CN102590070A - 耐压多层空腔溶蚀试验装置及其试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种耐压多层空腔溶蚀试验装置及其试验方法。本发明的目的是提供一种耐压多层空腔溶蚀试验装置及其试验方法，试验时将碳酸盐岩样试片放入该装置的空腔内，让空腔内承压岩溶水接触碳酸盐岩样试片的表面，摸拟地下深处碳酸盐岩层中容隙、溶洞内的岩溶过程，揭示岩土体耐久性能的变化，为施工补强及其它安全措施提供科学依据。本发明的技术方案是：包括耐压仓以及与该耐压仓进水口和出水口分别连接的供水装置和尾水装置，其特征在于：所述耐压仓内垂直于其进水口平行布置一组耐腐蚀托盘，各耐腐蚀托盘与耐压仓侧壁之间均留有过水通道，且相邻两过水通道错位布置。本发明适用于水利水电工程、交通、矿山等地下工程。

Description

耐压多层空腔溶蚀试验装置及其试验方法

技术领域

本发明涉及一种耐压多层空腔溶蚀试验装置及其试验方法，主要适用于水利水电工程、交通、矿山等地下工程。

背景技术

岩溶工程区建筑的老化是天然岩土体及注入或放入其内的由水泥浆液等组成的材料，由于和侵蚀性水接触，其物理化学特性随着其运行年龄而衰减的过程，其中，主要是钙离子的流失，造成其力学性质的衰减，并且温度和压力的变化在其老化过程中起到了很大的推动作用。岩溶区化学损伤直接导致力学性质的损伤。体现化学和力学损伤综合作用的例子有很多，具有代表性的如侵蚀性化学溶液存储结构、建筑物基础、岩溶区深桩，地下深埋洞室等等。这些结构一般由围岩及混凝土浇注而成，多处于地下且是永久性的。化学损伤和力学损伤的长期作用在很大程度上影响着材料和结构的性能。在地下流动的软水或侵蚀性化学溶液长期作用下，岩溶区围岩孔隙溶液中的钙离子会不断侵析出来，导致围岩表面的孔隙率增大，材料性能下降，形成化学损伤，化学损伤将促进力学损伤的发展；同时，力学损伤的发展，就会促进围岩内部微裂纹和微孔隙的产生、发展，增大混凝土材料的扩散性，从而促进化学损伤的发展，尤其是薄层状岩层结构更容易发生这种变化；这两种损伤的相互作用、相互促进就使得围岩材料或结构即使不承受较大的荷载就可能提前破坏。到目前为止，国内外在室内还没有有效的仪器设备来试验具有变温变压条件下，能够模拟多层试样的溶蚀特性，大多实验局限在野外的自然环境，然而野外环境大多为开放***，很难真实模拟地下的温、压条件。目前，常规的试验装置如图1、图2所示，包括带进水口22和出水口23的耐高压金属空腔21，其上安装与内部连通的压力表24，试验用岩样25放置于金属空腔内，一般用于低温高压溶蚀试验，水温、流量及压力都不可随意改变，且水流不能和所有试样充分反应，钙离子的变化也只有靠尾水进行室内化验。因此本实验针对工程区内的碳酸盐岩地层在不同温度、压力条件下，地下深部岩土体的溶蚀量及其速率进行探测，以实时掌握钙离子的溶蚀变化规律。

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耐压多层空腔溶蚀试验装置及其试验方法，试验时将碳酸盐岩样试片放入该装置的空腔内，让空腔内承压岩溶水接触碳酸盐岩样试片的表面，摸拟地下深处碳酸盐岩层中容隙、溶洞内的岩溶过程，而根据钙离子的反应动态，揭示岩土体耐久性能的变化，为施工补强及其它安全措施提供科学依据。

本发明所采用的技术方案是：耐压多层空腔溶蚀试验装置，包括耐压仓以及与该耐压仓进水口和出水口分别连接的供水装置和尾水装置，其特征在于：所述耐压仓内垂直于其进水口平行布置一组耐腐蚀托盘，各耐腐蚀托盘与耐压仓侧壁之间均留有过水通道，且相邻两过水通道错位布置。

所述供水装置包括装有岩溶水的玻璃容器以及连通该玻璃容器和耐压仓进水口的玻璃导水管，该玻璃导管上沿水流方向依次布置高压泵、流量仪、温控仪和压力表。

所述尾水装置包括与耐压仓出水口连通的导管，以及位于该导管出水端的尾水收集容器。

所述导管上装有钙离子探测器，该探测器上设有伸入导管内的探针。

所述试验装置还包括一实验台，所述耐压仓通过铆钉固定安装于该实验台上。

耐压多层空腔溶蚀试验方法，其特征在于步骤如下：

a、取工程区原样水或者按照工程区岩溶水的水化学特征进行配制，得到试验所需岩溶水；

b、将碳酸盐岩样试片置于烘干箱内烘干24小时后，称其重量，记作W₀，单位：mg；

c、将步骤b所得试片放置于耐压仓内的耐腐蚀托盘上，并调整温度至25℃、水压至10Mpa；

d、按10ml/min的速率连续不停的向耐压仓内注入步骤a所得岩溶水，使岩溶水与试片充分接触，试验时间24小时；

e、试验完毕后，将试片取出并放入烘干箱内烘干24小时，扫去浮尘，然后称重，得到试验后的试片重量，记作W_i(i＝1，2，...12)，单位：mg；同时取尾水渗透水，经室内化验，得出钙离子的浓度，通过化学方程式，计算出碳酸钙的含量T_i(i＝1，2，...12)，单位：mg/L，倒掉本次试验尾水；

f、将试验后的试片再次放入耐压仓内，并依次在水温25℃、水压20Mpa，水温25℃、水压30Mpa，水温20℃、水压10Mpa，水温20℃、水压20Mpa，水温20℃、水压30Mpa，水温15℃、水压10Mpa，水温15℃、水压20Mpa，水温15℃、水压30Mpa，水温10℃、水压10Mpa，水温10℃、水压20Mpa，水温10℃、水压30Mpa，共十一种不同条件下重复步骤d、e；

g、按照以下公式求取每次试验后的溶蚀量及溶蚀速率，

质量溶蚀量a_i＝W_i-1-W_i，(i＝1，2，...12)

质量溶蚀速率c_i＝(W_i-1-W_i)/24，(i＝1，2，...12)

溶蚀速率X_i＝4E_iT_i/100，(i＝1，2，...12)，单位：mm/千年；E_i为侵蚀深度，单位：dm。

所述步骤c中，将试片放入烘干箱前，先将从耐压仓内取出的试片置于气温25℃的无气流环境中2小时，使其表面的水分蒸发。

所述试片的直径为500mm，厚度为10mm。

本发明的有益效果是：本发明耐压仓内布置多层用于放置试片的托盘，使岩溶水能够充分与试片反应；同时在进水玻璃导管上安装高压泵、流量仪、温控仪和压力表，可随时根据需求设定不同的功率，调整进入耐压仓内的岩溶水的压力、流量、温度，用以探测在不同温度、压力条件下，地下深部岩土体的溶蚀量及其速率，摸拟地下深处碳酸盐岩层中容隙、溶洞内的岩溶过程；最后在尾水导管中添加钙离子动态监测计，以方便对尾水中的钙离子进行实施的动态变化监测，揭示岩土体耐久性能的变化，为施工补强及其它安全措施提供了可靠的科学依据。此外，本发明对试验装置在外观上进行了局部改造，使其具备更完善的尾水收集***和储存***，能够满足本试验的要求，大大提高了工作效率。

附图说明

图1是本发明背景技术中试验装置的结构图。

图2是图1的俯视图。

图3是本发明试验装置的结构图。

图4为图3的俯视图。

具体实施方式

如图3、图4所示，碳酸盐岩地层内部的岩溶水在承压条件下沿着次生结构面或溶隙、溶洞流动，那么，具有一定压力的岩溶水就必然会对碳酸盐岩地层中的裂隙结构和溶隙、溶洞表面产生溶蚀作用，主要是钙离子参与反应。据此，本实施例构造一种试验装置，模拟地下深处碳酸盐岩层中容隙、溶洞内的岩溶过程，尽可能真实的解释岩土体内部的变化情况。本实施例试验装置包括实验台1，通过铆钉8固定安装于该实验台上的耐压仓13(特制高耐压防腐金属容器)，以及与该耐压仓进水口和出水口分别连接的供水装置和尾水装置；所述耐压仓13内垂直于其进水口平行布置一组耐腐蚀托盘7，各耐腐蚀托盘7与耐压仓13侧壁之间均留有过水通道15，且相邻两过水通道15错位布置；本例中，耐压仓13进水口和出水口均竖直布置，耐腐蚀托盘7则水平布置。

所述供水装置包括用于盛装岩溶水(具有侵蚀性的液体，多在岩溶区分布)的玻璃容器2(放置于实验台上)以及连通该玻璃容器和耐压仓13进水口的玻璃导水管12，该玻璃导管上沿水流方向依次布置高压泵3(用于给岩溶水加压)、流量仪4(用于记录水流量)、温控仪5(用于控制水温度)和压力表6(用于测量和读取水压力)。

所述尾水装置包括与耐压仓13出水口连通的导管16，以及位于该导管出水端的尾水收集容器11，所述导管16上装有钙离子探测器10(用于记录水流中钙离子含量)，该探测器上设置伸入导管16内的探针9(耐酸性导线，隶属于钙离子探测器)。

岩溶水在高压泵3作用下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，水压可由压力表6读出；岩溶水经过流量仪4时可以记录流体的流速，方便计算实际参与反应的岩溶水数量；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；流体通过玻璃导水管12进入耐压仓13内，与放置于仓内耐腐蚀托盘7上的试片充分接触，并发生相关物理、化学反应；参与反应后的溶液经过导管16流进尾水收集容器11，在此期间，又由带有探针9的钙离子探测器10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、取工程区原样水或者按照工程区岩溶水的水化学特征进行配制，得到试验所需岩溶水。

b、将碳酸盐岩样试片(直径500mm，厚10mm)置于烘干箱(80℃)内烘干24小时后，称其重量，记作W₀，单位：mg。

c、将步骤b所得试片放置于耐压仓13内的耐腐蚀托盘7上，然后利用高压泵3将水压调整至10Mpa(水压可从压力表6上读出)，利用温控仪5将水温调整至25℃。

d、向耐压仓13内注入步骤a所得的岩溶水，并利用流量仪4控制注入耐压仓13内水的速率为10ml/min，整个注水过程需连续不断保持24小时，使岩溶水与试片充分接触反应，试验时间24小时。

d、溶蚀试验完毕后，为防止烘烤和试片表面擦水破坏表层的溶蚀微形态，将试片从耐压仓13中取出后，放置于气温25℃的无气流环境中，经2小时让试片表面水分消失，再放入烘干箱内烘干24小时，扫去浮尘，采用千分之一电子天平(精确到0.001g)称重，得出溶蚀实验后的试片重量记作W_i(i＝1，2，...12)，单位：mg，此时i取1；同时取尾水渗透水，经室内化验，得出钙离子的浓度，通过以下守恒化学方程式：

即：

计算出碳酸钙的含量T_i(i＝1，2，...12)，单位：mg/L，此时i取1，然后倒掉本次试验尾水，用于下次试验接收尾水。

f、求取溶蚀量及溶蚀速率，

质量溶蚀量a_i＝W_i-1-W_i，(i＝1，2，...12)

质量溶蚀速率c_i＝(W_i-1-W_i)/24，(i＝1，2，...12)

溶蚀速率X_i＝4E_iT_i/100，(i＝1，2，...12)，单位：mm/千年；E_i为侵蚀深度(通过土工试验室内仪器获得)，单位：dm，此时i取1。至此，试片一次溶蚀试验完成。

为准确摸拟地下深处碳酸盐岩层中容隙、溶洞内的岩溶过程，需在变压变温条件下对各试片进行溶蚀试验。本例中每件试片均需进行十二次溶蚀试验，因此，后面还需将每次试验后得到的试样，依次按照水温25℃、水压20Mpa，水温25℃、水压30Mpa，水温20℃、水压10Mpa，水温20℃、水压20Mpa，水温20℃、水压30Mpa，水温15℃、水压10Mpa，水温15℃、水压20Mpa，水温15℃、水压30Mpa，水温10℃、水压10Mpa，水温10℃、水压20Mpa，水温10℃、水压30Mpa的顺序，共十一种不同条件(每次试验的注水速率始终为10ml/min，时间为24小时)下进行溶蚀试验，并在每次试验完毕，称量溶蚀实验后的试片重量记作W_i(i＝2，3，...12)，单位：mg，同时取尾水渗透水，经室内化验，计算出碳酸钙的含量T_i(i＝2，3，...12)，单位：mg/L；最后根据以下公式计算得到，质量溶蚀量a_i＝W_i-1-W_i，(i＝2，3，...12)；质量溶蚀速率c_i＝(W_i-1-W_i)/24，(i＝2，3，...12)；溶蚀速率X_i＝4E_iT_i/100，(i＝2，3，...12)，单位：mm/千年；E_i为侵蚀深度，单位：dm。

Claims (8)

1.一种耐压多层空腔溶蚀试验装置，包括耐压仓(13)以及与该耐压仓进水口和出水口分别连接的供水装置和尾水装置，其特征在于：所述耐压仓(13)内垂直于其进水口平行布置一组耐腐蚀托盘(7)，各耐腐蚀托盘(7)与耐压仓(13)侧壁之间均留有过水通道(15)，且相邻两过水通道(15)错位布置。

2.根据权利要求1所述的耐压多层空腔溶蚀试验装置，其特征在于：所述供水装置包括装有岩溶水的玻璃容器(2)以及连通该玻璃容器和耐压仓(13)进水口的玻璃导水管(12)，该玻璃导管上沿水流方向依次布置高压泵(3)、流量仪(4)、温控仪(5)和压力表(6)。

3.根据权利要求1或2所述的耐压多层空腔溶蚀试验装置，其特征在于：所述尾水装置包括与耐压仓(13)出水口连通的导管(16)，以及位于该导管出水端的尾水收集容器(11)。

4.根据权利要求3所述的耐压多层空腔溶蚀试验装置，其特征在于：所述导管(16)上装有钙离子探测器(10)，该探测器上设有伸入导管(16)内的探针(9)。

5.根据权利要求1或2所述的耐压多层空腔溶蚀试验装置，其特征在于：所述试验装置还包括一实验台(1)，所述耐压仓(13)通过铆钉(8)固定安装于该实验台上。

6.一种耐压多层空腔溶蚀试验方法，其特征在于步骤如下：

a、取工程区原样水或者按照工程区岩溶水的水化学特征进行配制，得到试验所需岩溶水；

b、将碳酸盐岩样试片置于烘干箱内烘干24小时后，称其重量，记作W₀，单位：mg；

c、将步骤b所得试片放置于耐压仓(13)内的耐腐蚀托盘(7)上，并调整温度至25℃、水压至10Mpa；

d、按10ml/min的速率连续不停的向耐压仓(13)内注入步骤a所得岩溶水，使岩溶水与试片充分接触，试验时间24小时；

e、试验完毕后，将试片取出并放入烘干箱内烘干24小时，扫去浮尘，然后称重，得到试验后的试片重量，记作W_i(i＝1，2，...12)，单位：mg；同时取尾水渗透水，经室内化验，得出钙离子的浓度，通过化学方程式，计算出碳酸钙的含量T_i(i＝1，2，...12)，单位：mg/L，倒掉本次试验尾水；

f、将试验后的试片再次放入耐压仓(13)内，并依次在水温25℃、水压20Mpa，水温25℃、水压30Mpa，水温20℃、水压10Mpa，水温20℃、水压20Mpa，水温20℃、水压30Mpa，水温15℃、水压10Mpa，水温15℃、水压20Mpa，水温15℃、水压30Mpa，水温10℃、水压10Mpa，水温10℃、水压20Mpa，水温10℃、水压30Mpa，共十一种不同条件下重复步骤d、e；

g、按照以下公式求取每次试验后的溶蚀量及溶蚀速率，

质量溶蚀量a_i＝W_i-1-W_i，(i＝1，2，...12)

质量溶蚀速率c_i＝(W_i-1-W_i)/24，(i＝1，2，...12)

溶蚀速率X_i＝4E_iT_i/100，(i＝1，2，...12)，单位：mm/千年；E_i为侵蚀深度，单位：dm。

7.根据权利要求6所述的耐压多层空腔溶蚀试验方法，其特征在于：所述步骤c中，将试片放入烘干箱前，先将从耐压仓(13)内取出的试片置于气温25℃的无气流环境中2小时，使其表面的水分蒸发。

8.根据权利要求6所述的耐压多层空腔溶蚀试验方法，其特征在于：所述试片的直径为500mm，厚度为10mm。

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