CN117191666A - 一种考虑热-化耦合影响的压实膨润土膜效应测试装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种考虑热‑化耦合影响的压实膨润土膜效应测试装置，包括恒体积水化温控腔室，其内部存放土样；活塞体，设置于恒体积水化温控腔室内部，且活塞体与恒体积水化温控腔室内壁滑动配合，活塞体内设有用于容纳水的腔室，实现恒温水的循环和温控；其中，通过活塞体相对于恒体积水化温控腔室滑动，以使活塞体能够挤压土样的第一端面；溶液注抽循环机构，包括循环泵和与循环泵相连通的第一通路和第二通路，第一通路和第二通路均与恒体积水化温控腔室的内部相连通，其中，第一通路与土样第一端面相连通，第二通路与土样的第二端面相连通，实现溶液在土样上、下端面的循环流动。本发明能够同时控制测试过程中土样两端的温度梯度和化学浓度梯度。
Description
技术领域
本发明属于压实膨润土材料的膜效应测试装置技术领域，尤其涉及一种考虑热-化耦合影响的压实膨润土膜效应测试装置。
背景技术
高放射性核废料深地质处置库在长期运营过程中，处于金属废物罐与围岩间的缓冲屏障—压实膨润土块体将不断遭受地下水中盐质离子的入侵和核废料残余衰变热的扩散等热-化耦合作用。作为处置库内的最后一道人工屏障***，压实膨润土块体承担着阻滞核素迁移、延缓地下水入渗、维护处置库屏障***稳定等多种作用。研究表明，由于黏土颗粒的双电层静电斥力作用，压实膨润土材料表现出明显的半透膜效应特性，可在一定程度上限制溶质离子穿过，减缓盐离子向库内运移，对化学屏障阻滞性能的发挥至关重要。在化学浓度梯度变化和温度梯度变化的耦合影响下，一方面，地下水中盐离子通过较大孔隙渗入膨润土并沿梯度方向发生扩散，膨润土内产生逆浓度梯度方向的化学渗流效应；另一方面，膨润土类半透膜材料具有显著的热渗透特征，将发生沿温度梯度方向的热渗流效应。由于化学渗流和热渗流的方向与盐质离子扩散方向相反，化学浓度梯度和温度梯度形成的热-化耦合作用有助于促进压实膨润土的阻滞盐质离子作用。因此，如何考虑化学渗流和热渗流耦合作用对盐离子迁移与分布特征的影响，对处置库膨润土块体长期屏障性能的评价具有重要意义。然而，由于测试装置的局限性，现有研究多关注于常温条件下化学浓度梯度对压实膨润土半透膜效应特性的影响，尚未考虑热-化耦合作用对其半透膜阻滞性能的影响。因此，如何实现化学浓度梯度和温度梯度的同时控制，是研发考虑热-化耦合影响的压实膨润土半透膜效应测试装置的关键。
发明内容
本发明的目的是提供一种考虑热-化耦合影响的压实膨润土膜效应测试装置，以解决上述现有技术存在的问题。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种考虑热-化耦合影响的压实膨润土膜效应测试装置，包括：
恒体积水化温控腔室，其内部用于存放土样；
活塞体，设置于所述恒体积水化温控腔室内部，且所述活塞体与所述恒体积水化温控腔室内部滑动配合，所述活塞体内部设有用于容纳水的腔室，其中，通过所述活塞体相对于所述恒体积水化温控腔室滑动，以使所述活塞体能够挤压所述土样的第一端面；
溶液注抽循环机构，包括循环泵和与所述循环泵相连通的第一通路和第二通路，所述第一通路和所述第二通路均与所述恒体积水化温控腔室的内部相连通，其中，所述第一通路与所述土样的第一端面相连通，所述第二通路与所述土样的第二端面相连通；
温度控制机构，包括温控水浴循环槽和与所述温控水浴循环槽相连通的第三通路和第四通路，所述第三通路和所述第四通路均与所述腔室相连通；
渗透压差测试机构，用于测定所述土样的第一端面和第二端面间溶液的化学渗透压差。
优选的，所述恒体积水化温控腔室包括底座，所述底座的顶面通过螺杆固接有金属试样环，所述金属试样环内滑动连接有所述活塞体，所述活塞体和所述底座之间设有所述土样。
优选的，所述金属试样环的两侧分别设有所述螺杆，所述螺杆的顶面安装有金属顶盖，所述金属顶盖与所述活塞体之间设置有压力传感器，所述压力传感器与所述金属顶盖的底面固接，所述螺杆上螺纹连接有多个螺帽，所述螺帽分别与所述金属顶盖的上下两侧和所述金属试样环的顶面抵接。
优选的，所述活塞体与所述土样之间和所述底座与所述土样之间分别设有透水石，所述透水石和所述土样之间设有滤纸。
优选的，所述活塞体的顶部与所述金属试样环之间安装有上端O型圈，所述活塞体的底部和所述金属试样环之间安装有下端O型圈，所述上端O型圈和所述下端O型圈之间设有所述腔室，所述腔室为水循环腔室，所述第三通路和所述第四通路分别与所述水循环腔室连通。
优选的，所述活塞体与所述上端O型圈之间分别设有进水口和出水口，所述第三通路与所述水循环腔室之间通过所述进水口连通，所述第四通路与所述水循环腔室之间通过所述出水口连通。
优选的，所述活塞体的两侧分别设有顶部溶液进液口和顶部溶液出液口，所述第一通路分别与所述顶部溶液进液口和所述顶部溶液出液口连通，所述活塞体和所述土样的第一端面之间设有上部溶液循环腔，所述顶部溶液进液口和所述顶部溶液出液口分别与所述上部溶液循环腔和所述循环泵连通。
优选的，所述底座与所述土样的第二端面之间设有底部溶液循环腔，所述底部溶液循环腔内设有所述透水石，所述底座内设有底部溶液进液口和底部溶液出液口，所述底部溶液进液口和所述底部溶液出液口分别通过第二通路与所述循环泵连通，所述底部溶液进液口和所述底部溶液出液口分别与所述底部溶液循环腔连通。
优选的，所述渗透压差测试机构包括设置在所述活塞体内的上端溶液测压通道，所述上端溶液测压通道与所述土样的第一端面连通，所述底座内设有底部溶液测压通道，所述底部溶液测压通道与所述土样的第二端面连通，所述渗透压差测试机构还包括压差传感器，所述压差传感器分别与所述上端溶液测压通道和所述底部溶液测压通道连通。
优选的，所述压力传感器和所述压差传感器分别电性连接有数据采集仪。
本发明公开了以下技术效果：通过循环泵向恒体积水化温控腔室和活塞体中注入或抽取溶液，以实现溶液在土样的第一端面和第二端面循环流动和化学溶液浓度梯度施加，温控水浴循环槽用于控制测试过程中的温度，渗透压差测试机构用于测定土样上下表面渗透压差，压力传感器用于测定土样膨胀力，数据采集仪可记录和采集土样膨胀力和上下表面间的化学渗透压差，因此，本发明能够同时对测试过程中的温度梯度和化学浓度梯度同时控制，探究热-化耦合条件下土样的半透膜效应特征。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1为本发明考虑热-化耦合影响的压实膨润土膜效应测试装置的结构示意图。
图中：1、循环泵；2、金属顶盖；3、压力传感器；41、顶部溶液进液口；42、进水口；43、上端O型圈；44、水循环腔室；45、上端溶液测压通道；46、下端O型圈；47、上部溶液循环腔；48、出水口；49、顶部溶液出液口；5、螺杆；6、螺帽；7、金属试样环；8、透水石；9、滤纸；10、土样；11、底端O型圈；121、底部溶液循环腔；122、底部溶液进液口；123、底部溶液测压通道；124、底部溶液出液口；13、温控水浴循环槽；14、压差传感器；15、三通阀；16、二通阀；17、数据采集仪。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
参照图1所示，本发明提供一种考虑热-化耦合影响的压实膨润土膜效应测试装置，包括：
恒体积水化温控腔室，其内部用于存放土样10，确保土样10处于恒体积水化状态；
活塞体，设置于恒体积水化温控腔室内部，且活塞体与恒体积水化温控腔室内部滑动配合，二者间通过密封圈接触；活塞体内部设有用于容纳水的腔室，其中，通过活塞体相对于恒体积水化温控腔室滑动，以使活塞体能够挤压土样10的第一端面，确保土样10处于恒体积状态；
溶液注抽循环机构，包括循环泵1和与循环泵1相连通的第一通路和第二通路，循环泵1为注入/抽取循环泵1，第一通路和第二通路均与恒体积水化温控腔室的内部相连通，其中，第一通路与土样10的第一端面相连通，第二通路与土样10的第二端面相连通，通过改变土样10上、下端面的循环液浓度，实现化学溶液浓度梯度的实施与控制；
温度控制机构，包括温控水浴循环槽13和与温控水浴循环槽13相连通的第三通路和第四通路，第三通路和第四通路均与腔室相连通；
渗透压差测试机构，用于测定土样10的第一端面和第二端面间溶液的化学渗透压差。
通过循环泵1向恒体积水化温控腔室和活塞体中注入或抽取溶液，以实现溶液在土样10的第一端面和第二端面循环流动，温控水浴循环槽13用于控制测试过程中的温度，渗透压差测试机构用于测定土样10的第一端面和第二端面间溶液的化学渗透压差，本发明能够实现测试过程中土样两端温度梯度和化学浓度梯度的同时控制。
进一步优化方案，恒体积水化温控腔室包括底座，底座的顶面通过螺杆5固接有金属试样环7，金属试样环7内滑动连接有活塞体，活塞体和底座之间设有土样10。活塞体为“土”字型活塞体。
进一步优化方案，金属试样环7的两侧分别设有螺杆5，螺杆5的顶面安装有金属顶盖2，金属顶盖2与活塞体之间设置有压力传感器3，压力传感器3与金属顶盖2的底面固接，螺杆5上螺纹连接有多个螺帽6，螺帽6分别与金属顶盖2的上下两侧和金属试样环7的顶面抵接。
金属试样环7与底座间设有底端O型圈11，以确保二者接触紧密，防止土样10下端溶液渗出。
金属顶盖2、金属试样环7和底座通过螺杆5相连接，并分别通过螺帽6固定。
进一步优化方案，活塞体与土样10之间和底座与土样10之间分别设有透水石8，透水石8和土样10之间设有滤纸9。
进一步优化方案，活塞体的顶部与金属试样环7之间安装有上端O型圈43，活塞体的底部和金属试样环7之间安装有下端O型圈46，确保二者接触紧密，防止水分渗漏。上端O型圈43和下端O型圈46之间设有腔室，腔室为水循环腔室44，第三通路和第四通路分别与水循环腔室44连通。
进一步优化方案，活塞体与上端O型圈43之间分别设有进水口42和出水口48，第三通路与水循环腔室44之间通过进水口42连通，第四通路与水循环腔室44之间通过出水口48连通。
通过设置温控水浴循环槽13的水温和出水流速，实现水分的温度控制与循环流动。温控水浴循环槽13的温控范围5℃～100℃，恒温波动±0.5℃，温度分辨率0.1℃，水泵流速≥6L/min，可实现水溶液在水循环腔室44中的循环流动，为土样10提供温度梯度。
进一步优化方案，活塞体的两侧分别设有顶部溶液进液口41和顶部溶液出液口49，第一通路分别与顶部溶液进液口41和顶部溶液出液口49连通，活塞体和土样10的第一端面之间设有上部溶液循环腔47，顶部溶液进液口41一端与上部溶液循环腔47连通，另一端与循环泵1连通。相类似地，顶部溶液出液口49分别与上部溶液循环腔47和循环泵1连通。通过设置循环泵1，实现溶液在土样10上表面的循环流动和连续注入/抽出。
进一步优化方案，底座与土样10的第二端面之间设有底部溶液循环腔121，底部溶液循环腔121内设有透水石8，底座内设有底部溶液进液口122和底部溶液出液口124，底部溶液进液口122和底部溶液出液口124分别通过第二通路与循环泵1连通，底部溶液进液口122和底部溶液出液口124分别与底部溶液循环腔121连通。实现溶液在试样底部溶液循环腔121内的循环流动和连续注入/抽出。
循环泵1与底部溶液进液口122、底部溶液出液口124、顶部溶液进液口41和顶部溶液出液口49之间分别通过多个三通阀15连通。
进一步优化方案，渗透压差测试机构包括设置在活塞体内的上端溶液测压通道45，上端溶液测压通道45与土样10的第一端面连通，底座内设有底部溶液测压通道123，底部溶液测压通道123与土样10的第二端面连通，渗透压差测试机构还包括压差传感器14，压差传感器14分别与上端溶液测压通道45和底部溶液测压通道123连通。用于测定土样10第一端面和第二端面间溶液的化学渗透压差。
压差传感器14与上端溶液测压通道45之间和压差传感器14与底部溶液测压通道123之间分别通过二通阀16连通。
压差传感器14为MCPCM610差压变送器，压力量程50kPa，可测定顶、底端溶液间的化学渗透压差。
进一步优化方案，压力传感器3和压差传感器14分别电性连接有数据采集仪17。
数据采集仪17为MEACONMIK-R200T型六通道无纸记录仪，可用于显示和记录土样10的膨胀力和顶底端溶液的化学渗透压差。
关于温度梯度和化学浓度梯度耦合条件下压实膨润土块体的膜效率系数、有效扩散系数和阻滞因子的测定方法，具体实施步骤如下：
步骤1，试样制备；将一定量膨润土粉末填入金属试样环7中，向金属试样环7内***金属压杆，采用电子万能压力机以一定位移速率(0.5mm/min)向金属压杆施加压力，将试样环内膨润土粉末静力压实至目标位移，并在目标位置静压保持2小时；待静压结束后，以恒定位移速率(0.5mm/min)卸载，最终制备达到目标尺寸或目标干密度的压实膨润土块体土样10。
步骤2，仪器安装；在底座透水石8的上方铺一层滤纸9，将盛有土样10的金属试样环7穿过螺杆5安置于底座上，依次在土样10上方放置滤纸9、透水石8、“土”字型活塞体、金属顶盖2；调节和拧紧螺帽6，直至压力传感器3与活塞体间的接触力约为50kPa，确保土样10与上、下组件间接触紧密。
步骤3，土样10饱和和滤洗；将压力/体积控制器与土样10的底部溶液进液口122相连接，并以100kPa恒定水压向土样10底部注入去离子水，采用数据采集仪17测定水化过程中土样10的膨胀力发展。根据压力/体积控制器进水量计算土样10的渗透系数变化。待土样10上方出液口连续渗出溶液后，定期收集土样10顶端渗出液并测定流出液体积和电导率，待渗出液电导率小于后续试验所用最低浓度溶液电导率的50％时，认定土样10滤洗阶段完成。
步骤4，膜效应测试装置安装；拆除压力/体积控制器，清除土样10底部溶液循环腔121中的残余溶液。按照图1所示方式，依次连接顶部溶液进液口41、顶部溶液出液口、底部溶液进液口122、底部溶液出液口与外部循环泵1，连接压差传感器14、上端溶液测压通道45、底部溶液测压通道123和数据采集仪17，同时连接进水口42或出水口48与温控水浴循环槽13。
步骤5，启动温控水浴循环槽13，设置目标水温；待水温达到目标温度后，打开水循环阀门，设置目标流速，确保水溶液沿管路贯通活塞体内部的水循环腔室44。
步骤6，启动微量循环泵1，设置目标溶液注入/抽取速率，实现溶液在土样10顶、底端连续流动；其中，土样10上端注入液为盐质离子溶液(浓度记为C0t)，上端流出液的浓度记为Ct，土样10下端注入液为煮沸去离子水(浓度记为C0b)，土样10下端流出液浓度记为Cb。通过观察数据采集仪17显示的渗透压差示数，记录土样10上、下端溶液的化学渗透压差ΔP。
步骤7，测定恒定温度梯度和化学浓度梯度下土样的膜效率系数ω；在给定循环水温和顶/底端化学溶液浓度条件下，通过定期(时间间隔24小时)测定顶/底端流出液的浓度(Ct和Cb)和土样10顶/底端溶液间的化学渗透压差ΔP，计算土样10的膜效率系数ω。具体计算公式如下：
式中，v为电解质分子离子数；R为通用气体常数(R＝8.314J/mol·K)；T为绝对温度。
步骤8，设置不同化学浓度梯度条件；待目标温度梯度T0和化学浓度梯度C0条件下土样10的渗透压差和上/下端渗出液浓度稳定后，改变外部循环泵1中的化学溶液浓度，将其由初始溶液浓度C0t更换为C1t，重复上述步骤7测试方法及过程，测定土样10在温度梯度T0、化学浓度梯度C1t条件下的膜效率系数ω。随后，依次改变循环泵1中化学溶液浓度至C2t，C3t···Cnt，确定温度梯度T0、不同化学溶液浓度条件下土样的膜效率系数ω。分别绘制恒定温度梯度条件下土样10顶/底端流出液盐质离子浓度(Ct和Cb)、化学渗透压差ΔP和膜效率系数ω的时程曲线。
步骤9，设置不同温度梯度条件；待温度梯度T0条件下土样的膜效应试验结束后，通过改变温控水浴循环槽13中的水浴温度，设置温度梯度为T1。重复上述步骤8，即可测定温度梯度T1、不同化学浓度梯度条件下土样的膜效率系数，绘制温度梯度T1条件下土样顶/底端流出液盐质离子浓度(Ct和Cb)、化学渗透压差ΔP和膜效率系数ω的时程曲线。
步骤10，重复步骤8和步骤9，可测定不同温度梯度、不同化学浓度梯度条件下土样的膜效率系数ω。绘制土样10膜效率系数ω与温度和化学浓度的变化关系曲线，分析热-化耦合作用下压实膨润土的半透膜效应演化规律。
步骤11，通过测定土样10上端渗出液的盐质离子浓度Ct，可绘制累积离子浓度通量Qt与时间t的关系曲线，采用稳定状态法计算非饱和混合料的有效扩散系数D*和阻滞因子Rd，具体计算公式如下：
Qt为土样单位面积离子累计质量通量；L为土样高度；n为孔隙率；TL为进入扩散稳定状态所需时间。
步骤12，根据上述不同温度梯度、不同化学浓度梯度下计算获取的D*和Rd，即可绘制有效扩散系数和阻滞因子随温度和化学浓度间的变化关系，研究热-化耦合作用对压实膨润土阻滞性能的影响规律。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。
Claims (10)
1.一种考虑热-化耦合影响的压实膨润土膜效应测试装置，其特征在于：包括：
恒体积水化温控腔室，其内部用于存放土样(10)；
活塞体，设置于所述恒体积水化温控腔室内部，且所述活塞体与所述恒体积水化温控腔室内部滑动配合，所述活塞体内部设有用于容纳水的腔室，其中，通过所述活塞体相对于所述恒体积水化温控腔室滑动，以使所述活塞体能够挤压所述土样(10)的第一端面；
溶液注抽循环机构，包括循环泵(1)和与所述循环泵(1)相连通的第一通路和第二通路，所述第一通路和所述第二通路均与所述恒体积水化温控腔室的内部相连通，其中，所述第一通路与所述土样(10)的第一端面相连通，所述第二通路与所述土样(10)的第二端面相连通；
温度控制机构，包括温控水浴循环槽(13)和与所述温控水浴循环槽(13)相连通的第三通路和第四通路，所述第三通路和所述第四通路均与所述腔室相连通；
渗透压差测试机构，用于测定所述土样(10)的第一端面和第二端面间溶液的化学渗透压差。
2.根据权利要求1所述的考虑热-化耦合影响的压实膨润土膜效应测试装置，其特征在于：所述恒体积水化温控腔室包括底座，所述底座的顶面通过螺杆(5)固接有金属试样环(7)，所述金属试样环(7)内滑动连接有所述活塞体，所述活塞体和所述底座之间设有所述土样(10)。
3.根据权利要求2所述的考虑热-化耦合影响的压实膨润土膜效应测试装置，其特征在于：所述金属试样环(7)的两侧分别设有所述螺杆(5)，所述螺杆(5)的顶面安装有金属顶盖(2)，所述金属顶盖(2)与所述活塞体之间设置有压力传感器(3)，所述压力传感器(3)与所述金属顶盖(2)的底面固接，所述螺杆(5)上螺纹连接有多个螺帽(6)，所述螺帽(6)分别与所述金属顶盖(2)的上下两侧和所述金属试样环(7)的顶面抵接。
4.根据权利要求2所述的考虑热-化耦合影响的压实膨润土膜效应测试装置，其特征在于：所述活塞体与所述土样(10)之间和所述底座与所述土样(10)之间分别设有透水石(8)，所述透水石(8)和所述土样(10)之间设有滤纸(9)。
5.根据权利要求2所述的考虑热-化耦合影响的压实膨润土膜效应测试装置，其特征在于：所述活塞体的顶部与所述金属试样环(7)之间安装有上端O型圈(43)，所述活塞体的底部和所述金属试样环(7)之间安装有下端O型圈(46)，所述上端O型圈(43)和所述下端O型圈(46)之间设有所述腔室，所述腔室为水循环腔室(44)，所述第三通路和所述第四通路分别与所述水循环腔室(44)连通。
6.根据权利要求5所述的考虑热-化耦合影响的压实膨润土膜效应测试装置，其特征在于：所述活塞体与所述上端O型圈(43)之间分别设有进水口(42)和出水口(48)，所述第三通路与所述水循环腔室(44)之间通过所述进水口(42)连通，所述第四通路与所述水循环腔室(44)之间通过所述出水口(48)连通。
7.根据权利要求1所述的考虑热-化耦合影响的压实膨润土膜效应测试装置，其特征在于：所述活塞体的两侧分别设有顶部溶液进液口(41)和顶部溶液出液口(49)，所述第一通路分别与所述顶部溶液进液口(41)和所述顶部溶液出液口连通，所述活塞体和所述土样(10)的第一端面之间设有上部溶液循环腔(47)，所述顶部溶液进液口(41)和所述顶部溶液出液口(49)分别与所述上部溶液循环腔(47)和所述循环泵(1)连通。
8.根据权利要求4所述的考虑热-化耦合影响的压实膨润土膜效应测试装置，其特征在于：所述底座与所述土样(10)的第二端面之间设有底部溶液循环腔(121)，所述底部溶液循环腔(121)内设有所述透水石(8)，所述底座内设有底部溶液进液口(122)和底部溶液出液口(124)，所述底部溶液进液口(122)和所述底部溶液出液口(124)分别通过第二通路与所述循环泵(1)连通，所述底部溶液进液口(122)和所述底部溶液出液口(124)分别与所述底部溶液循环腔(121)连通。
9.根据权利要求3所述的考虑热-化耦合影响的压实膨润土膜效应测试装置，其特征在于：所述渗透压差测试机构包括设置在所述活塞体内的上端溶液测压通道(45)，所述上端溶液测压通道(45)与所述土样(10)的第一端面连通，所述底座内设有底部溶液测压通道(123)，所述底部溶液测压通道(123)与所述土样(10)的第二端面连通，所述渗透压差测试机构还包括压差传感器(14)，所述压差传感器(14)分别与所述上端溶液测压通道(45)和所述底部溶液测压通道(123)连通。
10.根据权利要求9所述的考虑热-化耦合影响的压实膨润土膜效应测试装置，其特征在于：所述压力传感器(3)和所述压差传感器(14)分别电性连接有数据采集仪(17)。
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