[发明专利]一种三轴有压冻结制冰方法

说明书

本发明公开了一种三轴有压冻结制冰方法，包括装置组装、获取温控参数、加压冻结以及力学试验四个步骤，装置包括加载系统、温控系统、测温系统，加载系统包括加载框架、压力体积控制器、三轴压力室以及注油泵；本装置及制冰方法相结合实现了试样在加压、冻结、实验的全过程应力场、温度场可控，可以制得不同冻结压力和冻结速度条件下满足三轴试验规范的试样，适合研究冻结压力和冻结速度对冰力学特性的影响；实验效率高，不涉及有毒或易燃易爆材料，安全环保。

技术领域

本发明涉及冰力学特性研究技术领域，具体涉及一种三轴有压冻结制冰方法。

背景技术

许多年来，各国学者采用三轴试验进行了广泛的冰力学特性的研究，揭示了固态冰在不同加载条件下的变形及破坏规律；但是对于固态冰形成前，即结冰期(相变阶段)物理环境如冻结压力、冻结速度等对冰力学特性的影响尚无人讨论；研究冻结压力和冻结速度对冰力学特性影响，实验技术上需实现未冻水加压、冻结和三轴实验全过程应力状态和温度场可控。

中国专利CN108088757A公开了一种纯水有压冻结成冰三轴试验装置，其通过在三轴压力室内加装可溶外壳，用于在冻结过程中保证试样几何精度，可溶外壳在冰样成形一段时间后被彻底溶解，之后再进行三轴力学实验；该方案存在以下问题：1、由于可溶外壳的存在，冻结过程中围压无法直接作用在试样上，所以试样应力状态并非严格可控；2、由于可溶外壳的存在，可能出现试样还未完全冻结外壳已被溶解，造成制样几何精度不达标；3、为保证冻结制样几何精度，试样完全冻结后较长时间外壳才被溶解，产生时间浪费，实验效率低；4、溶剂材料多为有毒或易燃易爆类有机溶剂，存在安全隐患。

发明内容

针对上述存在的技术不足，本发明的目的是提供一种三轴有压冻结制冰方法，其适用于制取不同冻结压力、冻结速度下几何精度满足三轴实验规范的标准圆柱形冰试样，实现了从液态水加压、冻结至三轴力学实验全过程应力状态和温度场可控，所得冰样几何精度满足各类实验规范要求。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

本发明提供一种三轴有压冻结制冰方法，具体包括以下步骤：

S1、该装置包括加载系统、温控系统、测温系统；加载系统包括加载框架、压力体积控制器、三轴压力室以及注油泵，三轴压力室包括活塞、承压圆筒、法兰盘、底板以及上下对称设置的两个堵头，活塞穿过承压圆筒顶部预设的中心孔，中心孔与活塞密封配合，承压圆筒底部扣合密封有凸型法兰盘并与其螺栓连接，法兰盘放置在底板上，上下两个堵头分别与活塞下端、法兰盘上端螺栓连接，上下两个堵头之间设置试样，试样与两堵头外侧包裹有柔性膜，加载框架内部上下端面分别与活塞上端面、底板下端面接触，压力体积控制器、注油泵通过预设在法兰盘内的进液管连通三轴压力室内；温控系统包括分别与设在承压圆筒侧面的第一循环通道、设在承压圆筒顶面的第二循环通道以及设在法兰盘顶面的第三循环通道连通的第一降温机、第二降温机以及第三降温机，温控系统还包括包覆在承压圆筒和法兰盘外侧的保温层；测温系统包括电性连接的测温计和解调仪，测温计一端穿过承压圆筒并伸入到三轴压力室内部；

S2、获取温控参数；该温控参数为第一降温机、第二降温机以及第三降温机的温度控制参数，在加压冻结制冰前利用有限元数值计算模拟三轴压力室内温度场随时间变化，通过多步计算，找出温度变化满足要求的温度控制参数，用于冻结制冰时调整装置的温控系统；

S3、加压冻结；在冻结制冰过程中调整加载系统和温控系统，首先启动注油泵，将围压加载介质注满三轴压力室内部，然后以相同的加载速率调整加载框架轴向和压力体积控制器，使试样在静水压力作用下被加压，达到目标压力值后停止压力体积控制器动作，同时调整轴向加载框架以目标压力值稳压伺服，完成加载系统调整；在冻结制冰过程中按照步骤S2获取的温度控制参数实时调整温控系统中第一降温机、第二降温机以及第三降温机的温度设定值；