专利名称：变压变温加速溶蚀的试验仪器及其试验方法
技术领域：
本发明涉及一种变压变温加速溶蚀的试验仪器及其试验方法，主要适用于水利水电工程、交通、矿山等地下工程。
背景技术：
建造在岩溶工程区的地下建筑，如深埋洞室等，一方面由于上部或者侧向二次施工，在改造过程中，引起局部压力的改变，另一方面由于与侵蚀性水接触，而当水体来自地表，且渗流途径又较短，其温度很容易受外界影响，冬夏交替，就形成了一种变压变温的外界条件，岩溶区围岩由于和渗流侵蚀性水接触，其钙离子的流失，造成其力学性质的衰减， 引起围岩老化。渗透水不仅通过改变成分(主要是钙离子)、结构和性状来逐渐减弱岩土体 (包括人工材料)的强度，而且通过改变岩土体的渗透特性、渗流形态和应力状态来最终影响工程区建筑的稳定性，从而也影响到建筑功能的正常发挥，缩短建筑的服役寿命，会直接威胁到人民生命及财产的安全。一般这类工程建筑需要服役几十年或者更长，那么，在变压变温条件下，钙离子随压力、温度及时间等多重作用下，变化特征尚无有效的定量评判，且工程建筑岩土体在该种条件下，溶蚀几十年后的工程耐久性特性亦无法预测。传统三轴试验仪器大多局限在考察岩土体的工程力学性状、寻求合理设计参数上，而将其运用在变温变压加速溶蚀试验上却并不多见。传统的仪器的构造如图1和2所示，由三大部分组成第一部分为主机100，包括受压室101和竖向应力施加系统；第二部分是围压系统102 ；第三部分为孔压系统103。试验时，将试样包裹在橡皮膜内置于受压室101的底座上，通过围压系统102对试样施加均勻压力；通过传力杆104施加轴向应力；通过孔压系统103测定孔隙水压力。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对上述存在的问题提供一种变压变温加速溶蚀的试验仪器及其试验方法，对工程区内、变压变温条件下的碳酸盐岩地层，采用加速溶蚀的方法，一方面通过渗透水水质的变化，研究岩土体的溶蚀特征及其速率，以实时掌握钙离子的溶蚀变化规律，另一方面为准确掌握岩溶区建筑服役若干年后的工程特性依时变化特征， 为补强支护提供较有效的科学依据，并为后续的物理力学试验提供依据和数据。本发明所采用的技术方案是变压变温加速溶蚀的试验仪器，包括耐酸耐压容器， 以及与其出水口连通的尾水装置，其特征在于所述耐酸耐压容器内对称布置两块与耐酸耐压容器内壁密封接触、且可在其内滑动的围压板，形成一用于放置试样的密闭围压仓，各围压板远离试样一侧依次连接传力杆I和位于耐酸耐压容器外部的围压伺服器；试样安放好后在其上方形成一密闭的轴压仓，该轴压仓内布置一块透水垫片，该透水垫片远离试样一侧依次连接传力杆II和位于耐酸耐压容器外部的轴压伺服器；所述围压仓和轴压仓分别通过玻璃导管连接装有试验用水的玻璃容器，且玻璃导管上分别安装有高压泵和温控仪， 所述玻璃导管与围压仓连通处设置用于防止仓内水回流的单向阀；所述轴压仓上设有与其内部连通的压力表。所述尾水装置包括与耐酸耐压容器出水口连通的出水导管，以及位于该出水导管出水端的尾水收集容器，所述出水导管上装有钙离子探测器，该探测器上设置伸入出水导管内的探针。所述试验仪器还包括一中空的试验台，所述耐酸耐压容器放置于试验台的上表面，尾水装置则放置于试验台的空腔内。所述玻璃导管上安装有流量仪。变压变温加速溶蚀试验方法，其特征在于步骤如下a、取含碳酸的酸性水作为试验用水，同时选取圆柱体岩芯为试验对象，并用蒸馏水清洗试样表面的尘土和杂质得到试验用试样；b、将试样置于烘干箱内烘干M小时后，称其重量，记作W1，单位mg，表面积记作 S，单位cm2 ；C、将步骤b所得试样放入围压仓内固定，并向轴压仓和围压仓内注入酸性水，使试样与酸性水充分接触，同时对其施加轴压O1和围压σ2、σ3，控制其初始压力Q1=O2 =ο 3为lOMpa，酸性水水压为lOMpa，水温及围压仓仓内温度为10°C ；每隔2小时，将轴压和围压提升5Mpa，同时酸性水水压升高5Mpa，水温及围压仓仓内温度升高2°C，直到轴压和围压升至55Mpa，酸性水水压也升至55Mpa，水温及围压仓仓内温度升至^°C，并保持该状态2小时；与此同时，利用钙离子探测器实时动态监测和记录尾水中钙离子的浓度M，单位 mg/L,并每间隔15分钟测量不同条件下尾水的TDS和电导率；d、将试样从围压仓内取出，并放入烘干箱内烘干M小时，扫去浮尘，然后称重，得出溶蚀实验后的重量记作W2，单位mg ；e、利用下述公式计算，样品质量溶蚀量AW = W1-W2单位mg样品平均质量溶蚀速率V = Δ ff/20单位mg/h样品平均面积溶蚀速率μ = AW/S单位mg/cm2结合钙离子浓度M随时间的变化曲线，以2个小时为时间间隔，计算不同围压和不同温度下钙离子M的变化速率。所述步骤d中，将试样放入烘干箱前，先将从围压仓内取出的试样置于气温25°C 的无气流环境中2小时，使其表面的水分蒸发。本发明的有益效果是本发明设置轴压伺服器和围压伺服器，分别通过与之连接的传力杆向试样施加轴压和围压，同时岩溶水与试样完全接触，并参与物理化学反应，且该岩溶水的压力温度可调，能够更加真实的模拟岩溶区围岩的溶蚀情况，从而保证了试验结果的可靠性；在尾水导管中布置钙离子动态监测计，通过渗透水水质的变化，研究岩土体的溶蚀特征及其速率，以实时掌握钙离子的溶蚀变化规律；同时可根据尾水测量数据，得到试样的溶蚀速率，评判岩土体或建筑物在拟定服役年限内的稳定性，以确定是否需要对其进行补强处理，为保证工程稳定性提供了科学依据。
图1是本发明背景技术中试验仪器的结构图。
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图2是图1的俯视图。图3是本发明试验仪器的结构图。图4是图3的俯视图。
具体实施例方式如图3、图4所示，本实施例是通过对传统的三轴试验仪器进行技术改造而成，具体结构包括一中空的试验台1，放置于该试验台上表面的耐酸耐压容器17，以及放置于试验台1空腔内的尾水装置，该尾水装置与耐酸耐压容器17的出水口通过渗透方式连通。所述耐酸耐压容器17内对称布置两块与耐酸耐压容器17内壁密封接触、且可在其内滑动的围压板19，形成一用于放置试样7的密闭围压仓10，各围压板19远离试样7 —侧依次连接传力杆120和位于耐酸耐压容器17外部的围压伺服器9 ；试验时围压伺服器9工作并通过传力杆120将力传递给围压板19，实现向试样7施加围压。试样7安放好后在其上方形成一密闭的轴压仓21 (通过安装试样使该轴压仓与围压仓互不连通)，该轴压仓内布置一块透水垫片18(为刚性金属垫片，均勻分布有密集小孔，一方面可以传递轴力，另一方面可以透水)，该透水垫片远离试样7 —侧依次连接传力杆II 13和位于耐酸耐压容器17外部的轴压伺服器8 ；试验时，轴压伺服器8工作并通过传力杆II 13将力传递给透水垫片18，实现向试样7施加轴压。所述围压仓10和轴压仓21分别通过玻璃导管16连接装有试验用水 (为了真实模拟现场条件，一般采用含有碳酸的酸性水，具有侵蚀性和腐蚀性)的玻璃容器 2，且玻璃导管16上分别安装有高压泵3 (具有耐酸性，用于给酸性水加压)和温控仪5 (具有耐酸性，用于控制酸性水的温度)，所述玻璃导管16与围压仓10连通处设置单向阀15， 以防止围压仓10内的液体被压回玻璃导管16，造成反应溶液的回流；所述轴压仓21上设有与其内部连通的压力表6，用于直观的显示酸性水的压力。所述玻璃导管16上还安装有流量仪4，一方面可以记录流体的流速，另一方面也可起到监控的作用，若流量突然增大，应停止试验，检查试样的完整性，以防止水力劈裂的发生。所述尾水装置包括与耐酸耐压容器17出水口连通的出水导管22，以及位于该出水导管出水端的尾水收集容器12，所述出水导管22上装有钙离子探测器11 (用于记录水流中钙离子含量)，该探测器上设置伸入出水导管22内的探针14 (耐酸性导线，隶属于钙离子探测器)，以方便对尾水中的钙离子进行实时的动态变化监测。本例中，高压泵3、流量仪4和温控仪5沿酸性水的水流方向依次布置于玻璃导管 16上；酸性水经高压泵3后便成为具有一定流速和压力的流体，高压泵3在试验中可随时根据需求设定不同的功率，以方便调节不同的水压；酸性水经过流量仪4时可以记录流体的流速，同时监控流量大小；高速水流流经温控仪5，会根据具体试验要求，转化为具有一定温度的流体，而温控仪5可方便的调节经过其中流体的温度，以方便试验中不断的调节温度变化；最后酸性水经玻璃导管16分别进入轴压仓21和围压仓10内，与试样7充分接触，然后分别通过轴压伺服器8和围压伺服器9对试样施加轴压和围压；试验过程中，酸性水与试样7接触并发生相关物理、化学反应，参与反应后的溶液经过出水导管22流进尾水收集容器12，在此期间，又由带有探针14的钙离子探测器11实施动态的监测。利用本实施例所述试验装置进行试验的步骤如下
a、取浓度较高的碳酸，按照一定浓度(0. 020 0. 033mol/L)进行配制得到试验用酸性水，同时选取圆柱体岩芯为试验对象，并用蒸馏水清洗其表面的尘土和杂质得到试验用试样7 ；b、将试样7置于烘干箱(85°C 90°C)内烘干M小时后，称其重量，记作W1，单位 mg;表面积记作S，单位cm2;c、将步骤b所得试样7放入围压仓10内固定，并向轴压仓21和围压仓10内注入步骤a所得酸性水，使试样7与酸性水充分接触，同时对其施加轴压O1和围压σ2、σ3，控制其初始压力O1= O2= σ 3为lOMpa，酸性水水压为lOMpa，水温及围压仓10仓内温度为10°C;每隔2小时，将轴压和围压提升5Mpa，同时酸性水水压升高5Mpa，水温及围压仓10 仓内温度升高2 V，直到轴压和围压升至55Mpa，酸性水水压也升至55Mpa，水温及围压仓10 仓内温度升至，并保持该状态2小时，即整个试验过程持续20个小时；与此同时，利用钙离子探测器11实时动态监测和记录尾水中钙离子的变化，记为M，单位mg/L ；并每间隔 15分钟测量不同条件下尾水的TDS(溶解性总固体，单位mg/L)和电导率(单位μ s/cm)， 分别绘制TDS随时间的变化曲线、电导率随时间的变化曲线和钙离子浓度M随时间的变化曲线；d、将试样从围压仓10内取出，置于气温25°C的无气流环境中2小时，使其表面的水分蒸发，然后放入烘干箱(85°C 90°C)内烘干M小时，扫去浮尘，采用千分之一电子天平称重，得出溶蚀实验后的重量记作W2，单位mg ；e、按照以下公式求取其它所需参数样品质量溶蚀量AW = W1-W2单位mg式中AW为溶蚀量，W1为实验前样品的质量，W2为实验后样品的质量；样品平均质量溶蚀速率V = Δ ff/20单位mg/h式中V为样品平均溶蚀速率，h为时间，单位小时；样品平均面积溶蚀速率μ = Aff/S单位mg/cm2 ；结合绘制出的钙离子浓度M随时间的变化曲线，以2个小时为时间间隔，计算不同围压下钙离子M的变化速率，和不同温度下钙离子M的变化速率。
权利要求
1.一种变压变温加速溶蚀的试验仪器，包括耐酸耐压容器(17)，以及与其出水口连通的尾水装置，其特征在于所述耐酸耐压容器(17)内对称布置两块与耐酸耐压容器(17)内壁密封接触、且可在其内滑动的围压板(19)，形成一用于放置试样(7)的密闭围压仓(10)， 各围压板(19)远离试样(7) —侧依次连接传力杆I 00)和位于耐酸耐压容器(17)外部的围压伺服器(9)；试样(7)安放好后在其上方形成一密闭的轴压仓(21)，该轴压仓内布置一块透水垫片(18)，该透水垫片远离试样(7) —侧依次连接传力杆II (1 和位于耐酸耐压容器(17)外部的轴压伺服器(8)；所述围压仓(10)和轴压仓分别通过玻璃导管(16)连接装有试验用水的玻璃容器O)，且玻璃导管(16)上分别安装有高压泵C3)和温控仪(5)， 所述玻璃导管(16)与围压仓(10)连通处设置用于防止仓内水回流的单向阀(15)；所述轴压仓上设有与其内部连通的压力表(6)。
2.根据权利要求1所述的变压变温加速溶蚀的试验仪器，其特征在于所述尾水装置包括与耐酸耐压容器(17)出水口连通的出水导管(22)，以及位于该出水导管出水端的尾水收集容器(12)，所述出水导管0 上装有钙离子探测器(11)，该探测器上设置伸入出水导管(22)内的探针(14)。
3.根据权利要求1或2所述的变压变温加速溶蚀的试验仪器，其特征在于所述试验仪器还包括一中空的试验台(1)，所述耐酸耐压容器(17)放置于试验台(1)的上表面，尾水装置则放置于试验台(1)的空腔内。
4.根据权利要求1或2所述的变压变温加速溶蚀的试验仪器，其特征在于所述玻璃导管(16)上安装有流量仪(4)。
5.一种变压变温加速溶蚀试验方法，其特征在于步骤如下a、取含碳酸的酸性水作为试验用水，同时选取圆柱体岩芯为试验对象，并用蒸馏水清洗试样表面的尘土和杂质得到试验用试样；b、将试样置于烘干箱内烘干M小时后，称其重量，记作W1，单位mg，表面积记作S，单位:cm2 ；c、将步骤b所得试样放入围压仓(10)内固定，并向轴压仓和围压仓(10)内注入酸性水，使试样与酸性水充分接触，同时对其施加轴压O1和围压ο2、σ3，控制其初始压力 O1= O2= σ 3为lOMpa，酸性水水压为lOMpa，水温及围压仓(10)仓内温度为10°C;每隔 2小时，将轴压和围压提升5Mpa，同时酸性水水压升高5Mpa，水温及围压仓(10)仓内温度升高2°C，直到轴压和围压升至55Mpa，酸性水水压也升至55Mpa，水温及围压仓(10)仓内温度升至^°C，并保持该状态2小时；与此同时，利用钙离子探测器实时动态监测和记录尾水中钙离子的浓度M，单位mg/L，并每间隔15分钟测量不同条件下尾水的TDS和电导率；d、将试样从围压仓(10)内取出，并放入烘干箱内烘干M小时，扫去浮尘，然后称重，得出溶蚀实验后的重量记作W2，单位mg ；e、利用下述公式计算，样品质量溶蚀量AW = W1-W2单位mg样品平均质量溶蚀速率V = AW/20单位mg/h样品平均面积溶蚀速率μ = AW/S单位mg/cm2结合钙离子浓度M随时间的变化曲线，以2个小时为时间间隔，计算不同围压和不同温度下钙离子M的变化速率。
6.根据权利要求5所述的变压变温加速溶蚀试验方法，其特征在于所述步骤d中，将试样放入烘干箱前，先将从围压仓(10)内取出的试样置于气温25°C的无气流环境中2小时，使其表面的水分蒸发。
全文摘要
本发明涉及一种变压变温加速溶蚀的试验仪器及其试验方法。本发明的目的是提供变压变温加速溶蚀的试验仪器及其试验方法，实时掌握钙离子的溶蚀变化规律，为补强支护提供较有效的科学依据。本发明的技术方案是包括耐酸耐压容器，以及尾水装置，其特征在于耐酸耐压容器内对称布置两块围压板，形成密闭围压仓，各围压板远离试样一侧依次连接传力杆Ⅰ和围压伺服器；试样安放好后形成轴压仓，该轴压仓内布置一块透水垫片，该透水垫片远离试样一侧依次连接传力杆Ⅱ和轴压伺服器；围压仓和轴压仓分别通过玻璃导管连接玻璃容器，且玻璃导管上分别安装有高压泵、温控仪和单向阀；轴压仓上设有压力表。本发明适用于水利水电工程、交通、矿山等地下工程。
文档编号G01N33/24GK102565307SQ20121001502
公开日2012年7月11日 申请日期2012年1月18日 优先权日2012年1月18日
发明者单治钢, 彭鹏, 董育烦, 贾海波 申请人:中国水电顾问集团华东勘测设计研究院