì)高精度稱重傳感器，高精度稱重傳感器與稱重傳感器模塊連接，空氣循環(huán)機(jī)與空氣循環(huán)機(jī)模塊連接，微型電子顯微鏡固定在位于恒溫恒濕箱體內(nèi)部的微型電子顯微鏡支架一端，微型電子顯微鏡支架的另一端焊接在恒溫恒濕箱體內(nèi)，微型電子顯微鏡鏡頭朝向稱重傳感器的頂端，在恒溫恒濕箱體內(nèi)壁上分別安裝加熱絲和半導(dǎo)體制冷片，加熱絲和半導(dǎo)體制冷片與溫度控制模塊連接，在恒溫恒濕箱體底板上安裝加濕器和除濕器，并將加濕器和除濕器與濕度控制模塊連接，將微型電子顯微鏡、空氣循環(huán)控制模塊、稱重傳感器模塊、溫度控制模塊、濕度控制模塊和溫濕度傳感器模塊分別與微機(jī)連接。

進(jìn)一步的，所述溫度控制模塊的控制范圍為-20℃～50℃，控制精度為0.1℃；濕度控制模塊的控制范圍為20％～100％RH，控制精度為1％RH；高精度稱重傳感器的量程為200g，傳感器精度為0.001g；微型電子顯微鏡的放大倍率區(qū)間為1～10000倍；空氣循環(huán)控制模塊的風(fēng)流速度控制范圍為0m/s～10m/s。

進(jìn)一步的，所述稱重傳感器模塊、空氣循環(huán)控制模塊、溫度控制模塊、濕度控制模塊均位于恒溫恒濕箱體外部。

根據(jù)上述巖土體風(fēng)化試驗(yàn)系統(tǒng)的試驗(yàn)方法，該試驗(yàn)方法包括以下步驟：

在試驗(yàn)開(kāi)始前，在微機(jī)上設(shè)置恒溫恒濕箱體內(nèi)的溫度、濕度和風(fēng)流速度，微機(jī)根據(jù)溫濕度傳感器探頭獲得的恒溫恒濕箱體內(nèi)的溫度和濕度值，將控制信號(hào)分別發(fā)送至溫度控制模塊、濕度控制模塊和空氣循環(huán)控制模塊，啟動(dòng)對(duì)應(yīng)的空氣循環(huán)機(jī)、加濕機(jī)或除濕機(jī)、加熱絲或半導(dǎo)體制冷片，將恒溫恒濕箱體內(nèi)的風(fēng)流速度、濕度和溫度調(diào)整至微機(jī)上的設(shè)定值；

在微機(jī)上設(shè)置數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)和記錄的頻率，然后開(kāi)始試驗(yàn)，微機(jī)通過(guò)高精度稱重傳感器得到的巖土體的質(zhì)量隨時(shí)間的變化規(guī)律，自動(dòng)計(jì)算出巖土體在風(fēng)化過(guò)程中的含水率演化規(guī)律，同時(shí)，微機(jī)通過(guò)微型電子顯微鏡監(jiān)測(cè)并記錄巖土體的細(xì)觀結(jié)構(gòu)隨含水率的同步演化規(guī)律，當(dāng)微機(jī)監(jiān)測(cè)到的巖土體含水率在24小時(shí)內(nèi)保持穩(wěn)定不變，且當(dāng)巖土體的細(xì)觀結(jié)構(gòu)也基本不發(fā)生變化后，停止試驗(yàn)。

有益效果：與已有的恒溫恒濕箱相比，本試驗(yàn)系統(tǒng)根據(jù)恒溫恒濕箱體內(nèi)的溫濕度傳感器探頭，結(jié)合溫度控制模塊和濕度控制模塊，通過(guò)微機(jī)分別精確控制加熱絲和半導(dǎo)體制冷片來(lái)調(diào)節(jié)恒溫恒濕箱體內(nèi)的溫度，使恒溫恒濕箱體內(nèi)不出現(xiàn)影響試驗(yàn)結(jié)果的凝露現(xiàn)象，同時(shí)微機(jī)分別精確控制加濕機(jī)和除濕機(jī)來(lái)調(diào)節(jié)恒溫恒濕箱體內(nèi)的濕度，使巖土體在風(fēng)化試驗(yàn)過(guò)程中無(wú)論是吸水還是失水后，恒溫恒濕箱體內(nèi)的濕度始終保持在設(shè)定值；本試驗(yàn)系統(tǒng)還包含空氣循環(huán)機(jī)，并通過(guò)微機(jī)控制使得恒溫恒濕箱體內(nèi)的空氣能夠以一定的速度循環(huán)流動(dòng)，以便開(kāi)展不同風(fēng)流速度條件下的巖土體風(fēng)化試驗(yàn)；本試驗(yàn)系統(tǒng)通過(guò)高精度稱重傳感器監(jiān)測(cè)巖土體在風(fēng)化過(guò)程中的質(zhì)量變化，通過(guò)微機(jī)計(jì)算后能過(guò)獲得巖土體在風(fēng)化過(guò)程中的含水率演化規(guī)律，并通過(guò)微型電子顯微鏡實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和記錄巖土體在風(fēng)化過(guò)程中的宏細(xì)觀結(jié)構(gòu)演化規(guī)律，在一定溫度、濕度和風(fēng)流速度環(huán)境下巖土體含水率和宏細(xì)觀結(jié)構(gòu)演化規(guī)律的實(shí)時(shí)自動(dòng)監(jiān)測(cè)和記錄避免了以往巖土體風(fēng)化試驗(yàn)過(guò)程中的重復(fù)性人工操作，同時(shí)也避免了外界環(huán)境的影響，提高了試驗(yàn)效率；基于本試驗(yàn)系統(tǒng)的試驗(yàn)方法簡(jiǎn)單，且操作方便，試驗(yàn)結(jié)果的精度和準(zhǔn)確度均高于傳統(tǒng)試驗(yàn)方法。

附圖說(shuō)明

圖1為巖土體恒溫恒濕試驗(yàn)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖中：1、恒溫恒濕箱體；2、加濕器；3、除濕器；4、濕度控制模塊；5、加熱絲；6、半導(dǎo)體制冷片；7、溫度控制模塊；8、試驗(yàn)平臺(tái)；9、微型電子顯微鏡；10、微型電子顯微鏡支架；11、高精度稱重傳感器；12、稱重傳感器模塊；13、空氣循環(huán)機(jī)；14、空氣循環(huán)控制模塊；15、溫濕度傳感器探頭；16、溫濕度傳感器探頭支架；17、溫濕度傳感器模塊；18、微機(jī)。

具體實(shí)施方式：

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做更進(jìn)一步的解釋。

如圖1所示，本發(fā)明的一種巖土體風(fēng)化試驗(yàn)系統(tǒng)，包括恒溫恒濕箱體、加濕器、除濕器、濕度控制模塊、加熱絲、半導(dǎo)體制冷片、溫度控制模塊、試驗(yàn)平臺(tái)、微型電子顯微鏡、微型電子顯微鏡支架、高精度稱重傳感器、稱重傳感器模塊、空氣循環(huán)機(jī)、空氣循環(huán)控制模塊、溫濕度傳感器探頭、溫濕度傳感器探頭支架、溫濕度傳感器模塊和微機(jī)。將溫濕度傳感器探頭支架的一端焊接在恒溫恒濕箱體內(nèi)部的頂板上，溫濕度傳感器探頭懸掛在溫濕度傳感器探頭支架的另一端，溫濕度傳感器探頭與溫濕度傳感器模塊連接，用于監(jiān)測(cè)和記錄恒溫恒濕箱體內(nèi)部的溫度和濕度；在恒溫恒濕箱體內(nèi)部焊接一試驗(yàn)平臺(tái)，試驗(yàn)平臺(tái)上面固定一個(gè)高精度稱重傳感器和一個(gè)空氣循環(huán)機(jī)，空氣循環(huán)機(jī)的出風(fēng)口方向正對(duì)高精度稱重傳感器，高精度稱重傳感器與稱重傳感器模塊連接，空氣循環(huán)機(jī)與空氣循環(huán)機(jī)模塊連接，空氣循環(huán)機(jī)用于提供穩(wěn)定的風(fēng)流環(huán)境，稱重傳感器用于監(jiān)測(cè)巖土體質(zhì)量的變化，并結(jié)合微機(jī)得到巖土體在風(fēng)化過(guò)程中的含水率演化規(guī)律；微型電子顯微鏡固定在位于恒溫恒濕箱體內(nèi)部的微型電子顯微鏡支架一端，微型電子顯微鏡支架的另一端焊接在恒溫恒濕箱體內(nèi)，微型電子顯微鏡鏡頭朝向稱重傳感器的頂端，微型電子顯微鏡用于監(jiān)測(cè)和記錄巖土體在風(fēng)化過(guò)程中的宏細(xì)觀結(jié)構(gòu)演化規(guī)律；在恒溫恒濕箱體內(nèi)壁上分別安裝加熱絲和半導(dǎo)體制冷片，加熱絲和半導(dǎo)體制冷片與溫度控制模塊連接，用于調(diào)解恒溫恒濕箱體內(nèi)的溫度；在恒溫恒濕箱體底板上安裝加濕器和除濕器，并將加濕器和除濕器與濕度控制模塊連接，用于調(diào)節(jié)恒溫恒濕箱體內(nèi)的濕度；所述稱重傳感器模塊、空氣循環(huán)控制模塊、溫度控制模塊、濕度控制模塊均位于恒溫恒濕箱體外部，將微型電子顯微鏡、空氣循環(huán)控制模塊、稱重傳感器模塊、溫度控制模塊、濕度控制模塊和溫濕度傳感器模塊分別與微機(jī)連接。

本實(shí)施例中，所述溫度控制模塊的控制范圍為-20℃～50℃，控制精度為0.1℃；濕度控制模塊的控制范圍為20％～100％RH，控制精度為1％RH；高精度稱重傳感器的量程為200g，傳感器精度為0.001g；微型電子顯微鏡的放大倍率區(qū)間為1～10000倍；空氣循環(huán)控制模塊的風(fēng)流速度控制范圍為0m/s～10m/s。

根據(jù)上述巖土體風(fēng)化試驗(yàn)系統(tǒng)的試驗(yàn)方法：

在試驗(yàn)開(kāi)始前，在微機(jī)上設(shè)置恒溫恒濕箱體內(nèi)的溫度、濕度和風(fēng)流速度，溫度為15℃，濕度為80％RH，風(fēng)流速度為3m/s，微機(jī)根據(jù)溫濕度傳感器探頭獲得的恒溫恒濕箱體內(nèi)的溫度和濕度值，將控制信號(hào)分別發(fā)送至溫度控制模塊、濕度控制模塊和空氣循環(huán)控制模塊，啟動(dòng)對(duì)應(yīng)的空氣循環(huán)機(jī)、加濕機(jī)或除濕機(jī)、加熱絲或半導(dǎo)體制冷片，將恒溫恒濕箱體內(nèi)的風(fēng)流速度、濕度和溫度調(diào)整至微機(jī)上的設(shè)定值，如果恒溫恒濕箱內(nèi)的溫度大于15℃，微機(jī)自動(dòng)向溫度控制模塊發(fā)送指令，并開(kāi)啟半導(dǎo)體制冷片直到恒溫恒濕箱體內(nèi)的溫度降至15℃后，微機(jī)根據(jù)溫濕度傳感器探頭采集到的溫度數(shù)據(jù)，再次向溫度控制模塊發(fā)送指令，關(guān)閉半導(dǎo)體制冷片，反之，若恒溫恒濕箱內(nèi)的溫度小于15℃，微機(jī)則自動(dòng)通過(guò)溫度控制模塊開(kāi)啟加熱絲，并當(dāng)加熱絲將恒溫恒濕箱內(nèi)的溫度加熱至15℃后，再由微機(jī)發(fā)送指令通過(guò)溫度控制模塊使加熱絲停止工作，類似的，微機(jī)分別向濕度控制模塊和空氣循環(huán)控制模塊發(fā)送指令，將恒溫恒濕箱體內(nèi)的濕度和風(fēng)流速度分別調(diào)節(jié)至80％RH和3m/s；

在微機(jī)上設(shè)置數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)和記錄的頻率，設(shè)置高精度稱重傳感器和微型電子顯微鏡數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)和記錄的頻率為1分鐘/次，然后開(kāi)始試驗(yàn)，微機(jī)通過(guò)高精度稱重傳感器得到的巖土體的質(zhì)量隨時(shí)間的變化規(guī)律，自動(dòng)計(jì)算出巖土體在風(fēng)化過(guò)程中的含水率演化規(guī)律，同時(shí)，微機(jī)通過(guò)微型電子顯微鏡監(jiān)測(cè)并記錄巖土體在放大500倍時(shí)的細(xì)觀結(jié)構(gòu)隨含水率的同步演化規(guī)律；當(dāng)微機(jī)監(jiān)測(cè)到的巖土體含水率在24小時(shí)內(nèi)保持穩(wěn)定不變，且當(dāng)巖土體的細(xì)觀結(jié)構(gòu)也基本不發(fā)生變化后，停止試驗(yàn)。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤(rùn)飾，這些改進(jìn)和潤(rùn)飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。