專利名稱：耐壓多層空腔溶蝕試驗(yàn)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種耐壓多層空腔溶蝕試驗(yàn)裝置，主要適用于水利水電工程、交通、礦山等地下工程。
背景技術(shù)：
巖溶工程區(qū)建筑的老化是天然巖土體及注入或放入其內(nèi)的由水泥漿液等組成的材料，由于和侵蝕性水接觸，其物理化學(xué)特性隨著其運(yùn)行年齡而衰減的過程，其中，主要是鈣離子的流失，造成其力學(xué)性質(zhì)的衰減，并且溫度和壓力的變化在其老化過程中起到了很大的推動(dòng)作用。巖溶區(qū)化學(xué)損傷直接導(dǎo)致力學(xué)性質(zhì)的損傷。體現(xiàn)化學(xué)和力學(xué)損傷綜合作用的例子有很多，具有代表性的如侵蝕性化學(xué)溶液存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)、建筑物基礎(chǔ)、巖溶區(qū)深樁，地下深埋洞室等等。這些結(jié)構(gòu)一般由圍巖及混凝土澆注而成，多處于地下且是永久性的。化學(xué) 損傷和力學(xué)損傷的長期作用在很大程度上影響著材料和結(jié)構(gòu)的性能。在地下流動(dòng)的軟水或侵蝕性化學(xué)溶液長期作用下，巖溶區(qū)圍巖孔隙溶液中的鈣離子會(huì)不斷侵析出來，導(dǎo)致圍巖表面的孔隙率增大，材料性能下降，形成化學(xué)損傷，化學(xué)損傷將促進(jìn)力學(xué)損傷的發(fā)展；同時(shí)，力學(xué)損傷的發(fā)展，就會(huì)促進(jìn)圍巖內(nèi)部微裂紋和微孔隙的產(chǎn)生、發(fā)展，增大混凝土材料的擴(kuò)散性，從而促進(jìn)化學(xué)損傷的發(fā)展，尤其是薄層狀巖層結(jié)構(gòu)更容易發(fā)生這種變化；這兩種損傷的相互作用、相互促進(jìn)就使得圍巖材料或結(jié)構(gòu)即使不承受較大的荷載就可能提前破壞。到目前為止，國內(nèi)外在室內(nèi)還沒有有效的儀器設(shè)備來試驗(yàn)具有變溫變壓條件下，能夠模擬多層試樣的溶蝕特性，大多實(shí)驗(yàn)局限在野外的自然環(huán)境，然而野外環(huán)境大多為開放系統(tǒng)，很難真實(shí)模擬地下的溫、壓條件。目前，常規(guī)的試驗(yàn)裝置如圖I、圖2所示，包括帶進(jìn)水口 22和出水口 23的耐高壓金屬空腔21，其上安裝與內(nèi)部連通的壓力表24，試驗(yàn)用巖樣25放置于金屬空腔內(nèi)，一般用于低溫高壓溶蝕試驗(yàn)，水溫、流量及壓力都不可隨意改變，且水流不能和所有試樣充分反應(yīng)，鈣離子的變化也只有靠尾水進(jìn)行室內(nèi)化驗(yàn)。因此本實(shí)驗(yàn)針對(duì)工程區(qū)內(nèi)的碳酸鹽巖地層在不同溫度、壓力條件下，地下深部巖土體的溶蝕量及其速率進(jìn)行探測，以實(shí)時(shí)掌握鈣離子的溶蝕變化規(guī)律。
發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型要解決的技術(shù)問題是針對(duì)上述存在的問題提供一種耐壓多層空腔溶蝕試驗(yàn)裝置，試驗(yàn)時(shí)將碳酸鹽巖樣試片放入該裝置的空腔內(nèi)，讓空腔內(nèi)承壓巖溶水接觸碳酸鹽巖樣試片的表面，摸擬地下深處碳酸鹽巖層中容隙、溶洞內(nèi)的巖溶過程，而根據(jù)鈣離子的反應(yīng)動(dòng)態(tài)，揭示巖土體耐久性能的變化，為施工補(bǔ)強(qiáng)及其它安全措施提供科學(xué)依據(jù)。本實(shí)用新型所采用的技術(shù)方案是耐壓多層空腔溶蝕試驗(yàn)裝置，包括耐壓倉以及與該耐壓倉進(jìn)水口和出水口分別連接的供水裝置和尾水裝置，其特征在于所述耐壓倉內(nèi)垂直于其進(jìn)水口平行布置一組耐腐蝕托盤，各耐腐蝕托盤與耐壓倉側(cè)壁之間均留有過水通道，且相鄰兩過水通道錯(cuò)位布置。所述供水裝置包括裝有巖溶水的玻璃容器以及連通該玻璃容器和耐壓倉進(jìn)水口的玻璃導(dǎo)水管，該玻璃導(dǎo)水管上沿水流方向依次布置高壓泵、流量儀、溫控儀和壓力表。所述尾水裝置包括與耐壓倉出水口連通的導(dǎo)管，以及位于該導(dǎo)管出水端的尾水收集容器。所述導(dǎo)管上裝有鈣離子探測器，該探測器上設(shè)有伸入導(dǎo)管內(nèi)的探針。所述試驗(yàn)裝置還包括一實(shí)驗(yàn)臺(tái)，所述耐壓倉通過鉚釘固定安裝于該實(shí)驗(yàn)臺(tái)上。本實(shí)用新型的有益效果是本實(shí)用新型耐壓倉內(nèi)布置多層用于放置試片的托盤，使巖溶水能夠充分與試片反應(yīng)；同時(shí)在進(jìn)水的玻璃導(dǎo)水管上安裝高壓泵、流量儀、溫控儀和壓力表，可隨時(shí)根據(jù)需求設(shè)定不同的功率，調(diào)整進(jìn)入耐壓倉內(nèi)的巖溶水的壓力、流量、溫度，用以探測在不同溫度、壓力條件下，地下深部巖土體的溶蝕量及其速率，摸擬地下深處碳酸鹽巖層中容隙、溶洞內(nèi)的巖溶過程；最后在尾水導(dǎo)管中添加鈣離子動(dòng)態(tài)監(jiān)測計(jì)，以方便對(duì)尾水中的鈣離子進(jìn)行實(shí)施的動(dòng)態(tài)變化監(jiān)測，揭示巖土體耐久性能的變化，為施工補(bǔ)強(qiáng)及其它安全措施提供了可靠的科學(xué)依據(jù)。此外，本實(shí)用新型對(duì)試驗(yàn)裝置在外觀上進(jìn)行了局部改 造，使其具備更完善的尾水收集系統(tǒng)和儲(chǔ)存系統(tǒng)，能夠滿足本試驗(yàn)的要求，大大提高了工作效率。

圖I是本實(shí)用新型背景技術(shù)中試驗(yàn)裝置的結(jié)構(gòu)圖。圖2是圖I的俯視圖。圖3是本實(shí)用新型試驗(yàn)裝置的結(jié)構(gòu)圖。圖4為圖3的俯視圖。
具體實(shí)施方式
如圖3、圖4所示，碳酸鹽巖地層內(nèi)部的巖溶水在承壓條件下沿著次生結(jié)構(gòu)面或溶隙、溶洞流動(dòng)，那么，具有一定壓力的巖溶水就必然會(huì)對(duì)碳酸鹽巖地層中的裂隙結(jié)構(gòu)和溶隙、溶洞表面產(chǎn)生溶蝕作用，主要是鈣離子參與反應(yīng)。據(jù)此，本實(shí)施例構(gòu)造一種試驗(yàn)裝置，模擬地下深處碳酸鹽巖層中容隙、溶洞內(nèi)的巖溶過程，盡可能真實(shí)的解釋巖土體內(nèi)部的變化情況。本實(shí)施例試驗(yàn)裝置包括實(shí)驗(yàn)臺(tái)1，通過鉚釘8固定安裝于該實(shí)驗(yàn)臺(tái)上的耐壓倉13(特制高耐壓防腐金屬容器)，以及與該耐壓倉進(jìn)水口和出水口分別連接的供水裝置和尾水裝置；所述耐壓倉13內(nèi)垂直于其進(jìn)水口平行布置一組耐腐蝕托盤7，各耐腐蝕托盤7與耐壓倉13側(cè)壁之間均留有過水通道15，且相鄰兩過水通道15錯(cuò)位布置；本例中，耐壓倉13進(jìn)水口和出水口均豎直布置，耐腐蝕托盤7則水平布置。所述供水裝置包括用于盛裝巖溶水(具有侵蝕性的液體，多在巖溶區(qū)分布)的玻璃容器2 (放置于實(shí)驗(yàn)臺(tái)上)以及連通該玻璃容器和耐壓倉13進(jìn)水口的玻璃導(dǎo)水管12，該玻璃導(dǎo)水管上沿水流方向依次布置高壓泵3 (用于給巖溶水加壓)、流量儀4 (用于記錄水流量)、溫控儀5 (用于控制水溫度)和壓力表6 (用于測量和讀取水壓力)。所述尾水裝置包括與耐壓倉13出水口連通的導(dǎo)管16，以及位于該導(dǎo)管出水端的尾水收集容器11，所述導(dǎo)管16上裝有鈣離子探測器10 (用于記錄水流中鈣離子含量)，該探測器上設(shè)置伸入導(dǎo)管16內(nèi)的探針9 (耐酸性導(dǎo)線，隸屬于鈣離子探測器)。巖溶水在高壓泵3作用下成為具有一定流速和壓力的流體，高壓泵3在試驗(yàn)中可隨時(shí)根據(jù)需求設(shè)定不同的功率，以方便調(diào)節(jié)不同的水壓，水壓可由壓力表6讀出；巖溶水經(jīng)過流量儀4時(shí)可以記錄流體的流速，方便計(jì)算實(shí)際參與反應(yīng)的巖溶水?dāng)?shù)量；高速水流流經(jīng)溫控儀5，會(huì)根據(jù)具體試驗(yàn)要求，轉(zhuǎn)化為具有一定溫度的流體，而溫控儀5可方便的調(diào)節(jié)經(jīng)過其中流體的溫度，以方便試驗(yàn)中不斷的調(diào)節(jié)溫度變化；流體通過玻璃導(dǎo)水管12進(jìn)入耐壓倉13內(nèi)，與放置于倉內(nèi)耐腐蝕托盤7上的試片充分接觸，并發(fā)生相關(guān)物理、化學(xué)反應(yīng)；參與反應(yīng)后的溶液經(jīng)過導(dǎo)管16流進(jìn)尾水收集容器11，在此期間，又由帶有探針9的鈣離子探測器10實(shí)施動(dòng)態(tài)的監(jiān)測。利用本實(shí)施例所述試驗(yàn)裝置進(jìn)行試驗(yàn)的步驟如下a、取工程區(qū)原樣水或者按照工程區(qū)巖溶水的水化學(xué)特征進(jìn)行配制，得到試驗(yàn)所需巖溶水。b、將碳酸鹽巖樣試片(直徑500mm，厚IOmm)置于烘干箱(80°C )內(nèi)烘干24小時(shí)后，稱其重量，記作W。，單位mg。C、將步驟b所得試片放置于耐壓倉13內(nèi)的耐腐蝕托盤7上，然后利用高壓泵3將水壓調(diào)整至IOMpa (水壓可從壓力表6上讀出)，利用溫控儀5將水溫調(diào)整至25°C。d、向耐壓倉13內(nèi)注入步驟a所得的巖溶水，并利用流量儀4控制注入耐壓倉13內(nèi)水的速率為10ml/min，整個(gè)注水過程需連續(xù)不斷保持24小時(shí)，使巖溶水與試片充分接觸反應(yīng)，試驗(yàn)時(shí)間24小時(shí)。d、溶蝕試驗(yàn)完畢后，為防止烘烤和試片表面擦水破壞表層的溶蝕微形態(tài)，將試片從耐壓倉13中取出后，放置于氣溫25°C的無氣流環(huán)境中，經(jīng)2小時(shí)讓試片表面水分消失，再放入烘干箱內(nèi)烘干24小時(shí)，掃去浮塵，采用千分之一電子天平(精確到0. OOlg)稱重，得出溶蝕實(shí)驗(yàn)后的試片重量記作Wi (i = 1，2，…12)，單位mg，此時(shí)i取I;同時(shí)取尾水滲透水，經(jīng)室內(nèi)化驗(yàn)，得出鈣離子的濃度，通過以下守恒化學(xué)方程式
空氣CO2 水 Jo2 + H.0 -> H，CO^H+ + H CCK
V ；■ / II+ + CaCO3 4 H CO 5 + Ca2 +BP CO2 + H2O + CaCO3 Ca2 + + 2H CO,計(jì)算出碳酸鈣的含量Ti (i = 1，2，...12)，單位:mg/L，此時(shí)i取1，然后倒掉本次試驗(yàn)尾水，用于下次試驗(yàn)接收尾水。f、求取溶蝕量及溶蝕速率，質(zhì)量溶蝕量Bi=Wt1-Wi, (i = 1,2, ...12)質(zhì)量溶蝕速率Ci= (Wt1-Wi)/24, (i = 1,2,…12)溶蝕速率Xi=AEiTiZlOO, (i=l，2，…12)，單位mm/千年洱為侵蝕深度(通過土工試驗(yàn)室內(nèi)儀器獲得)，單位dm，此時(shí)i取I。至此，試片一次溶蝕試驗(yàn)完成。為準(zhǔn)確摸擬地下深處碳酸鹽巖層中容隙、溶洞內(nèi)的巖溶過程，需在變壓變溫條件下對(duì)各試片進(jìn)行溶蝕試驗(yàn)。本例中每件試片均需進(jìn)行十二次溶蝕試驗(yàn)，因此,后面還需將每次試驗(yàn)后得到的試樣，依次按照水溫25°C、水壓20Mpa，水溫25°C、水壓30Mpa，水溫20°C、水壓lOMpa，水溫20 °C、水壓20Mpa，水溫20 °C、水壓30Mpa，水溫15 °C、水壓lOMpa，水溫15°C、水壓20Mpa，水溫15°C、水壓30Mpa，水溫10°C、水壓lOMpa，水溫10°C、水壓20Mpa，水溫10°C、水壓30Mpa的順序，共i^一種不同條件(每次試驗(yàn)的注水速率始終為10ml/min，時(shí)間為24小時(shí))下進(jìn)行溶蝕試驗(yàn)，并在每次試驗(yàn)完畢，稱量溶蝕實(shí)驗(yàn)后的試片重量記作Wi (i=2,3,…12)，單位mg，同時(shí)取尾水滲透水，經(jīng)室內(nèi)化驗(yàn)，計(jì)算出碳酸鈣的含量Ti (i=2,3,…12),單位mg/L ;最后根據(jù)以下公式計(jì)算得到,質(zhì)量溶蝕量Bi=Wp1-Wi, (i = 2,3, ... 12);質(zhì)量溶蝕速率 Ci= (Wi^1-Wi)M, (i = 2，3，…12);溶蝕速率 Xi=AEiTiZlOO, (i = 2，3,…12),單位mm/千年屯為侵蝕深度，單位dm。
權(quán)利要求1.一種耐壓多層空腔溶蝕試驗(yàn)裝置，包括耐壓倉(13)以及與該耐壓倉進(jìn)水口和出水口分別連接的供水裝置和尾水裝置，其特征在于所述耐壓倉(13)內(nèi)垂直于其進(jìn)水口平行布置一組耐腐蝕托盤(7)，各耐腐蝕托盤(7)與耐壓倉(13)側(cè)壁之間均留有過水通道(15)，且相鄰兩過水通道(15)錯(cuò)位布置。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的耐壓多層空腔溶蝕試驗(yàn)裝置，其特征在于所述供水裝置包括裝有巖溶水的玻璃容器(2)以及連通該玻璃容器和耐壓倉(13)進(jìn)水口的玻璃導(dǎo)水管(12)，該玻璃導(dǎo)水管上沿水流方向依次布置高壓泵(3)、流量儀(4)、溫控儀(5)和壓力表(6)。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的耐壓多層空腔溶蝕試驗(yàn)裝置，其特征在于所述尾水裝置包括與耐壓倉(13)出水口連通的導(dǎo)管(16)，以及位于該導(dǎo)管出水端的尾水收集容器(11)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的耐壓多層空腔溶蝕試驗(yàn)裝置，其特征在于所述導(dǎo)管(16)上裝有鈣離子探測器(10)，該探測器上設(shè)有伸入導(dǎo)管(16)內(nèi)的探針(9)。
5.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的耐壓多層空腔溶蝕試驗(yàn)裝置，其特征在于所述試驗(yàn)裝置還包括一實(shí)驗(yàn)臺(tái)(I )，所述耐壓倉(13)通過鉚釘(8)固定安裝于該實(shí)驗(yàn)臺(tái)上。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種耐壓多層空腔溶蝕試驗(yàn)裝置。本實(shí)用新型的目的是提供一種耐壓多層空腔溶蝕試驗(yàn)裝置，試驗(yàn)時(shí)將碳酸鹽巖樣試片放入該裝置的空腔內(nèi)，讓空腔內(nèi)承壓巖溶水接觸碳酸鹽巖樣試片的表面，摸擬地下深處碳酸鹽巖層中容隙、溶洞內(nèi)的巖溶過程，揭示巖土體耐久性能的變化，為施工補(bǔ)強(qiáng)及其它安全措施提供科學(xué)依據(jù)。本實(shí)用新型的技術(shù)方案是耐壓多層空腔溶蝕試驗(yàn)裝置，包括耐壓倉以及與該耐壓倉進(jìn)水口和出水口分別連接的供水裝置和尾水裝置，其特征在于所述耐壓倉內(nèi)垂直于其進(jìn)水口平行布置一組耐腐蝕托盤，各耐腐蝕托盤與耐壓倉側(cè)壁之間均留有過水通道，且相鄰兩過水通道錯(cuò)位布置。本實(shí)用新型適用于水利水電工程、交通、礦山等地下工程。
文檔編號(hào)G01N17/00GK202512048SQ20122002233
公開日2012年10月31日 申請(qǐng)日期2012年1月18日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月18日
發(fā)明者單治鋼, 彭鵬, 杜文博, 董育煩, 賈海波, 陳長河 申請(qǐng)人:中國水電顧問集團(tuán)華東勘測設(shè)計(jì)研究院