混合型缓冲回填材料侵蚀试验装置及其试验方法与流程

1.本发明涉及侵蚀试验技术领域，特别是涉及一种混合型缓冲回填材料侵蚀试验装置及其试验方法。


背景技术：

2.高放废物深部地质处置的工程屏障体系中，缓冲回填材料是指填充在废物容器之间及废物容器与地质体之间的材料。混合型缓冲回填材料的主要组成部分或者基材是膨润土，膨润土是一种常用粘土材料，起到水力学屏障、化学屏障及力学缓冲作用。混合型缓冲回填材料侵蚀是一个复杂的过程，影响因素很多，如膨润土的膨胀性、渗透性以及胶体特性，围岩的力学、水理特性，围岩裂隙的宽度、深度及侧壁表面特征(如粗糙度)，地下水的化学成分、流速、流量等，且各因素之间有着密切的相互联系。目前混合型缓冲回填材料侵蚀研究缺乏相应的试验装置，因此如何提供一种能够模拟混合型缓冲回填材料侵蚀过程的混合型缓冲回填材料侵蚀试验装置成为本领域技术人员目前所亟待解决的问题。


技术实现要素：

3.为解决以上技术问题，本发明提供一种能够模拟混合型缓冲回填材料侵蚀过程的混合型缓冲回填材料侵蚀试验装置及其试验方法。
4.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
5.本发明提供一种混合型缓冲回填材料侵蚀试验装置，包括：至少一个模具组件，所述模具组件包括第一夹紧结构、第二夹紧结构以及设置于所述第一夹紧结构和所述第二夹紧结构之间的模具体，所述模具体包括至少一个依次连通的样品模具，所述样品模具包括样品容器和透水结构，所述样品容器的第一端设置有第一开口，所述样品容器的第二端设置有用于容纳所述透水结构的第二开口，所述样品容器用于容纳试验样品，所述试验样品包括相互混合的膨润土和颗粒材料，所述透水结构的孔隙大于所述膨润土的粒径小于所述颗粒材料的粒径；溶液供给装置，所述溶液供给装置包括至少一个溶液供给容器，所述溶液供给容器与所述模具组件一一对应，各所述溶液供给容器内部均设置有渗流液；溶液收集装置，所述溶液收集装置包括至少一个溶液收集容器，所述溶液收集容器与所述模具组件一一对应，所述溶液供给容器、所述第一夹紧结构、所述模具体、所述第二夹紧结构以及所述溶液收集容器依次连通；溶液驱动装置，各所述溶液供给容器均与所述溶液驱动装置相连通，所述溶液驱动装置用于驱动所述渗流液移动；称重组件，所述称重组件包括至少一个称重装置，所述称重装置与所述溶液收集容器一一对应，所述称重装置用于称量其所对应的所述溶液收集容器收集溶液的重量。
6.优选地，所述样品模具为圆柱结构，且所述样品模具包括两个对称设置的半圆柱模具。
7.优选地，所述模具组件还包括支座组件和紧固垫，所述支座组件、所述紧固垫以及所述样品模具三者一一对应，所述支座组件套设于所述样品模具外部，所述紧固垫设置于
所述支座组件的内侧壁上，所述紧固垫用于抱紧所述样品模具。
8.优选地，所述支座组件、所述紧固垫以及所述样品容器均材料透明材料制成。
9.优选地，所述溶液驱动装置包括气瓶、密闭容器、第一压力表以及第二压力表，各所述溶液供给容器均设置于所述密闭容器内，且各所述溶液供给容器均与所述密闭容器相连通，所述气瓶与所述密闭容器相连通，所述第一压力表用于检测所述气瓶输出的气体压力，所述第二压力表用于检测所述密闭容器内部压力。
10.优选地，所述模具组件还包括连接螺栓，所述连接螺栓的第一端设置有螺帽，所述连接螺栓的第二端依次穿过所述第一夹紧结构和所述第二夹紧结构，并通过螺母拧紧固定。
11.优选地，所述模具组件还包括进液管、出液管、进液阀门和出液阀门，所述溶液供给容器、所述进液管、所述第一夹紧结构、所述模具体、所述第二夹紧结构、所述出液管以及所述溶液收集容器依次连接，所述进液阀门设置于所述进液管上，所述出液阀门设置于所述出液管上。
12.优选地，所述样品容器的第一端和第二端分别设置有第一密封圈和第二密封圈，所述样品容器内部设置有用于限制所述透水结构轴向移动的限位台阶，所述透水结构与所述限位台阶之间设置有第三密封圈。
13.优选地，所述颗粒材料为石英砂。
14.本发明还提供一种所述混合型缓冲回填材料侵蚀试验装置的试验方法，包括以下步骤：确定所述膨润土能够膨胀封堵所述透水结构、不发生侵蚀时所述膨润土和所述颗粒材料的临界比值，设置多个所述模具组件，不同所述模具组件中所述试验样品的所述膨润土和所述颗粒材料的比例不同；研究渗流长度与所述试验样品侵蚀的关系，设置多个所述模具组件，且不同所述模具组件中所述样本模具的数量不同；研究所述样品容器内壁的粗糙度与渗流路径、渗流长度以及所述膨润土和所述颗粒材料的比例关系，设置多个所述模具组件，且不同所述模具组件中所述样品容器内壁的粗糙度不同；研究所述渗流液类型、浓度及流速对所述试验样品侵蚀的影响，设置多个所述模具组件，且不同所述模具组件中所述渗流液的类型、浓度以及流速均不同。
15.本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：
16.本发明提供的混合型缓冲回填材料侵蚀试验装置包括：至少一个模具组件，模具组件包括第一夹紧结构、第二夹紧结构以及设置于第一夹紧结构和第二夹紧结构之间的模具体，模具体包括至少一个依次连通的样品模具，样品模具包括样品容器和透水结构，样品容器的第一端设置有第一开口，样品容器的第二端设置有用于容纳透水结构的第二开口，样品容器用于容纳试验样品，试验样品包括相互混合的膨润土和颗粒材料，透水结构的孔隙大于膨润土的粒径小于颗粒材料的粒径；溶液供给装置，溶液供给装置包括至少一个溶液供给容器，溶液供给容器与模具组件一一对应，各溶液供给容器内部均设置有渗流液；溶液收集装置，溶液收集装置包括至少一个溶液收集容器，溶液收集容器与模具组件一一对应，溶液供给容器、第一夹紧结构、模具体、第二夹紧结构以及溶液收集容器依次连通；溶液驱动装置，各溶液供给容器均与溶液驱动装置相连通，溶液驱动装置用于驱动渗流液移动；称重组件，称重组件包括至少一个称重装置，称重装置与溶液收集容器一一对应，称重装置用于称量其所对应的溶液收集容器的重量。
17.通过设置多个模具组件，并使不同模具组件中试验样品的膨润土和颗粒材料的比例不同，能够确定膨润土能够膨胀封堵透水结构、不发生侵蚀时膨润土和颗粒材料的临界比值；通过设置多个模具组件，且使不同模具组件中样本模具的数量不同，能够研究渗流长度与试验样品侵蚀的关系；通过设置多个模具组件，且使不同模具组件中样品容器内壁的粗糙度不同，能够研究样品容器内壁的粗糙度与渗流路径、渗流长度以及膨润土和颗粒材料的比例关系；通过设置多个模具组件，且使不同模具组件中渗流液的类型、浓度以及流速均不同，能够研究渗流液类型、浓度及流速对试验样品侵蚀的影响。如此，该混合型缓冲回填材料侵蚀试验装置能够模拟混合型缓冲回填材料侵蚀过程。
附图说明
18.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
19.图1为本发明实施例中提供的混合型缓冲回填材料侵蚀试验装置的结构示意图；
20.图2为本发明实施例中提供的模具组件的结构示意图；
21.图3为本发明实施例中提供的样本容器的剖视图；
22.图4为本发明实施例中提供的波浪型凸起的设置方式示意图；
23.图5为本发明实施例中提供的支座组件的结构示意图。
24.附图标记说明：100、混合型缓冲回填材料侵蚀试验装置；1、模具组件；101、第一夹紧结构；102、第二夹紧结构；103、样品模具；1031、样品容器；1032、透水结构；1033、第一密封圈；1034、第二密封圈；1035、第三密封圈；1036、第一凸出部；1037、波浪型凸起；104、支座组件；1041、半圆柱支座；105、连接螺栓；106、螺母；107、进液管；108、出液管；109、进液阀门；110、出液阀门；111、紧固垫；1111、半圆柱紧固垫；2、溶液供给容器；3、溶液收集装置；4、称重装置；5、气瓶；6、密闭容器；7、第一压力表；8、第二压力表；9、通气管。
具体实施方式
25.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。
26.本发明的目的是提供一种能够模拟膨润土侵蚀过程的混合型缓冲回填材料侵蚀试验装置及其试验方法。
27.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。
28.参考图1-图5所示，本实施例提供一种混合型缓冲回填材料侵蚀试验装置100，包括：至少一个模具组件1，模具组件1包括第一夹紧结构101、第二夹紧结构102以及设置于第一夹紧结构101和第二夹紧结构102之间的模具体，模具体包括至少一个依次连通的样品模具103，样品模具103包括样品容器1031和透水结构1032，样品容器1031的第一端设置有第
一开口，样品容器1031的第二端设置有用于容纳透水结构1032的第二开口，样品容器1031用于容纳试验样品，试验样品包括相互混合的膨润土和颗粒材料，透水结构1032的孔隙大于膨润土的粒径小于颗粒材料的粒径；溶液供给装置，溶液供给装置包括至少一个溶液供给容器2，溶液供给容器2与模具组件1一一对应，各溶液供给容器2内部均设置有渗流液；溶液收集装置3，溶液收集装置3包括至少一个溶液收集容器，溶液收集容器与模具组件1一一对应，溶液供给容器2、第一夹紧结构101、模具体、第二夹紧结构102以及溶液收集容器依次连通；溶液驱动装置，各溶液供给容器2均与溶液驱动装置相连通，溶液驱动装置用于驱动渗流液移动；称重组件，称重组件包括至少一个称重装置4，称重装置4与溶液收集容器一一对应，称重装置4用于称量其所对应的溶液收集容器收集溶液的重量。该混合型缓冲回填材料侵蚀试验装置100能够模拟混合型缓冲回填材料侵蚀过程。
29.于本实施例中具体地，透水结构1032为透水垫片，且透水垫片为厚度1.7mm的大孔隙不锈钢烧结网，透水结构1032模拟围岩裂隙，透水结构1032也可选用带人工裂隙的花岗岩垫片，大孔隙不锈钢烧结网和花岗岩垫片的孔隙都是只能通过膨润土颗粒，不通过颗粒材料，透水垫片用去离子水浸泡，超声清洗后烘干。
30.于本实施例中具体地，第一夹紧结构101为第一夹紧板，第二夹紧结构102为第二夹紧板。
31.于本实施例中，如图3-图4所示，样品模具103为圆柱结构，且样品模具103包括两个对称设置的半圆柱模具。
32.于本实施例中，为了便于连接，半圆柱模具的两侧对称设置有第一凸起部1036和第二凸起部，两个第一凸起部1036和两个第二凸起部均通过螺栓连接。进一步地，为了防止渗流液漏出，两个第一凸起部1036二者相对的两个端面均设置有第一密封条，两个第二凸起部二者相对的两个端面均设置有第二密封条，且两个第一密封条相对设置，两个第二密封条相对设置。
33.于本实施例中，如图2所示，模具组件1还包括支座组件104和紧固垫111，支座组件104、紧固垫111以及样品模具103三者一一对应，支座组件104套设于样品模具103外部，紧固垫111设置于支座组件104的内侧壁上，紧固垫111用于抱紧样品模具103，保障试验拆解时，取样位置不发生偏移。
34.进一步地，如图5所示，支座组件104包括两个对称设置、并可拆卸连接的半圆柱支座1041，两个半圆柱支座1041与两个半圆柱模具一一对应，两个半圆柱模具分别卡接于各自所对应的半圆柱支座1041内，两个半圆柱支座1041通过紧固螺栓连接。对应地，紧固垫111包括两个对称设置的半圆柱紧固垫1111。紧固垫111、支座组件104通过螺栓锁紧样品模具103，固定支座组件104与样品模具103之间的相对位置。
35.于本实施例中，为了方便观察试验情况，支座组件104、紧固垫111以及样品容器1031均材料透明材料制成。于本实施例中具体地，支座组件104及样本容器均采用高透有机玻璃制成，紧固垫111采用透明胶皮制成。
36.于本实施例中，具体地，溶液供给容器2为进液管107，溶液收集容器为集液瓶，且各集液瓶上均设置有通气管9，称重装置4为电子天平。
37.于本实施例中，如图1所示，溶液驱动装置包括气瓶5、密闭容器6、第一压力表7以及第二压力表8，各溶液供给容器2均设置于密闭容器6内，且各溶液供给容器2均与密闭容
器6相连通，气瓶5与密闭容器6相连通，第一压力表7用于检测气瓶5输出的气体压力，第二压力表8用于检测密闭容器6内部压力。
38.于本实施例中，如图2所示，模具组件1还包括连接螺栓105，连接螺栓105的第一端设置有螺帽，连接螺栓105的第二端依次穿过第一夹紧结构和第二夹紧结构102，并通过螺母106拧紧固定。
39.于本实施例中，连接螺栓105的数量为多个，多个连接螺栓105沿模具体的周向均匀设置，本实施例中连接螺栓105的数量具体为四个。
40.于本实施例中，如图2所示，模具组件1还包括进液管107、出液管108、进液阀门109和出液阀门110，溶液供给容器2、进液管107、第一夹紧结构101、模具体、第二夹紧结构102、出液管108以及溶液收集容器依次连接，进液阀门109设置于进液管107上，出液阀门110设置于出液管108上，进液阀门109用于控制进液管107的开启或者关闭，出液阀门110用于控制出液管108的开启或者关闭。
41.于本实施例中，样品容器1031的第一端和第二端分别设置有第一密封圈1033和第二密封圈1034，样品容器1031内部设置有用于限制透水结构1032轴向移动的限位台阶，透水结构1032与限位台阶之间设置有第三密封圈1035。
42.于本实施例中，颗粒材料为石英砂。需要说明的是颗粒材料指的是粒径大于膨润土粒径的材料，并不仅限于石英砂，石英砂仅是举例说明。
43.于本实施例中，电子天平与计算机通信连接，电子天平将测得的数据传递至计算机。
44.本实施例提供的混合型缓冲回填材料侵蚀试验装置100的试验方法，包括以下步骤：确定膨润土能够膨胀封堵透水结构1032、不发生侵蚀时膨润土和颗粒材料的临界比值，设置多个模具组件1，不同模具组件1中试验样品的膨润土和颗粒材料的比例不同；研究渗流长度与试验样品侵蚀的关系，设置多个模具组件1，且不同模具组件1中样本模具的数量不同；研究样品容器1031内壁的粗糙度与渗流路径、渗流长度以及膨润土和颗粒材料的比例关系，设置多个模具组件1，且不同模具组件1中样品容器1031内壁的粗糙度不同；研究渗流液类型、浓度及流速对试验样品侵蚀的影响，设置多个模具组件1，且不同模具组件1中渗流液的类型、浓度以及流速均不同。
45.于本实施例中具体地，可通过在模具容器的内壁上设置波浪型凸起1037的方式来改变模具容器的粗糙度，但不仅限于采用该方式来改变模具容器的粗糙度。
46.下面结合详细试验步骤来进一步描述本实施例提供的混合型缓冲回填材料侵蚀试验装置100的试验方法，且该试验方法基于的混合型缓冲回填材料侵蚀试验装置100具体包括四个模具组件1，各所述模具组件1均设置有6个样品模具103。
47.步骤一、样品压制
48.选取膨润土，使用喷雾法将膨润土粉末加湿至含水率16％～18％并密封保存240h以上，待其含水均匀后使用，测量样品模具103的高度、内径，将支座组件104分别固定在各个样品模具103上，称量每套模具组件1质量，并分别记录，然后再将支座组件104拆卸下来。按计算好的密度称量一定比例的膨润土和石英砂并且混匀，用小型压力试验机和样品模具103以单轴压实法制备φ50mm
×
50mm压实制成试验样品，压制速率为2mm/min，持荷时间为20min。将压制好的试验样品放入各个样品模具103中。
49.步骤二、试验装置安装
50.(1)分别将四套模具组件1的连接螺栓105松开，把样品模具103取下；
51.(2)将6个支座组件104分别固定在6个样品模具103上；
52.(3)将6个样品模具103依次连通、并将6个样品模具103设置于第一夹紧结构101和第二夹紧结构102之间，之后将连接螺栓105的第二端依次穿过第一夹紧结构101和第二夹紧结构102，并通过螺母106拧紧固定；
53.(4)进液管107一端连通第一夹紧结构101，另一端连通溶液供给容器2，并将进液阀门109关闭，出液管108一端连通第二夹紧结构102，另一端连通溶液收集容器，并将出液阀门110关闭，且在溶液收集容器下放置电子天平；
54.(5)将电子天平与计算机通信连接；
55.(6)先打开进液阀门109，再打开出液阀门110；
56.(7)打开计算机，开始接收并记录电子天平测得的数据；
57.(8)旋开气瓶5开关，当第一压力表7显示略小于0.01mpa时停止，观察第二压力表8显示数值的变化，当第二压力表8数值没有变化时，说明此时管路密闭完好，能够达到试验要求，如果第二压力表8数值减小，那么说明管路有漏气现象，需要检修，检修后再次检测管路密闭情况；
58.(9)确定管路密闭后，微调气瓶5开关，使第二压力表8达到试验所需的0.01mpa。
59.步骤三、试验阶段
60.(1)试验刚开始阶段，每6小时测定一次溶液收集容器收集的收集溶液的浊度、电导率、ph值和物质成分，当浊度值在0～10之间，而电导率、ph值和物质成分不再变化时，可以每24小时测定一次收集溶液的浊度、电导率、ph值和物质成分；
61.(2)每次溶液收集容器收集满时，将收集溶液的质量记录后，就将收集的溶液烘干，并按时间排序；
62.(3)观察电子天平数值的变化情况，当72h内溶液收集容器收集满时质量数值没有变化，同时测定的浊度、电导率、ph值和物质成分也固定时，试验可以暂停，改变气压值为0.05mpa再次开始，将改变气压值之前收集的收集溶液烘干称重，测其成分，气压值可以根据所需渗流液流速多次改变。重复步骤三的(1)、(2)；
63.(4)当溶液收集容器收集满再出现72h内质量数值没有变化同时测定的浊度、电导率、ph值和物质成分也固定时，停止试验并拆除，将改变气压值后收集的收集溶液烘干称重，测其成分。
64.步骤四、拆除阶段
65.先关闭气瓶5开关，待第二压力表8数值降至零时，渗流液停止流动。然后进行如下操作：
66.(1)先将进液阀门109关闭，将进液管107与溶液供给容器2分离，确保渗流液不受重力影响再次通过进液管107流入模具体中；
67.(2)再将出液阀门110关闭，将出液管108与溶液收集容器分离，确保渗流液不受重力影响通过出液管108流入模具体中；
68.(3)拧下螺母106，分离6个样品模具103，每个样品模具103上的支座组件104的紧固螺栓不松，要确保6个样品模具103在水平方向上相对位置不变，并从左到右依次编号为1
号～6号，并且每分离一组模具组件1下来都要称重；
69.(4)每组样品模具103中试验样品通过圆心等分成6份并分别编号，每份取6份样品再分别编号。
70.步骤五、数据处理
71.(1)将每次溶液收集容器中收集溶液烘干得到的渗流样品的质量、检测成分和时间表对应，并绘制曲线；
72.(2)将改变气压值前后的收集溶液烘干得到的渗流样品的质量、成分进行对比，确认渗流液流速对混合型缓冲回填材料侵蚀的影响；
73.(3)根据先后称量样品模具103的质量，可以计算出试验样品湿重和含水率，再根据开始测量的样品模具103的高度、直径计算出试验样品湿密度；
74.(4)分别测定从每组模具组件1中取出的36份样品的含水率和成分，并标记清楚每份样品的位置编号，根据每份样品含水率和成分确定渗流长度、膨润土和石英砂比例。
75.本装置和实验方法同样适用于试验样品添加其它物质或更换试验，还可以做多组试验溶液(渗流液)流速不变，改变试验样品、溶液种类或者样品模具103内部结构的横向对比试验；也可以试验样品不变，改变溶液种类、溶液流速或者样品模具103内部结构的横向对比试验；同时也能做样品模具103内部结构不变，改变试验样品、溶液流速或者溶液种类的横向对比试验；还有可以做其中一个条件不变，另外两个都改变的横向对比试验。
76.本说明书中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。