一种地下防污屏障材料化学相容性测试装置的制作方法

本实用新型涉及地下环境污染防控，具体涉及了一种地下防污屏障材料化学相容性测试装置。

背景技术：

近年来我国工业化和城市化发展迅速，但同时也带来了严重的地下环境污染问题。工业企业搬迁后的遗留遗弃场地和固体废弃物填埋场、加油站地下储库等集中废弃物填埋场都存在着严重的地下水土污染问题，并且成为场地开发利用的主要障碍。防污屏障可以简单直接防控地下水土污染，保护水资源和民众的健康安全。

含无机或有机污染物的地下水渗入防污屏障后，污染物可能与土质防污屏障材料发生物理或化学作用，使防污屏障材料的工程特性改变，即存在防污屏障材料与地下水的化学相容性问题。例如，导致防污屏障材料的渗透系数变大，进而加快污染物在屏障中的迁移速度，缩短防污屏障服役寿命。因此，评价防污屏障材料与地下水的化学相容性是防污屏障设计的关键之一。目前，防污屏障设计主要考虑屏障材料的初始工程特性，缺乏化学相容性的测试及其相应方法，往往忽略防污屏障材料的化学相容性这一重要的因素，易导致防污屏障实际服役寿命小于设计寿命。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提出了一种地下防污屏障材料化学相容性测试装置，解决目前防污屏障材料渗透系数测试不考虑污染溶液与防污屏障材料相互作用的问题，评价污染溶液渗透导致防污屏障材料渗透系数的变化程度，为优化防污屏障的设计提供依据，防止因化学相容性不足导致防污屏障实际服役寿命显著缩短的问题。

本实用新型的目的及解决其技术问题是采用以下技术方案来实现：

装置包含渗透压力室、出流隔离器、入流隔离器、pH监测仪、电导率监测仪、围压-体积控制器、底压-体积控制器、顶压-体积控制器；围压-体积控制器连接渗透压力室，入流隔离器连接在渗透压力室和顶压-体积控制器之间，出流隔离器连接在渗透压力室和底压-体积控制器之间，pH监测仪和电导率监测仪连接在出流隔离器和渗透压力室之间。

所述的渗透压力室包括围压顶帽、乳胶膜、渗透顶帽、护筒、有机玻璃罩、透水石、渗透底座、围压系统排水/注水管线、渗透顶帽入流管线、渗透顶帽排气管线、渗透底座排气管线和渗透底座出流管线；围压顶帽通过有机玻璃罩安装在渗透底座上，通过螺杆固定形成围压系统；护筒安装在渗透底座上，试样和透水石均装在护筒内，试样上下端均放置透水石，试样和透水石的侧面周围与护筒之间包裹有乳胶膜，护筒顶端安装有渗透顶帽，O型圈将乳胶膜固定在渗透底座和渗透顶帽上，形成封闭的渗透系统；试样顶面的透水石经渗透顶帽入流管线与入流隔离器连接相通，试样底面的透水石经渗透底座出流管线与出流隔离器连接相通，围压系统经围压系统排水/注水管线与围压-体积控制器连接。

所述围压顶帽上安装有百分表，百分表底端穿过围压顶帽后连接到渗透顶帽顶面，试验时通过百分表监测测试过程中渗透顶帽的竖向位移进而获得试样高度的变化。

所述的出流隔离器和入流隔离器结构相同，均包括上部压力腔、下部溶液腔以及位于上部压力腔和下部溶液腔二者之间的橡胶膜；上部压力腔包括上三通阀门、顶帽和上部压力腔筒；上部压力腔筒上端密封连接顶帽，顶帽顶面安装有上三通阀门，上三通阀门其中一端口连通到上部压力腔，另外两端口分别为排气/注水口、供压口；下部溶液腔包括底座、下部溶液腔筒和下三通阀门；下部溶液腔筒下端和底座密封连接，底座底面安装有下三通阀门，下三通阀门其中一端连通到下部溶液腔，另外两端口分别为采液/排液口、试样接口；上部压力腔筒下端和下部溶液腔筒上端对接，并在对接处密封设置橡胶膜，由隔离器螺杆将上部压力腔筒和下部溶液腔筒固定一起。

所述橡胶膜为无渗透性、强伸缩性、耐化学腐蚀的材料，不仅起到隔离上下腔内液体的作用，还可以无损地传递上下压力腔内液体的压力。

所述的pH监测仪和电导率监测仪均经流通池连接到出流隔离器和渗透压力室之间的管路上；pH监测仪包括pH探头和pH值电子显示器，电导率监测仪包括电导率探头和电导率电子显示器，流通池具有一个内腔和三个接口，三个接口分别为探头接口、入流接口和出流接口，探头接口安装pH探头/电导率探头，入流接口和出流接口分别连接渗透压力室的渗透底座出流管线和出流隔离器；渗透出流液流过流通池的内腔，通过流通池中的pH探头/电导率探头监测渗透出流液的pH或电导率。

本实用新型的有益效果和优点主要有以下几点：

(1)可用于防污屏障材料的化学相容性测试，评价污染溶液渗透造成屏障材料渗透系数的变化程度，优化防污屏障设计，完善防污屏障长期服役性能评估。

(2)入流隔离器和出流隔离器具有供给渗透溶液和隔离渗透溶液和顶压-体积控制器及底压-体积控制的作用，避免顶压-体积控制器及底压-体积控制器和渗透溶液直接接触而造成控制器腐蚀损坏，同时无损地传递上下腔的液体压力。

(3)pH监测仪和电导率监测仪可在试验过程中实时监测渗透系统出流液的pH值和电导率，以判断防污屏障材料与渗透溶液之间的化学物理作用是否达到稳定状态。

(4)渗透压力室中围压系统与试样的独立渗透系统相结合，解决污染溶液渗透造成试样体积缩小、溶液从试样侧壁渗漏的问题，避免渗透系数测试结果偏大。

附图说明

附图1为测试装置整体组成示意图。

附图2为渗透压力室组成示意图。

附图3为渗透溶液隔离装置组成示意图。

附图4为流通池细部示意图。

附图5为护筒细部示意图。

附图6为实施例渗透出流液的pH随溶液渗透量变化图。

附图7为实施例渗透出流液的电导率随溶液渗透量变化图。

附图8为实施例土-膨润土试样的渗透系数随溶液渗透量变化图。

图中：1、渗透压力室；2、出流隔离器；3、入流隔离器；4、pH监测仪；5、电导率监测仪；6、围压-体积控制器；7、底压-体积控制器；8、顶压-体积控制器；9、电脑；10、流通池；11、百分表；12、压力室排气口；13、围压顶帽；14、乳胶膜；15、渗透顶帽；16、有机玻璃罩；17、O型圈；18、护筒；19、透水石；20、试样；21、螺杆；22、渗透底座；23、围压系统排水/注水管线；24、渗透顶帽入流管线；25、渗透顶帽排气管线；26、渗透底座排气管线；27、渗透底座出流管线；28、上三通阀门；29、排气/注水口；30、供压口；31、顶帽；32、隔离器螺杆；33、上部压力腔；34、上部压力腔筒；35、橡胶膜；36、下部溶液腔；37、下部溶液腔筒；38、底座；39、采液/排液口；40、试样接口；41、下三通阀门；42、出流接口；43、入流接口；44、探头接口；45、凹槽；46、通液口；47、竖向内部通道；48、环形内部通道。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对实用新型作进一步详细描述：

如图1所示，本实用新型具体实施包含渗透压力室1、出流隔离器2、入流隔离器3、pH监测仪4、电导率监测仪5、围压-体积控制器6、底压-体积控制器7、顶压-体积控制器8、电脑9和流通池10。入流隔离器3连接在渗透压力室1和顶压-体积控制器8之间，出流隔离器2和流通池10连接在渗透压力室1和底压-体积控制器7之间，pH监测仪4和电导率监测仪5均经流通池10连接到出流隔离器2和渗透压力室1之间的管路上，具体实施中出流隔离器2和渗透压力室1之间的管路上设有两个流通池10，两个流通池10上分别安装pH监测仪4和电导率监测仪5。三个压力-体积控制器均通过数据线与电脑9连接，由电脑9控制压力和采集、记录渗透溶液流量数据。

本实用新型中，压力-体积控制器是电脑控制的液压传感器，既可以精确控制液体压力，又可以记录液体压力和液体体积变化。渗透压力室配置三个压力-体积控制器，一个压力-体积控制器用于施加围压，另外两个压力-体积控制器分别用于控制试样顶部压力(顶压)、试样底部压力(底压)和记录流入试样的溶液量和流出试样的渗透溶液流量。

入流隔离器3设置在渗透压力室1和顶压-体积控制器8之间，出流隔离器2设置在渗透压力室1和底压-体积控制器7之间，不仅起到供给渗透溶液的作用，还可以有效防止渗透溶液流入控制器而对其造成腐蚀损害。

如图1和图5所示，pH监测仪4包括pH探头和pH值电子显示器，电导率监测仪5包括电导率探头和电导率电子显示器，流通池10具有一个内腔和连通到内腔的三个接口，三个接口分别为探头接口44、入流接口43和出流接口42，探头接口44安装pH探头或电导率探头，入流接口43和出流接口42分别连接渗透压力室1和出流隔离器2，用于渗透溶液的流入和流出；渗透出流液流过流通池10的内腔时，流通池10中的pH探头或电导率探头可监测渗透出流液pH和电导率。pH值电子显示器和电导率电子显示器实时显示所测溶液pH、电导率的数值。pH监测仪4和电导率监测仪5可在溶液渗透测试时实时监测经试样渗透的出流液的pH和电导率，可用于判断防污屏障材料与渗透溶液之间的化学物理作用是否达到稳定状态。

电脑9通过数据线与体积-压力控制器连接，从而使得压力的控制和数据的采集可以完全由电脑来设置和存档。

如图2所示，渗透压力室1包括围压顶帽13、乳胶膜14、渗透顶帽15、护筒18、有机玻璃罩16、透水石19、渗透底座22、围压系统排水/注水管线23、渗透顶帽入流管线24、渗透顶帽排气管线25、渗透底座排气管线26和渗透底座出流管线27；围压顶帽13通过有机玻璃罩16安装在渗透底座22上，通过螺杆21固定形成围压系统；护筒18安装在渗透底座22上，试样20和透水石19均装在护筒18内，试样20上下端均放置透水石19，试样20和透水石19的侧面周围与护筒18之间包裹有乳胶膜14，护筒18顶端安装有渗透顶帽15，O型圈17将乳胶膜14固定在渗透底座22和渗透顶帽15上，在试样周边形成独立封闭的渗透系统。试样20顶面的透水石19经渗透顶帽入流管线24与入流隔离器3连接相通，试样20底面的透水石19经渗透底座出流管线27与出流隔离器2连接相通，围压系统经围压系统排水/注水管线23与围压-体积控制器6连接。具体实施中在试样和透水石之间放置滤纸，防止透水石被细小土颗粒堵塞；

具体实施中，下方的透水石19固定于护筒18内的渗透底座22上，上方的透水石19活动于护筒18内。

通过电脑9控制围压-体积控制器6向围压系统中施加压力作为围压，通过电脑9控制底压-体积控制器7向渗透系统的下方透水石19施加压力作为底压，通过电脑9控制顶压-体积控制器8向渗透系统的上方透水石19施加压力作为顶压。

为了排除气体与控制渗透压力，具体实施在渗透顶帽和底座各有一条进液管和一条排气管，管线由阀门控制开关。

如图2所示，围压顶帽13上安装有百分表11，百分表11底端穿过围压顶帽13后连接到渗透顶帽15顶面，通过百分表11监测测试过程中渗透顶帽15的上下移动位移进而获得试样20高度的变化。

本实用新型的围压系统通过试样20外的乳胶膜14和渗透系统结合，使得乳胶膜14限制试样20中的溶液无法从试样20侧面周围渗透出去，解决溶液渗透造成试样体积缩小、溶液从试样侧壁渗漏的问题，避免渗透系数测试结果偏大。

透水石19的直径与试样20相同，且透水石19的渗透系数大于10^-5cm/s。

如图3所示，出流隔离器2和入流隔离器3结构相同，均包括上部压力腔33、下部溶液腔36以及位于上部压力腔33和下部溶液腔36二者之间的橡胶膜35；上部压力腔33包括上三通阀门28、顶帽31和上部压力腔筒34；上部压力腔筒34上端密封连接顶帽31，顶帽31顶面安装有上三通阀门28，上三通阀门28其中一端口连通到上部压力腔33，另外两端口分别为排气/注水口29、供压口30；下部溶液腔36包括底座38、下部溶液腔筒37和下三通阀门41；下部溶液腔筒37下端和底座38密封连接，底座38底面安装有下三通阀门41，下三通阀门41其中一端连通到下部溶液腔36，另外两端口分别为采液/排液口39、试样接口40。上部压力腔装去离子水或蒸馏水，下部溶液腔装渗透溶液，橡胶可有效抵御渗透溶液的侵蚀。上部压力腔筒34下端和下部溶液腔筒37上端对接，并在对接处密封设置橡胶膜35，由隔离器螺杆32将上部压力腔筒34和下部溶液腔筒37固定一起。橡胶膜35无渗透性、伸缩性强，不仅起到隔离上下腔液体的作用，还可以无损地传递上下腔中液体的压力。

上部三通阀门28的两个出口为排气口/注水口29和供压口30，下部三通阀41的两个出口为采液/排液口39和试样接口40。入流隔离器3和出流隔离器2的供压口30分别连接顶压-体积控制器8和底压-体积控制器7，试样接口40分别连接渗透系统的入流管线和出流管线。注入渗透溶液和排放渗透溶液体均需同时打开上部压力腔的排气/注水口29和下部溶液腔的采液/排液口39。

具体实施中，入流隔离器3的下部溶液腔内装有渗透溶液，出流隔离器2的下部溶液腔内接收渗透出流液。

如图4所示，流通池10由有机玻璃材料制成，既可防止被渗透溶液侵蚀，又可避免影响pH和电导率的测试结果。由于渗透系统的出流管线直径很小，无法直接安装探头，所以流通池不仅起到安装pH/电导率探头的作用，并且不会影响出流溶液量和试样底部的压力。流通池10总共有三个接口：一侧接口用来安装pH/电导率电极，另一侧接口和上部接口用于渗透溶液的流入和流出。由于空气密度较小，当渗透溶液流入后，空气被挤倒流通池上部，在上部设置渗透溶液的出流口，便于将气体排出流通池，防止内部有空气影响测量。流通池10内腔的尺寸需根据探头的性能进行设计，保证内腔能容纳的溶液量不少于探头测量所需最少样品量。

如图5所示，护筒18由有机玻璃材料制成。若试样20在固结前比较柔软，护筒18可为试样20提供支撑，制备成形的试样。护筒18内腔上的竖向内部通道47使环形内部通道48相互连通，并与通液口46相连。在装样阶段，从通液口46抽取空气时，竖向内部通道47和环形内部通道48可有效的将乳胶膜14和护筒18内腔之间的空气传导出去，拉紧乳胶膜14使其紧贴护筒18内壁。在固结、反压饱和和渗透阶段，压力室中的水可通过通液口46直通护筒18的竖向内部通道47和环形内部通道48，向试样20传递围压。靠近护筒18顶端和底部的凹槽45，提供了放置透水石19的位置，在装样时精确的控制试样20的高度。

本实用新型实施例如下：

本实施例是评价防污屏障材料土-膨润土的化学相容性，对固结完成的土-膨润土试样(固结应力＝69kPa)进行渗透，渗透溶液为100mM NaCl。通过获得渗透过程中土-膨润土的渗透系数变化，与土-膨润土试样的初始渗透系数比较，评价溶液渗透导致土-膨润土材料渗透系数的变化程度。

①安装试样

裁剪两个直径与试样直径相同的滤纸，将上层的透水石19及滤纸用渗透溶液浸泡，下层的透水石19及滤纸用去离子水浸泡。

将乳胶膜14撑开套在护筒18的内腔中，软管连接在护筒18的通液口46上，将洗耳球连接在软管的另一端抽气，使乳胶膜14紧贴护筒18内腔，用止水夹夹住软管。在渗透底座上依次放置透水石19和滤纸，将护筒18放置在渗透底座22上，O型圈17将乳胶膜14固定在渗透渗透底座22上。渗透压力室1中，将配置好的土-膨润土装入护筒中，在装样的过程中用玻璃棒反复捣匀。试样20装好后，再依次放置滤纸、透水石19和渗透顶帽15。O型圈17将乳胶膜14固定在渗透顶帽15上，形成单独的渗透系统，使试样与乳胶膜14外的围压系统隔离。制成的土-膨润土试样直径和高度均为70mm。

将渗透顶帽入流管线24和渗透顶帽排气管线28连接到渗透顶帽15上，在底座9上依次安装有机玻璃罩16和围压顶帽13，形成围压系统。将渗透压力室注满去离子水或自来水。将去离子水注入围压-体积控制器6中，反复排气直至排出的去离子水中无可见气泡。将围压-体积控制器6与围压系统的围压系统排水/注水管线23连接。

②连接入流和出流隔离器

渗透溶液均为100mM NaCl溶液：pH值为6.2，电导率值为1.16S/m。

同时打开出流隔离器2和入流隔离器3上部压力腔33的排气/注水口29和下部溶液腔36的采液/排液口39，向上部压力腔33内注水，再向下部溶液腔36内注入100mM NaCl溶液。将底压-体积控制器7和顶压-体积控制器8分别连接到出流隔离器2和入流隔离器3的供压口30，并将入流隔离器3和出流隔离器2的试样接口40连接到渗透压力室1的渗透顶帽入流管线24和渗透底座出流管线27。

③连接pH监测仪和电导率监测仪

将pH探头和电导率探头安装在流通池10上，流通池10的入流接口43和出流接口42分别与渗透压力室1的渗透底座出流管线27和出流隔离器2相连，注满去离子水并排出气体。将流通池尽量安装在与渗透压力室靠近的位置，以及时测试出流液的pH和电导率。

④渗透系统排气

围压系统的围压为Pc，渗透系统的顶压为Pt、底压为Pb。调节控制器设置Pc＝30kPa，Pt＝Pb＝20kPa，使100mM NaCl溶液充满渗透系统，直至所有可见气泡都从渗透顶帽入流管线24和渗透底座出流管线27中移除。

⑤试样反压饱和

控制器设置反压饱和过程中围压Pc、顶压Pt和底压Pb，同时增加围压、顶压和底压对土-膨润土试样施加反压。每次增加压力后，维持现阶段压力2个小时后再继续增加压力，10个小时后反压饱和完全发生，土-膨润土试样达到饱和状态。

⑥试样固结

控制器设置Pc＝414kPa，Pt＝Pb＝345kPa，维持此压力状态12小时。12小时后顶帽12和底座9的出流量低于1ⅹ10^-10m/s，固结完成。

⑦溶液渗透

控制器设置Pc＝414kPa，Pt＝352kPa，Pb＝338kPa，进行69kPa固结压力下的长时间溶液渗透过程。在渗透试验的过程中，pH探头和电导率探头对渗透溶液进行实时监测，将渗透溶液的pH和电导率与100mM NaCl溶液的初始pH和电导率对比，结果如图6和图7所示。

⑧试样渗透系数测试

控制器设置四组渗透试验的压力如下：

1)Pc＝414kPa，Pt＝352kPa，Pb＝338kPa

2)Pc＝414kPa，Pt＝354kPa，Pb＝336kPa

3)Pc＝414kPa，Pt＝356kPa，Pb＝334kPa

4)Pc＝414kPa，Pt＝358kPa，Pb＝332kPa

土-膨润土试样的渗透系数随100mM NaCl溶液渗流量的变化如图8所示。图8中可见，当100mM NaCl溶液流入土-膨润土试样大约15个试样孔隙体积后，NaCl溶液与土-膨润土试样之间的化学反应达到化学平衡状态。当100mM NaCl溶液流入土-膨润土试样20个试样孔隙体积后，试样的渗透系数不再随NaCl溶液的入渗发生变化。最终的渗透系数为1.02ⅹ10^-9m/s，相比于初始渗透系数增长了12倍。

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。