CN109655599A - 一种高压实膨润土膨胀力-渗透耦合试验仪及其使用方法 - Google Patents
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Abstract
一种高压实膨润土膨胀力‑渗透耦合试验仪及其使用方法，包括组合试样环，组合试样环上部通过螺纹杆与顶盘固定，顶盘中部设有传感器，传感器下部的感应探头与长活塞接触，长活塞位于组合试样环内，组合试样环内嵌有环刀，环刀位于长活塞下方；环刀上下分别放置有金属透水石，环刀下部的金属透水石下面设有螺旋槽，螺旋槽两端分别设有进水管和第一出水管；所述的金属透水石两侧均设有螺旋槽。本发明专利既能够精确测量膨润土湿化过程中的膨胀力或膨胀变形，又能够通过测量进、出水量计算膨润土试样的饱和渗透系数。
Description
技术领域
本发明属于膨润土膨胀力-渗透耦合试验装置领域，特别涉及一种高压实膨润土膨胀力-渗透耦合试验仪及其使用方法。
背景技术
核能是一种清洁能源，日益受到人们青睐，但其遗留的高放射性核废料处理也受到了人们关注。就目前而言，深地处置是世界公认最可行的处置方案，膨润土具有的高膨胀、低渗透特性，从而成为核废料处置库首选的回填和缓冲材料。渗透性和膨胀性是评价膨润土能否成为屏障材料的核心指标。因此，开发既能测定膨润土膨胀力、膨胀变形，又能测量膨润土渗透系数的试验仪，具有强烈的社会应用需求。
发明内容
鉴于背景技术所存在的技术问题，本发明所提供的一种高压实膨润土膨胀力-渗透耦合试验仪及其使用方法，既能够精确测量膨润土湿化过程中的膨胀力或膨胀变形，又能够通过测量进、出水量计算膨润土试样的饱和渗透系数。
为了解决上述技术问题，本发明采取了如下技术方案来实现：
一种高压实膨润土膨胀力-渗透耦合试验仪，包括组合试样环，组合试样环上部通过螺纹杆与顶盘固定，顶盘中部设有传感器，传感器下部的感应探头与长活塞为点面接触，长活塞位于组合试样环内，组合试样环内嵌有环刀，环刀位于长活塞下方；环刀上下分别放置有金属透水石，环刀上部的金属透水石两侧分别连通有进水管和第二出水管，所述第二出水管与针筒连接；环刀下部的金属透水石一侧设有第一出水管；
环刀下部的金属透水石下面设有螺旋槽，螺旋槽两端分别设有进水管；进水管与GDS压力控制器连接；GDS压力控制器为进水装置；
所述的组合试样环为第一试样环和第二试样环拼合而成，螺纹杆将第一试样环和第二试样环可拆卸地固定连接，第一试样环和第二试样环分界线位于嵌入的环刀处；第二试样环位于第一试样环下方，螺旋槽位于第二试样环内。
优选的方案中，所述的长活塞上部与传感器的感应探头自然接触，长活塞下部与金属透水石固定相连，长活塞、组合试样环、金属透水石与环刀的中心轴皆处在同一竖直轴线上。
优选的方案中，所述的环刀直径大于组合试样环内径，环刀水平嵌于组合试样环内壁；长活塞位于组合试样环内的部分，其直径等于组合试样环内径，长活塞与组合试样环相配合。
优选的方案中，所述的环刀嵌入组合试样环内壁的部分，其两端上下均设有密封圈；长活塞与组合试样环内壁接触部分设有密封圈。
优选的方案中，所述的顶盘中部开设有口，传感器设在顶盘开设的口内，传感器的压力调节旋钮设在顶盘上表面。
优选的方案中，所述的组合试样环底部设有多根支撑立柱。
优选的方案中，所述的螺纹杆设在组合试样环上部且靠近组合试样环边缘位置，且贯穿于组合试样环，螺纹杆通过螺母与组合试样环和顶盘连接。
优选的方案中，所述的环刀为中空结构，其内部整体压入有试样。
优选的方案中，所述的进水管、第一出水管和第二出水管贯穿于组合试样环；进水管、第一出水管和第二出水管上均设有阀门。
本专利可达到以下有益效果：
1、螺旋槽增大了金属透水石与水接触的面积，提高了试样吸水速度；且膨润土渗透系数小，螺旋槽与试样之间的空间可以充当压力室，避免了传统技术方案需要单独设置压力室的问题；
2、组合试样环采用可拆卸的结构，大大方便了试验操作，利于取放试样；
3、简化了之前将试样从压样器推出再放入的过程，减小中间过程对膨润土造成的影响，且可防止绕渗；
4、可以对膨润土进行渗透和膨胀性能多种试验；
5、传感器配合长活塞能测量膨润土湿化过程中的膨胀力或膨胀变形；
6、本发明专利的创新之处在于简化了以往将试样从压样器推出再放入的过程，克服取出放入过程对试样尺寸、含水量造成的影响；
7、将试样制备完毕连同环刀整体放入组合试样环，解决传统水-力特性试验时的绕渗问题，提供更为准确的试验数据；
8、螺纹杆贯穿于组合试样环，不仅可以固定组合试样环与顶盘，也起到固定第一试样环和第二试样环的作用；
9、价格低廉，结构简单，便于操作；
10、本专利主要是通过称量出水的质量进而计算渗透系数，这样水质量可以精确到小数点后两位，要远比直接读取水量差精确。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：
图1为本发明解剖图；
图2为本发明俯视图；
图3 为本发明环刀详图；
图4 为本发明第二试样环详图。
图中：顶盘1、压力调节旋钮2、传感器3、螺纹杆4、长活塞5、组合试样环6、密封圈7、环刀8、试样9、金属透水石10、第一出水管11、螺旋槽12、进水管13、撑立柱14、第二出水管15。
具体实施方式
优选的方案如图1所示，一种高压实膨润土膨胀力-渗透耦合试验仪，包括组合试样环6，组合试样环6上部通过螺纹杆4与顶盘1固定，顶盘1中部设有传感器3，传感器3下部的感应探头与长活塞5接触，长活塞5位于组合试样环6内，组合试样环6内嵌有环刀8，环刀8位于长活塞5下方；环刀8上下分别放置有金属透水石10，环刀8上部的金属透水石10两侧分别连通有进水管13和第二出水管15，所述第二出水管15与针筒连接，所述针筒为出水测量装置；
环刀8下部的金属透水石10一侧设有第一出水管11，环刀8下部的金属透水石10下面设有螺旋槽12，螺旋槽12两端分别设有进水管13；进水管13与GDS压力控制器连接；GDS压力控制器为进水装置；
所述的金属透水石10两侧均设有螺旋槽12；进水管13和第一出水管11均连接在螺旋槽12上；
所述的传感器3为压力传感器，其量程为0-3t，精度为1kg；其型号可选择ELE801；
所述的进水管13、第一出水管11和第二出水管15上均设有阀门，阀门位于组合试样环6外。
优选的方案如图1所示，所述长活塞5上部与传感器3的感应探头自然接触，长活塞5下部与金属透水石10固定相连，长活塞5、组合试样环6、金属透水石10与环刀8的中心轴皆处在同一竖直轴线上。
优选的方案如图1所示，环刀8直径大于组合试样环6内径，环刀8水平嵌于组合试样环6内壁；长活塞5位于组合试样环6内的部分，其直径等于组合试样环6内径，长活塞5与组合试样环6相配合。
优选的方案如图1所示，环刀8嵌入组合试样环6内壁的部分，其两端上下均设有密封圈7；长活塞5与组合试样环6内壁接触部分设有密封圈7。
优选的方案如图1和图2所示，顶盘1中部开设有口，传感器3设在顶盘1开设的口内，传感器3的压力调节旋钮2设在顶盘1上表面。
优选的方案如图1所示，组合试样环6底部设有多根支撑立柱14；所述的支撑立柱14可设为三根，用于支撑整个装置。
优选的方案如图1所示，所述的螺纹杆4设在组合试样环6上部且靠近组合试样环6边缘位置，且贯穿于组合试样环6，螺纹杆4通过螺母与组合试样环6和顶盘1连接。
优选的方案如图1和图3所示，环刀8为中空结构，上下面设有滤纸，其内部整体压入有试样9，滤纸紧贴于试样9。
优选的方案如图1和图4所示，组合试样环6为第一试样环和第二试样环拼合而成，第一试样环和第二试样环可拆卸地固定连接，第一试样环和第二试样环分界线位于嵌入的环刀8处；第二试样环位于第一试样环下方，螺旋槽12位于第二试样环内。
优选的方案如图1所示，所述的进水管13、第一出水管11和第二出水管15贯穿于组合试样环6。
优选的方案所述的一种高压实膨润土膨胀力-渗透耦合试验仪的使用方法，包括如下步骤：
步骤一：做膨胀力试验时，试样上、下面分别放置金属透水石10，上、下金属透水石10两侧皆设有螺旋槽12，可通过进水管13、第一出水管11和第二出水管15的阀门控制水流；上侧金属透水石10顶部设有长活塞，与用于测量试样膨胀力或膨胀变形的传感器3相连接，从而能够精确测量膨润土湿化过程中的膨胀力或膨胀变形；
步骤二：做渗透试验时，将试样9上方金属透水石10的进水管13和第一出水管11的阀门关闭，确保水从螺旋槽12两端的进水管13进水，同时第二出水管15连接针筒；通过如下计算公式计算试样9的饱和渗透系数：
通过计算流入针筒中水的质量进而计算渗透系数；计算公式：k=QL/AHt
式中：k—渗透系数；
Q—水的体积（实验用水为纯水，1g水的体积为1cm3）；
L—试样高度（本专利试样高度为1cm）；
A—试样截面面积（本专利试样截面面积为3.142.5*2.5cm2）；
H—水位差（100m水位差的水压力为1Mpa）；
针筒可以记录自身水量体积的变化Q，将Q值带入上式即可计算出试样的渗透系数，这种方法可以作为一种计算方式，进而提高实验数据的准确度；
上述所述的计算公式为公知常识。
通过上述说明内容，本领域技术人员完全可以在不偏离本项发明技术思想范围内，进行多样变更以及修改都在本发明的保护范围之内，本发明的未尽事宜，属于本领域技术人员的公共常识。
上述的实施例仅为本发明的优选技术方案，而不应视为对于本发明的限制，本发明的保护范围应以权利要求记载的技术方案，包括权利要求记载的技术方案中技术特征的等同替换方案为保护范围。即在此范围内的等同替换改进，也在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种高压实膨润土膨胀力-渗透耦合试验仪，其特征在于：包括组合试样环（6），组合试样环（6）上部通过螺纹杆（4）与顶盘（1）固定，顶盘（1）中部设有传感器（3），传感器（3）下部的感应探头与长活塞（5）为点面接触，长活塞（5）位于组合试样环（6）内，组合试样环（6）内嵌有环刀（8），环刀（8）位于长活塞（5）下方；环刀（8）上下分别放置有金属透水石（10），环刀（8）上部的金属透水石（10）两侧分别连通有进水管（13）和第二出水管（15），所述第二出水管（15）与针筒连接；
环刀（8）下部的金属透水石（10）一侧设有第一出水管（11），环刀（8）下部的金属透水石（10）下面设有螺旋槽（12），螺旋槽（12）两端分别设有进水管（13）；进水管（13）与GDS压力控制器连接；
组合试样环（6）为第一试样环和第二试样环拼合而成，第二试样环位于第一试样环下方，螺纹杆（4）将第一试样环和第二试样环可拆卸地固定连接，第一试样环和第二试样环分界线位于嵌入的环刀（8）处；第二试样环位于第一试样环下方，螺旋槽（12）位于第二试样环内。
2.根据权利要求1所述的一种高压实膨润土膨胀力-渗透耦合试验仪，其特征在于：所述长活塞（5）上部与传感器（3）的感应探头自然接触，长活塞（5）下部与金属透水石（10）固定相连，长活塞（5）、组合试样环（6）、金属透水石（10）与环刀（8）的中心轴皆处在同一竖直轴线上。
3.根据权利要求1所述的一种高压实膨润土膨胀力-渗透耦合试验仪，其特征在于：环刀（8）水平嵌于组合试样环（6）内壁；长活塞（5）位于组合试样环（6）内的部分，其直径等于组合试样环（6）内径，长活塞（5）与组合试样环（6）相配合。
4.根据权利要求1、2或3所述的一种高压实膨润土膨胀力-渗透耦合试验仪，其特征在于：环刀（8）嵌入组合试样环（6）内壁的部分，其两端上下均设有密封圈（7）；长活塞（5）与组合试样环（6）内壁接触部分设有密封圈（7）。
5.根据权利要求1所述的一种高压实膨润土膨胀力-渗透耦合试验仪，其特征在于：顶盘（1）中部开设有口，传感器（3）设在顶盘（1）开设的口内，传感器（3）的压力调节旋钮（2）设在顶盘（1）上表面。
6.根据权利要求1所述的一种高压实膨润土膨胀力-渗透耦合试验仪，其特征在于：组合试样环（6）底部设有多根支撑立柱（14）。
7.根据权利要求1所述的一种高压实膨润土膨胀力-渗透耦合试验仪，其特征在于：所述的螺纹杆（4）设在组合试样环（6）上部且靠近组合试样环（6）边缘位置，且贯穿于组合试样环（6），螺纹杆（4）通过螺母与组合试样环（6）和顶盘（1）连接。
8.根据权利要求1所述的一种高压实膨润土膨胀力-渗透耦合试验仪，其特征在于：环刀（8）为中空结构，其内部整体压入有试样（9）。
9.根据权利要求1所述的一种高压实膨润土膨胀力-渗透耦合试验仪，其特征在于：所述的进水管（13）、第一出水管（11）和第二出水管（15）贯穿于组合试样环（6）；进水管（13）、第一出水管（11）和第二出水管（15）上均设有阀门。
10.根据权利要求1至9中任意一项所述的一种高压实膨润土膨胀力-渗透耦合试验仪的使用方法，包括如下步骤：
步骤一：做膨胀力试验时，试样上、下面分别放置金属透水石（10），上、下金属透水石（10）两侧皆设有螺旋槽（12），可通过进水管（13）、第一出水管（11）和第二出水管（15）的阀门控制水流；上侧金属透水石（10）顶部设有长活塞，与用于测量试样膨胀力或膨胀变形的传感器（3）相连接，从而能够精确测量膨润土湿化过程中的膨胀力或膨胀变形；
步骤二：做渗透试验时，将试样（9）上方金属透水石（10）的进水管（13）和第一出水管（11）的阀门关闭，确保水从螺旋槽（12）两端的进水管（13）进水，同时第二出水管（15）连接针筒；通过如下计算公式计算试样（9）的饱和渗透系数：
通过计算流入针筒中水的质量进而计算渗透系数；计算公式：k=QL/AHt
式中：k—渗透系数；
Q—水的体积；
L—试样高度；
A—试样截面面积；
H—水位差；
针筒可以记录自身水量体积的变化Q，将Q值带入上式即可计算出试样的渗透系数，这种方法可以作为一种计算方式，进而提高实验数据的准确度。
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