CN203595699U - 一种酸性水垂直渗流与岩层发生酸性侵蚀反应的试验装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种酸性水垂直渗流与岩层发生酸性侵蚀反应的试验装置，涉及地表岩体物理化学技术领域。该装置分为三个部分，环境模拟部分，包括一个氮气瓶和酸性溶液装置容器。水岩反应部分，上壳体内腔设计成近似扁平锥体，在锥体底部与出水口相连；下壳体内腔设计成一端为圆锥形内部带台阶的圆柱形腔顶部与进水口相连。上下壳体通过法兰盘和螺栓连接。在下壳体内腔靠近出水口处依次设置不锈钢多孔过水钢片和出水端渗透膜。水样测试部分，包括两套依次连接在一级和二级反应装置后出水口的电子压力计、三通阀门，和与阀门相连的水样采集器和放在电子称上的量筒，以及三级反应装置后与出水口相连的三通阀门和水样采集器。主要用于水岩化学分析。

Description

一种酸性水垂直渗流与岩层发生酸性侵蚀反应的试验装置

技术领域

本实用新型涉及地表岩体物理化学技术领域，属于岩样渗透性和微观结构形态以及渗流溶液进行测试分析的装置。

背景技术

目前，我国环境污染相当严重，因次生环境问题引起的酸雨等环境问题使雨水、河水和湖水中化学物质增加，环境酸化（pH<5.6)问题越来越严重。酸化环境对岩土体侵蚀作用是微观的、长期的，可影响岩体各个时期的力学特性，随着工程运营时间增加，问题将越来越突出。因此，开展酸性降雨对岩体矿物化学成分影响从而造成的力学强度变化机理的相关研究，对岩土体受到物理化学侵蚀引起工程性能变化和工程安全及其评估具有十分重要的意义。

前期研究表明，渗流作用是涉及孔隙水渗流、可搬运细微颗粒迁移和多孔介质变形的多相耦合***。孔隙水在岩土体骨架渗流，对岩体内部可运动细微颗粒产生冲刷、搬运作用。过去的研究成果主要集中在渗流-侵蚀-应力耦合效应上，从岩土体微观结构形态和力学强度变化方面对渗流影响进行分析。从宏观上看，岩体内渗流具有非均匀性和各向异性，在裂隙发育的位置渗流破坏严重，并呈一定的方向性；从微观上看，裂隙的几何尺寸特征和裂隙内填充物质的物理力学性质是渗流破侵蚀的重要影响因素。

但是现有的渗流试验装置常忽略了入渗溶液对岩体材料的化学侵蚀效应，有的装置未考虑入渗溶液与岩体所含矿物化学成分发生反应引起的岩土体矿物成分、孔隙尺寸结构（孔隙率）、水力特征（渗透率）、物理特征（有效反应比表面积）、力学特性（抗压抗剪强度等）的变化。因此，本实验装置更全面的考虑到渗流侵蚀过程水岩化学作用对于岩体性质劣化产生的影响，为酸雨地区地表岩体工程特性分析和治理手段提供了重要的理论依据和技术支持。针对现有技术的不足，设计一种可。该装置可直接采用各类型的岩体试样与含化学溶质的水溶液进行化学作用来研究岩体在水岩化学作用下的化学劣化过程及机理。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种酸性水垂直渗流与岩层发生酸性侵蚀反应的试验装置，它能有效地模拟含不同成分水溶液与岩体发生化学作用的水岩化学作用。

本实用新型的目的是通过以下技术方案来实现：一种酸性水垂直渗流与岩层发生酸性侵蚀反应的试验装置，分别由环境条件模拟部分、水岩反应部分、水样测试部分组成，

氮气瓶与酸性溶液容器的连接管路中按序设有指针压力计、电子压力计和蝶形螺栓，酸性溶液容器的底部设有带阀门的管路连接一级反应装置的进水口；

水岩反应部分包括：一级反应装置由上壳体和下壳体组装而成，上壳体内腔的一端为扁平锥体形且内部带台阶的圆柱形腔，台阶处放置岩样，圆柱形腔顶部与出水口相连；下壳体内腔为锥体，锥体底部与进水口相连，上壳体内腔直径略大于下壳体直径，上壳体底部沿周边设有螺孔，下壳体下部设有与法兰盘配合的螺栓孔，上壳体和下壳体通过法兰盘和螺栓连接，在法兰盘上可放置密闭垫圈。下壳体中部表面设有圆环状凹槽，凹槽内设有密垫圈；在上壳体内腔靠近出水口处依次设置不锈钢多孔过水钢片和出水端渗透膜；

水样测试部分包括：包括其它两套依次连接在一级反应装置后面的二级反应装置和三级反应装置，它们的出水口均设有电子压力计和三通阀门，三通阀门的一端接一级反应装置的出水口，一端接二级反应装置的进水口，另一端连接连的水样采集器和放在电子天平上的量筒；一级和二级反应装置的结构和连接方式一致；三级反应装置出水口处的三通阀门两个出水口分别直接与水样采集器和放置在电子天平上的量筒连接。

所述下壳体内腔设有石英质渗透膜。

所述岩样的两端设有胶圈，胶圈的前后设有密闭胶圈和密闭胶圈。

所述氮气瓶（1）与容器之间通过高压管路连接。

本实用新型中：

环境条件模拟部分可以由高压氮气瓶通过阀门与酸性溶液装置容器相连，容器中溶液可分别设置为pH=2、pH=5、pH=7不同酸度的硫酸溶液，其中pH=7的溶液为去离子水溶液作为空白对照组试验。试验开始时，氮气瓶中的气体由容器顶部进入瓶中，设置酸性溶液容器内气体压力恒定（0.3-0.6MPa之间）。

水岩反应部分为酸性水入渗反应装置中的核心部分，主要是为了保证酸性溶液与岩体充分进行物理化学作用。装置要求具有良好的密闭性，以保证装置中的液体只可垂直渗透穿过岩样，不会从岩样侧面发生泄漏。工作过程是：试验时，首先将岩体试样防酸腐蚀胶圈套在圆形岩样周边并放入装置中；酸性溶液从左侧进水口进入装置后，与岩样全面充分的接触，发生酸性侵蚀作用；反应后的液体经渗透膜过滤，液体从装置出水口流出，进入下一级的测试装置。不锈钢多孔钢板放置在最靠近出水口的内腔台阶上，其作用是使岩体试样在试验中均衡受力而不变形破损，多孔钢板需具有一定的抗压强度和耐化学腐蚀性能力；石英质渗透膜的作用是保证与岩体试样反应后的溶液流出分析时不受溶液中溶解的固体颗粒影响。进水口、出水口的锥形设计有利于减小反应容器中的静容积，缩短溶液流出时间。上、下部分圆柱体容器应有足够大的强度。在出水口外侧设置电子压力计以及三通阀门，以便控制酸性溶液与岩样作用后水溶液进行各种物理化学测试工作。

水样测试部分主要由电子压力计、高精度电子天平和量筒组成，量筒的进水口处最好有量筒盖，以减少水分的蒸发，通过读取一定时间内酸性溶液的流量来计算岩样在酸性溶液侵蚀下渗透系数的变化。电子压力计用于测量每一级岩样与酸性溶液反应后在管道中的压力，通过三通阀门出水口的改变，可以通过流量计算的渗透系数和压力差变化算出溶液在各级岩样内部的渗流速度。

本实用新型的优点是：

本装置具有模拟不同酸浓度（如H₂SO₄）对不同埋藏深度岩体的侵蚀作用，通过对水岩作用后的溶液化学成分、pH值、电导率EC和岩石、渗透系数等参数的变化测试，以及入渗侵蚀岩石表面微观结构形态变化观察，为研究酸雨地区地表酸雨入渗过程对于含碳酸盐矿物等易与酸反应的岩层水岩侵蚀作用和酸性弱化机理提供重要试验依据。

附图说明

图1为本实用新型整体布局示意图

图2为本实用新型反应装置的上壳体剖视图

图3为本实用新型反应装置的下壳体剖视图

图4为本实用新型反应装置的下壳体俯视图

具体实施方式：

为进一步阐述本实用新型所采用的技术手段，下面结合附图对具体实施说明如下。

一种酸性水垂直渗流与岩层发生酸性侵蚀反应的试验装置，分别由环境条件模拟部分、水岩反应部分、水样测试部分组成，高压氮气瓶1与酸性溶液容器5的连接管路中按序设有指针压力计2、电子压力计3和蝶形螺栓4，酸性溶液容器5的底部设有带阀门6的管路连接一级反应装置7的进水口；

水岩反应部分包括：一级反应装置7由上壳体14和下壳体27组装而成，上壳体14内腔的一端为扁平锥体形且内部带台阶的圆柱形腔，台阶处放置岩样19，圆柱形腔顶部与出水口22相连；下壳体27内腔为锥体，锥体底部与进水口25相连，上壳体14内腔直径略大于下壳体27直径，上壳体14底部沿周边设有螺孔21，下壳体27下部设有与法兰盘26配合的螺栓孔21，上壳体14和下壳体27通过法兰盘26和螺栓连接，在法兰盘26上可放置密闭垫圈。下壳体27中部表面设有圆环状凹槽，凹槽内设有密垫圈24；在上壳体14内腔靠近出水口22处依次设置不锈钢多孔过水钢片15和出水端渗透膜16；

水样测试部分包括：包括其它两套依次连接在一级反应装置7后面的二级反应装置8和三级反应装置9，它们的出水口均设有电子压力计和三通阀门，三通阀门的一端接一级反应装置的出水口22，一端接二级反应装置的进水口，另一端连接连的水样采集器11和放在电子天平上13的量筒12；一级和二级反应装置的结构和连接方式一致；三级反应装置9出水口处的三通阀门两个出水口分别直接与水样采集器和放置在电子天平上的量筒连接。

所述下壳体27内腔设有石英质渗透膜23。

所述岩样19的两端设有胶圈18，胶圈18的前后设有密闭胶圈17和密闭胶圈20。

所述高压氮气瓶1与酸性溶液容器5之间通过高压管路连接。

本实用新型中：环境条件模拟部分可以由高压氮气瓶1通过指针压力计2、电子压力计3和蝶形螺栓阀门4与酸性溶液容器5相连，酸性溶液容器5中溶液可分别设置为pH=2、pH=5、pH=7不同酸度的硫酸溶液，其中pH=7的溶液为去离子水溶液作为空白对照组试验。试验开始时，高压氮气瓶1中的气体由酸性溶液容器5顶部进入瓶中，设置酸性溶液容器5内气体压力恒定（0.3-0.6MPa之间）。

水岩反应部分为酸性水入渗反应装置中的核心部分，反应装置内装有出水端渗透膜16、进水端渗透膜23，四周有防腐蚀的密闭圈，包括上密闭胶圈17、岩体胶圈18、下密闭胶圈20，用来固定岩样并保持反应瓶与岩样接触部位密封；主要是为了保证酸性溶液与岩体充分进行物理化学作用。装置要求具有良好的密闭性，以保证装置中的液体只可垂直渗透穿过岩样，不会从岩样19侧面发生泄漏。工作过程是：试验时，首先将岩样19防酸腐蚀胶圈18套在圆形岩样周边并放入装置中；酸性溶液从左侧进水口25进入装置后，与岩样19全面充分的接触，发生酸性侵蚀作用；反应后的液体经渗透膜16过滤，液体从装置出水口22流出，进入下一级的测试装置8。不锈钢多孔钢板15放置在最靠近出水口22的内腔台阶上，其作用是使岩体试样在试验中均衡受力而不变形破损，多孔钢板15需具有一定的抗压强度和耐化学腐蚀性能力；石英质渗透膜23的作用是保证与岩体试样反应后的溶液流出分析时不受溶液中溶解的固体颗粒影响。进水口25、出水口22附近的锥形设计有利于减小反应容器中的静容积，缩短溶液流出时间。上、下部分圆柱体容器应有足够大的强度。在出水口22外侧设置电子压力计3以及三通阀门10，以便控制酸性溶液与岩样19作用后水溶液进行各种物理化学测试工作。

水样测试部分主要由水样采集器11、量筒12、电子天平13组成，量筒12的进水口处最好有量筒盖，以减少水分的蒸发，通过读取一定时间内酸性溶液的流量来计算岩样19在酸性溶液侵蚀下渗透系数的变化。电子压力计13用于测量每一级岩样与酸性溶液反应后在管道中的压力，通过三通阀门出水口的改变，可以通过流量计算的渗透系数和压力差变化算出溶液在各级岩样内部的渗流速度。

本实用新型的装配方法可以如下：

（一）首先在靠近反应装置进、出水口位置放置出水端渗透膜16、进水端渗透膜23，用来过滤实验中进、出水口溶液中的固体杂质；

（二）将制备好的岩样19装入反应装置7中，岩样19与反应装置通过上密闭胶圈17、下密闭胶圈20和岩体胶圈18密封连接；

（三）将三个反应装置通过溶液流通管道和三通阀门10连接成图1模式，一级反应装置7和二级反应装置8后连接电子压力表3和三通阀门10，阀门10下再接一个连有水样采集器11的三通阀门，渗出的溶液用量筒12收集并放置于电子天平上称重13，三级反应装置9后只接一个三通阀门，阀门下接水样采集器11和量筒12；

（四）将酸性溶液装置容器5与氮气瓶1连接，中间连接指针压力表2和电子压力表3；

（五）将一级反应装置7与酸性溶液装置容器5相连，使装置连接成为一个整体，从而形成了完整的水岩化学作用装置。

试验过程如下：

（一）实验溶液在高压氮气瓶1的压力下由酸性溶液装置容器5进入水岩化学作用装置7，溶液先通过一级反应装置7中的出水端渗透膜16过滤后与岩样19进行接触；（二）溶液与岩样19在反应装置7中进行充分化学作用并渗透过岩样19；（三）水岩化学作用之后的溶液经进水端渗透膜23过滤，然后流出反应装置7，控制三通阀门10使溶液只能流向其下面的三通阀门，分别对渗透溶液进行水样的采集和测试；（四）转动三通阀门10让溶液只能进入二级反应装置8，溶液经过滤后与岩样反应，反应后溶液仍然先流向分析测试出水口，对渗透溶液进行水样的采集和测试；（五）转动三通阀门让溶液只能进入三级反应装置9，溶液经过滤后与岩样反应，反应后对渗透溶液进行水样采集和测试（对各级反应装置的渗透溶液进行水样采集和水质分析时间间隔为一天）。

本装置根据需要卧式安装，为了确保反应装置中无气体残留，需用透明材料制作反应装置，且岩样19的安装须在去离子水箱中进行。

Claims (4)

1.一种酸性水垂直渗流与岩层发生酸性侵蚀反应的试验装置，分别由环境条件模拟部分、水岩反应部分、水样测试部分组成，其特征在于：氮气瓶（1）与酸性溶液容器（5）的连接管路中按序设有指针压力计（2）、电子压力计（3）和蝶形螺栓（4），酸性溶液容器（5）的底部设有带阀门（6）的管路连接一级反应装置（7）的进水口（25）； 

水岩反应部分包括：一级反应装置（7）由上壳体(14)和下壳体(27)组装而成，上壳体(14)内腔的一端为扁平锥体形且内部带台阶的圆柱形腔，台阶处放置岩样（19），圆柱形腔顶部与进水口(25)相连；下壳体(27)内腔为锥体，锥体底部与出水口(22)相连，上壳体(14)内腔直径略大于下壳体(27)直径，上壳体底部沿周边设有螺孔（21），下壳体(27)下部设有与法兰盘（26）配合的螺栓孔(21)，上壳体(14)和下壳体(27)通过法兰盘（26）和螺栓连接；下壳体(27)中部表面设有圆环状凹槽构造，凹槽内设有密垫圈(24)；在上壳体内腔靠近出水口（22）处依次设置不锈钢多孔过水钢片（15）和出水端渗透膜（16）； 

水样测试部分包括：两套依次连接在一级反应装置（7）后面的二级反应装置（8）和三级反应装置（9），它们的出水口均设有电子压力计和三通阀门（10），三通阀门（10）的一端接一级反应装置（7）的出水口（22），一端接二级反应装置（8）的进水口，另一端连接连的水样采集器（11）和放在电子天平（13）上的量筒（12）；一级和二级反应装置的连接方式一致；三级反应装置出水口处的三通阀门两个出水口分别直接与水样采集器和放置在电子天平上的量筒连接。 

2.根据权利要求1所述的一种酸性水垂直渗流与岩层发生酸性侵蚀反应的试验装置，其特征在于：下壳体(27)内腔设有石英质渗透膜（23）。 

3.根据权利要求1所述的一种酸性水垂直渗流与岩层发生酸性侵蚀反应的 试验装置，其特征在于：岩样（19）的两端设有胶圈（18），胶圈（18）的前后设有密闭胶圈（17）和密闭胶圈（20）。 

4.根据权利要求1所述的一种酸性水垂直渗流与岩层发生酸性侵蚀反应的试验装置，其特征在于：氮气瓶（1）与容器之间通过高压管路连接。 

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