一种用于测试非饱和介质气体扩散系数及渗透系数的实验装置的制作方法

本实用新型涉及一种用于测试非饱和介质气体扩散系数及渗透系数的实验装置，可在恒温条件下模拟填埋场实际情况并测得非饱和多孔介质的相关参数。

背景技术：

城市生活垃圾在填埋处理过程中，以甲烷为代表的填埋气作为温室气体对自然环境造成了严重影响。填埋场覆盖层覆盖系统包括气体导排层、土工膜、 GCL(膨润土防水毯)、排水层、植被表土层，在填埋气减排过程中起到了重要作用。因此，对覆盖层材料气体扩散和渗透性能的要求也日益提高，相关参数的实时测量是科研及工程应用中不容忽视的环节之一。

目前国内外开展介质渗透系数、扩散系数的测量时，一般采用常规土柱实验，通入气体并控制压差后，得到相应气体浓度用于实验分析。该方法的缺点是(1)无法控制被测气体温度并保持恒定，以致实验结果受温差影响；(2)被测土样只经过人工压实填埋，而填埋场覆盖层系统中包括上覆土和GCL等土工合成材料，与实际有一定误差。(3)传统土柱实验测量相应系数时不便于更改土样属性，实验较难变通。

为解决上述问题，本实用新型提供了一种用于测试非饱和介质气体扩散系数及渗透系数的实验装置。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于针对现有技术的不足，提供一种用于测试非饱和介质气体扩散系数及渗透系数的实验装置，可在恒温条件下模拟填埋场实际情况并测得非饱和多孔介质的相关参数。

本实用新型的用于测试非饱和介质气体扩散系数及渗透系数的实验装置，包括供气装置、主体反应装置、以及出气气体收集装置；所述的非饱和介质为土样或GCL。

所述的供气装置包括减压器、气瓶、调压器、压力计、水浴加热装置和气体流量计，气瓶的瓶口处设置两个减压器，调压器通过橡皮管一端与减压器相连，一端通过水浴加热装置后与主反应装置相连，在橡皮管上位于水浴加热装置两端各设置一个压力计，橡皮管连接主体反应装置，用于向主体反应装置输送气体，进气前设置气体流量计用以监测气体流量；

所述的主体反应装置主要包括亚克力筒、上下固定钢板、多孔不锈钢板和底部支撑柱；亚克力筒由上、中、下三段拼成，分为上室、中室、下室三个部分，中室内置两块多孔不锈钢板，所测非饱和介质夹置于两块多孔不锈钢板之间，介质上部多孔不锈钢板连接圆柱体进行气缸加载，进行上覆压力传递，保证多孔不锈钢板的刚度，有利于模拟实际填埋场上覆压力的均匀分布。上室和下室分别设有多个安有阀门的开口，可根据不同实验需求作为进气口或取样口或安置气体流量计和压力计，用于实时监控实验所需压差条件，上下固定钢板分设于亚克力筒两端，通过连接螺栓进行固定；在非饱和介质上下表面还贴有温度监测片；

所述出气气体收集装置包括气体收集瓶组成，主体反应装置中产生的气体经由橡皮管通入气体收集瓶，进行收集以免对环境造成污染。

上述技术方案中，优选的，压力计设置于橡皮管上位于水浴加热装置两端各10cm处。

应用上述的装置进行非饱和介质的气体扩散系数测定的方法，包括如下步骤：

首先在两块多孔不锈钢板间放置被测非饱和介质，通过气缸加载20～60kPa 均布荷载于上部多孔不锈钢板上并传递至介质，由供气装置向主体反应装置输送气体：首先关闭下室开口，打开上室开口，通入氮气或二氧化碳置换上室中的空气，关闭上室开口，打开下室开口通入一定浓度气体直至上下室压力相等；关闭上下室开口，定时测量上下室气体浓度，直至上下室气体浓度相等，扩散达到平衡状态，获得下室浓度-时间曲线，采用PolluteV7软件拟合获得介质的气体扩散系数，或者记录平衡时下室气体浓度及扩散所用时间，采用下式计算获得扩散系数：

式中，Cr为下室气体浓度,Dp有效扩散系数,ε为非饱和介质气体孔隙率， L为非饱和介质的厚度，h＝ε/La，La为介质底部至下室底部的高度，α1为hL＝αnLtan(αnL)(n＝1，2，3，...)的第一个正根。

应用上述的装置进行非饱和介质的气体渗透系数测定的方法，包括如下步骤：

首先在两块多孔不锈钢板间放置被测非饱和介质，通过气缸加载20～60kPa 均布荷载于上部多孔不锈钢板上并传递至介质，打开上室开口连通外界，由供气装置向主体反应装置下室输送气体，控制下室进气流量一定，上室安装气体流量计，记录上室气体流量Q，上下室分别安装压强计，记录上下室压强，做上室气体流量Q与P1²-P2²关系图，其中P1为下室的气体压强，P2为上室气体的压强，当气体达到稳态则关系图呈现线性关系，根据达西定律，该线性关系的斜率即为所测介质的气体渗透系数。

本实用新型利用水浴加热控制实验通入气体的温度，模拟填埋场覆盖层中的温度环境。利用上室气缸加载至多孔不锈钢板加压向土样传递均布荷载，模拟填埋场覆盖层土层上覆土压力，模拟填埋场现场环境下气体在土样中的渗透性与扩散性。

附图说明

图1是本实用新型装置的一种具体结构示意图；

图2是供气装置的结构示意图；

图3是GCL主体反应装置的结构示意图；

图4是土样主体反应装置的结构示意图；

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明。

本实用新型的装置主要包括供气装置、主体反应装置和出气气体收集装置。所述供气装置含水浴加热装置用于加热传输气体，模拟埋场垃圾降解产生的温度和外部气温变化产生的温度变化；主体反应装置由下室、中室、上室三部分组成，分别模拟垃圾填埋场产气、填埋场覆盖土层(或GCL)和土样上部环境。其中上部通过气缸加载至多孔不锈钢板向土样(或GCL)加压，模拟填埋场覆盖层上部的土压力，出气气体收集装置主要由气体收集瓶组成，可对反应后的气体收集处理，避免实验后的气体污染空气。。

如附图1、2所示，所述的供气装置包括减压器1、气瓶2、调压器3、压力计4、水浴加热装置5和气体流量计6，气瓶2的瓶口处设置两个减压器1，调压器3通过橡皮管7一端与减压器1相连，一端通过水浴加热装置5与主反应装置相连，水浴加热装置5两端10cm处各设置一个压力计4，主体反应装置进气口前设置气体流量计6用以监测气体流量。

如附图3、4所示，主体反应装置可以为GCL实验装置或土样实验装置，二者仅所测样品不同，主体结构均相同，包括取样口8、连接螺栓9、集气瓶10、亚克力桶11、上下固定钢板12、多孔不锈钢板13和四个底部支撑柱14组成。亚克力桶11分为上室、中室、下室三个部分，中室为两块多孔不锈钢板13和所测非饱和土样组成，土样上部用多孔不锈钢板13连接圆柱体进行气缸加载，进行上覆压力传递，保证多孔不锈钢板的刚度，有利于模拟实际填埋场上覆压力的均匀分布。上室和下室分别设有多个取样口8，可根据不同需求连接压力计 4或气体流量计6，上下固定钢板12通过四个连接螺栓9进行固定。

本实用新型的装置可用于气体在土样或GCL的渗透系数和扩散系数的测量；也可进行甲烷氧化实验研究，改变土样的性质，探究利用生物炭、聚合物等新型材料在填埋场覆盖层中的应用前景。下面对应用本实用新型装置进行渗透系数和扩散系数测定的试验方案进行说明。

根据试验方案与目的，按照试验需要配合不同含水量和不同结构的土样并将其置于两块多孔不锈钢板13之间，通过上部钢板所联接的圆柱体进行气缸加载20kPa，打开并设置水浴加热装置5温度，一段时间后打开气瓶2和调压器3 通入气体，待稳定。

(1)测定气体渗透系数

GCL上部通过汽缸均匀加压，加压20kpa模拟填埋场覆盖层上部1m土层厚度。保持装置上室出气口阀门打开，下室通入甲烷置换下室中的空气，开始时通过进气阀门控制下室进气流量一定。上室安装气体流量计，记录上室气体流量，上下室分别安装压强计，记录上下室压强，做上室气体流量Q与P1²-P2²关系图，若为线性关系，则表明气体达到稳态，达西定律适用。上下室气体运移稳定后，观察上下室压强差，记录上下室压强及通过的气体流量。通过调整下室调整不同的压强差(1-20kPa，实际填埋场覆盖层上下压强小于10kPa，研究取1-20kPa是为了更好的验证达西定律，得到渗透系数)。

根据达西定律记录不同气压差下上下室压强、上室流量，做Q～P1²-P2²关系图，得到渗透系数k(即Q与P1²-P2²线性关系时的斜率)：

式中，k为试样的气体渗透系数，Q2为通过试样的气体流量，ρ为气体的密度，g为重力加速度，P1为下室的气体压强，P2为上室气体的压强，A为试样的横截面积，L为试样厚度。重复上述步骤，可测量不同土样结构以及土样含水量等影响因素对土样渗透系数的影响。

(2)测定气体扩散系数

土样以GCL为例，气体以甲烷为例进行说明。GCL上部通过汽缸加压 20kpa，通过多孔不锈钢板传递到土样上部，使土样受力均匀。关闭下室阀门，打开上室出气孔，上室中通入氮气或二氧化碳置换上室中的空气，关闭上室。关闭上室阀门，打开下室出气孔，下室中通入甲烷，使甲烷置换下室的空气，上下室安装压强计，保证上下室气压相等。停止通气，关闭上下室进出气口阀门，使甲烷扩散通过GCL进入上室。上下室分别设置取样口，定时(1min)对上下室气体进行取样，测量上下室气体浓度，直至上下室气体浓度相等，扩散达到平衡状态，测量时间间隔为60s。达到稳定的时间视GCL的含水量而定，含水量高达到稳定所需时间更长。通过以下数据处理方法可得到GCL或土样的扩散系数。

①描点拟合法：将上述过程所得的浓度-时间描点，通过PolluteV7软件拟合，找到拟合最佳时的扩散系数。

②公式法：

式中，J是气体扩散通量，z为深度，Cr为下室气体浓度,Dp有效扩散系数,ε为土体气体孔隙率，L为GCL样的厚度，h＝ε/La，La为GCL底部至下室底部的高度，α1为hL＝αnLtan(αnL)(n＝1，2，3，...)的第一个正根。

上述具体实施方式用来解释说明本实用新型，而不是对本实用新型进行限制，在本实用新型的精神和权利要求的保护范围内，对本实用新型作出的任何修改和改变，都落入本实用新型的保护范围。