一种四联稳态水化学循环渗流仪及其化学环境模拟方法

1.本发明涉及水化学循环渗流仪技术领域，特别涉及一种四联稳态水化学循环渗流仪及其化学环境模拟方法。


背景技术：

2.在工程建设之后，在相当长的时间内，地基岩土体都会与周围的水化学环境进行反应。在自然环境中的岩土体往往处于，由周围各种环境因素共同调节的稳态平衡的化学环境中，并在这种稳态条件下逐渐与周围环境发生化学反应。
3.另外，岩土体与水化学环境进行反应时，通常是在水体渗流运动的条件下进行。因此对其进行模拟实验可以帮助我们研究自然环境中土体受到水化学作用的影响，这对于工程建设的长期稳定性以及自然条件下土体的性质演变的探究都有重要科学意义。
4.现有的水化学环境与岩土体反应实验存在诸多的局限性，例如：对于水化学环境与岩土体反应的模拟，通常只是让岩土体与先行预设的环境进行反应，没有考虑自然条件下的动态稳态结构，即没有考虑到自然环境中水体处于不断的运移和流动中，反应的生成物并不会一直积累；这样测得的实验数据是有局限性的，有可能只在这在先行预设的环境下成立，这对于进行工程建设的长期稳定性研究以及自然条件下土体的性质演变的探究来说尚不够全面。
5.因此，急需一种能够克服现有水化学环境与岩土体反应实验条件局限性问题的模拟仪器及其模拟方法的技术方案。从而测试岩土体在自然稳态水化学环境下反应产生的变化，包括岩土体反应产物、受到水化学作用后产生的物理力学性质的变化等。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于提供一种四联稳态水化学循环渗流仪及其化学环境模拟方法，以解决现有水化学环境与岩土体反应实验条件存在局限性的问题。
7.为了解决上述技术问题，本发明提供了一种四联稳态水化学循环渗流仪，包括透水置样机构、可打开的反应管、水槽、可调流速的溶液泵、可视压力供水机构和溶液成分监测单元；所述透水置样机构以可拆卸的方式安装于所述反应管内；所述透水置样机构用于放置待使用的反应样品；所述反应管上设有阀门；所述水槽与所述阀门对应位置安装；所述溶液泵的抽液端伸入所述水槽内，所述溶液泵的出液端与所述可视压力供水机构连通；所述可视压力供水机构与所述反应管连通；所述溶液成分监测单元的检测端伸入所述水槽内。
8.在其中一个实施例中，所述透水置样机构包括置样架和透水片；所述透水片立式安装于所述置样架上；所述透水片以两片设为置样组，两所述透水片之间放置有所述反应样品。
9.在其中一个实施例中，所述透水片的透水材料为透水石。
10.在其中一个实施例中，所述置样架上安装有多个所述置样组。
11.在其中一个实施例中，所述反应管上安装有可拆卸的管盖；所述阀门安装于所述管盖上；所述反应管的两端上安装有固定座。
12.在其中一个实施例中，所述可视压力供水机构包括依次连通的循环水管和透明的供压管；所述循环水管与所述出液端连通；所述供压管与所述反应管连通。
13.在其中一个实施例中，沿所述供压管长度方向的壁上设有液面刻度。
14.在其中一个实施例中，所述反应管和所述供压管均设有四个；所述循环水管设有连通的直管段和歧管段；所述直管段与所述出液端连通，所述歧管段与四个所述供压管连通。
15.在其中一个实施例中，所述溶液成分监测单元包括成分测量传感器和监测器，所述成分测量传感器与所述监测器电性通信连接。
16.本发明还提供了一种化学环境模拟方法，步骤：
17.制作反应样品，将所述反应样品放在置样组内；
18.打开反应管，将装好所述反应样品的置样架放入所述反应管内，关闭所述反应管，关闭阀门，使所述反应管内的液面完全浸没所述反应样品；
19.将实验溶液加入水槽中，启动溶液泵选择预设流速；所述溶液泵将所述实验溶液从所述水槽抽至供压管，使所述供压管内的液面到达预设水压值的液面，到达所述预设水压值后打开所述阀门，控制所述阀门的流量，使所述供压管内的液面维持在所述预设水压值的液面；
20.进行实时监测，成分测量传感器测量所述水槽中所述实验溶液的成分，监测器进行所述实验溶液的成分分析；
21.所述反应样品在稳态化学环境反应后，达到实验设定的反应时间，即关闭所述溶液泵，打开所述阀门，排干所述反应管内的所述实验溶液，打开所述反应管，将所述反应样品连同所述置样架从所述反应管中取出；
22.对反应后的所述反应样品进行相应的物理力学以及内部结构分析，从而获得所述反应样品的物理力学性质、及其内部结构所产生的变化的数据，分析所述实验溶液的成分得到所述反应样品在稳态化学环境反应下产生的化学反应产物。
23.本发明的有益效果如下：
24.1、通过所述反应管、所述水槽、所述溶液泵、所述循环水管和所述供压管构成水化学稳态环境；在实验进行时，通过所述成分测量传感器和所述监测器，实时监测反应样品即岩土体，在所述反应管内的稳态水化学环境下产生的变化，以克服现有的水化学环境与岩土体反应实验条件的局限性。
25.2、在实验结束后，可通过测量水槽中的实验溶液，测定岩土体与实验溶液反应所产生的化学产物，获取实验数据；可测定反应样品的内部结构，获得其反应后的内部结构变化图；可进行物理力学实验，测量岩土体的液塑限，抗压强度等物理力学性质，结合获取的化学产物实验数据、反应样品内部结构变化图和相应的物理力学性质，进行全面的水化学环境与岩土体反应实验研究。
附图说明
26.为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作
简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
27.图1是本发明整体组装的结构示意图；
28.图2是本发明供压管的局部结构示意图。
29.附图标记如下：
30.1、透水置样机构；11、置样架；12、置样组；121、透水片；
31.2、反应管；21、阀门；22、管盖；23、固定座；
32.3、水槽；
33.4、溶液泵；41、抽液端；42、出液端；
34.5、可视压力供水机构；51、循环水管；511、直管段；512、歧管段；52、供压管；521、液面刻度；522、固定柱；
35.6、溶液成分监测单元；61、成分测量传感器；62、监测器；63、检测端。
具体实施方式
36.下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述。
37.四联稳态水化学循环渗流仪的一个实施例如图1所示，包括透水置样机构1、可打开的反应管2、水槽3、可调流速的溶液泵4、可视压力供水机构5和溶液成分监测单元6；透水置样机构1以可拆卸的方式安装于反应管2内；透水置样机构1用于放置待使用的反应样品；反应管2上设有阀门21；水槽3与阀门21对应位置安装；溶液泵4的抽液端41伸入水槽3内，溶液泵4的出液端42与可视压力供水机构5连通；可视压力供水机构5与反应管2连通；溶液成分监测单元6的检测端63伸入水槽3内。
38.需要说明的，反应样品为土样或岩石样，具体须根据实验所需研究的土样条件进行确定。
39.有关上述透水置样机构1的组成，此实施例如图1所示，透水置样机构1包括置样架11和透水片121；透水片121立式安装于置样架11上；透水片121以两片设为置样组12，两透水片121之间放置有反应样品。
40.具体的，为了满足透水功能的要求，透水片121的透水材料为透水石。
41.有关上述置样架11与置样组12的布置，此实施例如图1所示，置样架11上安装有多个置样组12。
42.有关上述反应管2的开启结构及固定结构，此实施例如图1所示，反应管2上安装有可拆卸的管盖22；阀门21安装于管盖22上；反应管2的两端上安装有固定座23。
43.有关上述可视压力供水机构5的具体构成，此实施例如图1所示，可视压力供水机构5包括依次连通的循环水管51和透明的供压管52；循环水管51与出液端42连通；供压管52与反应管2连通。
44.为了方便固定，供压管52的外壁上还设有固定柱522，用以与固定的板或者墙壁连接固定，而反应管2的固定则用其两端上的固定座23与固定的板、桌面或地面连接固定。
45.进一步的，为了方便确定液面的高度，以便确定实验所需的预设水压值，此实施例如图2所示，沿供压管52长度方向的壁上设有液面刻度521。
46.有关上述反应管2和供压管52的总体排布，反应管2和供压管52均设有四个；循环水管51设有连通的直管段511和歧管段512；直管段511与出液端42连通，歧管段512与四个供压管52连通。四个反应管2和供压管52并排布置，且循环水管51与四个供压管52并联，四个反应管2进行反应，四个阀门21同时排水至水槽3中，以实现四联稳态水化学循环，提高实验数据的可靠性。
47.有关上述溶液成分监测单元6的构成，此实施例如图1所示，溶液成分监测单元6包括成分测量传感器61和监测器62，成分测量传感器61与监测器62电性通信连接。
48.具体的，在溶液化学成分产生波动时，通过监测器62显示的溶液成分变化的数据，对溶液化学成分与温度变化进行监测，测量不同的溶液成分时需要使用对应不同的溶液成分监测单元6，如水中的氢离子和氢氧根离子采用ph计进行监测；水中的总溶解固体，电导率则可以通过便携式离子/温度/电导率测试仪进行监测。
49.化学环境模拟方法的一个实施例如图1所示，该方法适用于上述四联稳态水化学循环渗流仪的实验，具体的：
50.制作反应样品，将反应样品放在置样组12内；
51.打开反应管2，将装好反应样品的置样架11放入反应管2内，关闭反应管2，关闭阀门21，使反应管2内的液面完全浸没反应样品；
52.将实验溶液加入水槽3中，启动溶液泵4选择预设流速；溶液泵4将实验溶液从水槽3抽至供压管52，使供压管52内的液面到达预设水压值的液面，到达预设水压值后打开阀门21，控制阀门21的流量，使供压管52内的液面维持在预设水压值的液面；
53.进行实时监测，成分测量传感器61测量水槽3中实验溶液的成分，监测器62进行实验溶液的成分分析；
54.反应样品在稳态化学环境反应后，达到实验设定的反应时间，即关闭溶液泵4，打开阀门21，排干反应管2内的实验溶液，打开反应管2，将反应样品连同置样架11从反应管2中取出；
55.对反应后的反应样品进行相应的物理力学以及内部结构分析，从而获得反应样品的物理力学性质、及其内部结构所产生的变化的数据，分析实验溶液的成分得到反应样品在稳态化学环境反应下产生的化学反应产物。
56.具体的，对反应样品进行的分析，例如：通过对反应样品进行相应的物理力学实验，测量土体的液塑限，抗压强度等物理力学性质，通过ct(computed tomography，电子计算机断层扫描)/sem(scanning electron microscope，扫描电子显微镜)等手段监测土体内部的结构产生的变化，并将实验溶液导入离子色谱仪分析最终生成的溶液的离子成分，得到岩土体在该水化学环境下的化学反应的产物。
57.另外，实验结束后需清洗仪器，务必多次冲洗，保证反应管2内壁上的化学成分被洗净，以防止对下次实验造成干扰。
58.以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。