本發(fā)明涉及一種模擬裝置，具體涉及一種基于電化學手段，用于實驗室內模擬巖石腐蝕的過程并對巖石腐蝕過程進行實時檢測的腐蝕巖石的模擬裝置及實時檢測方法。

背景技術：

隨著城市建設的快速發(fā)展，土地資源日趨緊張，地下空間資源的開發(fā)和利用已成為許多城市日后的發(fā)展趨勢。然而地質環(huán)境對石質構筑物及地下工程長期穩(wěn)定性的影響已成為目前關注的熱點問題。

巖體在經過不同時期、不同程度的構造作用改造以及地下水、地應力、溫度和化學等地質環(huán)境因素的影響，使其結構趨于復雜化，巖石的物理狀態(tài)以及力學性質也隨之發(fā)生著變化。

在影響巖土工程安全性的諸多因素中，由于地下水是普遍存在于巖體結構中的流體，其化學成分相當復雜，并且通過物理、化學和力學作用直接或間接影響著巖體的變形特征與力學性質，使其成為最活躍的影響因素之一。

水作為一種溶液，可以溶解巖石中的某些礦物成分，從而改變巖石礦物的組成。水經過巖石，一部分元素會隨著水的運移而遷出，巖石顆粒間凝聚力降低，巖石出現(xiàn)體積膨脹、巖石孔隙度增加、微裂隙發(fā)展等現(xiàn)象，巖石本身結構發(fā)生變化從而導致巖石性狀逐漸弱化。另外，水通過對巖體施加靜水壓力的和動水壓力，使巖體的原始應力狀態(tài)發(fā)生改變，隨著附加應力的增加，孔隙水壓增大，加快了裂紋的擴展，使巖石強度降低。隨時間的推進，巖石礦物組構即骨架不斷調整重組，導致其應力、應變狀態(tài)亦隨時間而持續(xù)變化即蠕變，進而直接影響著巖石構筑物的長期穩(wěn)定性。例如，地下隧道數(shù)十年后仍可出現(xiàn)變形、斷裂；某些巖類由于環(huán)境變化引起的時效膨脹現(xiàn)象對地下建筑產生嚴重的影響；水庫大壩壩基、拱壩壩肩在酸性降水及地下水的長期作用下，強度、變形等力學特性會發(fā)生顯著變化而導致異常破壞：巖溶地區(qū)、海水入侵地區(qū)由于地下水的長期作用會發(fā)生地面塌陷?？梢?，地下水在流動過程中的使巖石的礦物成分和結構發(fā)生變化，進而導致巖石物理力學特性產生了劣化效應，是巖土工程穩(wěn)定性評價不容忽視的問題。

電化學阻抗譜是給電化學系統(tǒng)施加一個頻率不同的小振幅的交流電勢波，測量交流電勢與電流信號的比值,此比值即為系統(tǒng)的阻抗隨正弦波頻率ω的變化，或者是阻抗的相位角Φ隨ω的變化。巖土電化學的基本思路就是根據(jù)巖土材料的交流電響應特征，按照介質內部不同材料及其組成結構的交流電響應特征及其弛豫時間，建立物理模型，簡化成為電學模型，進而建立起等效電路，數(shù)值模擬出整個電路的阻抗曲線，和實測曲線進行反復擬合校正，最終得出符合材料真實特性的電學模型。根據(jù)實測結果計算出各個電學元件的參數(shù)和變化規(guī)律，按照各個電學元件代表的含義，得出巖土的內部特征及其變化規(guī)律。

而傳統(tǒng)的腐蝕巖石的模擬裝置精度低，模擬過程復雜，難以實現(xiàn)巖石微觀結構變化的實時檢測。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術問題是傳統(tǒng)的腐蝕巖石的模擬裝置精度低，模擬過程復雜，提供一種能夠實現(xiàn)巖石微觀結構變化的實時檢測，精度高的腐蝕巖石的模擬裝置及實時檢測方法。

為解決上述技術問題，本發(fā)明采用下述技術方案：一種腐蝕巖石的模擬裝置，包括腐蝕巖石模擬裝置和電化學檢測裝置，所述的腐蝕巖石模擬裝置包括腐蝕模擬器、夾具、儲水槽和電極，儲水槽內設有水泵，水泵通過水管與腐蝕模擬器相連通，腐蝕模擬器內設有巖樣，巖樣兩端凸出腐蝕模擬器，電極設在巖樣和夾具之間，電極通過導線與電化學檢測裝置電連接。

所述的電化學檢測裝置包括電化學工作站，與電化學工作站電連接的電腦主機，與電腦主機相連的顯示器。

所述腐蝕模擬器為兩端開口的圓筒，在圓筒側壁的下方設有進水口，圓筒側壁的上方設有出水口，進水口設在圓筒的左側，出水口設在圓筒的右側。

所述夾具包括固定板和設置在固定板外側的夾板，所述的固定板為正方體，固定板中間設有與腐蝕模擬器外徑相配合的孔洞，固定板上還設有若干個螺栓孔I。

所述夾板為兩塊長方體板對接而成，長方體板一側的長邊上設有半圓形凹槽，半圓形凹槽底部設有半圓形通槽，半圓形凹槽與半圓形通槽中心線在同一軸線上，半圓形凹槽半徑大于半圓形通槽半徑；兩塊長方體板對接后兩個半圓形凹槽構成圓形凹槽、兩個半圓形通槽構成圓形通孔；

所述長方體板設有半圓形凹槽的一側下方設有半圓弧板，半圓弧板上設有螺栓孔II，長方體板上部還設有螺栓孔III，螺栓孔II和螺栓孔III均與與螺栓孔I相配合。

所述長方體板的側面設有直角卡槽，直角卡槽卡接在儲水槽上方。

所述腐蝕模擬器兩端與固定板之間設有密封圈I，巖樣兩端與夾板之間設有密封圈II。

所述的電極為銅片，電極通過夾板固定在巖樣兩端；所述水泵為自吸式水泵，水管上設有閥門。

一種腐蝕巖石的模擬裝置的實時檢測方法，其特征在于包括以下步驟：①將密封圈I套在腐蝕模擬器兩端，并將腐蝕模擬器兩端分別卡入兩個固定板中；②將巖樣加工成圓柱體，將巖樣放入腐蝕模擬器，巖樣兩端凸出腐蝕模擬器，在巖樣兩端套上密封圈II；③組裝夾板，兩塊長方體板通過與螺栓孔II相配合的螺栓活動連接，此時在拼接成的圓形凹槽處安放電極，并將電極夾在巖樣兩端的密封圈內，電極通過圓形通孔露出；④向儲水槽內注入實驗溶液；⑤通過直角卡槽將組裝好的腐蝕模擬器、巖樣、夾具卡于儲水槽兩端，電線連接電化學工作站；⑥打開電源，水泵將實驗溶液泵送至腐蝕模擬器中；⑦通過電極，利用電化學工作站控制，向巖樣輸送不同頻段的電流，通過電極將巖樣的變化轉化成電數(shù)據(jù)傳輸給電化學檢測裝置（1），電腦采集實驗數(shù)據(jù)；⑧將電腦采集的實驗數(shù)據(jù)進行分析，繪制Nyquist和Bode曲線圖，研究巖石微觀結構變化。Nyquist曲線即為奈奎斯特曲線，Bode曲線即為波德曲線。

所述巖樣為直徑為50mm的圓柱體。

采用上述結構的本發(fā)明是一種用于室內研究巖石在腐蝕環(huán)境中微觀結構變化的試驗研究。該裝置通過實驗溶液循環(huán)作用于巖石，對巖石進行腐蝕模擬，通過電化學工作站對巖石微觀結構進行實時檢測?？梢詼y試腐蝕巖石模擬過程中巖樣電化學信號的變化，通過電化學的特征參數(shù)分析巖樣微觀結構變化。

與已有技術相比，本發(fā)明精度較高。本發(fā)明簡化了模擬環(huán)境的步驟，方便了實驗的操作，并且結合電化學的理論，實現(xiàn)了對巖石微觀結構變化的實時檢測。本發(fā)明從電化學的角度分析巖石微觀結構的變化，是一種輔助實施室內腐蝕巖石研究的工具。通過模擬腐蝕環(huán)境分析對巖石造成的損傷程度，進而可以推斷巖土工程的長期穩(wěn)定性。

附圖說明

圖1是本發(fā)明結構示意圖；

圖2是本發(fā)明腐蝕模擬器剖面結構示意圖；

圖3是本發(fā)明左視結構示意圖；

圖4是本發(fā)明腐蝕模擬器和夾具拼裝后立體結構示意圖；

圖5是本發(fā)明固定板結構示意圖；

圖6是本發(fā)明夾板結構示意圖；

圖7是本發(fā)明夾板的長方體板結構示意圖之1；

圖8是本發(fā)明夾板的長方體板結構示意圖之2；

圖9是本發(fā)明腐蝕模擬器結構示意圖。

具體實施方式

如圖1至圖9所示，一種腐蝕巖石的模擬裝置，包括腐蝕巖石模擬裝置和電化學檢測裝置1，所述的腐蝕巖石模擬裝置包括腐蝕模擬器6、夾具7、儲水槽2和電極8，儲水槽2內設有水泵21，水泵21通過水管22與腐蝕模擬器6相連通，腐蝕模擬器6內設有巖樣9，巖樣9兩端凸出腐蝕模擬器6，電極8設在巖樣9和夾具7之間，電極8通過導線81與電化學檢測裝置1電連接。儲水槽，根據(jù)試驗要求可選擇不同材質。

所述的電化學檢測裝置1包括電化學工作站11，與電化學工作站11電連接的電腦主機3，與電腦主機3相連的顯示器31。電化學工作站11還包括電化學檢測軟件，用于提供實時、連續(xù)的檢測。可以實時觀測腐蝕巖石微觀結構的變化。電化學工作站11為CHI660E電化學工作站。

所述腐蝕模擬器6為兩端開口的圓筒，在圓筒側壁的下方設有進水口61，圓筒側壁的上方設有出水口62，進水口61設在圓筒的左側，出水口62設在圓筒的右側。所述腐蝕模擬器是尺寸為?60×110mm的圓筒，壁厚2mm。在圓筒側壁相對兩側，距圓筒筒口邊緣15mm處分別開設?=5mm的孔洞，并在此處垂直安接?5×20mm的導管，作為出水口62，進水口61。實驗時，巖樣放于腐蝕模擬器6中，由夾具對其進行固定與密封，實驗溶液由下部進水口61進入，待充滿整個腐蝕模擬器6，由上部出水口62流出，用于模擬巖石整體受腐的情況。

所述夾具7包括固定板5和設置在固定板5外側的夾板4，所述的固定板5為正方體，固定板5中間設有與腐蝕模擬器6外徑相配合的孔洞51，固定板5上還設有若干個螺栓孔I52。夾具的分別設置與合理布孔使巖樣牢牢固定在腐蝕模擬器中間，并可使腐蝕模擬器密封。固定板為120×120×10mm的正方體，孔洞51直徑為65mm，螺栓孔I 52分別設置在固定板5兩頂角與底邊中間距各邊緣5mm處，螺栓孔直徑為8mm，腐蝕模擬器兩端分別卡在固定板5的孔洞51中。

所述夾板4為兩塊長方體板44對接而成，長方體板44一側的長邊上設有半圓形凹槽48，半圓形凹槽48底部設有半圓形通槽49，半圓形凹槽48與半圓形通槽49中心線在同一軸線上，半圓形凹槽半徑大于半圓形通槽半徑；兩塊長方體板44對接后兩個半圓形凹槽構成圓形凹槽41、兩個半圓形通槽構成圓形通孔42。使用時，圓形凹槽41內徑與巖樣9外徑相配合，圓形通孔42內安裝電極8。

所述長方體板44設有半圓形凹槽的一側下方設有半圓弧板45，半圓弧板45上設有螺栓孔II43，長方體板44上部還設有螺栓孔III46，螺栓孔II43和螺栓孔III46均與與螺栓孔I52相配合。固定板與夾板通過相互配合的螺栓孔進行固定、連接；長方體板44尺寸為120×60×5mm，螺栓孔III46設在單側頂角距各邊緣邊緣5mm處、直徑為8mm；半圓弧板45設置在距底邊16mm處向外延伸8mm，半圓弧板半徑為8mm，厚度為2.5mm，半圓弧板中心位置開有?=8mm的螺栓孔II43，半圓弧板與在半圓形凹槽在長方體板44的同側，半圓形凹槽半徑為25mm。

所述長方體板44的側面設有直角卡槽47，直角卡槽47卡接在儲水槽2上方。直角卡槽47安裝在長方體板44的外側面，直角卡槽有尺寸為15×10×15mm與10×10×15mm長方體組成。直角卡槽用于與儲水槽相連。兩塊長方體板44通過與螺栓孔II43相配合的螺栓活動連接，可繞螺栓進行開合旋轉。拼接后的夾板，整體尺寸與固定板一致。

所述腐蝕模擬器6兩端與固定板5之間設有密封圈I66，巖樣9兩端與夾板4之間設有密封圈II67。試驗時，先將密封圈I66套在腐蝕模擬器兩端，并將其卡入固定板中；再巖樣放入腐蝕模擬器中，巖樣略向外凸出；在巖樣兩端套上密封圈，將組裝好的夾板夾在巖樣上，將夾板通過螺栓與固定板連接。

所述的電極8為銅片，電極8通過夾板4固定在巖樣9兩端。巖樣兩端通過電極與CHI660E電化學工作站相連。導線81焊于銅片上，銅片直徑為50mm，銅片放于夾板組成的直徑為50mm的圓形凹槽41的孔洞處，巖樣和夾具將銅片牢牢的夾在中間。導線通過夾具圓形通孔42伸出與電化學檢測裝置1連接，CHI660E電化學工作站與電腦主機連接，主機與顯示器連接。

所述水泵3為自吸式水泵，水管22上設有閥門23。自吸式水泵放于儲水槽內，水管分別連接水泵與腐蝕模擬器下部進水口，閥門23用于調節(jié)溶液流速；腐蝕模擬器上部出水口連接的水管直接引入儲水槽內。試驗時，儲水槽中的實驗溶液由自吸式水泵流經水管泵送至腐蝕模擬器中，過于充盈的溶液由腐蝕模擬器上部出水口經水管回收至儲水槽，形成一個循環(huán)回路。實驗溶液可持續(xù)循環(huán)流向巖樣，溶液流速可通過閥門進行控制，可模擬不同流速、不同濃度的溶液隨實驗時間的推移對巖樣的侵蝕影響。整個實驗裝置的每個部分都可自由拆卸。可根據(jù)自身的試驗方案的要求進行改裝。方便實驗的進行。電化學檢測裝置可以進行實時檢測，實驗數(shù)據(jù)的采集與成圖可以一次實施完成。

一種腐蝕巖石的模擬裝置的實時檢測方法，其特征在于包括以下步驟：①將密封圈I66套在腐蝕模擬器6兩端，并將腐蝕模擬器6兩端分別卡入兩個固定板中；②將巖樣9加工成圓柱體，將巖樣9放入腐蝕模擬器6，巖樣9兩端凸出腐蝕模擬器6，在巖樣兩端套上密封圈II67；③組裝夾板，兩塊長方體板44通過與螺栓孔II43相配合的螺栓活動連接，此時在拼接成的圓形凹槽41處安放電極8，并將電極8夾在巖樣9兩端的密封圈內，電極8通過圓形通孔42露出；④向儲水槽2內注入實驗溶液；⑤通過直角卡槽47將組裝好的腐蝕模擬器、巖樣、夾具卡于儲水槽兩端，電線連接電化學工作站；⑥打開電源，水泵將實驗溶液泵送至腐蝕模擬器中；⑦通過電極，利用電化學工作站控制，向巖樣輸送不同頻段的電流，通過電極將巖樣的變化轉化成電數(shù)據(jù)傳輸給電化學檢測裝置（1），電腦采集實驗數(shù)據(jù)；⑧將電腦采集的實驗數(shù)據(jù)進行分析，繪制Nyquist和Bode曲線圖，研究巖石微觀結構變化。所述巖樣為直徑為50mm的圓柱體。

電極夾在巖石兩端，也就相當于電池卡在正負極上；電化學工作站通過一端電極向巖石輸送電流，電流流經巖石，通過另一端電極進行一個接收；電化學工作站可以輸送直流與交流電，根據(jù)試驗要求可以自行選擇；電化學工作站啟動工作，采集與分析數(shù)據(jù)。檢測原理為：由于化學腐蝕后，巖石內部孔隙會變大，巖石處于飽水狀態(tài)，導電能力會比腐蝕前變強，因此，腐蝕前后接受的電信號會有差距。

實驗時，首先向儲水槽內注入實驗所需的實驗溶液，打開自吸式水泵與閥門，使實驗溶液由自吸式水泵經水管流向腐蝕模擬器。待試驗溶液充滿腐蝕模擬器使巖樣飽和，開啟電化學工作站，通過電腦對電化學信號進行檢測和記錄。根據(jù)實驗方案的要求，通過閥門對溶液流速進行改變，已達到實驗預期效果。通過電化學阻抗譜的特征參數(shù)分析巖樣微觀結構的變化。