專利名稱：變壓變溫加速溶蝕的試驗儀器及其試驗方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種變壓變溫加速溶蝕的試驗儀器及其試驗方法，主要適用于水利水電工程、交通、礦山等地下工程。
背景技術(shù)：
建造在巖溶工程區(qū)的地下建筑，如深埋洞室等，一方面由于上部或者側(cè)向二次施工，在改造過程中，引起局部壓力的改變，另一方面由于與侵蝕性水接觸，而當水體來自地表，且滲流途徑又較短，其溫度很容易受外界影響，冬夏交替，就形成了一種變壓變溫的外界條件，巖溶區(qū)圍巖由于和滲流侵蝕性水接觸，其鈣離子的流失，造成其力學(xué)性質(zhì)的衰減， 引起圍巖老化。滲透水不僅通過改變成分(主要是鈣離子)、結(jié)構(gòu)和性狀來逐漸減弱巖土體 (包括人工材料)的強度，而且通過改變巖土體的滲透特性、滲流形態(tài)和應(yīng)力狀態(tài)來最終影響工程區(qū)建筑的穩(wěn)定性，從而也影響到建筑功能的正常發(fā)揮，縮短建筑的服役壽命，會直接威脅到人民生命及財產(chǎn)的安全。一般這類工程建筑需要服役幾十年或者更長，那么，在變壓變溫條件下，鈣離子隨壓力、溫度及時間等多重作用下，變化特征尚無有效的定量評判，且工程建筑巖土體在該種條件下，溶蝕幾十年后的工程耐久性特性亦無法預(yù)測。傳統(tǒng)三軸試驗儀器大多局限在考察巖土體的工程力學(xué)性狀、尋求合理設(shè)計參數(shù)上，而將其運用在變溫變壓加速溶蝕試驗上卻并不多見。傳統(tǒng)的儀器的構(gòu)造如圖1和2所示，由三大部分組成第一部分為主機100，包括受壓室101和豎向應(yīng)力施加系統(tǒng)；第二部分是圍壓系統(tǒng)102 ；第三部分為孔壓系統(tǒng)103。試驗時，將試樣包裹在橡皮膜內(nèi)置于受壓室101的底座上，通過圍壓系統(tǒng)102對試樣施加均勻壓力；通過傳力桿104施加軸向應(yīng)力；通過孔壓系統(tǒng)103測定孔隙水壓力。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是針對上述存在的問題提供一種變壓變溫加速溶蝕的試驗儀器及其試驗方法，對工程區(qū)內(nèi)、變壓變溫條件下的碳酸鹽巖地層，采用加速溶蝕的方法，一方面通過滲透水水質(zhì)的變化，研究巖土體的溶蝕特征及其速率，以實時掌握鈣離子的溶蝕變化規(guī)律，另一方面為準確掌握巖溶區(qū)建筑服役若干年后的工程特性依時變化特征， 為補強支護提供較有效的科學(xué)依據(jù)，并為后續(xù)的物理力學(xué)試驗提供依據(jù)和數(shù)據(jù)。本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是變壓變溫加速溶蝕的試驗儀器，包括耐酸耐壓容器， 以及與其出水口連通的尾水裝置，其特征在于所述耐酸耐壓容器內(nèi)對稱布置兩塊與耐酸耐壓容器內(nèi)壁密封接觸、且可在其內(nèi)滑動的圍壓板，形成一用于放置試樣的密閉圍壓倉，各圍壓板遠離試樣一側(cè)依次連接傳力桿I和位于耐酸耐壓容器外部的圍壓伺服器；試樣安放好后在其上方形成一密閉的軸壓倉，該軸壓倉內(nèi)布置一塊透水墊片，該透水墊片遠離試樣一側(cè)依次連接傳力桿II和位于耐酸耐壓容器外部的軸壓伺服器；所述圍壓倉和軸壓倉分別通過玻璃導(dǎo)管連接裝有試驗用水的玻璃容器，且玻璃導(dǎo)管上分別安裝有高壓泵和溫控儀， 所述玻璃導(dǎo)管與圍壓倉連通處設(shè)置用于防止倉內(nèi)水回流的單向閥；所述軸壓倉上設(shè)有與其內(nèi)部連通的壓力表。所述尾水裝置包括與耐酸耐壓容器出水口連通的出水導(dǎo)管，以及位于該出水導(dǎo)管出水端的尾水收集容器，所述出水導(dǎo)管上裝有鈣離子探測器，該探測器上設(shè)置伸入出水導(dǎo)管內(nèi)的探針。所述試驗儀器還包括一中空的試驗臺，所述耐酸耐壓容器放置于試驗臺的上表面，尾水裝置則放置于試驗臺的空腔內(nèi)。所述玻璃導(dǎo)管上安裝有流量儀。變壓變溫加速溶蝕試驗方法，其特征在于步驟如下a、取含碳酸的酸性水作為試驗用水，同時選取圓柱體巖芯為試驗對象，并用蒸餾水清洗試樣表面的塵土和雜質(zhì)得到試驗用試樣；b、將試樣置于烘干箱內(nèi)烘干M小時后，稱其重量，記作W1，單位mg，表面積記作 S，單位cm2 ；C、將步驟b所得試樣放入圍壓倉內(nèi)固定，并向軸壓倉和圍壓倉內(nèi)注入酸性水，使試樣與酸性水充分接觸，同時對其施加軸壓O1和圍壓σ2、σ3，控制其初始壓力Q1=O2 =ο 3為lOMpa，酸性水水壓為lOMpa，水溫及圍壓倉倉內(nèi)溫度為10°C ；每隔2小時，將軸壓和圍壓提升5Mpa，同時酸性水水壓升高5Mpa，水溫及圍壓倉倉內(nèi)溫度升高2°C，直到軸壓和圍壓升至55Mpa，酸性水水壓也升至55Mpa，水溫及圍壓倉倉內(nèi)溫度升至^°C，并保持該狀態(tài)2小時；與此同時，利用鈣離子探測器實時動態(tài)監(jiān)測和記錄尾水中鈣離子的濃度M，單位 mg/L,并每間隔15分鐘測量不同條件下尾水的TDS和電導(dǎo)率；d、將試樣從圍壓倉內(nèi)取出，并放入烘干箱內(nèi)烘干M小時，掃去浮塵，然后稱重，得出溶蝕實驗后的重量記作W2，單位mg ；e、利用下述公式計算，樣品質(zhì)量溶蝕量AW = W1-W2單位mg樣品平均質(zhì)量溶蝕速率V = Δ ff/20單位mg/h樣品平均面積溶蝕速率μ = AW/S單位mg/cm2結(jié)合鈣離子濃度M隨時間的變化曲線，以2個小時為時間間隔，計算不同圍壓和不同溫度下鈣離子M的變化速率。所述步驟d中，將試樣放入烘干箱前，先將從圍壓倉內(nèi)取出的試樣置于氣溫25°C 的無氣流環(huán)境中2小時，使其表面的水分蒸發(fā)。本發(fā)明的有益效果是本發(fā)明設(shè)置軸壓伺服器和圍壓伺服器，分別通過與之連接的傳力桿向試樣施加軸壓和圍壓，同時巖溶水與試樣完全接觸，并參與物理化學(xué)反應(yīng)，且該巖溶水的壓力溫度可調(diào)，能夠更加真實的模擬巖溶區(qū)圍巖的溶蝕情況，從而保證了試驗結(jié)果的可靠性；在尾水導(dǎo)管中布置鈣離子動態(tài)監(jiān)測計，通過滲透水水質(zhì)的變化，研究巖土體的溶蝕特征及其速率，以實時掌握鈣離子的溶蝕變化規(guī)律；同時可根據(jù)尾水測量數(shù)據(jù)，得到試樣的溶蝕速率，評判巖土體或建筑物在擬定服役年限內(nèi)的穩(wěn)定性，以確定是否需要對其進行補強處理，為保證工程穩(wěn)定性提供了科學(xué)依據(jù)。


圖1是本發(fā)明背景技術(shù)中試驗儀器的結(jié)構(gòu)圖。
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圖2是圖1的俯視圖。圖3是本發(fā)明試驗儀器的結(jié)構(gòu)圖。圖4是圖3的俯視圖。
具體實施例方式如圖3、圖4所示，本實施例是通過對傳統(tǒng)的三軸試驗儀器進行技術(shù)改造而成，具體結(jié)構(gòu)包括一中空的試驗臺1，放置于該試驗臺上表面的耐酸耐壓容器17，以及放置于試驗臺1空腔內(nèi)的尾水裝置，該尾水裝置與耐酸耐壓容器17的出水口通過滲透方式連通。所述耐酸耐壓容器17內(nèi)對稱布置兩塊與耐酸耐壓容器17內(nèi)壁密封接觸、且可在其內(nèi)滑動的圍壓板19，形成一用于放置試樣7的密閉圍壓倉10，各圍壓板19遠離試樣7 —側(cè)依次連接傳力桿120和位于耐酸耐壓容器17外部的圍壓伺服器9 ；試驗時圍壓伺服器9工作并通過傳力桿120將力傳遞給圍壓板19，實現(xiàn)向試樣7施加圍壓。試樣7安放好后在其上方形成一密閉的軸壓倉21 (通過安裝試樣使該軸壓倉與圍壓倉互不連通)，該軸壓倉內(nèi)布置一塊透水墊片18(為剛性金屬墊片，均勻分布有密集小孔，一方面可以傳遞軸力，另一方面可以透水)，該透水墊片遠離試樣7 —側(cè)依次連接傳力桿II 13和位于耐酸耐壓容器17外部的軸壓伺服器8 ；試驗時，軸壓伺服器8工作并通過傳力桿II 13將力傳遞給透水墊片18，實現(xiàn)向試樣7施加軸壓。所述圍壓倉10和軸壓倉21分別通過玻璃導(dǎo)管16連接裝有試驗用水 (為了真實模擬現(xiàn)場條件，一般采用含有碳酸的酸性水，具有侵蝕性和腐蝕性)的玻璃容器 2，且玻璃導(dǎo)管16上分別安裝有高壓泵3 (具有耐酸性，用于給酸性水加壓)和溫控儀5 (具有耐酸性，用于控制酸性水的溫度)，所述玻璃導(dǎo)管16與圍壓倉10連通處設(shè)置單向閥15， 以防止圍壓倉10內(nèi)的液體被壓回玻璃導(dǎo)管16，造成反應(yīng)溶液的回流；所述軸壓倉21上設(shè)有與其內(nèi)部連通的壓力表6，用于直觀的顯示酸性水的壓力。所述玻璃導(dǎo)管16上還安裝有流量儀4，一方面可以記錄流體的流速，另一方面也可起到監(jiān)控的作用，若流量突然增大，應(yīng)停止試驗，檢查試樣的完整性，以防止水力劈裂的發(fā)生。所述尾水裝置包括與耐酸耐壓容器17出水口連通的出水導(dǎo)管22，以及位于該出水導(dǎo)管出水端的尾水收集容器12，所述出水導(dǎo)管22上裝有鈣離子探測器11 (用于記錄水流中鈣離子含量)，該探測器上設(shè)置伸入出水導(dǎo)管22內(nèi)的探針14 (耐酸性導(dǎo)線，隸屬于鈣離子探測器)，以方便對尾水中的鈣離子進行實時的動態(tài)變化監(jiān)測。本例中，高壓泵3、流量儀4和溫控儀5沿酸性水的水流方向依次布置于玻璃導(dǎo)管 16上；酸性水經(jīng)高壓泵3后便成為具有一定流速和壓力的流體，高壓泵3在試驗中可隨時根據(jù)需求設(shè)定不同的功率，以方便調(diào)節(jié)不同的水壓；酸性水經(jīng)過流量儀4時可以記錄流體的流速，同時監(jiān)控流量大小；高速水流流經(jīng)溫控儀5，會根據(jù)具體試驗要求，轉(zhuǎn)化為具有一定溫度的流體，而溫控儀5可方便的調(diào)節(jié)經(jīng)過其中流體的溫度，以方便試驗中不斷的調(diào)節(jié)溫度變化；最后酸性水經(jīng)玻璃導(dǎo)管16分別進入軸壓倉21和圍壓倉10內(nèi)，與試樣7充分接觸，然后分別通過軸壓伺服器8和圍壓伺服器9對試樣施加軸壓和圍壓；試驗過程中，酸性水與試樣7接觸并發(fā)生相關(guān)物理、化學(xué)反應(yīng)，參與反應(yīng)后的溶液經(jīng)過出水導(dǎo)管22流進尾水收集容器12，在此期間，又由帶有探針14的鈣離子探測器11實施動態(tài)的監(jiān)測。利用本實施例所述試驗裝置進行試驗的步驟如下
a、取濃度較高的碳酸，按照一定濃度(0. 020 0. 033mol/L)進行配制得到試驗用酸性水，同時選取圓柱體巖芯為試驗對象，并用蒸餾水清洗其表面的塵土和雜質(zhì)得到試驗用試樣7 ；b、將試樣7置于烘干箱(85°C 90°C)內(nèi)烘干M小時后，稱其重量，記作W1，單位 mg;表面積記作S，單位cm2;c、將步驟b所得試樣7放入圍壓倉10內(nèi)固定，并向軸壓倉21和圍壓倉10內(nèi)注入步驟a所得酸性水，使試樣7與酸性水充分接觸，同時對其施加軸壓O1和圍壓σ2、σ3，控制其初始壓力O1= O2= σ 3為lOMpa，酸性水水壓為lOMpa，水溫及圍壓倉10倉內(nèi)溫度為10°C;每隔2小時，將軸壓和圍壓提升5Mpa，同時酸性水水壓升高5Mpa，水溫及圍壓倉10 倉內(nèi)溫度升高2 V，直到軸壓和圍壓升至55Mpa，酸性水水壓也升至55Mpa，水溫及圍壓倉10 倉內(nèi)溫度升至，并保持該狀態(tài)2小時，即整個試驗過程持續(xù)20個小時；與此同時，利用鈣離子探測器11實時動態(tài)監(jiān)測和記錄尾水中鈣離子的變化，記為M，單位mg/L ；并每間隔 15分鐘測量不同條件下尾水的TDS(溶解性總固體，單位mg/L)和電導(dǎo)率(單位μ s/cm)， 分別繪制TDS隨時間的變化曲線、電導(dǎo)率隨時間的變化曲線和鈣離子濃度M隨時間的變化曲線；d、將試樣從圍壓倉10內(nèi)取出，置于氣溫25°C的無氣流環(huán)境中2小時，使其表面的水分蒸發(fā)，然后放入烘干箱(85°C 90°C)內(nèi)烘干M小時，掃去浮塵，采用千分之一電子天平稱重，得出溶蝕實驗后的重量記作W2，單位mg ；e、按照以下公式求取其它所需參數(shù)樣品質(zhì)量溶蝕量AW = W1-W2單位mg式中AW為溶蝕量，W1為實驗前樣品的質(zhì)量，W2為實驗后樣品的質(zhì)量；樣品平均質(zhì)量溶蝕速率V = Δ ff/20單位mg/h式中V為樣品平均溶蝕速率，h為時間，單位小時；樣品平均面積溶蝕速率μ = Aff/S單位mg/cm2 ；結(jié)合繪制出的鈣離子濃度M隨時間的變化曲線，以2個小時為時間間隔，計算不同圍壓下鈣離子M的變化速率，和不同溫度下鈣離子M的變化速率。
權(quán)利要求
1.一種變壓變溫加速溶蝕的試驗儀器，包括耐酸耐壓容器(17)，以及與其出水口連通的尾水裝置，其特征在于所述耐酸耐壓容器(17)內(nèi)對稱布置兩塊與耐酸耐壓容器(17)內(nèi)壁密封接觸、且可在其內(nèi)滑動的圍壓板(19)，形成一用于放置試樣(7)的密閉圍壓倉(10)， 各圍壓板(19)遠離試樣(7) —側(cè)依次連接傳力桿I 00)和位于耐酸耐壓容器(17)外部的圍壓伺服器(9)；試樣(7)安放好后在其上方形成一密閉的軸壓倉(21)，該軸壓倉內(nèi)布置一塊透水墊片(18)，該透水墊片遠離試樣(7) —側(cè)依次連接傳力桿II (1 和位于耐酸耐壓容器(17)外部的軸壓伺服器(8)；所述圍壓倉(10)和軸壓倉分別通過玻璃導(dǎo)管(16)連接裝有試驗用水的玻璃容器O)，且玻璃導(dǎo)管(16)上分別安裝有高壓泵C3)和溫控儀(5)， 所述玻璃導(dǎo)管(16)與圍壓倉(10)連通處設(shè)置用于防止倉內(nèi)水回流的單向閥(15)；所述軸壓倉上設(shè)有與其內(nèi)部連通的壓力表(6)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的變壓變溫加速溶蝕的試驗儀器，其特征在于所述尾水裝置包括與耐酸耐壓容器(17)出水口連通的出水導(dǎo)管(22)，以及位于該出水導(dǎo)管出水端的尾水收集容器(12)，所述出水導(dǎo)管0 上裝有鈣離子探測器(11)，該探測器上設(shè)置伸入出水導(dǎo)管(22)內(nèi)的探針(14)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的變壓變溫加速溶蝕的試驗儀器，其特征在于所述試驗儀器還包括一中空的試驗臺(1)，所述耐酸耐壓容器(17)放置于試驗臺(1)的上表面，尾水裝置則放置于試驗臺(1)的空腔內(nèi)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的變壓變溫加速溶蝕的試驗儀器，其特征在于所述玻璃導(dǎo)管(16)上安裝有流量儀(4)。
5.一種變壓變溫加速溶蝕試驗方法，其特征在于步驟如下a、取含碳酸的酸性水作為試驗用水，同時選取圓柱體巖芯為試驗對象，并用蒸餾水清洗試樣表面的塵土和雜質(zhì)得到試驗用試樣；b、將試樣置于烘干箱內(nèi)烘干M小時后，稱其重量，記作W1，單位mg，表面積記作S，單位:cm2 ；c、將步驟b所得試樣放入圍壓倉(10)內(nèi)固定，并向軸壓倉和圍壓倉(10)內(nèi)注入酸性水，使試樣與酸性水充分接觸，同時對其施加軸壓O1和圍壓ο2、σ3，控制其初始壓力 O1= O2= σ 3為lOMpa，酸性水水壓為lOMpa，水溫及圍壓倉(10)倉內(nèi)溫度為10°C;每隔 2小時，將軸壓和圍壓提升5Mpa，同時酸性水水壓升高5Mpa，水溫及圍壓倉(10)倉內(nèi)溫度升高2°C，直到軸壓和圍壓升至55Mpa，酸性水水壓也升至55Mpa，水溫及圍壓倉(10)倉內(nèi)溫度升至^°C，并保持該狀態(tài)2小時；與此同時，利用鈣離子探測器實時動態(tài)監(jiān)測和記錄尾水中鈣離子的濃度M，單位mg/L，并每間隔15分鐘測量不同條件下尾水的TDS和電導(dǎo)率；d、將試樣從圍壓倉(10)內(nèi)取出，并放入烘干箱內(nèi)烘干M小時，掃去浮塵，然后稱重，得出溶蝕實驗后的重量記作W2，單位mg ；e、利用下述公式計算，樣品質(zhì)量溶蝕量AW = W1-W2單位mg樣品平均質(zhì)量溶蝕速率V = AW/20單位mg/h樣品平均面積溶蝕速率μ = AW/S單位mg/cm2結(jié)合鈣離子濃度M隨時間的變化曲線，以2個小時為時間間隔，計算不同圍壓和不同溫度下鈣離子M的變化速率。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的變壓變溫加速溶蝕試驗方法，其特征在于所述步驟d中，將試樣放入烘干箱前，先將從圍壓倉(10)內(nèi)取出的試樣置于氣溫25°C的無氣流環(huán)境中2小時，使其表面的水分蒸發(fā)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種變壓變溫加速溶蝕的試驗儀器及其試驗方法。本發(fā)明的目的是提供變壓變溫加速溶蝕的試驗儀器及其試驗方法，實時掌握鈣離子的溶蝕變化規(guī)律，為補強支護提供較有效的科學(xué)依據(jù)。本發(fā)明的技術(shù)方案是包括耐酸耐壓容器，以及尾水裝置，其特征在于耐酸耐壓容器內(nèi)對稱布置兩塊圍壓板，形成密閉圍壓倉，各圍壓板遠離試樣一側(cè)依次連接傳力桿Ⅰ和圍壓伺服器；試樣安放好后形成軸壓倉，該軸壓倉內(nèi)布置一塊透水墊片，該透水墊片遠離試樣一側(cè)依次連接傳力桿Ⅱ和軸壓伺服器；圍壓倉和軸壓倉分別通過玻璃導(dǎo)管連接玻璃容器，且玻璃導(dǎo)管上分別安裝有高壓泵、溫控儀和單向閥；軸壓倉上設(shè)有壓力表。本發(fā)明適用于水利水電工程、交通、礦山等地下工程。
文檔編號G01N33/24GK102565307SQ20121001502
公開日2012年7月11日 申請日期2012年1月18日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月18日
發(fā)明者單治鋼, 彭鵬, 董育煩, 賈海波 申請人:中國水電顧問集團華東勘測設(shè)計研究院