一种充填体碳化养护与渗透率测试一体化装置及使用方法

本发明涉及矿山充填开采及岩土工程材料测试，具体而言，尤其涉及一种充填体碳化养护与渗透率测试一体化装置及使用方法。

背景技术：

1、充填采矿法是矿山主要采矿方法之一。充填体的早期强度发展和渗透特性是影响采矿循环周期和采场隔水性能的两个关键指标。碳化养护技术——利用co2与充填体胶凝材料水化产物反应生成碳酸钙晶体，被证实可显著加速充填体硬化、提高早期强度并降低渗透性，近年来在矿山充填领域受到广泛关注。同时，渗透率是评价充填体隔水性能与抗渗能力的核心参数，尤其在水下开采和尾砂充填等场景中具有重要意义。

2、然而，现有技术中碳化养护、渗透率测试与碳化程度评估三者相互分离，存在以下根本性缺陷。

3、其一，碳化养护与渗透率测试分属不同设备。试样在碳化处理后需从碳化装置中取出并转移至渗透仪进行测试。转移过程中碳化反应被迫中断，试样可能因脱模和搬运产生干缩开裂，导致渗透率测试结果偏大。碳化养护环境与渗透测试环境不一致，无法真实反映碳化后充填体的原位渗透特性，更无法在碳化过程中连续监测渗透率的演化规律。

4、其二，碳化程度的评估手段落后。碳化养护的核心效果是碳酸钙晶体填充试样内部孔隙，但现有技术缺乏在碳化过程中原位、无损、定量评估碳化程度的方法。传统的酚酞喷雾法需切开试样，仅能获取碳化前沿的宏观位置，无法获得碳化程度的连续分布信息，更无法在养护过程中实时反馈碳化进程以指导工艺参数优化。近年来研究表明，超声波非线性参数，如基于二次谐波幅值的非线性系数β，对材料微观结构变化极为敏感，已在混凝土碳化深度检测中展现出应用前景，但尚未见将其集成于充填体碳化养护装置中用于原位连续监测碳化反应进程。

5、其三，缺少碳化养护、渗透率测试与碳化程度无损监测三者协同的一体化平台。现有装置仅关注单一功能，碳化工艺参数的优化缺乏实时多参数数据支撑，往往依赖经验或破坏性取样，效率低且误差大。

6、因此，亟需一种能够在同一装置内同时实现充填体原位碳化养护、渗透率连续测试及碳化程度非线性超声监测的一体化设备。

技术实现思路

1、根据上述提出的技术问题，提供一种充填体碳化养护与渗透率测试一体化装置及使用方法。本发明通过非线性超声信号发生采集仪在碳化养护过程中原位采集二次谐波幅值并计算非线性系数β以评估碳化反应进程，同时以克林肯伯格校正获得试样绝对渗透率。

2、为实现上述目的，本发明提供一种充填体碳化养护与渗透率测试一体化装置，包括加载框架、安装于所述加载框架上的轴向加载机构、设置于所述加载框架内的至少一个三轴压力室、与所述三轴压力室连通的围压控制系统、以及设置于所述三轴压力室上的温度控制系统，所述三轴压力室内部设置有制样桶，所述制样桶的上部和下部分别设有声波上压头和声波下压头，所述声波上压头和所述声波下压头分别与上声波传感器和下声波传感器电连接，所述制样桶用于容纳充填体试样，其特征在于，所述声波上压头的一侧设有养护试样进气管接头，所述养护试样进气管接头通过管路分别与co2气源和n2气源可切换地连接，用于在碳化养护工况下向所述充填体试样内部通入co2气体以进行碳化养护，以及在渗透率测试工况下向所述充填体试样内部通入氮气以执行原位渗透率测试；

3、在碳化养护期间，所述围压控制系统和所述温度控制系统向所述充填体试样持续施加围压和可控温度；

4、所述装置还包括非线性超声信号发生采集仪，所述非线性超声信号发生采集仪与所述上声波传感器和所述下声波传感器电连接，用于在碳化养护过程中向试样发射超声脉冲并接收透过试样的超声信号，从接收信号中提取二次谐波幅值并计算非线性系数β。

5、进一步地，所述非线性超声信号发生采集仪还被配置为根据所述非线性系数β随时间的变化曲线，自动划分碳化反应阶段。

6、进一步地，所述非线性超声信号发生采集仪还被配置为在多个频率下分别采集所述非线性系数β。

7、进一步地，所述装置还包括气体流量计，所述三轴压力室的底座上设有氮气出气接头，所述气体流量计与所述氮气出气接头连接；所述养护试样进气管接头还被配置为在渗透率测试工况下切换连接至n2气源，向所述充填体试样内部通入氮气作为渗透介质；渗透率测试采用压差法，通过所述气体流量计测量透过试样的氮气流量以计算试样渗透率。

8、进一步地，所述渗透率测试采用克林肯伯格校正，通过测量多级不同压差下的表观渗透率，外推至无穷大平均压力以获得所述充填体试样的绝对渗透率。

9、进一步地，所述装置还包括中央控制器，所述中央控制器被配置为执行多参数协同推理，所述多参数包括非线性系数β、渗透率k和多频碳化深度，所述协同推理的判据包括：

10、当β出现异常波动但渗透率k保持稳定时，判定为传感器耦合不良产生的假性信号；

11、当β快速上升但低频段β增幅低于高频段β增幅、且渗透率k下降缓慢时，判定为表层碳化不足；

12、当β在经历下降后再次上升、且渗透率k不再进一步下降时，预警过度碳化。

13、进一步地，所述充填体试样由胶凝材料、骨料和水组成，所述胶凝材料为硅酸盐水泥或矿渣，所述骨料为砂石或尾砂；所述充填体试样在通入co2气体后，其胶凝材料水化产物中的氢氧化钙和水化硅酸钙与co2发生碳化反应生成碳酸钙晶体；当充填浆体中含有钢渣或镁渣时，其中的氧化镁或氧化钙参与碳化反应。

14、进一步地，所述围压控制系统采用氮气作为围压介质，最高围压为5mpa；所述温度控制系统包括设置于所述三轴压力室外壁的加热圈和设置于所述三轴压力室内部的温度传感器，控温范围为室温至80℃，采用pid闭环控制；碳化养护阶段中co2气体的通入压力为0.1mpa至0.5mpa。

15、进一步地，所述非线性超声信号发生采集仪采用大功率发射模式，发射电压为200v至500v可调，中心频率为50khz至200khz，接收端采样频率不低于10mhz。

16、本发明还提供一种充填体碳化养护与渗透率测试一体化装置的使用方法，应用于上述的装置，包括以下步骤：

17、s1、将配制好的充填浆料填入所述制样桶，安装所述声波上压头和所述声波下压头，组装所述三轴压力室；

18、s2、将所述养护试样进气管接头通过管路连接至co2气源，向所述充填体试样内部通入co2气体进行碳化养护，同时开启所述非线性超声信号发生采集仪，在碳化养护过程中连续向试样发射超声脉冲并采集透过试样的超声信号，从接收信号中提取二次谐波幅值并计算非线性系数β；

19、s3、根据所述非线性系数β随时间的变化曲线，自动划分碳化反应阶段，确定最优碳化终点；

20、s4、在碳化养护期间或碳化养护结束后，将所述养护试样进气管接头切换连接至n2气源，向所述充填体试样内部通入氮气作为渗透介质，执行原位渗透率测试，并通过克林肯伯格校正获得绝对渗透率；

21、s5、将所述非线性系数β、所述渗透率k和多频碳化输入所述中央控制器，执行多参数协同推理，判断碳化状态是否正常，并对异常状态给出诊断结论。

22、由于采用了上述技术方案，较现有技术相比，本发明具有以下优点：

23、1、本发明提供的一种充填体碳化养护与渗透率测试一体化装置及使用方法，在碳化养护过程中通过非线性超声信号发生采集仪原位连续采集二次谐波幅值并计算非线性系数β，无需破坏试样即可实时判断碳化反应阶段并确定最优碳化终点，克服了传统酚酞喷雾法需破坏试样、仅能测量碳化前沿位置而无法连续获取碳化程度分布信息的局限。

24、2、本发明提供的一种充填体碳化养护与渗透率测试一体化装置及使用方法，碳化养护与渗透率测试在同一三轴压力室内原位完成，试样无需转移，避免了碳化反应中断和干缩开裂导致的渗透率偏差；采用克林肯伯格校正通过多级压差外推获得绝对渗透率，相比单压差表观渗透率测试精度显著提升。

25、3、本发明提供的一种充填体碳化养护与渗透率测试一体化装置及使用方法，将非线性系数β、渗透率k和多频碳化深度输入中央控制器进行多参数协同推理，能够有效区分正常碳化、传感器耦合不良产生的假性信号、表层碳化不足和过度碳化等不同状态，为碳化养护工艺参数的精准控制提供实时数据支撑。