CN107063973A - 粘土膜效率系数的测定仪器及实验方法 - Google Patents
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Abstract
一种粘土膜效率系数测定仪器及实验方法,包括储液器皿、孔隙水压力采集器和电导率采集器,储液器皿包括水平同轴设置的两个中空的圆筒,圆筒的对接处通过法兰连通在一起;圆筒的筒壁上设置有多个监测孔,监测孔内分别安装有孔隙水压力传感器和电导率探头;其中一个圆筒的连接段内壁设有一进样卡槽;进样卡槽内嵌装有一环刀,环刀内装有并列设置的透水石,两透水石之间夹有固结的薄层粘土样品。本发明在粘土样两侧加孔隙水压力监测装置,可实时监测圆筒内水压的微细变化,监测两侧水压力由相等、压差逐渐加大、压差保持不变、压差逐渐减小的动态变化过程,监测各阶段的持续时间。
Description
技术领域
本发明涉及一种室内测定固结粘土样品膜性能大小和膜性能持续过程的测定仪器,即当粘土两侧溶液浓度不同时,化学渗透压的作用过程,属于室内土工实验设备。
背景技术
当不同浓度的溶液分置半透膜两侧时,会发生化学渗透,溶剂分子通过半透膜从低浓度溶液进入高浓度溶液中。粘土和低渗透岩石具有半透膜的属性,粘土约束溶质但容许溶剂迁移的能力,可用膜效率系数σ表示。理想的、能完全约束溶质通过的介质,σ=1;对溶质通过无约束的介质,σ=0,此时,化学渗透不存在;自然界中的粘土和低渗透岩石的膜能力介于两者之间,0<σ<1。如果在高浓度溶液一侧加压,可使上述化学渗透停止,这时的压力称为化学渗透压。如果压力再加大,可以使渗透向相反方向进行,从而将溶质分离在高浓度一侧,被截留的溶质在高压一侧形成一个浓度增长带。这就是反渗透膜除盐的基本原理。
σ是分析溶质和溶剂在粘土中运移的重要参数,但粘土的σ值是一变量,主要随粘土两侧溶液浓度及固结度的变化而变化,因此,测定粘土的膜效率系数σ、揭示σ值随影响因素的变化过程(即化学渗透产生、持续、消失的作用过程),是研究溶质在粘土中的迁移机理需首先解决的问题。
在不加压条件下测定粘土的σ值、分析化学渗透的变化过程等相关研究,国内尚无成型的实验设备和实验方法。
国内外相关文献对σ的测定装置只有简单设计示意图,而无成型设备及具体实验操作方法,且设计中粘土样品水平摆放,两侧溶液垂向叠加排列,没有考虑水的重力作用影响;申请者根据本人室内实验结果,认为粘土两侧溶液浓度变化是一个缓慢的过程,两侧水头差经历持续增大、稳定、水头差逐渐减小三个阶段,稳定阶段σ值达到最大,后逐渐减小,因此,需对粘土两侧溶液水头及浓度进行实时监测。原设计装置没有考虑σ值的变化,不能反映粘土阻滞溶质迁移的完整过程。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种固结粘土膜效率系数σ的测定仪器和方法。这种仪器可以测定固结土的膜性能大小及膜性能的变化,测定土样在化学渗透压作用下可产生的最大水头差及保持时间,分析σ值的影响因素及影响因素的阀值,揭示固结粘土中溶质的迁移过程和机理。
本发明采用的技术方案是:一种粘土膜效率系数测定仪器,包括储液器皿、孔隙水压力采集器和电导率采集器,
所述储液器皿包括水平同轴设置的两个中空的圆筒,圆筒的对接处通过法兰连通在一起;圆筒的筒壁上设置有多个监测孔,监测孔内分别安装有孔隙水压力传感器和电导率探头;
其中一个圆筒的连接段内壁设有一进样卡槽;进样卡槽内嵌装有一环刀,环刀内装有并列设置的透水石,两透水石之间夹有固结的薄层粘土样品。
两个圆筒分别为长圆筒和短圆筒,二者的长度差距为0.8-1cm。
长圆筒连接端的内壁处的内径大于其余位置的内径,形成进样卡槽;环刀同心套装在进样卡槽内,环刀的一端设置有外沿,外沿与进样卡槽搭接,且二者之间装有密封件;环刀的另一端顶在进样卡槽侧壁上。
透水石的厚度为0.8-1cm,样品的厚度为0.2-0.3cm。
作为优选,监测孔数目为四个:位于两端的监测孔分别安装电导率探头,且分别与电导率采集器连接;位于中部的一个监测孔内安装孔隙水压力传感器,且与孔隙水压力采集器连接;另一个位于中部的监测孔为蒸发量监测孔。
两个圆筒的两个自由端分别通过连接件与底座连接固定。
一种仪器进行粘土膜效率系数的测定方法,
1)饱和:将抽滤到滤纸上的土样连同滤纸装入带边环刀内,粘土样上下面均贴有滤纸,滤纸外侧为透水石,在真空饱和装置中抽气饱和;
2)固结:将饱和好的土样装入固结仪固结压缩,计算压缩后土样的孔隙比;
3)压缩稳定后进行化学渗透实验,测试固结粘土样品的σ值;
4)调平两侧出水管高度后,开始监测;
5)根据两侧溶液的水头、浓度,计算不同历时的膜效率系数σ,分析σ的变化过程,分析膜效率系数与浓度等影响因素的关系。
步骤4中,监测过程中,监测两个圆筒内溶液水头的变化,记录两侧溶液水头由相等到压差加大、压差保持不变、压差减小回落的过程,等两侧压差不变或一致时,试验结束。监测两侧溶液的电导率,根据电导率与浓度的关系曲线,计算溶液浓度。
步骤3中,测试σ值时,两个圆筒内装不同的溶液:一侧圆筒装去离子水,另一侧装一定浓度的盐溶液;按0.001、0.005、0.01、0.05、0.1mol/L的浓度,分别进行五组化学渗透试验。
本发明在粘土样两侧加孔隙水压力监测装置,可实时监测圆筒内水压的微细变化,监测两侧水压力由相等、压差逐渐加大、压差保持不变、压差逐渐减小的动态变化过程,监测各阶段的持续时间。由于化学渗透过程较长,通过监测蒸发量,可扣除蒸发产生的水头变化。同样在两侧加电导率监测装置,可实时监测圆筒内的电导的动态变化过程,进而反映两侧溶液浓度的变化。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2为环刀的结构示意图。
图3为环刀与进样卡槽连接结构示意图。
图中:电导率探头1、孔隙水压力传感器2、溶液仓3、环刀4、粘土试样5、透水石6、底座7、水头管8、标尺9、圆筒端部进样卡槽10、密封圈11,电导率采集器12,孔隙水压力采集器13。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。
参见附图1-3,本发明主要提供一种测定固结粘土的膜效率系数σ的测定设备和方法。粘土膜不同于理想的半透膜,固结粘土的膜效率随着溶液浓度等外部条件的变化而变化,是一个变量,因此,化学渗透过程从产生到消失,也为一变化过程。为反映不同条件下的化学渗透过程及变化,设计此测定装置。
本发明所公开的这种粘土膜效率系数测定仪器,包括储液器皿、孔隙水压力采集器和电导率采集器。
储液器皿包括水平同轴设置的两个中空的圆筒,圆筒的对接处通过法兰连通在一起,构成溶液仓。作为优选,圆筒为有机玻璃的中空管。圆筒的筒壁上设置有多个监测孔,监测孔内安装有孔隙水压力传感器和电导率探头。两个圆筒分别为长圆筒和短圆筒,二者的长度差距为0.8-1cm。两个圆筒的两个自由端分别通过螺栓等连接件与底座连接固定,用“O”型橡胶圈密封。
长圆筒连接端的内壁处的内径大于其余位置的内径,即卡槽部位的有机玻璃壁稍薄于其他部位,即此处内径稍大,形成进样卡槽。环刀同心套装在进样卡槽内,环刀的一端设置有外沿,外沿与进样卡槽搭接,且二者之间装有密封件;环刀的另一端顶在进样卡槽侧壁上。带边环刀的外沿嵌入内壁凹槽中,内壁与环刀外壁贴紧,环刀一端的刀刃恰好压到突出的圆筒内壁上,环刀边沿与凹槽之间有“O”型橡胶密封圈,带边环刀外壁和卡槽内壁涂抹凡士林,这样可以防止出现侧渗。2cm高的环刀内装有两块厚度约0.8-1cm的透水石,透水石为圆盘形结构,竖沿圆筒轴线方向竖直放置,透水石厚度0.8-1.0cm,土样为0.2-0.3cm。
两块透水石间夹着固结压缩饱和后的粘土样品,样品厚约0.3cm。将两个圆筒通过螺栓固定到一起,使粘土样品也处于固结压缩状态。
圆筒的筒壁上设置有四个监测孔。位于两端的监测孔分别安装电导率探头,且分别与电导率采集器连接;位于中部的一个监测孔内安装孔隙水压力传感器,且与孔隙水压力采集器连接;另一个位于中部的监测孔为蒸发量监测孔。
整个设备的上方,通过安装架架装有两个水头管,水头管竖直设置,且分别与圆筒上的蒸发量监测孔上下对应。水头管外侧分别设置有一标尺。
通过监测孔注入一组溶液(可开展多组不同的浓度配比的实验),将水压力探头和电导率探头插入圆筒内壁处,用螺栓固定拧紧,轻敲水头管,排除两侧溶液中的气泡,通过观察标尺,用移液枪补液调节水头管内溶液的高度,使两侧两水头管水头一致。
打开孔隙水压力传感器,通过电脑设定监测时间间隔,开始实时连续监测,定期保存数据。同样,与孔隙水压同步读取电导率监测数据。
应用上述仪器进行粘土膜效率系数的测定方法,步骤如下。
1)饱和:将抽滤到滤纸上的土样连同滤纸装入带边环刀内,粘土样上下面均贴有滤纸,滤纸外侧为透水石,在真空饱和装置中抽气饱和。
2)固结:将饱和好的土样装入固结仪固结压缩,计算压缩后土样的孔隙比。
3)压缩稳定后进行化学渗透实验,测试固结粘土样品的σ值;测试σ值时,两个圆筒内装不同的溶液:一侧圆筒装去离子水,另一侧装一定浓度的盐溶液;按0.001、0.005、0.01、0.05、0.1mol/L的浓度,分别进行五组化学渗透试验。
4)调平两侧出水管高度后,开始监测;监测两个圆筒内溶液水头的变化,记录两侧溶液水头由相等到压差加大、压差保持不变、压差减小回落的过程,等两侧压差不变或一致时,试验结束。监测两侧溶液的电导率,根据电导率与浓度的关系曲线,计算溶液浓度。
5)根据两侧溶液的水头、浓度,计算不同;历时的膜效率系数σ,分析σ的变化过程,分析膜效率系数与浓度等影响因素的关系。
Claims (9)
1.一种粘土膜效率系数测定仪器,包括储液器皿、孔隙水压力采集器和电导率采集器,其特征在于:
所述储液器皿包括水平同轴设置的两个中空的圆筒,圆筒的对接处通过法兰连通在一起;圆筒的筒壁上设置有多个监测孔,监测孔内分别安装有孔隙水压力传感器和电导率探头;
其中一个圆筒的连接段内壁设有一进样卡槽;进样卡槽内嵌装有一环刀,环刀内装有并列设置的透水石,两透水石之间夹有固结的薄层粘土样品。
2.根据权利要求1所述的粘土膜效率系数测定仪器,其特征在于,所述的两个圆筒分别为长圆筒和短圆筒,二者的长度差距为0.8-1cm。
3.根据权利要求2所述的粘土膜效率系数测定仪器,其特征在于,所述长圆筒连接端的内壁处的内径大于其余位置的内径,形成进样卡槽;环刀同心套装在进样卡槽内,环刀的一端设置有外沿,外沿与进样卡槽搭接,且二者之间装有密封件;环刀的另一端顶在进样卡槽侧壁上。
4.根据权利要求3所述的粘土膜效率系数测定仪器,其特征在于, 所述透水石的厚度为0.8-1cm,样品的厚度为0.2-0.3cm。
5.根据权利要求3所述的粘土膜效率系数测定仪器,其特征在于,所述的监测孔数目为四个:位于两端的监测孔分别安装电导率探头,且分别与电导率采集器连接;位于中部的一个监测孔内安装孔隙水压力传感器,且与孔隙水压力采集器连接;另一个位于中部的监测孔为蒸发量监测孔。
6.根据权利要求1所述的粘土膜效率系数测定仪器,其特征在于,所述的两个圆筒的两个自由端分别通过连接件与底座连接固定。
7.一种应用权利要求1-6中任一项所述的仪器进行粘土膜效率系数的测定方法,其特征在于,
1)饱和:将抽滤到滤纸上的土样连同滤纸装入带边环刀内,粘土样上下面均贴有滤纸,滤纸外侧为透水石,在真空饱和装置中抽气饱和;
2)固结:将饱和好的土样装入固结仪固结压缩,计算压缩后土样的孔隙比;
3)压缩稳定后进行化学渗透实验,测试固结粘土样品的σ值;
4)调平两侧出水管高度后,开始监测;
5)根据两侧溶液的水头、浓度,计算不同历时的膜效率系数σ,分析σ的变化过程,分析膜效率系数与浓度等影响因素的关系。
8.根据权利要求7所述的粘土膜效率系数的测定方法,其特征在于,步骤4中,监测过程中,监测两个圆筒内溶液水头的变化,记录两侧溶液水头由相等到压差加大、压差保持不变、压差减小回落的过程,等两侧压差不变或一致时,试验结束,监测两侧溶液的电导率,根据电导率与浓度的关系曲线,计算溶液浓度。
9.根据权利要求7所述的粘土膜效率系数的测定方法,其特征在于,步骤3中,测试σ值时,两个圆筒内装不同的溶液:一侧圆筒装去离子水,另一侧装一定浓度的盐溶液;按0.001、0.005、0.01、0.05、0.1mol/L的浓度,分别进行五组化学渗透试验。
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