耐壓多層空腔溶蝕試驗裝置及其試驗方法

2023-07-27 13:04:51

專利名稱：耐壓多層空腔溶蝕試驗裝置及其試驗方法
技術領域：
本發明涉及一種耐壓多層空腔溶蝕試驗裝置及其試驗方法，主要適用於水利水電工程、交通、礦山等地下工程。
背景技術：
巖溶工程區建築的老化是天然巖土體及注入或放入其內的由水泥漿液等組成的材料，由於和侵蝕性水接觸，其物理化學特性隨著其運行年齡而衰減的過程，其中，主要是鈣離子的流失，造成其力學性質的衰減，並且溫度和壓力的變化在其老化過程中起到了很大的推動作用。巖溶區化學損傷直接導致力學性質的損傷。體現化學和力學損傷綜合作用的例子有很多，具有代表性的如侵蝕性化學溶液存儲結構、建築物基礎、巖溶區深樁，地下深埋洞室等等。這些結構一般由圍巖及混凝土澆注而成，多處於地下且是永久性的。化學損傷和力學損傷的長期作用在很大程度上影響著材料和結構的性能。在地下流動的軟水或侵蝕性化學溶液長期作用下，巖溶區圍巖孔隙溶液中的鈣離子會不斷侵析出來，導致圍巖表面的孔隙率增大，材料性能下降，形成化學損傷，化學損傷將促進力學損傷的發展；同時， 力學損傷的發展，就會促進圍巖內部微裂紋和微孔隙的產生、發展，增大混凝土材料的擴散性，從而促進化學損傷的發展，尤其是薄層狀巖層結構更容易發生這種變化；這兩種損傷的相互作用、相互促進就使得圍巖材料或結構即使不承受較大的荷載就可能提前破壞。到目前為止，國內外在室內還沒有有效的儀器設備來試驗具有變溫變壓條件下，能夠模擬多層試樣的溶蝕特性，大多實驗局限在野外的自然環境，然而野外環境大多為開放系統，很難真實模擬地下的溫、壓條件。目前，常規的試驗裝置如圖I、圖2所示，包括帶進水口 22和出水口 23的耐高壓金屬空腔21，其上安裝與內部連通的壓力表24，試驗用巖樣25放置於金屬空腔內，一般用於低溫高壓溶蝕試驗，水溫、流量及壓力都不可隨意改變，且水流不能和所有試樣充分反應，鈣離子的變化也只有靠尾水進行室內化驗。因此本實驗針對工程區內的碳酸鹽巖地層在不同溫度、壓力條件下，地下深部巖土體的溶蝕量及其速率進行探測，以實時掌握鈣離子的溶蝕變化規律。

發明內容
本發明要解決的技術問題是針對上述存在的問題提供一種耐壓多層空腔溶蝕試驗裝置及其試驗方法，試驗時將碳酸鹽巖樣試片放入該裝置的空腔內，讓空腔內承壓巖溶水接觸碳酸鹽巖樣試片的表面，摸擬地下深處碳酸鹽巖層中容隙、溶洞內的巖溶過程，而根據鈣離子的反應動態，揭示巖土體耐久性能的變化，為施工補強及其它安全措施提供科學依據。本發明所採用的技術方案是耐壓多層空腔溶蝕試驗裝置，包括耐壓倉以及與該耐壓倉進水口和出水口分別連接的供水裝置和尾水裝置，其特徵在於所述耐壓倉內垂直於其進水口平行布置一組耐腐蝕託盤，各耐腐蝕託盤與耐壓倉側壁之間均留有過水通道， 且相鄰兩過水通道錯位布置。
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所述供水裝置包括裝有巖溶水的玻璃容器以及連通該玻璃容器和耐壓倉進水口的玻璃導水管，該玻璃導管上沿水流方向依次布置高壓泵、流量儀、溫控儀和壓力表。所述尾水裝置包括與耐壓倉出水口連通的導管，以及位於該導管出水端的尾水收集容器。所述導管上裝有鈣離子探測器，該探測器上設有伸入導管內的探針。所述試驗裝置還包括一實驗臺，所述耐壓倉通過鉚釘固定安裝於該實驗臺上。耐壓多層空腔溶蝕試驗方法，其特徵在於步驟如下a、取工程區原樣水或者按照工程區巖溶水的水化學特徵進行配製，得到試驗所需巖溶水；b、將碳酸鹽巖樣試片置於烘乾箱內烘乾24小時後，稱其重量，記作Wtl，單位mg ；C、將步驟b所得試片放置於耐壓倉內的耐腐蝕託盤上，並調整溫度至25°C、水壓至 IOMpa ；d、按10ml/min的速率連續不停的向耐壓倉內注入步驟a所得巖溶水，使巖溶水與試片充分接觸，試驗時間24小時；e、試驗完畢後，將試片取出並放入烘乾箱內烘乾24小時，掃去浮塵，然後稱重，得到試驗後的試片重量,記作Wi (i = 1,2,.. . 12)，單位mg ;同時取尾水滲透水，經室內化驗， 得出鈣離子的濃度，通過化學方程式，計算出碳酸鈣的含量Ti (i = 1,2, ... 12)，單位mg/ L，倒掉本次試驗尾水；f、將試驗後的試片再次放入耐壓倉內，並依次在水溫25°C、水壓20Mpa，水溫 25°C、水壓30Mpa，水溫20°C、水壓lOMpa，水溫20°C、水壓20Mpa，水溫20°C、水壓30Mpa，水溫15°C、水壓I OMpa，水溫15°C、水壓20Mpa，水溫15°C、水壓30Mpa，水溫I (TC、水壓I OMpa， 水溫10°C、水壓20Mpa，水溫10°C、水壓30Mpa，共i^一種不同條件下重複步驟d、e ；g、按照以下公式求取每次試驗後的溶蝕量及溶蝕速率，質量溶蝕量Bi = Wi^1-Wi, (i = I, 2, ... 12)質量溶蝕速率Ci = (U)/24，(i = 1,2, ... 12)溶蝕速率Xi = 『EJi/lOO，(i = 1,2,... 12)，單位mm/千年為侵蝕深度，單位 dm o所述步驟c中，將試片放入烘乾箱前，先將從耐壓倉內取出的試片置於氣溫25V 的無氣流環境中2小時，使其表面的水分蒸發。所述試片的直徑為500mm,厚度為10mm。本發明的有益效果是本發明耐壓倉內布置多層用於放置試片的託盤，使巖溶水能夠充分與試片反應；同時在進水玻璃導管上安裝高壓泵、流量儀、溫控儀和壓力表，可隨時根據需求設定不同的功率，調整進入耐壓倉內的巖溶水的壓力、流量、溫度，用以探測在不同溫度、壓力條件下，地下深部巖土體的溶蝕量及其速率，摸擬地下深處碳酸鹽巖層中容隙、溶洞內的巖溶過程；最後在尾水導管中添加鈣離子動態監測計，以方便對尾水中的鈣離子進行實施的動態變化監測，揭示巖土體耐久性能的變化，為施工補強及其它安全措施提供了可靠的科學依據。此外，本發明對試驗裝置在外觀上進行了局部改造，使其具備更完善的尾水收集系統和儲存系統，能夠滿足本試驗的要求，大大提高了工作效率。


圖I是本發明背景技術中試驗裝置的結構圖。圖2是圖I的俯視圖。圖3是本發明試驗裝置的結構圖。圖4為圖3的俯視圖。
具體實施例方式如圖3、圖4所示，碳酸鹽巖地層內部的巖溶水在承壓條件下沿著次生結構面或溶隙、溶洞流動，那麼，具有一定壓力的巖溶水就必然會對碳酸鹽巖地層中的裂隙結構和溶隙、溶洞表面產生溶蝕作用，主要是鈣離子參與反應。據此，本實施例構造一種試驗裝置，模擬地下深處碳酸鹽巖層中容隙、溶洞內的巖溶過程，儘可能真實的解釋巖土體內部的變化情況。本實施例試驗裝置包括實驗臺I，通過鉚釘8固定安裝於該實驗臺上的耐壓倉13 (特製高耐壓防腐金屬容器)，以及與該耐壓倉進水口和出水口分別連接的供水裝置和尾水裝置；所述耐壓倉13內垂直於其進水口平行布置一組耐腐蝕託盤7，各耐腐蝕託盤7與耐壓倉13側壁之間均留有過水通道15，且相鄰兩過水通道15錯位布置；本例中，耐壓倉13進水口和出水口均豎直布置，耐腐蝕託盤7則水平布置。所述供水裝置包括用於盛裝巖溶水(具有侵蝕性的液體，多在巖溶區分布)的玻璃容器2 (放置於實驗臺上)以及連通該玻璃容器和耐壓倉13進水口的玻璃導水管12，該玻璃導管上沿水流方向依次布置高壓泵3 (用於給巖溶水加壓)、流量儀4 (用於記錄水流量)、溫控儀5 (用於控制水溫度)和壓力表6 (用於測量和讀取水壓力)。所述尾水裝置包括與耐壓倉13出水口連通的導管16，以及位於該導管出水端的尾水收集容器11，所述導管16上裝有鈣離子探測器10 (用於記錄水流中鈣離子含量)，該探測器上設置伸入導管16內的探針9 (耐酸性導線，隸屬於鈣離子探測器)。巖溶水在高壓泵3作用下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需求設定不同的功率，以方便調節不同的水壓，水壓可由壓力表6讀出；巖溶水經過流量儀4時可以記錄流體的流速，方便計算實際參與反應的巖溶水數量；高速水流流經溫控儀5，會根據具體試驗要求，轉化為具有一定溫度的流體，而溫控儀5可方便的調節經過其中流體的溫度，以方便試驗中不斷的調節溫度變化；流體通過玻璃導水管12進入耐壓倉13內，與放置於倉內耐腐蝕託盤7上的試片充分接觸，並發生相關物理、化學反應；參與反應後的溶液經過導管16流進尾水收集容器11，在此期間，又由帶有探針9的鈣離子探測器10實施動態的監測。利用本實施例所述試驗裝置進行試驗的步驟如下a、取工程區原樣水或者按照工程區巖溶水的水化學特徵進行配製，得到試驗所需巖溶水。b、將碳酸鹽巖樣試片(直徑500mm,厚IOmm)置於烘乾箱(80°C )內烘乾24小時後，稱其重量，記作Wtl,單位mg。C、將步驟b所得試片放置於耐壓倉13內的耐腐蝕託盤7上，然後利用高壓泵3將水壓調整至IOMpa(水壓可從壓力表6上讀出)，利用溫控儀5將水溫調整至25°C。d、向耐壓倉13內注入步驟a所得的巖溶水，並利用流量儀4控制注入耐壓倉13內水的速率為10ml/min，整個注水過程需連續不斷保持24小時，使巖溶水與試片充分接觸反應，試驗時間24小時。d、溶蝕試驗完畢後，為防止烘烤和試片表面擦水破壞表層的溶蝕微形態，將試片從耐壓倉13中取出後，放置於氣溫25°C的無氣流環境中，經2小時讓試片表面水分消失， 再放入烘乾箱內烘乾24小時，掃去浮塵，採用千分之一電子天平(精確到0. OOlg)稱重，得出溶蝕實驗後的試片重量記作Wi (i = 1,2, ... 12)，單位mg，此時i取I ;同時取尾水滲透水，經室內化驗，得出鈣離子的濃度，通過以下守恆化學方程式
權利要求
1.一種耐壓多層空腔溶蝕試驗裝置，包括耐壓倉(13)以及與該耐壓倉進水口和出水口分別連接的供水裝置和尾水裝置，其特徵在於所述耐壓倉(13)內垂直於其進水口平行布置一組耐腐蝕託盤(7)，各耐腐蝕託盤(7)與耐壓倉(13)側壁之間均留有過水通道 (15)，且相鄰兩過水通道(15)錯位布置。
2.根據權利要求I所述的耐壓多層空腔溶蝕試驗裝置，其特徵在於所述供水裝置包括裝有巖溶水的玻璃容器(2)以及連通該玻璃容器和耐壓倉(13)進水口的玻璃導水管 (12)，該玻璃導管上沿水流方向依次布置高壓泵(3)、流量儀(4)、溫控儀(5)和壓力表(6)。
3.根據權利要求I或2所述的耐壓多層空腔溶蝕試驗裝置，其特徵在於所述尾水裝置包括與耐壓倉(13)出水口連通的導管(16)，以及位於該導管出水端的尾水收集容器 (11)。
4.根據權利要求3所述的耐壓多層空腔溶蝕試驗裝置，其特徵在於所述導管(16)上裝有鈣離子探測器(10)，該探測器上設有伸入導管(16)內的探針(9)。
5.根據權利要求I或2所述的耐壓多層空腔溶蝕試驗裝置，其特徵在於所述試驗裝置還包括一實驗臺(I)，所述耐壓倉(13)通過鉚釘(8)固定安裝於該實驗臺上。
6.一種耐壓多層空腔溶蝕試驗方法，其特徵在於步驟如下a、取工程區原樣水或者按照工程區巖溶水的水化學特徵進行配製，得到試驗所需巖溶水；b、將碳酸鹽巖樣試片置於烘乾箱內烘乾24小時後，稱其重量，記作Wtl，單位mg；C、將步驟b所得試片放置於耐壓倉(13)內的耐腐蝕託盤(7)上，並調整溫度至25°C、 水壓至IOMpa ；d、按10ml/min的速率連續不停的向耐壓倉(13)內注入步驟a所得巖溶水，使巖溶水與試片充分接觸，試驗時間24小時；e、試驗完畢後，將試片取出並放入烘乾箱內烘乾24小時，掃去浮塵，然後稱重，得到試驗後的試片重量，記作Wi (i = 1，2，. . . 12)，單位mg ;同時取尾水滲透水，經室內化驗，得出鈣離子的濃度，通過化學方程式，計算出碳酸鈣的含量Ti (i = 1,2, ...12)，單位mg/L，倒掉本次試驗尾水；f、將試驗後的試片再次放入耐壓倉(13)內，並依次在水溫25°C、水壓20Mpa，水溫 25°C、水壓30Mpa，水溫20°C、水壓lOMpa，水溫20°C、水壓20Mpa，水溫20°C、水壓30Mpa，水溫15°C、水壓I OMpa，水溫15°C、水壓20Mpa，水溫15°C、水壓30Mpa，水溫I (TC、水壓I OMpa， 水溫10°C、水壓20Mpa，水溫10°C、水壓30Mpa，共i^一種不同條件下重複步驟d、e ；g、按照以下公式求取每次試驗後的溶蝕量及溶蝕速率，質量溶蝕量 ai = H (i = 1,2, . . . 12)質量溶蝕速率 Ci = (U/24，(i = 1,2,... 12)溶蝕速率Xi = 4EiTi/100, (i = 1，2，··· 12)，單位mm/千年為侵蝕深度，單位:dm。
7.根據權利要求6所述的耐壓多層空腔溶蝕試驗方法，其特徵在於所述步驟c中，將試片放入烘乾箱前，先將從耐壓倉(13)內取出的試片置於氣溫25°C的無氣流環境中2小時，使其表面的水分蒸發。
8.根據權利要求6所述的耐壓多層空腔溶蝕試驗方法，其特徵在於所述試片的直徑為500mm,厚度為10mnin
全文摘要
本發明涉及一種耐壓多層空腔溶蝕試驗裝置及其試驗方法。本發明的目的是提供一種耐壓多層空腔溶蝕試驗裝置及其試驗方法，試驗時將碳酸鹽巖樣試片放入該裝置的空腔內，讓空腔內承壓巖溶水接觸碳酸鹽巖樣試片的表面，摸擬地下深處碳酸鹽巖層中容隙、溶洞內的巖溶過程，揭示巖土體耐久性能的變化，為施工補強及其它安全措施提供科學依據。本發明的技術方案是包括耐壓倉以及與該耐壓倉進水口和出水口分別連接的供水裝置和尾水裝置，其特徵在於所述耐壓倉內垂直於其進水口平行布置一組耐腐蝕託盤，各耐腐蝕託盤與耐壓倉側壁之間均留有過水通道，且相鄰兩過水通道錯位布置。本發明適用於水利水電工程、交通、礦山等地下工程。
文檔編號G01N17/00GK102590070SQ20121001503
公開日2012年7月18日 申請日期2012年1月18日 優先權日2012年1月18日
發明者單治鋼, 彭鵬, 杜文博, 董育煩, 賈海波, 陳長河 申請人:中國水電顧問集團華東勘測設計研究院