CN108572124A - 高聚物浆液自膨胀特性测试装置及其测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高聚物浆液自膨胀特性测试装置，用于测试不同水压力环境下高聚物浆液的自膨胀特性。该装置包括承压容器、压力控制系统、流量监测系统和进水排水管路。压力控制系统包括安全阀和试压泵；进水排水管路包括进水管、排水管；同时，本发明还公开了所述测试装置的测试方法。本发明操作简便、压力可调、密封性好，为测试不同水压力环境下高聚物浆液膨胀性能提供了一种有效手段，所得测试结果能够为地下工程水害防治高聚物注浆参数设计提供依据。

Description

高聚物浆液自膨胀特性测试装置及其测试方法

技术领域

本发明属地下基础设施安全防护领域，具体涉及一种高聚物浆液自膨胀特性测试装置及其测试方法。

背景技术

受不良地质条件的影响，渗漏、突涌水等灾害始终是隧道施工和矿井生产过程中无法回避的技术难题。据统计，我国岩溶地区修建的隧道，90%以上在施工过程中曾遭受不同程度的突涌水侵害，不仅给施工带来巨大困难，而且严重威胁着工程设备和人员安全。在矿业开采领域，据不完全统计，我国因煤矿透水死亡人数占煤炭工业总死亡人数的比例高达30%以上。近年来，因隧道开挖和矿井采掘导致的突涌水事故不胜枚举，造成了十分惨重的损失。发展高效、可靠的水害防治技术对于保障岩体工程施工和矿业开采安全具有迫切而现实的意义。

注浆是岩体工程水害防治的主要手段。20世纪50年代以来，集岩土力学、化学和材料学于一体的化学灌浆技术得到了迅猛发展。尤其是从上世纪60年代起，随着近代高分子科学的不断进步，有机高分子化学灌浆材料的研究和应用受到国内外日益广泛的重视，新型注浆材料不断涌现。目前国内外已研制出百余种化学灌浆材料，按其主剂大体可分为水玻璃、木质素、丙烯酰胺、聚乙烯醇、脲醛树脂、糠醛树脂、环氧树脂及聚氨酯等类型，形成了一个庞大的家族。

近年来，具有自膨胀特性的双组分聚氨酯高聚物注浆材料及其高压注射技术在国际上发展十分迅速，成为化学灌浆领域较为活跃的发展方向之一，目前已广泛应用于岩体水害防治。其原理是通过向岩体裂隙（孔隙）中注射双组分高聚物材料，利用高聚物材料发生化学反应后体积迅速膨胀并固化的特性，实现填充空隙、封堵渗漏通道、防治水害的目的。

与非膨胀性浆材主要依赖于注浆压力驱动的扩散机制不同，高聚物浆液被注入到介质间隙中之后，主要依靠浆液自身膨胀作用推动浆液运动。由于高聚物浆液的膨胀性能与所处环境压力、反应时间等因素有关，因此与非膨胀性浆材相比，高聚物材料的注浆机理十分复杂，给注浆孔间距、注浆量等注浆参数设计带来极大困难，使得注浆施工主要依赖于操作人员经验，难以保障注浆效果和施工质量。

掌握不同水压力条件下高聚物浆液的膨胀性能是合理设计注浆参数（注浆孔间距、注浆量等）的关键，但目前还未见关于不同水压力下高聚物浆液自膨胀性能测试方法的报道。

发明内容

本发明结合我国地下工程水害防治的需要，针对高聚物浆液自膨胀特性测试方法匮乏的现状，发明了一种易于组装、操作简便的高聚物浆液自膨胀特性测试装置及其测试方法，为测试不同水压力条件下高聚物浆液的自膨胀特性提供了一种有效手段，所得测试结果可以为注浆施工参数设计提供依据。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：

一种高聚物浆液自膨胀特性测试装置，包括承压容器、压力控制系统、流量监测系统和进水排水管路；进水排水管路包括进水管和排水管，进水管与排水管分别与承压容器连接；压力控制系统包括安全阀和试压泵，试压泵经连接管Ⅰ与进水管连接，连接管Ⅰ上安装有试压阀门，进水管上安装有进水阀门，进水阀门与承压容器之间的进水管与连接管Ⅰ连接，排水管出水端连接安全阀，安全阀的出水口通过连接管Ⅱ连接有流量监测系统，承压容器上端安设有排气阀门。

所述承压容器包括耐压圆筒、上盖板和下盖板，耐压圆筒上端与上盖板连接，耐压圆筒下端与下盖板连接。

承压容器的上盖板和下盖板与耐压圆筒连接部位刻有与所述耐压圆筒内外径尺寸相匹配的凹槽，所述耐压圆筒两端分别深入凹槽内，内嵌密封垫圈用来密封防漏。

承压容器上端中央安设注浆头，注浆头与承压容器之间通过止回阀连接。

所述承压容器内设置有杯口向上的金属杯，金属杯杯口所在高度高于排水管与承压容器连接处所在高度。

所述金属杯底部焊接金属托架，金属杯直径小于承压容器内径1cm-2cm，金属杯杯底所在高度高于排水管与承压容器连接处所在高度。

流量监测系统为流量计，进水管连接有压力表。

所述的高聚物浆液自膨胀特性测试装置的测试方法，包括以下步骤：

（1）将进水管连接外接水源，打开排气阀门和进水阀门，向承压容器内注水，当水充满承压容器后从排气阀门溢出时，关闭进水阀门和排气阀门；

（2）连接试压泵，打开试压阀门，利用试压泵对容器加压，调节安全阀的弹簧预紧度，将安全阀的开启压力调整为拟设定的环境水压力，调整完毕后关闭试压阀门；

（3）向承压容器内注入高聚物浆液；

（4）利用流量监测系统记录瞬时流量、累积流量数据，根据记录数据得到高聚物浆液体积随时间变化情况。

所述的高聚物浆液自膨胀特性测试装置的测试方法，步骤（2）中，在进水管上安装压力表，根据压力表读数，调节安全阀的弹簧预紧度，将安全阀的开启压力调整为拟设定的环境水压力，调整完毕后关闭试压阀门。

所述的高聚物浆液自膨胀特性测试装置的测试方法，步骤（3）中，向承压容器内注入的高聚物浆液体积小于承压容器容积的1/30，金属杯内部容积大于等于承压容器容积的1/30。

本发明的有益效果为：

（1）能够设置不同的水压力环境，测试不同水压力下高聚物浆液的膨胀特性，如体积膨胀倍数、膨胀速度和膨胀持续时间等；

（2）通过对不同水压力环境下高聚物浆液膨胀性能的测试，为岩体工程水害防治高聚物注浆参数设计提供依据；

（3）测试装置结构简单，易于加工制作和组装，可用于室内或现场试验；

（4）测试过程操作简便、快捷。

附图说明

图1为测试装置的整体结构剖面图。

图2为金属杯和托架立体图。

其中：1-耐压圆筒；2-上盖板；3-下盖板；4-高强螺杆；5-安全阀；6-压力表；7-试压泵；8-止回阀；9-注浆头；10-排气阀门；11-进水管；12-排水管；13-金属杯；14-流量计；15-进水阀门；16-密封垫片；17-托架；18-试压阀门；19-连接管Ⅰ；20-连接管Ⅱ。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明。

如图1-图2所示，一种高聚物浆液自膨胀特性测试装置，包括承压容器、压力控制系统、流量监测系统和进水排水管路；承压容器是容纳测试用水，并为高聚物浆液提供一个注射和膨胀空间；进水排水管路包括进水管11和排水管12，进水管11与排水管12与承压容器下部或底部连接，进水管11用于测试前向承压容器中注水；排水管12用于排出测试过程中受高聚物浆液膨胀作用而从承压容器中流出的水；压力控制系统包括安全阀5和试压泵7构成，试压泵7经连接管Ⅰ19与进水管11连接，连接管Ⅰ上安装有试压阀门18，进水管11上安装有进水阀门15，进水阀门15与承压容器之间的进水管与连接管Ⅰ19连接，排水管12出水端连接安全阀5，安全阀5的出水口通过连接管Ⅱ20连接有流量监测系统14，承压容器上端安设有排气阀门10。

压力控制系统是用于调节安全阀5的开启压力，使其等于拟设定的环境水压力；流量监测系统为流量计，流量计14具有显示和存储瞬时流量和累积流量数据的功能，流量监测系统是监测浆液膨胀排水过程中的瞬时流量和累积流量，得到浆液体积随时间变化的数据。通过设置不同水压力环境，可测得不同水压力下高聚物浆液的膨胀性能。

承压容器由耐压圆筒1、上盖板2和下盖板3组成，耐压圆筒1上端与上盖板2连接，耐压圆筒1下端与下盖板3连接，耐压圆筒1与上盖板2和下盖板3通过高强螺杆4进行固定。

上盖板2和下盖板3与耐压圆筒1连接部位分别刻有与耐压圆筒内外径尺寸相匹配的凹槽，耐压圆筒两端分别伸入凹槽内，凹槽内嵌密封垫16用来密封防漏。

上盖板2安设注浆头9，注浆头9与上盖板2之间通过止回阀8连接，以保证高聚物浆液被注入后，在内压力作用下浆液或水不会从注浆头泄露或溢出。

上盖板2安设排气阀门10，用于保证从承压容器底部注水过程中，承压容器内空气被充分排出，承压容器内部被水充满。

承压容器内放置杯口向上的金属杯13，用以拦截、容纳沿注浆头9向下垂直注入的高聚物浆液，避免浆液在注射压力作用下直接到达承压筒底部，膨胀过程中流入排水管12堵塞排水通道。

金属杯13直径小于圆筒内径1cm-2cm。

金属杯13底部焊接金属托架17，金属杯13杯口所在高度高于排水管与承压容器连接处所在高度，金属杯13杯口朝向注浆头。优先的上盖板2中心安设注浆头9。

当排水管与承压容器连接处所在高度位于杯口和杯底之间，且金属杯杯壁与承压容器内壁之间空隙相对狭小，排水速度会受到一定影响；如果排水管与承压容器连接处所在高度低于杯底，接口处水流空间较大，更便于排水；另外高聚物浆液膨胀后体积迅速增大，密度急剧降低，在水浮力作用下浆液会上升并悬浮于承压容器顶部，并自上而下将承压容器内的水逐渐排出，在这种情况下，排水管与承压容器连接处的高度越底，越不易出现高聚物浆液在膨胀过程中堵塞排水口的情况。所以优先的金属杯13杯底所在高度高于排水管与承压容器连接处所在高度。

进水管11连接有压力表6，试压泵7、压力表6配合使用，用于调整并设定安全阀5的开启压力。

本发明的高聚物浆液自膨胀特性测试装置利用高聚物浆液在密闭承压容器内的自膨胀特性对水进行加压，当容器内压力值超过安全阀5预先设定的开启压力时，安全阀5自动排水泄压，压力回到设定值时停止排水，在此过程中不借助外加压力。

所述高聚物浆液膨胀特性测试装置的测试方法，包括以下步骤：

（1）组装测试装置：在上、下盖板凹槽内放入密封垫片16，将圆筒底部嵌入下盖板3凹槽内，把带托架17的圆柱形金属杯13杯口向上放入圆筒1内，安放上盖板2，用高强螺杆4固定耐压圆筒1、上盖板2和下盖板3，连接进水排水管路，将压力表6、流量计14、安全阀5、试压泵7、进水阀门15、排气阀门10、试压阀门18等连接完毕。

（2）进水管11连接外接水源，打开排气阀门10和进水阀门15，向承压容器内注水，当水充满承压容器后从排气阀门10溢出时，关闭进水阀门15和排气阀门10。

（3）连接试压泵7，打开试压阀门18，利用试压泵7对容器加压，调节安全阀5的弹簧预紧度，反复调试，将安全阀5的开启压力调整为拟设定的环境水压力，完毕后关闭试压阀门18；

具体可根据压力表6读数，调节安全阀5的弹簧预紧度，将安全阀5的开启压力调整为拟设定的环境水压力，完毕后关闭试压阀门18。

（4）注浆头9连接注浆枪，向承压容器内注入高聚物浆液，注入的高聚物浆液体积可小于承压容器容积的1/30，金属杯内部容积大于等于承压容器容积的1/30；

（5）利用流量监测系统14记录瞬时流量、累积流量数据，根据记录数据得到高聚物浆液体积随时间变化情况；

（6）测试结束后，拆分承压容器，清除残留水和高聚物浆液固化体，准备下一次测试。

显然，上述实施方式仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本专利的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种高聚物浆液自膨胀特性测试装置，其特征在于，包括承压容器、压力控制系统、流量监测系统和进水排水管路；进水排水管路包括进水管和排水管，进水管与排水管分别与承压容器连接；压力控制系统包括安全阀和试压泵，试压泵经连接管Ⅰ与进水管连接，连接管Ⅰ上安装有试压阀门，进水管上安装有进水阀门，进水阀门与承压容器之间的进水管与连接管Ⅰ连接，排水管出水端连接安全阀，安全阀的出水口通过连接管Ⅱ连接有流量监测系统，承压容器上端安设有排气阀门。

2.根据权利要求1所述的高聚物浆液自膨胀特性测试装置，其特征在于，所述承压容器包括耐压圆筒、上盖板和下盖板，耐压圆筒上端与上盖板连接，耐压圆筒下端与下盖板连接。

3.根据权利要求2所述的高聚物浆液自膨胀特性测试装置，其特征在于，承压容器的上盖板和下盖板与耐压圆筒连接部位刻有与所述耐压圆筒内外径尺寸相匹配的凹槽，所述耐压圆筒两端分别深入凹槽内，内嵌用来密封防漏的密封垫圈。

4.根据权利要求1所述的高聚物浆液自膨胀特性测试装置，其特征在于，承压容器上端中央安设注浆头，注浆头与承压容器之间通过止回阀连接。

5.根据权利要求1所述的高聚物浆液自膨胀特性测试装置，其特征在于，所述承压容器内设置有杯口向上的金属杯，金属杯杯口所在高度高于排水管与承压容器连接处所在高度。

6.根据权利要求5所述的高聚物浆液自膨胀特性测试装置，其特征在于，所述金属杯底部焊接金属托架，金属杯直径小于承压容器内径1cm-2cm，金属杯杯底所在高度高于排水管与承压容器连接处所在高度。

7.根据权利要求1所述的高聚物浆液自膨胀特性测试装置，其特征在于，流量监测系统为流量计，进水管连接有压力表。

8.根据权利要求1-7任一权利要求所述的高聚物浆液自膨胀特性测试装置的测试方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）将进水管连接外接水源，打开排气阀门和进水阀门，向承压容器内注水，当水充满承压容器后从排气阀门溢出时，关闭进水阀门和排气阀门；

（2）连接试压泵，打开试压阀门，利用试压泵对容器加压，调节安全阀的弹簧预紧度，将安全阀的开启压力调整为拟设定的环境水压力，调整完毕后关闭试压阀门；

（3）向承压容器内注入高聚物浆液；

（4）利用流量监测系统记录瞬时流量、累积流量数据，根据记录数据得到高聚物浆液体积随时间变化情况。

9.根据权利要求8所述的高聚物浆液自膨胀特性测试装置的测试方法，其特征在于，步骤（2）中，在进水管上安装压力表，根据压力表读数，调节安全阀的弹簧预紧度，将安全阀的开启压力调整为拟设定的环境水压力，调整完毕后关闭试压阀门。

10.根据权利要求8所述的高聚物浆液自膨胀特性测试装置的测试方法，其特征在于，步骤（3）中，向承压容器内注入的高聚物浆液体积小于承压容器容积的1/30，金属杯内部容积大于等于承压容器容积的1/30。