CN105628596A - 一种溶蚀试验装置及其实现方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种溶蚀试验装置，包括溶蚀水供应装置、恒温水浴床、溶蚀管、恒温水浴槽和恒温水供应装置，溶蚀水供应装置用于提供溶蚀水；恒温水浴床用于对溶蚀水进行加热(或降温)并保持恒温状态；溶蚀管放置在恒温水浴槽中，用于放置岩石试件，以使加热(或降温)后的恒温溶蚀水与岩石试件进行溶蚀反应，并收集反应后的溶蚀液；恒温水浴槽用于对溶蚀管进行加热(或降温)至与溶蚀水温度相同，并保持恒温状态；恒温水供应装置用于分别向恒温水浴床和恒温水浴槽供应恒温水，以使恒温水浴床对溶蚀水进行加热(或降温)，使恒温水浴槽对溶蚀管进行加热(或降温)。本发明为岩溶发育程度的水化学动力学—分形指数评价数学模型的建立奠定了理论基础。

Description

一种溶蚀试验装置及其实现方法
技术领域
本发明涉及一种溶蚀试验装置及其实现方法。
背景技术
溶蚀，也称溶出性侵蚀，其是指岩石中任何组成部分如颗粒、杂基、胶结物以及交代物等在地层水或有机酸或碳酸等溶剂作用下溶于水的地质作用。通常，将地面水或地下水对岩石中可溶性物质进行溶解和搬移的作用定义为溶蚀作用。
在现代工程中，如地下建筑、大坝基础、交通隧道或者其他岩土体(如混凝土)，溶蚀现象非常普遍，并已成为建筑岩土体耐久性研究领域关注的焦点问题之一。在石灰岩地区，溶蚀作用表现最为显著。
目前，工程界对溶蚀现象的研究已经比较成熟，但普遍缺乏深度，大多是测定灰岩的溶蚀量，并进行溶蚀度分析；对于地下水动力学参数与岩溶分形特征之间的相关性，则尚无相关数学模型见报道，而这也为深入研究岩溶发育程度带来了很大的困难。因此，设计一种新型的溶蚀试验装置，为岩溶发育程度的水化学动力学—分形指数评价数学模型的建立奠定理论基础，便成为本领域技术人员亟需解决的主要问题。
发明内容
为解决上述现有技术的问题，本发明提供了一种溶蚀试验装置及其实现方法。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种溶蚀试验装置，包括溶蚀水供应装置、恒温水浴床、溶蚀管、恒温水浴槽以及恒温水供应装置，其中：
溶蚀水供应装置，用于提供配制好的溶蚀水；
恒温水浴床，采用封闭式结构，与溶蚀水供应装置连接，用于对溶蚀水进行加热或降温，并保持恒温状态；
溶蚀管，放置在恒温水浴槽中，用于放置岩石试件，以使加热或降温后的恒温溶蚀水与岩石试件进行溶蚀反应，然后收集反应后的溶蚀液；
恒温水浴槽，用于对溶蚀管进行加热或降温至与溶蚀水温度相同，并保持恒温状态；
恒温水供应装置，用于分别向恒温水浴床和恒温水浴槽供应恒温水，以使恒温水浴床对溶蚀水进行加热或降温，使恒温水浴槽对溶蚀管进行加热或降温。
进一步地，本发明还包括通过管道与溶蚀管连通的真空泵。
具体地说，所述溶蚀水供应装置包括供水箱，进水口与该供水箱出水口连接的溶蚀水储存箱，以及与该溶蚀水储存箱进气口连接的二氧化碳钢瓶；所述溶蚀水储存箱出水口与恒温水浴床连接。
再进一步地，所述溶蚀水储存箱还分别连接有一排气阀和一pH值检测装置。
具体地说，所述恒温水供应装置包括温控系统，与该温控系统连接的恒温水箱，以及泵入口与该恒温水箱出水口连接的水泵；所述恒温水箱进水口同时与恒温水浴床和恒温水浴槽连接；所述水泵的泵出口同时与恒温水浴床和恒温水浴槽连接。
基于上述结构，本发明还提供该溶蚀试验装置的实现方法，包括以下步骤：
(1)同时通入水和二氧化碳混合，并调节水和二氧化碳的混合比例，使二者发生反应，配制出pH为6.5～8.0的碳酸水，即得到溶蚀水；
(2)将溶蚀水加热或降温至60～5℃，并保持恒温状态；
(3)采用静态溶蚀的方式，使溶蚀水与岩石试件接触，发生溶蚀反应，反应时间为6～7天；
(4)收集发生溶蚀反应后得到的溶蚀液，然后测定岩石试件的重量变化，计算岩石试件单位体积溶蚀度或单位面积溶蚀度，并对岩石试件溶蚀前后的微观结构进行对比分析；同时，对溶蚀液进行常规水化学成分分析；
(5)根据溶蚀液的常规水化学成分分析结果，计算相应的水动力学参数，得到微观溶蚀形态与水化学动力学参数的关系。
作为优选，所述步骤(1)中的水为去离子水，且碳酸水的pH值为7.0。
作为优选，所述步骤(2)中，将溶蚀水加热或降温至25℃。
进一步地，所述步骤(3)中，溶蚀水与岩石在60～5℃的恒温环境下发生溶蚀反应。
本发明的设计原理在于，根据隧道工程所处的环境条件，从地下水动力学参数和水化学环境条件进行考虑，选定三个主要影响因素与试验工况设计，即：溶蚀水的pH值、温度和流速，然后在此参数条件下，利用水与二氧化碳反应得到碳酸水(溶蚀水)，并促使其与不同成分的岩石试件进行溶蚀反应，得到相应岩石试件的单位体积(面积)溶蚀度、岩石试件溶蚀前后的微观结构以及溶蚀作用后收集的溶蚀液的常规水化学成分分析结果，继而得到溶蚀液的水化学动力学参数，并最终模拟出地下水动力学参数与岩溶分形特征之间的相关性。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明通过设置溶蚀水供应装置、恒温水浴床、溶蚀管、恒温水浴槽和恒温水供应装置，从而通过控制溶蚀水的pH值、温度及流速，可实现地下水对岩石溶蚀作用的模拟，从而得到典型岩溶隧道不同成分灰岩在特定环境条件下的溶蚀量、溶蚀作用前后的微观结构对比及溶蚀作用后的水化学分析。本发明设计合理、模拟真实度和试验精度高、可靠性强，其很好地为岩溶发育程度的水化学动力学—分形指数评价数学模型的建立奠定了理论基础。
(3)本发明设置了真空泵，可在试验开始前对溶蚀管进行抽真空处理，从而进一步提高试验的准确性和模拟的真实性。
(4)本发明还分别设置了pH值检测装置和排气阀，可实现对溶蚀水pH值及溶蚀水储存箱内气体压力的实时监控和控制，有效确保试验的安全性，并为后续溶蚀反应的顺利进行及原始数据的获取提供强有力的保障。
(5)本发明实用性和可操作性强，因而具有广泛的应用前景，非常适合大规模推广应用。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
其中，附图标记对应的部件名称为：
1-供水箱，2-溶蚀水储存箱，3-二氧化碳钢瓶，4-恒温水浴床，5-溶蚀管，6-岩石试件，7-恒温水浴槽，8-恒温系统，9-恒温水箱，10-水泵，11-真空泵。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，本发明的实施方式包括但不限于下列实施例。
实施例
如图1所示，本发明提供了一种溶蚀试验装置，用于研究不同成分灰岩在水化学动力学参数和微观结构两方面的溶蚀特征及溶蚀作用机理，从而得到地下水动力学参数与岩溶分形特征之间的相关性。本发明包括溶蚀水供应装置、恒温水浴床4、溶蚀管5、恒温水浴槽7以及恒温水供应装置。
所述溶蚀水供应装置用于提供配制好的溶蚀水，其包括供水箱1，进水口与该供水箱1出水口连接的溶蚀水储存箱2，以及与该溶蚀水储存箱2进气口连接的二氧化碳钢瓶3；所述溶蚀水储存箱2出水口与恒温水浴床4连接。
所述恒温水浴床4采用封闭式结构，用于对溶蚀水进行加热(或降温)并保持恒温状态。所述溶蚀管5放置在恒温水浴槽7中，用于放置岩石试件，以使加热(或降温)后的恒温溶蚀水与岩石试件进行溶蚀反应，然后收集反应后的溶蚀液。所述恒温水浴槽则用于对溶蚀管进行加热(或降温)至与溶蚀水温度相同，并保持恒温状态。
所述恒温水供应装置用于分别向恒温水浴床4和恒温水浴槽7供应恒温水，以使恒温水浴床对溶蚀水进行加热(或降温)，使恒温水浴槽对溶蚀管进行加热(或降温)。该恒温水供应装置包括温控系统8，与该温控系统8连接的恒温水箱9，以及泵入口与该恒温水箱9出水口连接的水泵10；所述恒温水箱9进水口同时与恒温水浴床4和恒温水浴槽7连接；所述水泵10的泵出口同时与恒温水浴床4和恒温水浴槽7连接。
下面对本发明的试验过程进行详细介绍。
在溶蚀管5中放入一岩石试件6，并连接好各个部件并进行调试，确保各个部件均能正常工作，并且能够有效控制。
试验开始前，先对溶蚀管5进行抽真空处理，保证试验的准确性。具体做法是，利用管道将溶蚀管5与一真空泵11连接，然后启动真空泵11对溶蚀管5进行抽真空处理。
抽真空后，开启相关阀门，利用供水箱1和二氧化碳钢瓶3分别溶蚀水储存箱2中通入水和二氧化碳气体。水和二氧化碳气体在溶蚀水储存箱2中混合并发生反应，生成碳酸水(即溶蚀水)，本实施例优选采用去离子水与二氧化碳气体发生反应，目的是确保反应生成的溶蚀水不含其它杂质。而在生成溶蚀水的过程中，利用一pH值检测装置实时检测碳酸水的pH值，并利用一排气阀实时调整溶蚀水储存箱2中的气体压力。
由于天然条件下岩溶地下水的pH值主要为6.5～8.0，因此，当溶蚀水的pH达到6.5～8.0时，将其通入至恒温水浴床4中。
而后，启动恒温系统8，使其对恒温水箱9中的水进行加热(或降温)并得到恒温水，然后开启水泵10，实现恒温水同时在恒温水浴床4和恒温水浴槽7中进行循环。在恒温水的加热(或降温)下，处于恒温水浴床4中的溶蚀水温度逐渐达到与恒温水温度相同，然后进入到恒温水浴槽7中，与岩石试件6接触，并发生溶蚀反应，反应时间为6～7天。由于地下水温度主要集中在20～30℃，且在该温度下也有利于溶蚀反应快速进行，因此，本实施例中，恒温水的温度控制在20～30℃，从而使溶蚀水的温度达到20～30℃并保持恒温，同时，溶蚀水还与岩石在20～30℃的恒温环境下发生溶蚀反应。为了模拟其他特定温度条件下的溶蚀作用，本实验装置还可调节温度低至5℃，高至60℃，从而实现温度调节和控制功能。此外，由于在隧道施工现场揭露的岩溶地下水状态大多为润湿状、点滴状和线流状，因此，在综合考虑室内试验条件的控制及溶蚀液稀释后的测定精度、误差和尺度效应等因素，本实施例以静态溶蚀的方式使溶蚀水与岩石试件发生溶蚀反应。
溶蚀反应发生完毕后，收集发生溶蚀反应后得到的溶蚀液，然后冲洗、烘干岩石试件，然后测定岩石试件的重量变化，计算岩石试件单位体积溶蚀度或单位面积溶蚀度，并对岩石试件溶蚀前后的微观结构进行对比分析(采用电镜试验进行对比分析)；同时，对溶蚀液进行常规水化学成分分析，包括K++Na+、Ca2+、Mg2+、NH4 +、Cl-、SO4 2-、HCO3 2-、CO3 2-、NO3 -等常规离子的浓度分析，以及pH值、温度、流速、流量和水压等参数的测试分析，各常规水化学成分的分析方法及相关的参考水质分析规程均为现有技术，本实施例不再详细介绍。
最后，根据溶蚀液的常规水化学成分分析结果，采用现有算法计算相应的水动力学参数，得到微观溶蚀形态与水化学动力学参数的关系，进而得到地下水动力学参数与岩溶分形特征之间的相关性。
本实施例以华蓥山隧道、武隆隧道和黄果树隧道为例，对三个隧道的岩样进行分析，样品采集的统计情况如表1所示。
表1
将所采集的样品均加工成标准试件(长×宽×厚：30mm×10mm×5mm)，然后采用扫描电镜分析每个岩石试件的微观结构(溶蚀前)并拍摄照片，储存图形文件。再用铜芯线系住试件，呈“V”形悬挂于溶蚀管顶部设置的横梁上，使试件悬置于溶蚀管中部，固定溶蚀管并连接传输溶蚀水的导管。
接着，打开供水开关和钢瓶阀门，调节供水速度和充气速度，使水和二氧化碳气体混合反应生成符合设计pH值(7.0)要求的碳酸水。然后，调节恒温水供应装置的温度，对碳酸水进行加热(或降温)并保持恒温(25℃)。待碳酸水经传输管到达溶蚀管中的岩石试件表面时，试验开始计时。在试验的过程中，注意记录溶蚀试验细节，如温度、碳酸水pH值及各个溶蚀管的异常情况、溶蚀液的外流情况等，并进行pH值、温度、流速、流量、水压等参数的测试。
每一工况条件的溶蚀试验时间计划为7天，试验结束后，冲洗试样、烘干，然后称重，记录岩石试件的重量变化，并采用扫描电镜分析溶蚀后岩石试件的微观结构，拍摄照片并储存图形文件，记录并描述试样溶蚀后的特征。收集溶蚀液，然后进行水化学分析，得到分析结果。
最后，根据所得试验数据，进行分析，得到各个岩石试件的单位体积(面积)溶蚀度以及地下水动力学参数与岩溶分形特征之间的相关性。
本发明通过设计一种新型溶蚀试验装置，不仅可以得到岩溶隧道不同成分灰岩在特定环境条件下(PH值、温度和流速等)的溶蚀量，而且还能模拟出地下水动力学参数与岩溶分形特征之间的相关性，从而建立出相应的数学模型，为后续研究提供理论基础。本发明与现有技术相比，技术进步十分明显，具有突出的实质性特点和显著的进步。
上述实施例仅为本发明的优选实施例，并非是对本发明保护范围的限制，凡采用本发明的设计原理，以及在此基础上进行非创造性劳动而作出的变化，均应属于本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种溶蚀试验装置，其特征在于，包括溶蚀水供应装置、恒温水浴床（4）、溶蚀管（5）、恒温水浴槽（7）以及恒温水供应装置，其中：
溶蚀水供应装置，用于提供配制好的溶蚀水；
恒温水浴床，采用封闭式结构，与溶蚀水供应装置连接，用于对溶蚀水进行加热或降温，并保持恒温状态；
溶蚀管，放置在恒温水浴槽中，用于放置岩石试件，以使加热或降温后的恒温溶蚀水与岩石试件进行溶蚀反应，然后收集反应后的溶蚀液；
恒温水浴槽，用于对溶蚀管进行加热或降温至与溶蚀水温度相同，并保持恒温状态；
恒温水供应装置，用于分别向恒温水浴床和恒温水浴槽供应恒温水，以使恒温水浴床对溶蚀水进行加热或降温，使恒温水浴槽对溶蚀管进行加热或降温。
2.根据权利要求1所述的一种溶蚀试验装置，其特征在于，还包括通过管道与溶蚀管（5）连通的真空泵（11）。
3.根据权利要求1或2所述的一种溶蚀试验装置，其特征在于，所述溶蚀水供应装置包括供水箱（1），进水口与该供水箱（1）出水口连接的溶蚀水储存箱（2），以及与该溶蚀水储存箱（2）进气口连接的二氧化碳钢瓶（3）；所述溶蚀水储存箱（2）出水口与恒温水浴床（4）连接。
4.根据权利要求3所述的一种溶蚀试验装置，其特征在于，所述溶蚀水储存箱（2）还分别连接有一排气阀和一pH值检测装置。
5.根据权利要求3所述的一种溶蚀试验装置，其特征在于，所述恒温水供应装置包括温控系统（8），与该温控系统（8）连接的恒温水箱（9），以及泵入口与该恒温水箱（9）出水口连接的水泵（10）；所述恒温水箱（9）进水口同时与恒温水浴床（4）和恒温水浴槽（7）连接；所述水泵（10）的泵出口同时与恒温水浴床（4）和恒温水浴槽（7）连接。
6.一种权利要求1～5任一项所述的溶蚀试验装置的实现方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）同时通入水和二氧化碳混合，并调节水和二氧化碳的混合比例，使二者发生反应，配制出pH为6.5～8.0的碳酸水，即得到溶蚀水；
（2）将溶蚀水加热或降温至60～5℃，并保持恒温状态；
（3）采用静态溶蚀的方式，使溶蚀水与岩石试件接触，发生溶蚀反应，反应时间为6～7天；
（4）收集发生溶蚀反应后得到的溶蚀液，然后测定岩石试件的重量变化，计算岩石试件单位体积溶蚀度或单位面积溶蚀度，并对岩石试件溶蚀前后的微观结构进行对比分析；同时，对溶蚀液进行常规水化学成分分析；
（5）根据溶蚀液的常规水化学成分分析结果，计算相应的水动力学参数，得到微观溶蚀形态与水化学动力学参数的关系。
7.根据权利要求6所述的溶蚀试验装置的实现方法，其特征在于，所述步骤（1）中的水为去离子水，且碳酸水的pH值为7.0。
8.根据权利要求7所述的溶蚀试验装置的实现方法，其特征在于，所述步骤（2）中，将溶蚀水加热或降温至25℃。
9.根据权利要求6～8任一项所述的溶蚀试验装置的实现方法，其特征在于，所述步骤（3）中，溶蚀水与岩石在60～5℃的恒温环境下发生溶蚀反应。
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