CN115096791A - 憎水颗粒防渗、隔水性能测试室内模型试验方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种憎水颗粒防渗、隔水性能测试室内模型试验方法，包括如下步骤：1）提供两个容纳槽，将两个容纳槽置于温控室内；2）将两个容纳槽进行装样缩放并模拟实际应用原型；两个容纳槽进行装样时埋设温度水分监测探头，温度水分监测探头接入数据采集器或PC端；3）调控温控室的温度和容纳槽的底部温度，使装样样品形成温差；4）以室内模型在时间变化过程中样品湿度变化数据为依据，将原型中防渗透气砂层的渗透性能变化趋势转换为室内模型中渗透气砂层的渗透性能趋势，并进行评价。本发明可以模拟工程中发生的毛细水上升、水分迁移等水力活动，且测试结果可体现渗透系数类指标，可用于评价防渗透气颗粒工程防渗长期效果。
Description
技术领域
本发明涉及防渗透气颗粒材料性能测试，具体涉及一种憎水颗粒防渗、隔水性能测试室内模型试验方法及试验装置。
背景技术
防渗透气颗粒是一种利用金矿尾矿、铅锌尾矿、风积沙、荒漠沙等骨料颗粒为主要原料制备而成，具有透气性能的防渗材料，防渗透气颗粒在现代农业、建筑、交通、生态保护和环境治理等领域具有广泛的应用前景，可以有效解决人类当前面临的水资源短缺、土壤环境恶化等难题，但在处治工程渗漏、路基土湿陷及二次盐渍化问题时存在现有技术难以评价防渗透气颗粒工程防渗长期效果的问题。
目前防渗透气颗粒防渗性能测试采用的是防渗透气颗粒专用的测试装置，该装置通过加水加压，现实了对无粘性且憎水的防渗透气颗粒进行防渗、透气性能测试，但测试过程未模拟工程中伴随干湿、冻融循环等过程发生的毛细水上升、水分迁移等水力活动，测试结果未体现渗透系数类指标，不能直接用于工程防渗中的渗透性评价，且测试方法不能验证长期隔水效果。
另外，土工试验中的土工渗透仪分常水头渗透仪和变水头渗透仪，变水头渗透仪不适用于无粘性的颗粒，且装样容器内壁面与防渗透气颗粒无法形成隔水膜，将增加试验误差。常水头渗透仪适用于有透水性的无粘性颗粒料，并不适用于憎水颗粒，因此，防渗透气颗粒不适用于土工渗透仪进行渗透系数评价。
基于以上背景技术中的问题，本领域技术人员提出了一种憎水颗粒防渗、隔水性能测试室内模型试验方法及试验装置。
发明内容
本发明的目的是提供一种憎水颗粒防渗、隔水性能测试室内模型试验方法及试验装置，以解决防渗透气颗粒现有防渗、透气性能测试方法未模拟工程中发生的毛细水上升、水分迁移等水力活动，且测试结果未体现渗透系数类指标，不能直接用于工程防渗中的渗透性评价，现有技术难以评价防渗透气颗粒工程防渗长期效果的问题，以及现有土木渗透仪适用性差的问题。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种憎水颗粒防渗、隔水性能测试室内模型试验方法，包括如下步骤：
1）提供两个具有底部加热功能并具有保温结构的容纳槽，将两个容纳槽置于温控室内；
2）将一个容纳槽由底部向上方逐层铺设透水石层、饱和状态填筑黄土层、防渗透气砂层、非饱和状态填筑黄土层；将另一个容纳槽由底部向上方逐层铺设透水石层、饱和状态填筑黄土层、对比材料层、非饱和状态填筑黄土层；两个容纳槽进行饱和状态填筑黄土层和非饱和状态填筑黄土层铺设时，均沿纵向间隔埋设多个温度水分监测探头，多个所述温度水分监测探头接入数据采集器或PC端；
3）调控温控室的室温和两个容纳槽的底部温度，使两个容纳槽内饱和状态填筑黄土层的下表面和非饱和状态填筑黄土层的上表面同步地产生温差；
4）以室内模型在时间变化过程中饱和状态填筑黄土层和非饱和状态填筑黄土层中湿度变化数据为依据，将原型中防渗透气砂层的渗透性能变化趋势转换为室内模型中渗透气砂层的渗透性能趋势，并进行评价。
进一步，所述步骤2）中，透水石层、饱和状态填筑黄土层、防渗透气砂层、非饱和状态填筑黄土层铺设时，铺设厚度以实际应用的原型进行比例缩放，缩放比例即空间相似比，空间相似比确定后按热传导相似准则确定时间相似比，使室内模型与原型建立空间和时间上的联系。
进一步，所述空间相似比和时间相似比满足：
其中，
指时间层面相似比，
指空间层面相似比；
为实际拟模拟时间，
为室内模拟时间；
为现场实际工程的长宽高，
为室内模型的长宽高。
进一步，所述步骤2）中，防渗透气砂层下表面形成有外凸的框型结构并与容纳槽内壁贴合。
进一步，所述步骤2）中，温度水分监测探头在容纳槽内横向间隔布设至少两组。
本发明的另一个目的是提供一种憎水颗粒防渗、隔水性能测试室内模型试验方法中的试验装置，该装置包括：
保温槽，其内壁设有保温隔热层；
调温板，其设在保温槽内部底壁上；
保温隔板，其设在保温槽中部，并将保温层分隔成两个独立槽，保温隔板同时与保温槽相对的侧壁及调温板上表面密封连接。
进一步，所述调温板包括中空导热板、设在中空导热板内的导热水管，所述导热水管在中空导热板内部蛇形排布，所述导热水管一端延伸至保温槽外侧。
进一步，所述中空导热板上表面设有缓释降温层。
进一步，所述缓释降温层包括铺设在中空导热板上表面的石英石块、填充在石英石块中的河砂、包覆在石英石块和河砂外侧的防水隔膜。
本发明的有益效果是：
1、本发明模拟填土工程中伴随干湿、冻融循环等作用，由温度梯度主导的毛细水上升、水分迁移等水力活动代替传统通过加水加压测定憎水颗粒的防渗性能的方式，解决了现有技术难以评价防渗透气颗粒工程防渗长期效果的问题；
2、本发明将室内模型与原型建立空间和时间上的联系，以室内模型在时间变化过程中饱和状态填筑黄土层和非饱和状态填筑黄土层中湿度变化数据为依据，类推出原型中防渗透气砂层的渗透性能，该种方式稳定、便捷、可靠，利于准确评价防渗透气砂层的长期防渗性能；
3、本发明利用容纳槽与温控室的配合使饱和状态填筑黄土层的下表面和非饱和状态填筑黄土层的上表面同步地产生温差，能够更加便捷的模拟干湿、冻融循环的变化过程。
附图说明
图1为本发明中防渗透气颗粒隔水层10年后隔水性能室内试验模拟测试演变图；
图2为本发明中试验装置的结构示意图；
图3为本发明中试验装置的俯视结构示意图。
其中，1-保温槽；2-调温板；3-保温隔板；4-保温隔热层；5-中空导热板；6-导热水管；7-缓释降温层。
具体实施方式
以下结合附图对本发明优选实施例进行说明。
如图1至3所示，一种憎水颗粒防渗、隔水性能测试室内模型试验方法，该方法包括如下步骤：
1）提供两个容纳槽；容纳槽内壁设有保温结构层，保温结构层可以采用硅酸铝岩棉板或聚氨酯发泡板；两个容纳槽中的一个用于试验使用，另一个用于对比使用；两个容纳槽均放置在温控室内，利用温控室的温度调节功能来影响容纳槽端口处材料层的温度变化，容纳槽的保温结构层用于避免温控室的温度对容纳槽内壁周围及底面产生影响；容纳槽具有底部加热功能，可通过电加热板实现加热，也可通水循环放热方式实现底部加热，其他适当方式亦可应用。
2）将一个容纳槽由底部向上方逐层铺设透水石层、饱和状态填筑黄土层、防渗透气砂层、非饱和状态填筑黄土层；将另一个容纳槽由底部向上方逐层铺设透水石层、饱和状态填筑黄土层、对比材料层、非饱和状态填筑黄土层；透水石层、饱和状态填筑黄土层、防渗透气砂层、非饱和状态填筑黄土层铺设时，铺设厚度以实际应用的原型中的材料层厚度进行比例缩放，缩放比例即空间相似比，实际应用的原型中的长宽高由容纳槽内部的长宽高按照空间相似比推定；空间相似比确定后按热传导相似准则确定时间相似比，使室内模型与原型建立空间和时间上的联系。为了避免防渗透气颗粒与装置内壁面接触处无法形成隔水膜的问题，在防渗透气砂层下表面形成有外凸的框型结构并与容纳槽内壁贴合，这样可增加防渗透气砂层与壁面接触的纵向宽度。两个容纳槽进行饱和状态填筑黄土层和非饱和状态填筑黄土层铺设时，均沿纵向间隔埋设多个温度水分监测探头，多个所述温度水分监测探头接入数据采集器或PC端，利用数据采集器或PC端获取数据后进行比较分析；为了提升检测数据的准确性，温度水分监测探头在容纳槽内横向间隔布设至少两组，每个容纳槽内的两组温度水分监测探头所检测的数值误差在0.1个数值差范围内，认定数据有效。
空间相似比和时间相似比满足：
其中，
指时间层面相似比，
指空间层面相似比；
为实际拟模拟时间，
为室内模拟时间；
为现场实际工程的长宽高，
为室内模型的长宽高。
3）调控温控室的室温和两个容纳槽的底部温度，使两个容纳槽内饱和状态填筑黄土层的下表面和非饱和状态填筑黄土层的上表面同步地产生温差；饱和状态填筑黄土层的下表面和非饱和状态填筑黄土层的上表面产生温差过程中实现了干湿、冻融循环的条件加持。
4）以室内模型在时间变化过程中饱和状态填筑黄土层和非饱和状态填筑黄土层中湿度变化数据为依据，将原型中防渗透气砂层的渗透性能变化趋势转换为室内模型中渗透气砂层的渗透性能趋势，并进行评价。
根据工程用憎水颗粒防渗、隔水性能测试室内模型试验的规模，将空间相似比确定为10：1，按热传导相似准则，空间和时间层面的相似比满足
、
、
（其中，
指时间层面相似比，
指空间层面相似比；
为实际拟模拟时间，
为室内模拟时间；
为现场实际工程的长宽高，
为室内模型的长宽高），则时间相似比为100:1。试验参数详见表1。
模型箱上边界条件也即控温室设定温度函数的形式为：
其中，T指温度循环周期，t指试验已运行时间（与T的单位一致），a、b、c为拟合参数，具体值通过拟合实际工程所在地年平均气温所得。
以防渗透气颗粒隔水层10年后隔水性能室内试验模拟测试为例，对本发明进行说明。
先将两个容纳槽放入专用控温室内进行装样，装样时一个容纳槽内从下到上依次设置透水石、饱和状态的填筑黄土层、防渗透气砂层、非饱和状态（最佳含水率）填筑黄土层，填筑黄土时按规定深度埋设温度水分监测探头；另一个容纳槽内从下到上依次设置透水石、饱和状态的填筑黄土层、对比材料层、非饱和状态（最佳含水率）填筑黄土层，填筑黄土时按规定深度埋设温度水分监测探头。透水石有一定刚度，方便上方夯土，透水石铺设厚度固定，可控制在0~10cm。对比材料层选用黄土，黄土处于非饱和状态其处于非最佳含水率状态，选用常规黄土铺设即可，黄土对比材料层还可用透水石替换；与现有其他产品比较时，对比材料层也可选用现有产品。装样时各个材料层的铺设厚度参看表2。装样完成后，在调温装置上设定容纳槽底部加热温度，具体温度值为8.05℃。
控温室设定的温度函数为：
其中，t的单位为分钟。
启动两个容纳槽的数采***和控温室的温控***，运行试验。饱和状态的填筑黄土层下表与最佳含水率状态的填筑黄土层上表面之间存在温度差，在温度梯度和基质吸力作用下，随着最佳含水率状态的填筑黄土层温度正负交替循环，驱动水分反复在两层黄土之间迁移，水分温度探头通过检测土层监测点处含水率变化来判断憎水砂的隔水效果。
结束试验后导出数据并分析处理，得到防渗砂层与对比层上部4个监测点的平均月平均体积含水率变化量随时间变化规律，结果如图1所示，防渗砂层上部填土的月平均体积含水率变化量随温度周期变化，黄土对比层上部填土的月平均体积含水率变化量随时间逐渐升高，最终趋于饱和状态，测试结果验证了憎水颗粒隔水层使用10年后的隔水性能；评价结果为原型中防渗透气砂层应用10年可确保防水效果。
如图2和3所示，本发明还提供了一种憎水颗粒防渗、隔水性能测试室内模型试验方法中的试验装置。该装置包括保温槽1、调温板2和保温隔板3；保温槽1提供装样材料的容纳空间并实现保温功能，调温板2用于实现保温槽1底部加热功能；保温隔板3用于将保温槽1分隔成两个独立容纳空间。
保温槽1内壁设有保温隔热层4，保温隔热层4为聚氨酯发泡层或包覆有塑料保护膜的硅酸铝岩棉板，保温隔热层4使保温槽1内壁形成保温结构；保温槽1整体呈立方体型，形成的凹槽为立方体型，保温槽可采用钢板焊接而成也可采用将水泥砌筑而。
调温板2设在保温槽1内部底壁上，调温板2包括中空导热板5和导热水管6；中空导热板5由矩形框架和包覆在矩形框架外侧的铁板构成；中空导热板5铺设在保温槽1底部，导热水管6置于中空导热板5内部且呈蛇形排布，导热水管6可选用PVC管或钢管，导热水管6一端延伸至保温槽1外侧，并连接冷热水机，利用冷热水循环实现温度调控。
保温隔板3设在保温槽1中部，并将保温层分隔成两个独立槽，保温隔板3同时与保温槽1相对的侧壁及调温板2上表面密封连接；保温隔板3可选用聚氨酯发泡板或包覆有塑料保护膜的硅酸铝岩棉板。
调温板2的温度稳定性利于确保试验的准确性和可靠性，为了避免调温板2温度出现过大温差变化，在中空导热板5上表面设有缓释降温层7，缓释降温层7包括铺设在中空导热板5上表面的石英石块、填充在石英石块中的河砂、包覆在石英石块和河砂外侧的防水隔膜，防水隔膜可以是防水塑料膜；为避免导热水管6因水循环故障而影响试验，在缓释降温层7下侧或内部可铺设硅橡胶加热片，当调温板2故障后通过硅橡胶加热片维持温度设定；石英石块与河砂形成能够缓慢升温和缓慢降温的保护层，这样可减弱调温板2温度异常对试验的影响。
该装置应用于工程用憎水颗粒防渗、隔水性能测试室内模型试验方法时：将该装置置于温控室内，将温控制外侧的冷热水机通过保温管路连接导热水管6。将保温槽1的一个凹槽下到上依次设置透水石、饱和状态的填筑黄土层、防渗透气砂层、非饱和状态（最佳含水率）填筑黄土层，填筑黄土时按规定深度埋设温度水分监测探头；另一个凹槽从下到上依次设置透水石、饱和状态的填筑黄土层、对比材料层、非饱和状态（最佳含水率）填筑黄土层，填筑黄土时按规定深度埋设温度水分监测探头。启动温控室的控制***、冷热水机的控制***和数据采集器或PC端，依据试验要求，控制温控室的内室温以及调温板2的温度，利用温度水分监测探头进行实时数据采集，采集数据后进行分析评价。
Claims (9)
1.一种憎水颗粒防渗、隔水性能测试室内模型试验方法，其特征在于，包括如下步骤：
1）提供两个具有底部加热功能并具有保温结构的容纳槽，将两个容纳槽置于温控室内；
2）将一个容纳槽由底部向上方逐层铺设透水石层、饱和状态填筑黄土层、防渗透气砂层、非饱和状态填筑黄土层；将另一个容纳槽由底部向上方逐层铺设透水石层、饱和状态填筑黄土层、对比材料层、非饱和状态填筑黄土层；两个容纳槽进行饱和状态填筑黄土层和非饱和状态填筑黄土层铺设时，均沿纵向间隔埋设多个温度水分监测探头，多个所述温度水分监测探头接入数据采集器或PC端；
3）调控温控室的室温和两个容纳槽的底部温度，使两个容纳槽内饱和状态填筑黄土层的下表面和非饱和状态填筑黄土层的上表面同步地产生温差；
4）以室内模型在时间变化过程中饱和状态填筑黄土层和非饱和状态填筑黄土层中湿度变化数据为依据，将原型中防渗透气砂层的渗透性能变化趋势转换为室内模型中渗透气砂层的渗透性能趋势，并进行评价。
2.如权利要求1所述的一种憎水颗粒防渗、隔水性能测试室内模型试验方法，其特征在于，所述步骤2）中，透水石层、饱和状态填筑黄土层、防渗透气砂层、非饱和状态填筑黄土层铺设时，铺设厚度以实际应用的原型进行比例缩放，缩放比例即空间相似比，空间相似比确定后按热传导相似准则确定时间相似比，使室内模型与原型建立空间和时间上的联系。
3.如权利要求2所述的一种憎水颗粒防渗、隔水性能测试室内模型试验方法，其特征在于，所述空间相似比和时间相似比满足：
其中，
指时间层面相似比，
指空间层面相似比；
为实际拟模拟时间，
为室内模拟时间；
为现场实际工程的长宽高，
为室内模型的长宽高。
4.如权利要求1所述的一种憎水颗粒防渗、隔水性能测试室内模型试验方法，其特征在于，所述步骤2）中，防渗透气砂层下表面形成有外凸的框型结构并与容纳槽内壁贴合。
5.如权利要求1所述的一种憎水颗粒防渗、隔水性能测试室内模型试验方法，其特征在于，所述步骤2）中，温度水分监测探头在容纳槽内横向间隔布设至少两组。
6.一种应用于权利要求1至4所述工程用憎水颗粒防渗、隔水性能测试室内模型试验方法中的试验装置，其特征在于，包括：
保温槽，其内壁设有保温隔热层；
调温板，其设在保温槽内部底壁上；
保温隔板，其设在保温槽中部，并将保温层分隔成两个独立槽，保温隔板同时与保温槽相对的侧壁及调温板上表面密封连接。
7.如权利要求6所述的一种憎水颗粒防渗、隔水性能测试室内模型试验装置，其特征在于，所述调温板包括中空导热板、设在中空导热板内的导热水管，所述导热水管在中空导热板内部蛇形排布，所述导热水管一端延伸至保温槽外侧。
8.如权利要求7所述的一种憎水颗粒防渗、隔水性能测试室内模型试验装置，其特征在于，所述中空导热板上表面设有缓释降温层。
9.如权利要求8所述的一种憎水颗粒防渗、隔水性能测试室内模型试验装置，其特征在于，所述缓释降温层包括铺设在中空导热板上表面的石英石块、填充在石英石块中的河砂、包覆在石英石块和河砂外侧的防水隔膜。
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| CN116930042B (zh) * | 2023-09-19 | 2023-12-01 | 常州建昊建筑鉴定检测有限公司 | 建筑防水材料性能检测设备及方法 |
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