CN106813817B - 双向膨胀应力测量试验仪 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种双向膨胀应力测量试验仪，包括膨胀室(1)，膨胀室(1)的底部设有底座(7)，底座(7)上设有样品腔(8)，样品腔(8)内放置压实试样(15)，压实试样(15)的上端和下端均放置透水石(9)，上端透水石上设有活塞(12)，活塞(12)的顶部与膨胀室(1)之间设置用于检测试样轴向膨胀力的轴向传感器(14)；底座(7)上穿设有用于检测样品径向膨胀力的径向传感器(11)；底座(7)上设有进水孔(27)，该进水孔(27)与下端透水石相连通，活塞(12)上穿设有出水孔(28)，该出水孔(28)与上端透水石相连通。采用本发明的试验仪，能够实现轴向和径向膨胀应力的同时监测，提供不同方向上的膨胀应力数据；结构精简、操作方便。

Description

双向膨胀应力测量试验仪

技术领域

本发明属于高水平放射性废物地质处置领域，具体涉及一种双向膨胀应力测量试验仪。

背景技术

目前，国际上对高水平放射性废物(HLW)公认的处置方式为深地质处置，而深地质处置多基于多重屏障原理进行设计。缓冲材料是其设计中的最后一道人工屏障。由于膨润土具有良好的吸水膨胀能力，吸附核素的能力而被广泛选作缓冲回填材料。在实际的工程中，要求缓冲材料需要具备良好的支撑和平衡外围压力的能力，这就要求压实的膨润土应具有适中的吸水膨胀应力。因此，在前期的工作中应对压实膨润土的吸水膨胀能力进行广泛的研究。传统的膨润土膨胀应力测试装置只能测试压实块轴向上的应力值，而对径向的应力值无法表征，因而无法对压实膨润土块的整体膨胀能力进行全面认识，从而不能给真实处置提供正确的参数。因此，为了能给真实地质处置提供正确有用的参数，需要开发新的膨胀应力测试试验仪。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本发明提供一种双向膨胀应力测量试验仪，能够实现轴向和径向膨胀应力的同时监测，从而提供不同方向上的膨胀应力数据；结构简单、操作方便。

为达到以上目的，本发明采用的技术方案是：提供一种双向膨胀应力测量试验仪，包括膨胀室，所述膨胀室的底部设有底座，底座上设有样品腔，样品腔内放有压实试样，压实试样的上端和下端均放置透水石，上端透水石上设有活塞，活塞的顶部与膨胀室之间设置用于检测试样轴向膨胀力的轴向传感器；底座上穿设有用于检测样品径向膨胀力的径向传感器；底座上设有进水孔，该进水孔与下端透水石相连通，活塞上穿设有出水孔，该出水孔与上端透水石相连通。

进一步，该实验仪还包括供水容器和数据采集系统，供水容器通过导管与膨胀室底部设置的进水孔相连接；数据采集系统通过数据线分别与轴向传感器和径向传感器相连接。

进一步，所述供水容器包括容器本体，容器本体上设有进水口、出水口、压力表以及液位显示器。

进一步，所述数据采集系统包括信号采集电路及与信号采集电路相连接的信号显示终端。

进一步，所述径向传感器可转动的设置在压实试样的侧壁上。

进一步，所述膨胀室的上部设有上盖，该上盖为不锈钢钢盖。

本发明的有益技术效果在于：

(1)本发明的试验仪，因在膨胀室内设有轴向传感器和径向传感器，实现了对粘土类矿物压实样品膨胀能力的实时监测，从而提供了不同方向上的膨胀应力数据；

(2)本发明的试验仪，因设有数据采集系统，可同时进行多组数据的自动采集；

(3)本发明的试验仪，结构精简、操作方便。

附图说明

图1是本发明双向膨胀应力测量试验仪的结构示意图；

图2是本发明膨胀室的结构示意图；

图3是本发明供水容器的结构示意图；

图4是本发明数据采集系统的结构示意图；

图5是本发明压样模具的结构示意图；

图6是本发明高庙子膨润土的轴向和径向膨胀应力随时间的变化图。

图中：

1-膨胀室 2-供水容器 3-数据采集系统 4-压样模具

5-导管 6-数据线 7-底座 8-样品腔

9-透水石 10-密封圈 11-径向传感器 12、25-活塞

13-上盖 14-轴向传感器 15-压实试样 16-出水口

17-液位显示器 18-进水口 19-排气口 20-压力表

21-打压进气口 22-信号显示终端 23-信号采集电路 24-试样筒

26-顶杆 27-进水孔 28-出水孔

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步详细的描述。

如图1所示，是本发明双向膨胀应力测量试验仪的结构图。如图所示，该试验仪包括：膨胀室1、供水容器2以及数据采集系统3。膨胀室1通过导管5与供水容器2连接，数据采集系统3通过数据线6(含传感器)与膨胀室1连接。膨胀室1的上端设有上盖13，该上盖13为不锈钢钢盖。

图2示出了膨胀室的结构图。如图所示，该膨胀室1包括：底座7，底座7上设有样品腔8，该样品腔8为圆柱形空心腔，样品腔8内放置压实试样15，压实试样15的上端和下端均布有透水石9，上端透水石上设有不锈钢活塞12，该活塞插入样品腔8中，其底部与透水石接触，该活塞12的上端与上盖13之间设有用于检测压实试样15轴向膨胀力的轴向传感器14，轴向传感器感14压面置于活塞12顶部。底座7上穿设有用于检测压实试样15径向膨胀力的径向传感器11，该径向传感器11可转动的设置在压实试样15的侧壁上。底座7上还穿设有进水孔27，该进水孔27一端用于与供水容器连接，另一端排除底座环形水槽中气泡后封闭；活塞12上设有出水孔28，该出水孔28一方面可以提供上部给水通道，另一方面可以排出压实试样膨胀中挤压出的气体。活塞12及透水石9上均设有环形密封圈10，用于对活塞与底座之间以及透水石与底座之间的密封。

图3示出了供水容器的示意图。该供水容器2为不锈钢加工的圆柱形密封容器，其体积约25L。在供水容器2底部设有出水口16，其侧壁设有液位显示器17，其顶部设有漏斗形进水口18、排气口19、压力表20以及打压进气口21。出水口16通过导管5与膨胀室底座侧壁的进水孔27连接后供水；液位显示器17用于供水容器内液位的显示；漏斗形进水口18主要用于向供水容器2中加入膨胀试验时需要的水，排气口19用于通过漏斗形进水口18加水时进行排气；压力表20主要是打压时进行压力监测。

图4示出了数据采集系统的示意图。主要包括信号采集电路及与信号采集电路连接的信号显示终端，信号显示终端为电脑，信号采集电路与电脑之间通过数据线连接，可通过采集电路上的调节板进行试验数据初值的设置以及试验数据的校对。

图5示出了压样模具的结构示意图。本发明的压实试样15通过压样模具4制作成型。压样模具4包括圆环形试样筒24、两个活塞25和顶杆26。一个活塞置于试样筒底部，在该活塞上放入欲压实的粉体土样，再在粉体土样的上方放置另一个活塞，然后将顶杆26置于上部活塞上方。

该试验仪的使用方法：

首先进行试样制备。将圆环形试样筒24放置在固定平面上，向试样筒24中加入一块活塞，称取一定量已知初始含水率粉体试样，然后将粉体试样放入准备好的试样筒24后，在试验顶部加上另一块活塞，并在上部活塞上端加上顶杆26后将整个试样筒24和顶杆26放于压力机上，开启压力机，在一定的压力下制备出直径50mm,高度10mm试样；开启数据采集系统，等待采集数据信号平衡；将制备好的样品放置于膨胀室1的样品腔8中，在样品的上下端各放置一块透水石9，然后放入活塞12、径向传感器和轴向传感器后紧固膨胀室；将径向传感器和轴向传感器通过数据线6与数据采集系统3连接起来，用导管5将供水容器2与膨胀室底座进水孔27连接起来后开始试验。

试验开始时，将供水容器2中的压力提高至20kPa，然后开启导管5连接处的阀门注入地下水，打开底座另一端小孔，待排除底部水槽中的气体后，将其封闭。膨胀室样品腔的试样吸水后开始膨胀，使用数据采集系统实时采集轴向和径向膨胀应力的数据，待采集的数据在10h内无明显变化时，结束试验，导出数据，进行数据整理和分析。

如图6所示，为室温下初始干密度为1.70g/cm³高庙子膨润土膨胀力试验结果图，图中A为轴向膨胀应力曲线，B为径向膨胀应力曲线。从图中可以看出，高庙子膨润土的轴向和径向膨胀力有随时间呈以e为幂的指数函数增长趋势，即经过一定时间的吸水后，膨胀力趋于某一稳定值。图中也表明，轴向应力在吸水初期快速增加，在前10h内的膨胀力达到最大膨胀力的70％，经过大约30h后趋于平衡，即达到最大的膨胀应力约1.70MPa；而在试验开始前3h内，径向没有产生明显的膨胀力，随后快速增加，经过10h后其膨胀力约达到最大膨胀力的60％，30h后基本趋于平衡，平衡时的膨胀应力约为1.10MPa。轴向应力在试验初期快速增加可解释为试验开始时提供的水使得样品开始水化，集合体吸水膨胀，在受限条件下，轴向应力快速增加；而径向膨胀力在试验刚开始3h内基本为0，主要是由于只在样品的上表面给水，径向测试位置距离样品吸水面有一定的距离，只有当土样吸水并向下传递水分时，样品的下层才会吸水膨胀而产生膨胀力，此时才能监测到径向膨胀力。图6同时也表明，轴向膨胀力大于径向膨胀力。

本发明的双向膨胀应力测量试验仪并不限于上述具体实施方式，本领域技术人员根据本发明的技术方案得出其他的实施方式，同样属于本发明的技术创新范围。

Claims (5)

1.一种双向膨胀应力测量试验仪，包括膨胀室(1)，其特征是：所述膨胀室(1)的底部设有底座(7)，底座(7)上设有样品腔(8)，样品腔(8)内放有压实试样(15)，压实试样(15)的上端和下端均放置透水石(9)，上端透水石上设有活塞(12)，活塞(12)的顶部与膨胀室(1)之间设置用于检测压实试样轴向膨胀力的轴向传感器(14)；底座(7)上穿设有用于检测压实试样径向膨胀力的径向传感器(11)，所述径向传感器(11)可转动的设置在压实试样(15)的侧壁上；底座(7)上设有进水孔(27)，该进水孔(27)与下端透水石相连通，活塞(12)上穿设有出水孔(28)，该出水孔(28)与上端透水石相连通。

2.如权利要求1所述的双向膨胀应力测量试验仪，其特征是：该实验仪还包括供水容器(2)和数据采集系统(3)，供水容器(2)通过导管(5)与膨胀室底部设置的进水孔(27)相连接；数据采集系统(3)通过数据线(6)分别与轴向传感器(14)和径向传感器(11)相连接。

3.如权利要求2所述的双向膨胀应力测量试验仪，其特征是：所述供水容器(2)包括容器本体，容器本体上设有进水口(18)、出水口(16)、压力表(20)以及液位显示器(17)。

4.如权利要求3所述的双向膨胀应力测量试验仪，其特征是：所述数据采集系统(3)包括信号采集电路(23)及与信号采集电路(23)相连接的信号显示终端(22)。

5.如权利要求4所述的双向膨胀应力测量试验仪，其特征是：所述膨胀室(1)的上部设有上盖(13)，该上盖(13)为不锈钢钢盖。

Images