CN111024579A - 一种测试gm/gcl不同接触下气体扩散系数的装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种测试土工膜、膨润土防水垫与压实性粘土层在不同接触条件下水平阻隔系统气体扩散系数的试验仪器和方法，仪器由加压处、透水石、土样、多孔透气材料、进气口、出气口、阀门、储气室、土工膜或土工合成衬垫以及氧气传感器组成；本发明能够自主便捷地在GM/GCL和土体上端施加大小不一、不同类型集中情况的荷载或者改变土与土工膜之间的空隙大小，以此改变两者的不同的接触程度，另一方面通过计算样本结构的气体扩散系数，间接地与GM/GCL和土体间的接触方式一一对应，借此也对其接触方式进行了定量的计算研究。

Description

一种测试GM/GCL不同接触下气体扩散系数的装置

技术领域

本发明涉及到气体扩散系数测定领域,尤其涉及到本发明公开了一种测试土工膜、膨润土防水垫与压实性粘土层在不同接触条件下水平阻隔系统气体扩散系数的试验仪器和方法。

背景技术

城市生活垃圾在填埋处理过程中,以甲烷为代表的填埋气作为温室气体对自然环境造成了严重影响。由于我国城市化进程加快，原城市范围内遗留下众多工业场地搬迁遗留的污染场地。统计结果表明，挥发性及半挥发性有机污染物(VOCs/SVOCs)包括石油类污染物、有机氯溶剂，持久性有机污染物(POPs)如多氯联苯、多环芳烃、有机氯农药等是我国城市污染场地土壤中的主要污染物，在污染场地中有机污染物往往在土壤中长期高浓度聚集。污染物聚集在土壤表层，很容易在短时间内形成高浓度释放，污染周围大气环境，导致人身的健康风险。

对于此类有机污染场地，一般做法是在场地表面上覆盖层覆盖系统包括气体导排层、GM/GCL(膨润土防水毯)、排水层、植被表土层,在填埋气减排过程中起到了重要作用。因此,对覆盖层材料气体扩散和渗透性能的要求也日益提高,相关参数的实时测量是科研及工程应用中不容忽视的环节之一。

而在针对voc防控的水平阻隔系统及填埋气防控的填埋场覆盖系统中，GM/GCL下方一般为CCL(压实性粘土层)，二者直接接触，因此土层和土工膜之间的接触程度也是影响气体排放的一大重要因素，将接触程度尽可能地做到接近完美接触，对于控制气体泄漏有极大地积极作用。

针对气体分子扩散系数的实验测定,国内外研究者给出了不同种类的测定方法，例如激光全息干涉法、气相色谱分析法等,是通过对气体浓度变化的检测间接导出分子扩散系数，还有有核磁共振等,成本太高而且不经常用。

根据本发明的特点，在国内检索的一些专利国内存在不少直接测量气体扩散系数的方法或者装置，比如，中国专利CN104865164A采用挥发性液体——空气的方法，专利的优点在于大幅度提高计算扩散系数的精确性，但操作步骤较为地繁琐，且由于挥发性气体的可控性艰难，使得使用的难度不低，如中国专利CN103308426A公开了一种适用于常规流体分子扩散系数的微控流测试方法,利用荧光示踪剂,通过分析待测液体传质过程的荧光图像,得到分子扩散系，这种研究方法让过程更加透明，易于查出实验纰漏。而这些装置仅适用于材料科学或土壤科学，且没有考虑复杂应力条件下材料的阻隔性能参数的测试，进行实验研究。

本发明能够进行GM/GCL不同接触条件下的气体扩散研究，给出完美接触、一般接触、较差接触的阈值，为实际工程提供参考。

发明内容

本发明提供了本发明公开了一种测试GM/GCL与压实性粘土层在不同接触条件下水平阻隔系统气体扩散系数的试验仪器和方法，解决了目前国内装置和方法对于GM/GCL和压实性粘土层之间的接触程度无法进行定量计算的问题。

其中GM为土工膜，GCL为膨润土防水垫。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种测试GM/GCL不同接触条件的气体扩散试验仪器，包括带有破损处的试验材料，所述试验仪器包括气体扩散测试仪器以及扩散室，所述气体扩散测试仪器下端通过气体管道与扩散室相连，所述气体扩散测试仪器包括从上而下进行设置的加压帽、透气石、带有破损处的试验材料、土样、多孔透气材料以及透气石；所述扩散室一端设有进气口；所述扩散室另一端设有出气口；所述扩散室内设有氧气传感器；所述试验材料为土工膜或者土工合成衬垫。

进一步地，所述气体管道上设有管道阀门。

进一步地，所述加压帽上设置透气孔。

进一步地，所述透气石为透水石或排气活塞。

进一步地，所述排气活塞为梅花型透气活塞或者针孔型透气活塞。

进一步地，所述多孔透气材料采用砾石或玻璃球填充。

进一步地，一种测试GM/GCL不同接触条件的气体扩散试验的方法，步骤如下：

(1)将所述的气体扩散试验仪器放在水平场地内，无扰动，无阳光直射，同时在周围环境放置加湿器，保证试验环境处于恒湿状态；

(2)测量之前检查仪器功能；

(3)将扩散室的进气口连接氮气传输装置，调整压力值；

(4)将实验所用的气体扩散测试仪器按照图示顺序安装，上端连接压力装置，末端连接扩散室，设置压力帽的压力值；

(5)打开氧气传感器，打开扩散室的进气口和气体管道阀门，以较大的气流量通气约30秒，关闭管道阀门并打开扩散室出气口，以较小的气流量将100％浓度的氮气从进气口处通入至扩散室内，扩散室内原有的空气从出气口排出，直至传感器测得的氧气含量为零或者接近设定的阈值，再持续3-5s后关闭氮气进气口及出气口；

(6)将进气口及出气口的阀门关上以后，打开气体管道阀门，开始气体扩散并计时，氧气传感器测定扩散室内氧气的浓度随时间的变化，并按照气体传输原理计算扩散系数；

(7)再次使用压力装置改变压力值的大小、改变加压帽上的荷载量、或者改变土样与土工膜之间的空隙大小，调节接触方式，重复步骤(3)-(6)。

由于采用了以上技术，本发明较现有技术相比，具有的有益效果如下：

(1)与现有测量气体扩散系数的仪器和方法相比，本发明的操作简单，计算便捷，相对一部分同类仪器，大大地降低了其成本。

(2)本发明首次将GM/GCL和压实性粘土层之间的接触方式进行了定量地计算，巧妙地转换为气体扩散系数，通过计算出的阈值，二者一一对应进而判断其接触方式。

(3)本发附有压力装置，可以动态调节压力大小，自由转换GM/GCL和样本结构之间的接触方式，使得此的研究难度降低了许多。

附图说明

图1是一种测试土工膜和膨润土防水垫不同接触条件的气体扩散试验仪器的结构示意图；

图2是加压帽的俯视图；

图3是气体扩散室的俯视图；

图4是试验材料拟破损处示样图；

图5是多孔透气材料中材料排列方式试样图；

图中：1、加压帽，2、透气石，3、试验材料，4、破损处，5、土样，6、多孔透气材料，7、管道阀门，8、扩散室，9、氧气传感器，10、进气口，11、出气口，12、透气孔，13、气体管道。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本发明。

一种测试土工膜和膨润土防水垫不同接触条件的气体扩散试验仪器，包括带有破损处4的试验材料3，所述试验仪器包括气体扩散测试仪器以及扩散室8，所述气体扩散测试仪器下端通过气体管道13与扩散室8相连，所述气体扩散测试仪器包括从上而下进行设置的加压帽1、透气石2、带有破损处4的试验材料3、土样5、多孔透气材料6以及透气石2；所述扩散室8一端设有进气口10；所述扩散室8另一端设有出气口11；所述扩散室8内设有氧气传感器9。

所述气体管道13上设有管道阀门7。

所述加压帽1上设置透气孔12。加压帽1采用固结仪进行改装，上部可施加大小不一或者集中情况不同的荷载，模拟GM/GCL和压实粘土层之间的不同的接触方式。

所述透气石2为透水石或排气活塞。

所述排气活塞为梅花型透气活塞或者针孔型透气活塞。

所述多孔透气材料6采用砾石或玻璃球填充。材料需整齐且均匀、间隙合理地排列。

所述试验材料3为土工膜或者土工合成衬垫。

一种测试土工膜和膨润土防水垫不同接触条件的气体扩散试验的方法，步骤如下：

第一步：将所述的气体扩散试验仪放在水平场地内，无扰动，无阳光直射，同时在周环境放置加湿器，保证试验环境处于恒湿状态；

第二步：测量之前检查仪器功能；

第三步：将扩散室8的进气口10连接氮气传输装置，调整压力值；

第四步：将气体扩散测试仪器按照图示顺序安装，上端连接压力装置，传力帽及定向钢球，安装好后再与传感器的百分表相连，并调整百分表读数，开启空气压缩机，使用压力装置设置压力值，接通自动加荷控制器电源，然后再接通数据采集器电源，使加荷系统处于工作状态；

第五步：打开氧气传感器9，打开扩散室的进气口10和气体管道阀门7，以较大的气流量通气约30秒，关闭管道阀门7并打开扩散室出气口11，以较小的气流量将100％浓度的氮气从进气口10通入至扩散室内，扩散室内原有的空气从出气口11排出，直至传感器9测得的氧气含量为零或者接近设定的阈值，再持续3-5s后关闭氮气进气口10及出气口11；

第六步：将进气口10及出气口11的阀门关上以后，打开气体管道阀门7，开始气体扩散并计时，氧气感器9测定扩散室8内氧气的浓度随时间的变化，并按照气体传输原理计算扩散系数；

第七步：再次使用压力装置改变压力值的大小、改变加压帽1上的荷载量或者改变土样5与试验材料3(试验材料3为土工膜或者土工合成衬垫)之间的空隙大小，调节接触方式，重复步骤三到六步。

以下进一步说明加载压力的具体内容：在加压帽1及定向钢球装好再与传感器的百分表相连，并调整百分表读数在8.0mm左右，以便压缩过程中有足够的量程，开启空气压缩机，使其压力源输出由零逐渐增加，接通自动加荷控制器电源，然后再接通数据采集器电源，使加荷系统处于工作状态。

以下是计算的理论详细步骤和误差校正

由Fick第一定律可得：

式中：q为进入扩散室气体量，cm³；t为扩散时间，s；A为样本结构扩散面面积，cm²；h_s为样本结构的高度，cm；D′_S为该样本结构的气体扩散系数，cm²/s；ΔC为样本结构两端的O₂浓度差，g/cm³。

O₂扩散进入扩散室8内的体积随时间的变化速率也可以表示为：

式中：hc是扩散室的高度，cm。

将式(1)和(2)联立可得：

开始时刻(t＝0)，扩散室8内O₂浓度为0，连通的大气O₂浓度为C₀，此时样本结构两端的O₂浓度差ΔC₀＝C₀；扩散开始后，O₂通过样本结构扩散至扩散室8中，造成扩散室8内O₂浓度升高，在t时刻，扩散室8O₂浓度为f(t)，大气O₂浓度保持恒定为C₀，样本结构两端O₂浓度差为ΔC_t＝C₀-f(t)。由初始条件t＝0、ΔC_t＝ΔC₀＝C₀，对方程两端进行0-t积分得：

令

则式(4)变为：

绘制

和t的散点图，获得斜率即为K值，引入校正系数K_j：

式中，D_s为校正后扩散系数，D′_S为校正前扩散系数，α_l为方程

的第一个大于0的解。D_s/D₀为直接测定的样本结构气体扩散系数与该气体在相同温度大气压下于自由大气中的扩散系数之比。D_s根据式(6)计算。D₀则根据如下公式进行温度校正：

其中D₀(T_l)表示氧气在零度时由氧气向氮气扩散的扩散系数，为0.181cm²/s。

通过所得众多样本结构气体扩散系数和压力装置施加的压力数值一一对应，通过数据处理得出完美接触、一般接触、较差接触接触的阈值。

上述的对实施例的描述是为了便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种测试GM/GCL不同接触条件的气体扩散试验仪器，包括带有破损处的试验材料，其特征在于：所述试验仪器包括气体扩散测试仪器以及扩散室，所述气体扩散测试仪器下端通过气体管道与扩散室相连，所述气体扩散测试仪器包括从上而下进行设置的加压帽、透气石、带有破损处的试验材料、土样、多孔透气材料以及透气石；所述扩散室一端设有进气口；所述扩散室另一端设有出气口；所述扩散室内设有氧气传感器；所述试验材料为土工膜或者土工合成衬垫。

2.根据权利要求1所述的一种测试GM/GCL不同接触条件的气体扩散试验仪器，其特征在于：所述气体管道上设有管道阀门。

3.根据权利要求1所述的一种测试GM/GCL不同接触条件的气体扩散试验仪器，其特征在于：所述加压帽上设置透气孔。

4.根据权利要求1所述的一种测试GM/GCL不同接触条件的气体扩散试验仪器，其特征在于：所述透气石为透水石或排气活塞。

5.根据权利要求4所述的一种测试GM/GCL不同接触条件的气体扩散试验仪器，其特征在于：所述排气活塞为梅花型透气活塞或者针孔型透气活塞。

6.根据权利要求1所述的一种测试GM/GCL不同接触条件的气体扩散试验仪器，其特征在于：所述多孔透气材料采用砾石或玻璃球填充。

7.一种利用权利要求1-6所述的气体扩散试验仪器进行测GM/GCL不同接触条件的气体扩散试验的方法，其特征在于，步骤如下：

(1)将气体扩散试验仪器放在水平场地内，无扰动，无阳光直射，同时在周围环境放置加湿器，保证试验环境处于恒湿状态；

(2)测量之前检查仪器功能；

(3)将扩散室的进气口连接氮气传输装置，调整压力值；

(4)将实验所用的气体扩散测试仪器按照图示顺序安装，上端连接压力装置，末端连接扩散室，设置压力帽的压力值；

(5)打开氧气传感器，打开扩散室的进气口和气体管道阀门，通气30秒，关闭管道阀门并打开扩散室出气口，将氮气从进气口通入至扩散室内，扩散室内原有的空气从出气口排出，直至传感器测得的氧气含量为零或者为设定的阈值，再持续3-5s后关闭进气口及出气口；

(6)打开气体管道阀门，开始气体扩散并计时，氧气传感器测定扩散室内氧气的浓度随时间的变化，并按照气体传输原理计算扩散系数；

(7)再次使用压力装置改变压力值的大小、改变加压帽上的荷载量、或者改变土样与土工膜之间的空隙大小，调节接触方式，重复步骤(3)-(6)。

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