本發(fā)明屬于中子環(huán)境樣品壓縮，具體涉及高溫高壓下巖石微觀結(jié)構(gòu)的中子散射原位監(jiān)測(cè)裝置及方法。

背景技術(shù)：

1、與其他材料不同，巖石因其獨(dú)特的組成與復(fù)雜的賦存環(huán)境，經(jīng)受過構(gòu)造、地震、熱化學(xué)與降雨等作用，在長時(shí)間的內(nèi)外動(dòng)力演化過程中，其力學(xué)特性表現(xiàn)出非均勻性、各向異性與尺寸效應(yīng)等，其物理結(jié)構(gòu)特征也十分復(fù)雜。為了滿足復(fù)雜的工程實(shí)踐需求，巖石的分析表征方法需要向著精細(xì)化發(fā)展。在不同尺度，巖石材料的力學(xué)特性由不同因素所控制。在工程尺度(m)，巖體的強(qiáng)度主要受結(jié)構(gòu)面影響；而在實(shí)驗(yàn)室(cm)尺度，巖石樣本行為和礦物組成以及原生微裂縫息息相關(guān)；進(jìn)一步拓展到納微米尺度，礦物的晶體結(jié)構(gòu)、巖石內(nèi)微小孔隙信息與流體行為，是影響巖石材料力學(xué)行為的重要特性。

2、目前，已經(jīng)存在許多微小尺度的表征技術(shù)，這包括x射線衍射(xrd)、核磁共振(mri)、物理吸附(氣體吸收、汞侵入)、掃描電子顯微鏡(sem)和計(jì)算機(jī)斷層掃描成像(ct)等。盡管這些方法已經(jīng)取得不錯(cuò)的成效，但由于巖石材料的復(fù)雜性，這些技術(shù)仍然存在局限性。

3、新出現(xiàn)的中子散射技術(shù)已經(jīng)成功應(yīng)用于巖石材料的多參數(shù)表征，能夠在一定程度上解析巖石的微觀結(jié)構(gòu)特性。由于中子對(duì)許多巖石礦物元素的高穿透性以及對(duì)氫等輕元素的敏感性，使得中子能夠在一定的壓力和溫度下研究大型樣品的同時(shí)表征微觀結(jié)構(gòu)，探究巖石跨尺度的力學(xué)模型，同時(shí)還可在類構(gòu)造環(huán)境下表征巖石內(nèi)流體的行為。

4、現(xiàn)有的可同步觀察巖石微觀的三軸試驗(yàn)裝置普遍存在空間分辨率不足等問題，難以實(shí)時(shí)獲取巖石內(nèi)部晶格應(yīng)變、微裂紋擴(kuò)展等關(guān)鍵微觀信息，制約了巖石破壞機(jī)理的深入研究。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于解決現(xiàn)有巖石力學(xué)原位狀態(tài)下微觀結(jié)構(gòu)研究技術(shù)中的不足，提供高溫高壓下巖石微觀結(jié)構(gòu)的中子散射原位監(jiān)測(cè)裝置及方法。本發(fā)明有助于研究高溫高壓條件下巖石樣品的內(nèi)部結(jié)構(gòu)信息，實(shí)現(xiàn)在高溫高壓條件下三軸力學(xué)性質(zhì)的全面測(cè)試和分析。

2、為了實(shí)現(xiàn)上述技術(shù)目的，本發(fā)明提供以下技術(shù)方案：

3、高溫高壓下巖石微觀結(jié)構(gòu)的中子散射原位監(jiān)測(cè)裝置，所述裝置包括三軸加壓容器、軸壓加壓單元、圍壓加壓單元、加壓底座；

4、所述加壓底座設(shè)置在所述三軸加壓容器的底部，所述軸壓加壓單元設(shè)置在所述三軸加壓容器的上部，使所述三軸加壓容器的內(nèi)部形成密封空間；

5、巖石試件放置在所述三軸加壓容器的密封空間內(nèi)，且設(shè)置在所述加壓底座的上方；

6、所述軸壓加壓單元用于對(duì)巖石試件施加軸向載荷；

7、所述圍壓加壓單元向所述三軸加壓容器的密封空間內(nèi)充加液壓油，液壓油對(duì)巖石試件施加圍壓。

8、進(jìn)一步地，所述軸壓加壓單元包括：軸壓加壓泵、軸壓加壓泵控制器、液壓加壓桿基座、若干個(gè)液壓加壓桿、加壓墊塊、軸壓傳感器；

9、所述軸壓加壓泵控制器和所述軸壓加壓泵連接；所述液壓加壓桿基座和三軸加壓容器的頂部可拆卸連接；所述液壓加壓桿為可伸縮的加壓桿；每個(gè)所述液壓加壓桿的一端固定設(shè)置在所述液壓加壓桿基座的底部，另一端固定在所述加壓墊塊的上部；所述軸壓傳感器設(shè)置在所述加壓墊塊的下方。

10、進(jìn)一步地，所述軸壓加壓單元還包括：軸壓加壓軟管、軸壓回壓軟管、軸壓回壓支管、軸壓加壓支管；

11、所述軸壓加壓泵的液壓油出口、液壓油入口處分別安裝有軸壓加壓閥與軸壓減壓閥；

12、所述軸壓加壓軟管的一端和所述軸壓加壓閥連接，另一端和若干條軸壓加壓支管連接，每條軸壓加壓支管的出口和一個(gè)液壓加壓桿的加壓口連接；

13、所述軸壓回壓軟管的一端和所述軸壓減壓閥連接，另一端和若干條軸壓回壓支管連接，每條軸壓回壓支管的入口和一個(gè)液壓加壓桿的回壓口連接。

14、進(jìn)一步地，所述圍壓加壓單元包括：圍壓加壓泵、圍壓加壓泵控制器、圍壓加壓油管、圍壓回壓油管、圍壓回壓油孔、圍壓加壓油孔、圍壓傳感器；

15、所述圍壓加壓油管的一端和所述圍壓加壓泵的出油口連接，另一端和圍壓加壓油孔連接，在所述圍壓加壓油管的中間位置安裝有圍壓加壓閥；

16、所述圍壓回壓油管的一端和所述圍壓加壓泵的回油口連接，另一端和圍壓回壓油孔連接，在所述圍壓回壓油管的中間位置安裝有圍壓減壓閥；

17、所述圍壓傳感器設(shè)置在三軸加壓容器的內(nèi)部。

18、進(jìn)一步地，所述圍壓回壓油孔的截面為y字形；所述圍壓回壓油孔在三軸加壓容器外壁的一端為一個(gè)圓形孔，在三軸加壓容器內(nèi)壁一端包括用于排氣、排油的兩個(gè)圓形孔，內(nèi)壁一端的排氣孔、排油孔均與外壁一端的圓形孔聯(lián)通；

19、在所述排氣孔上安裝伸縮式排氣管，所述伸縮式排氣管包括粗圓管和細(xì)圓管兩段圓管，所述粗圓管和所述細(xì)圓管可伸縮連接；粗圓管的一端和排氣孔連接，粗圓管的另一端和所述細(xì)圓管的一端連接；所述細(xì)圓管的另一端和所述加壓墊塊的底部接觸。

20、進(jìn)一步地，所述裝置還包括溫度控制單元；所述溫度控制單元用于檢測(cè)巖石試件的溫度，并維持巖石試件周圍液壓油的溫度在設(shè)定溫度范圍內(nèi)；

21、所述溫度控制單元包括：溫度控制器、螺旋加熱絲、溫度傳感器、循環(huán)泵出油管、液壓油循環(huán)泵、循環(huán)泵進(jìn)油管；

22、所述液壓油循環(huán)泵的進(jìn)油孔、出油孔分別和循環(huán)泵進(jìn)油管、循環(huán)泵出油管連接；所述循環(huán)泵進(jìn)油管和圍壓回壓油管連接；所述循環(huán)泵出油管和圍壓加壓油管連接；所述液壓油循環(huán)泵的控制線束連接至溫度控制器；

23、所述溫度傳感器的感溫探頭與巖石試件的側(cè)壁相接觸；

24、螺旋加熱絲設(shè)置在三軸加壓容器內(nèi)部，并且和三軸加壓容器內(nèi)的液壓油直接接觸；螺旋加熱絲和溫度傳感器的線束均通過管線孔連接至溫度控制器。

25、進(jìn)一步地，所述裝置還包括應(yīng)變檢測(cè)單元，所述應(yīng)變檢測(cè)單元用于監(jiān)測(cè)巖石試件的應(yīng)變；

26、所述應(yīng)變檢測(cè)單元采用光纖傳感器，光纖傳感器纏繞在所述巖石試件的側(cè)壁。

27、進(jìn)一步地，所述裝置還包括：中子屏蔽板固定架、中子屏蔽板、加壓泵固定板、裝置固定管、管線孔；

28、所述加壓泵固定板和三軸加壓容器的上端固定連接；軸壓加壓泵、圍壓加壓泵、軸壓加壓泵控制器、圍壓加壓泵控制器以及溫度控制器均設(shè)置在所述加壓泵固定板的上方；

29、且在所述加壓泵固定板上設(shè)置中子屏蔽板及用于固定中子屏蔽板的中子屏蔽板固定架；

30、所述中子屏蔽板用于在中子束方向遮擋軸壓加壓泵控制器、圍壓加壓泵控制器及溫度控制器，以降低中子的影響。

31、高溫高壓下巖石微觀結(jié)構(gòu)的中子散射原位監(jiān)測(cè)方法，采用所述監(jiān)測(cè)裝置；所述方法包括：

32、（1）將巖石試件放置于加壓底座正上方后，將液壓加壓桿基座安裝于三軸加壓容器上；

33、操作軸壓加壓泵控制器打開軸壓加壓泵、打開軸壓加壓閥、關(guān)閉軸壓減壓閥；所有液壓加壓桿在軸壓加壓泵的加壓下同步向下伸出，推動(dòng)加壓墊塊沿三軸加壓容器軸心方向向下運(yùn)動(dòng)，加壓墊塊向下運(yùn)動(dòng)與巖石試件接觸后對(duì)巖石試件施加一個(gè)初始軸向載荷，用來固定巖石試件；

34、（2）將整個(gè)高溫高壓下巖石微觀結(jié)構(gòu)的中子散射原位監(jiān)測(cè)裝置安裝于中子散射譜儀上，使中子散射譜儀產(chǎn)生的中子束指向裝置主體內(nèi)的巖石試件；

35、（3）操作圍壓加壓泵控制器打開圍壓加壓泵，打開圍壓加壓閥、關(guān)閉圍壓減壓閥；給巖石試件施加一個(gè)初始圍壓；打開液壓油循環(huán)泵，操作溫度控制器按實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的設(shè)定溫度使螺旋加熱絲工作；待溫度傳感器監(jiān)測(cè)的溫度達(dá)到設(shè)定溫度后，螺旋加熱絲開啟保溫模式；

36、在液壓油循環(huán)泵的工作下，使三軸加壓容器內(nèi)部的液壓油循環(huán)流動(dòng)，控制三軸加壓容器內(nèi)部的液壓油溫度均勻，進(jìn)而使巖石試件的溫度精準(zhǔn)的達(dá)到設(shè)計(jì)溫度；

37、將巖石試件保溫一定時(shí)間，使巖石試件內(nèi)部溫度達(dá)到實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的設(shè)定溫度；調(diào)節(jié)圍壓加壓泵控制器，輸入實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的設(shè)定圍壓，觀察中子散射譜儀配套計(jì)算機(jī)上圍壓傳感器的數(shù)值，當(dāng)圍壓傳感器數(shù)值穩(wěn)定在設(shè)定圍壓數(shù)值時(shí)即到達(dá)試驗(yàn)所模擬的實(shí)際巖體圍壓狀態(tài)；

38、在實(shí)驗(yàn)過程中圍壓加壓泵控制器用于控制圍壓加壓泵動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)使圍壓保持在設(shè)定數(shù)值；調(diào)節(jié)軸壓加壓泵控制器，輸入實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的軸壓參數(shù)，巖石試件處于高溫條件下的三軸壓縮狀態(tài)；

39、觀察中子散射譜儀配套計(jì)算機(jī)上軸壓傳感器、圍壓傳感器與光纖傳感器處理后得到的應(yīng)力應(yīng)變曲線。

40、進(jìn)一步地，所述設(shè)計(jì)溫度的最高溫度為300℃；設(shè)定的最大圍壓小于等于40mpa，設(shè)定的最大軸壓小于等于200mpa。

41、本發(fā)明的有益效果是：

42、本發(fā)明的實(shí)驗(yàn)裝置及方法，將中子散射技術(shù)與三軸壓縮-溫度耦合試驗(yàn)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)巖石在高溫高壓下的微觀結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，可以有效分析深部巖層及地?zé)醿?chǔ)層中巖石破壞過程的微觀結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)變化。相較于傳統(tǒng)方法該方法能無損分析巖石內(nèi)部的微觀結(jié)構(gòu)，且適合大體積樣品，貼近實(shí)際工程需求；由于其精度高、分辨率高，且可以進(jìn)行多尺度結(jié)構(gòu)分析，可以推動(dòng)巖石在高溫高壓條件下破壞的微觀過程的深入研究。

43、本發(fā)明通過設(shè)計(jì)三軸壓縮試驗(yàn)裝置的結(jié)構(gòu)、使用“中子透明”材料、使用中子吸收與散射率低的液壓油，三位一體有效的降低了中子散射信號(hào)的衰減與材料對(duì)中子的吸收，提高了信噪比，顯著提高了巖石微觀結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)質(zhì)量。

44、本發(fā)明設(shè)計(jì)的圍壓加、回壓系統(tǒng)與液壓油循環(huán)系統(tǒng)，使液壓油在沿伸縮式排氣管、圍壓回壓油管在圍壓減壓閥前的一段、循環(huán)泵進(jìn)油管、液壓油循環(huán)泵、循環(huán)泵出油管、圍壓加壓油管，這個(gè)設(shè)計(jì)管路內(nèi)循環(huán)流動(dòng)；從而控制三軸加壓容器內(nèi)部的液壓油溫度均勻，使巖石試件的溫度可以精準(zhǔn)的達(dá)到設(shè)計(jì)溫度。改善了傳統(tǒng)裝置存在溫度梯度大，巖石試件受熱不均，難以精準(zhǔn)的達(dá)到設(shè)計(jì)溫度的不足。