CN108693209B - 一种缓冲/回填材料导热系数测定装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于高放废物地质处置缓冲/回填材料导热性能测试领域，具体涉及一种缓冲/回填材料导热系数测定装置及方法；本发明的目的是，针对现有技术不足，提供一种获得缓冲/回填材料的导热性能，控制高放废物罐中产生的衰变热能的有效传递，为高放废物深地质处置库工程设计提供依据的缓冲/回填材料导热系数测定装置及方法；包括气体加载装置(1)、试验箱体(2)、样品架(3)、螺杆(4)、样品(5)、测试探头(6)、加热器(7)、温度传感器(8)、气体监测探头(9)、液体(10)、阀门A(11)、阀门B(12)及阀门C(13)。

Description

一种缓冲/回填材料导热系数测定装置及方法
技术领域
本发明属于高放废物地质处置缓冲/回填材料导热性能测试领域，具体涉及一种缓冲/回填材料导热系数测定装置及方法。
背景技术
高放废物深地质处置库中的高放废物释热将引起废物体、包装容器、缓冲材料和围岩中温度的升高，导致处置库内缓冲/回填材料和围岩产生应力变化及材料矿物成分和性能的改变。作为高放废物衰变热向处置库围岩传递的导体，缓冲/回填材料(膨润土及其添加剂)的导热性影响温度场的形成和热应力的分布，是废物罐中产生的衰变热能否有效传递的控制参数，也是处置库温度设计的重要依据。导热系数是高放废物处置系统设计的最关键参数之一，因此获得缓冲/回填材料的导热系数是非常重要的。
过去几十年里，已经发展了大量的导热测试方法与系统，但没有一种方法能够适合于所有的应用领域，对于特定的应用场合，也非所有方法都能适用。要得到准确的测量值，必须基于材料的导热系数范围与样品特征，选择正确的测试方法。根据缓冲/回填材料在高放废物地质处置库中的不同形态，对导热系数测试方法和仪器进行了优化选择：较松散、含水量较低的样品和粉末状试样，选用ISOMET导热性能测量仪；含水量较高的样品在测试过程中受热的影响较大，容易造成水分的迁移而使测量结果不准确，选用基于瞬态平面热源法的Hot Disk热常数分析仪，来快速、准确的测定高饱和度试样的导热系数、热扩散系数和比热。
发明内容
本发明的目的是，针对现有技术不足，提供一种获得缓冲/回填材料的导热性能，控制高放废物罐中产生的衰变热能的有效传递，为高放废物深地质处置库工程设计提供依据的缓冲/回填材料导热系数测定装置及方法。
本发明的技术方案是：
一种缓冲/回填材料导热系数测定装置，包括气体加载装置、试验箱体、样品架、螺杆、样品、测试探头、加热器、温度传感器、气体监测探头、液体、阀门A、阀门B及阀门C；其中气体加载装置通过管路与试验箱体相连通，管路靠近加载装置一端设有阀门A，管路靠近试验箱体一端设有阀门B，试验箱体下端设有加热器；试验箱体内部内面上设有样品架，两个样品上下放置于样品架内部，测试探头设于两个样品之间，螺杆穿过样品架将样品顶紧；所述温度传感器和气体监测探头设于试验箱体上部，箱体上还接有另一管路，所述阀门C设于该管路上。
一种缓冲/回填材料导热系数测定方法，该方法基于上述的装置实现，包括以下步骤：
步骤1、样品制备
(1.1)按一定比例称取膨润土和添加剂的质量，采用喷雾法配制不同含水量的试验样品，并密封保存至少48小时，保证其均匀；
(1.2)按预定的干密度和体积，计算并称量相应质量的膨润土和添加剂的质量；
(1.3)将称量好的膨润土及添加剂装入压制模具，启动压力机进行样品压制，将脱模后的测试样品记录其质量和体积，迅速装入密封袋中备用；
步骤2、样品安装
(2.1)将测试探头6夹在两个试验样品5中间，放入样品架3，通过旋紧螺杆4使试验样品5与测试探头6紧密接触；
(2.2)将安装好试样的样品架3放入试验箱体2中，倒入液体10，并控制液面高度低于样品架顶盖的高度；
步骤3、样品测试
(3.1)开启导热系数测试主机，同时启动加热器7，设定温度控制目标值30℃、50℃、70℃，待温度传感器8读数稳定后，开始测试，获取该试验样品在某一温度环境下的导热系数；
(3.2)待加热温度稳定后，先打开阀门A11后再打开阀门B12，进行气体加载控制，通过气体监测探头9读取试验箱体内氧气的浓度，待监测到的浓度达到10ppm、5ppm、1ppm，开始测试，获取该试验样品在不同温度和气氛环境下的导热系数；
(3.3)本组样品测试完毕后，关闭阀门B12和阀门A11，打开试验箱体2的顶盖，取出样品架，更换试验样品，按照试验步骤，开展下一组试验测试；
(3.4)所有试验样品全部测试完成后，关闭阀门B12和阀门A11，打开阀门C13，将液体排净，关闭测试主机。
(3.5)将试验样品取出后，采用烘干法测试样品的真实含水量，用于绘制该含水量试样在不同温度和气氛环境下的导热系数曲线。
本发明的有益效果是：
(1)本发明的一种缓冲/回填材料导热系数测定装置及方法，能够实现快速、准确的测定不同饱和度试样的导热系数；
(2)本发明的一种缓冲/回填材料导热系数测定装置及方法，可以实现不同温湿度和气氛等环境下样品的导热性能测试；
(3)本发明的一种缓冲/回填材料导热系数测定装置及方法，操作方便、测量便捷，可开展重复测试，测试结果精度高；
(4)本发明的一种缓冲/回填材料导热系数测定装置及方法，也可适用于岩石、混凝土、金属等材料的导热性能测试。
附图说明
图1是一种缓冲/回填材料导热系数测定装置结构示意图。
图中：1-气体加载装置、2-试验箱体、3-样品架、4-螺杆、5-样品、6-测试探头、7-加热器、8-温度传感器、9-气体监测探头、10-液体、11-阀门A、12-阀门B、13-阀门C。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明进行进一步的介绍：
一种缓冲/回填材料导热系数测定装置，包括气体加载装置1、试验箱体2、样品架3、螺杆4、样品5、测试探头6、加热器7、温度传感器8、气体监测探头9、液体10、阀门A11、阀门B12及阀门C13；其中气体加载装置1通过管路与试验箱体2相连通，管路靠近加载装置1一端设有阀门A11，管路靠近试验箱体2一端设有阀门B12，试验箱体2下端设有加热器7；试验箱体2内部内面上设有样品架3，两个样品5上下放置于样品架3内部，测试探头6设于两个样品5之间，螺杆4穿过样品架3将样品5顶紧；所述温度传感器8和气体监测探头9设于试验箱体2上部，箱体2上还接有另一管路，所述阀门C13设于该管路上。
一种缓冲/回填材料导热系数测定，该方法基于上述的装置实现，包括以下步骤：
步骤1、样品制备
(1.1)按一定比例称取膨润土和添加剂的质量，采用喷雾法配制不同含水量的试验样品，并密封保存至少48小时，保证其均匀；
(1.2)按预定的干密度和体积，计算并称量相应质量的膨润土和添加剂的质量；
(1.3)将称量好的膨润土及添加剂装入压制模具，启动压力机进行样品压制，将脱模后的测试样品记录其质量和体积，迅速装入密封袋中备用；
步骤2、样品安装
(2.1)将测试探头6夹在两个试验样品5中间，放入样品架3，通过旋紧螺杆4使试验样品5与测试探头6紧密接触；
(2.2)将安装好试样的样品架3放入试验箱体2中，倒入液体10，并控制液面高度低于样品架顶盖的高度；
步骤3、样品测试
(3.1)开启导热系数测试主机，同时启动加热器7，设定温度控制目标值30℃、50℃、70℃，待温度传感器8读数稳定后，开始测试，获取该试验样品在某一温度环境下的导热系数；
(3.2)待加热温度稳定后，先打开阀门A11后再打开阀门B12，进行气体加载控制，通过气体监测探头9读取试验箱体内氧气的浓度，待监测到的浓度达到10ppm、5ppm、1ppm，开始测试，获取该试验样品在不同温度和气氛环境下的导热系数；
(3.3)本组样品测试完毕后，关闭阀门B12和阀门A11，打开试验箱体2的顶盖，取出样品架，更换试验样品，按照试验步骤，开展下一组试验测试；
(3.4)所有试验样品全部测试完成后，关闭阀门B12和阀门A11，打开阀门C13，将液体排净，关闭测试主机。
(3.5)将试验样品取出后，采用烘干法测试样品的真实含水量，用于绘制该含水量试样在不同温度和气氛环境下的导热系数曲线。
实施例
步骤1、样品制备
(1.1)按一定比例(9:1)称取膨润土和添加剂的质量，采用喷雾法配制不同含水量(10％)的试验样品，并密封保存至少48小时，保证其均匀；
(1.2)按预定的干密度(1.7g/cm3)和体积(Φ30mm×10mm)，计算并称量相应质量的膨润土和添加剂的质量；
(1.3)将称量好的膨润土及添加剂装入压制模具，启动压力机进行样品压制，将脱模后的测试样品记录其质量和体积，迅速装入密封袋中备用；
步骤2、样品安装
(2.1)将测试探头6夹在两个试验样品5中间，放入样品架3，通过旋紧螺杆4使试验样品5与测试探头6紧密接触；
(2.2)将安装好试样的样品架3放入试验箱体2中，倒入液体10，并控制液面高度低于样品架顶盖的高度；
步骤3、样品测试
(3.1)开启导热系数测试主机，同时启动加热器7，设定温度控制目标值为30℃，待温度传感器8读数稳定后，开始测试，获取该试验样品在30℃温度环境下的导热系数；
(3.2)待加热温度稳定后，先打开阀门A11后再打开阀门B12，进行气体加载控制，通过气体监测探头9读取试验箱体内氧气的浓度，待监测到的浓度达到10ppm时，开始测试，获取该试验样品在30℃温度和10ppm气氛环境下的导热系数；
(3.3)同理，将温度控制目标值设定为50℃，待温度传感器8读数稳定后，开始测试，获取该试验样品在50℃温度环境下的导热系数；
(3.4)待加热温度稳定后，先打开阀门A11后再打开阀门B12，进行气体加载控制，通过气体监测探头9读取试验箱体内氧气的浓度，待监测到的浓度达到5ppm时，开始测试，获取该试验样品在50℃温度和5ppm气氛环境下的导热系数；
(3.5)同理，将温度控制目标值设定为70℃，待温度传感器8读数稳定后，开始测试，获取该试验样品在70℃温度环境下的导热系数；
(3.6)待加热温度稳定后，先打开阀门A11后再打开阀门B12，进行气体加载控制，通过气体监测探头9读取试验箱体内氧气的浓度，待监测到的浓度达到1ppm时，开始测试，获取该试验样品在70℃温度和1ppm气氛环境下的导热系数；
(3.7)本组样品测试完毕后，关闭阀门B12和阀门A11，打开试验箱体2的顶盖，取出样品架，更换试验样品，按照试验步骤，开展下一组试验测试；
(3.8)所有试验样品全部测试完成后，关闭阀门B12和阀门A11，打开阀门C13，将液体排净，关闭测试主机。
(3.9)将试验样品取出后，采用烘干法测试样品的真实含水量，用于绘制该含水量试样在不同温度和气氛环境下的导热系数曲线。

Claims (1)

1.一种缓冲/回填材料导热系数测定方法，其特征在于：该方法基于缓冲/回填材料导热系数测定装置实现，所述缓冲/回填材料导热系数测定装置包括：气体加载装置(1)、试验箱体(2)、样品架(3)、螺杆(4)、样品(5)、测试探头(6)、加热器(7)、温度传感器(8)、气体监测探头(9)、液体(10)、阀门A(11)、阀门B(12)及阀门C(13)；其中气体加载装置(1)通过管路与试验箱体(2)相连通，管路靠近气体加载装置(1)一端设有阀门A(11)，管路靠近试验箱体(2)一端设有阀门B(12)，试验箱体(2)下端设有加热器(7)；试验箱体(2)内部内面上设有样品架(3)，两个样品(5)上下放置于样品架(3)内部，测试探头(6)设于两个样品(5)之间，螺杆(4)穿过样品架(3)将样品(5)顶紧；所述温度传感器(8)和气体监测探头(9)设于试验箱体(2)上部，试验箱体(2)上还接有另一管路，所述阀门C(13)设于该管路上；
所述缓冲/回填材料导热系数测定方法，包括以下步骤：步骤1、样品制备(1.1)按一定比例称取膨润土和添加剂的质量，采用喷雾法配制不同含水量的试验样品，并密封保存至少48小时，保证其均匀；(1.2)按预定的干密度和体积，计算并称量相应质量的膨润土和添加剂的质量；(1.3)将称量好的膨润土及添加剂装入压制模具，启动压力机进行样品压制，将脱模后的测试样品记录其质量和体积，迅速装入密封袋中备用；步骤2、样品安装(2.1)将测试探头(6)夹在两个样品(5)中间，放入样品架(3)，通过旋紧螺杆(4)使样品(5)与测试探头(6)紧密接触；(2.2)将安装好试样的样品架(3)放入试验箱体(2)中，倒入液体(10)，并控制液面高度低于样品架顶盖的高度；步骤3、样品测试(3.1)开启导热系数测试主机，同时启动加热器(7)，设定温度控制目标值30℃、50℃、70℃，待温度传感器(8)读数稳定后，开始测试，获取该试验样品在某一温度环境下的导热系数；(3.2)待加热温度稳定后，先打开阀门A(11)后再打开阀门B(12)，进行气体加载控制，通过气体监测探头(9)读取试验箱体内氧气的浓度，待监测到的浓度达到10ppm、5ppm、1ppm，开始测试，获取该试验样品在不同温度和气氛环境下的导热系数；(3.3)本组样品测试完毕后，关闭阀门B(12)和阀门A(11)，打开试验箱体(2)的顶盖，取出样品架，更换试验样品，按照试验步骤，开展下一组试验测试；(3.4)所有试验样品全部测试完成后，关闭阀门B(12)和阀门A(11)，打开阀门C(13)，将液体排净，关闭测试主机；(3.5)将试验样品取出后，采用烘干法测试样品的真实含水量，用于绘制该含水量试样在不同温度和气氛环境下的导热系数曲线。
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