CN113970570B - 非饱和膨润土颗粒材料屏障性能的测试装置及测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种非饱和膨润土颗粒材料屏障性能的测试装置及测试方法，其装置包括用于存放土样的试样腔室、用于测定试样腔室内土样导热系数的热特性分析系统、用于测定试样腔室内土样膨胀力的膨胀力测试系统、用于测定试样腔室内土样渗透系数的渗透测试系统。本发明通过将土样置于设有透水石的试样腔室中，利用压力/体积控制器将液体注入到透水石上方的土样中，可以在不取出土样的情况下，实现土样的常水头渗透过程；将热探针插入试样腔室中的土样内，能够实现非饱和膨润土颗粒材料在水化过程中导热系数的实时连续测定；通过活塞将土样产生的膨胀力传递给应力传感器，能够实现非饱和膨润土颗粒材料在水化过程中膨胀力的实时连续测定。
Description
技术领域
本发明涉及膨胀性土体导热测试装置领域，尤其涉及一种非饱和膨润土颗粒材料屏障性能的测试装置及测试方法。
背景技术
大量研究表明，深地质处置是处理高水平放射性核废物最为科学可行的方式。在深地质处置库的运营过程中，充填于处置孔内的非饱和膨润土颗粒混合物将长期遭受到围岩裂隙地下水入渗、核废物衰变热和地质应力等多场耦合作用，膨润土颗粒材料的屏障性能(膨胀特性、渗透特性和热传导特性)将发生复杂变化，进而影响屏障系统的长期服役性能和处置库的长期安全性。根据国际原子能机构(IAEA)提出的安全标准，膨润土的膨胀力、渗透系数和导热系数是评价缓冲屏障材料性能的重要参数。既有研究对膨润土膨胀力、渗透系数和导热系数的测定通常是割裂的，由于不同测试装置的差异性、土样的尺寸以及制样方法等因素的影响，很难实现对上述三种性能指标发展规律的统一描述和综合分析。为此，有必要研制一种可统一测量非饱和膨润土颗粒材料导热系数-膨胀力-渗透系数的测试装置。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足之处，提供一种测量功能更全面的非饱和膨润土颗粒材料屏障性能的测试装置及测试方法。
本发明提供的这种非饱和膨润土颗粒材料屏障性能的测试装置，包括用于存放土样的试样腔室、用于测定试样腔室内土样导热系数的热特性分析系统、用于测定试样腔室内土样膨胀力的膨胀力测试系统、用于测定试样腔室内土样渗透系数的渗透测试系统，
所述试样腔室包括腔室及密封滑动连接于腔室内的活塞，该活塞上端伸出腔室顶部与一压盖相连接，土样封装在活塞下方的腔室内，在土样底部与腔室间、土样顶部与活塞间分别设有第一透水石和第二透水石，在腔室底部设有与第一透水石相连通的进水阀和出水阀，在活塞上设有探针安装槽，所述热特性分析系统包括热特性分析仪和与该热特性分析仪电连接的热探针，所述热探针置于探针安装槽内且其头部穿过第二透水石插入土样中，所述膨胀力测试系统包括无纸记录仪和与该无纸记录仪电连接的应力传感器，所述应力传感器布置在压盖与活塞间，所述渗透测试系统包括压力/体积控制器，该压力/体积控制器通过导液管与进水阀相连通。
所述腔室包括底座及卡装在底座上的金属试样环，活塞密封滑动连接于金属试样环内，压盖置于金属试样环上方并通过螺杆组件与底座和金属试样环可拆卸的连接，第一透水石嵌装在金属试样环内部的底座上，土样封装在活塞与第一透水石间的金属试样环内，进水阀和出水阀安装在底座上并分别通过一导液通道与第一透水石相连通布置。
为确保装置的密封性，在金属试样环与底座间设有O型密封圈。
在第一透水石与土样间、第二透水石与土样间均设有滤纸。
所述活塞包括活塞体和可拆卸的连接在该活塞体顶部的活塞顶盖，第二透水石嵌装在活塞体底部，探针安装槽设在第二透水石上方的活塞体上。
所述第二透水石由金属材料制成。
所述热探针为KS-1型探针，所述应力传感器的量程为0～0.5t，无纸记录仪为SIN-R200型四通道无纸记录仪。
一种用于上述非饱和膨润土颗粒材料屏障性能的测试装置的测试方法，包括以下步骤：
S1、将第一透水石嵌装在腔室内；
S2、将称量好的土样填入腔室内并静力压实至目标高度；
S3、将热探针装入底部嵌有第二透水石的活塞内；
S4、将带有热探针的活塞插入土样中，直至第二透水石与土样紧密接触；
S5、安装嵌有应力传感器的压盖，采用水平尺量测压盖水平度以保证压盖处于完全水平状态；
S6、向压盖施加向下的预设初始应力值，确保应力传感器的探头与活塞紧密接触；
S7、连接压力/体积控制器与进水阀；
S8、将热探针与热特性分析仪连接，应力传感器与无纸记录仪连接；
S9、启动热特性分析仪，测定土样初始状态的导热系数，并设置自动测量时间间隔；
S10、启动压力/体积控制器，设定初始注水压力，打开出水阀，待腔室底座气泡完全排出后，关闭出水阀；
S11、启动热特性分析仪和无纸记录仪，测定并实时记录土样膨胀力、注入水量和导热系数的变化，存储测量数据；
S12、根据测量数据，计算并绘制膨胀力～时间、渗透系数～时间、导热系数～时间的发展曲线。
在所述步骤S1中，将第一透水石嵌装在腔室内的具体步骤如下：
S11、将第一透水石和O型密封圈安置在底座相应位置处；
S12、在第一透水石上方铺一张滤纸；
S13、在底座上卡装金属试样环；
S14、使用螺杆组件将金属试样环、O型密封圈和底座紧密连接成一体。
在所述步骤S3中，将热探针装入活塞内的具体步骤如下：
S31、打开活塞体顶部的活塞顶盖；
S32、将第二透水石嵌装在活塞体底部；
S33、将热探针置于活塞体内，并确保热探针头部沿第二透水石中心穿过；
S34、盖上活塞顶盖，确保热探针固定在活塞体内。
本发明通过将土样置于设有透水石的试样腔室中，利用压力/体积控制器将液体注入到透水石上方的土样中，可以在不取出土样的情况下，实现土样的常水头渗透过程，避免发生卸载回弹，从而增加导热系数测量结果的准确性；将热探针插入试样腔室中的土样内，能够实现非饱和膨润土颗粒材料在水化过程中导热系数的实时连续测定；通过活塞将土样产生的膨胀力传递给应力传感器，能够实现非饱和膨润土颗粒材料在水化过程中膨胀力的实时连续测定；弥补了既有研究无法同时监测三种性能指标变化的缺陷，为深入研究和系统分析非饱和膨润土颗粒材料的热—水—力耦合性质提供帮助。本发明具有高精度、操作简单、实用性强的特点。
附图说明
图1为本发明中测试装置的结构示意图。
图中示出的标记及所对应的构件名称为：
1、土样；
2、腔室；21、进水阀；22、出水阀；23、底座；24、金属试样环；25、螺杆组件；26、O型密封圈；231、第一凹槽；232、O型圈凹槽；233、螺纹孔；234、凸条；235、导液通道；
3、活塞；31、探针安装槽；32、活塞体；33、活塞顶盖；34、连接孔；35、第二凹槽；
4、压盖；41、安装孔；
5、第一透水石；
6、第二透水石；
7、热特性分析仪；
8、热探针；
9、无纸记录仪；
10、应力传感器；
11、压力/体积控制器；
12、导液管；
13、滤纸。
具体实施方式
从图1可以看出，本发明这种非饱和膨润土颗粒材料屏障性能的测试装置，包括用于存放土样1的试样腔室、用于测定试样腔室内土样导热系数的热特性分析系统、用于测定试样腔室内土样膨胀力的膨胀力测试系统、用于测定试样腔室内土样渗透系数的渗透测试系统，
试样腔室包括腔室2、活塞3、压盖4、第一透水石5和第二透水石6，其中，腔室包括进水阀21、出水阀22、底座23、金属试样环24、O型密封圈26和四组螺杆组件25，进水阀21和出水阀22对称安装在底座23侧表面上；在底座23顶部由中心向边缘依次布置有第一凹槽231、O型圈凹槽232、螺纹孔233和凸条234，在底座23内部设有连通第一凹槽231与进水阀21、第一凹槽231与出水阀22的两个导液通道235；金属试样环24采用不锈钢材料制成，在金属试样环24底部外边缘处设有与凸条234相配合的嵌槽241，在金属试样环24上上下贯穿的设有与螺纹孔233同轴布置的通孔242，金属试样环24通过嵌槽241与凸条234相啮合卡装在底座23上，通孔242与螺纹孔233相连通布置；O型密封圈26嵌装在O型圈凹槽232内并与金属试样环24底部紧密连接；螺纹孔233有四组，四组螺杆组件25的螺杆下端穿过通孔242与螺纹孔233一对一的螺纹连接、上端与置于金属试样环24上的螺母螺纹连接，金属试样环24和底座23由螺杆组件25可拆卸的连接成一体；
第一透水石5镶嵌于第一凹槽231内，第一凹槽231的深度与第一透水石5高度相同；
土样1置于金属试样环24内且土样1底部与第一透水石5上下对接；
活塞3包括活塞体32和通过螺钉可拆卸的连接在该活塞体32顶部的活塞顶盖33，活塞体32下端密封滑动安装于土样1上方的金属试样环24内，活塞体32上端伸出金属试样环24顶部布置，在活塞体32中心由上至下依次设有同轴贯穿布置的探针安装槽31、连接孔34和第二凹槽35；
第二透水石6嵌装在第二凹槽内，第二凹槽的深度与第二透水石6高度相同，且第二透水石6与土样1顶部上下对接，在第二透水石6中心处留有孔径为1.5mm的探针插孔；
压盖4置于金属试样环24上方，且压盖4底部与活塞顶盖33上下对接，在压盖4上设有与螺纹孔233同轴布置的安装孔41，螺杆组件25的螺杆顶端穿过安装孔41与置于压盖4上的螺母螺纹连接，压盖4、金属试样环24和底座23由螺杆组件25可拆卸的连接成一体；
热特性分析系统包括热特性分析仪7和热探针8，热探针8竖直插装在探针安装槽31内，热探针8的头部沿连接孔34、探针插孔插入腔室2中的土样1内，热探针8的尾部通过探针线与热特性分析仪7电连接；
膨胀力测试系统包括无纸记录仪9和与该无纸记录仪9电连接的应力传感器10，应力传感器10通过螺钉固定在压盖4底部与活塞3上下对接；
渗透测试系统包括压力/体积控制器11和连接在该压力/体积控制器11与进水阀21间的导液管12。
从图1可以看出，在本发明的第一透水石5与土样1间、第二透水石6与土样1间均设有滤纸13。
在本发明中，第二透水石6由金属材料制成。
在本发明中，热探针8为KS-1型探针，头部为不锈钢材料，长60mm、直径1.27mm。
在本发明中，无纸记录仪9为SIN-R200型四通道无纸记录仪，可直接设置显示土体膨胀力(单位MPa)，应力传感器10的量程为0～0.5t。
在本发明中，压力/体积控制器11的注水压力范围为0～4MPa(分辨率为1kPa)，体积量程为200mL(分辨率为1mm3)。
在本发明中，金属试样环24采用不锈钢材料，环内径为50mm，环厚约为45mm，环高120mm。
本发明这种非饱和膨润土颗粒材料屏障性能的测试方法，包括以下步骤：
S1、将第一透水石5嵌装在腔室2下方底座23内，具体步骤如下：
S11、将第一透水石5和O型密封圈26安置在底座23相应位置处；
S12、在第一透水石5上方铺一张滤纸13；
S13、将金属试样环24卡装在底座23上；
S14、使用螺杆组件25将金属试样环24、O型密封圈26和底座23紧密连接成一体；
S2、将称量好的土样1分层填入腔室2内，并采用静力压实至目标高度；
S3、将热探针8装入底部嵌有第二透水石6的活塞3内，具体步骤如下：
S31、打开活塞体32顶部的活塞顶盖33；
S32、将第二透水石6嵌装在活塞体32底部相应位置处；
S33、将热探针8置于活塞体32内，并确保热探针8头部沿第二透水石6中心穿出活塞体32；
S34、盖上活塞顶盖33，确保热探针8固定在活塞体32内；
S4、在土样1上部平铺一张滤纸13，将带有热探针8的活塞3插入腔室2中，按压活塞3以确保第二透水石6与土样1紧密接触；
S5、安装嵌有应力传感器10的压盖4，采用水平尺量测压盖4水平度，以保证压盖处于完全水平状态；
S6、通过调节螺母松紧程度向压盖4施加向下的预设初始应力值，设置初始接触应力为0.05MPa，确保应力传感器10的探头与活塞3紧密接触；
S7、连接压力/体积控制器11与进水阀21；
S8、将热探针8与热特性分析仪7连接，应力传感器10与无纸记录仪9连接；
S9、启动热特性分析仪7，测定土样1初始状态的导热系数，并设置自动测量时间间隔；
S10、启动压力/体积控制器11，设定初始注水压力为100kPa，打开出水阀22，待腔室2底座气泡完全排出后，关闭出水阀22；
S11、启动热特性分析仪7和无纸记录仪9，测定并实时记录土样膨胀力、注入水量和导热系数的变化，存储测量数据；
S12、根据测量数据，计算并绘制膨胀力～时间、渗透系数～时间、导热系数～时间的发展曲线。
Claims (5)
1.一种非饱和膨润土颗粒材料屏障性能的测试方法，其特征在于，包括非饱和膨润土颗粒材料屏障性能的测试装置，该测试装置包括用于存放土样（1）的试样腔室、用于测定试样腔室内土样导热系数的热特性分析系统、用于测定试样腔室内土样膨胀力的膨胀力测试系统、用于测定试样腔室内土样渗透系数的渗透测试系统，
所述试样腔室包括腔室（2）及密封滑动连接于腔室内的活塞（3），该活塞上端伸出腔室顶部与一压盖（4）相连接，土样封装在活塞下方的腔室内，在土样底部与腔室间、土样顶部与活塞间分别设有第一透水石（5）和第二透水石（6），在腔室底部设有与第一透水石相连通的进水阀（21）和出水阀（22），在活塞上设有探针安装槽（31），
所述腔室包括底座（23）及卡装在底座上的金属试样环（24），活塞密封滑动连接于金属试样环内，压盖置于金属试样环上方并通过螺杆组件（25）与底座和金属试样环可拆卸的连接，第一透水石嵌装在金属试样环内部的底座上，土样封装在活塞与第一透水石间的金属试样环内，进水阀和出水阀安装在底座上并分别通过一导液通道（235）与第一透水石相连通布置，
所述活塞包括活塞体（32）和可拆卸的连接在该活塞体顶部的活塞顶盖（33），第二透水石嵌装在活塞体底部，探针安装槽设在第二透水石上方的活塞体上，
所述热特性分析系统包括热特性分析仪（7）和与该热特性分析仪电连接的热探针（8），所述热探针置于探针安装槽内且其头部穿过第二透水石插入土样中，所述热探针为KS-1型探针，应力传感器的量程为0～0.5 t，无纸记录仪为SIN-R200 型四通道无纸记录仪；所述膨胀力测试系统包括无纸记录仪（9）和与该无纸记录仪电连接的应力传感器（10），所述应力传感器布置在压盖与活塞间，所述渗透测试系统包括压力/体积控制器（11），该压力/体积控制器通过导液管（12）与进水阀相连通，
所述测试方法包括以下步骤：
S1、将第一透水石（5）嵌装在腔室（2）内；
S2、将称量好的土样（1）填入腔室内并静力压实至目标高度；
S3、将热探针（8）装入底部嵌有第二透水石（6）的活塞（3）内，其具体步骤如下，
S31、打开活塞体（32）顶部的活塞顶盖（33）；
S32、将第二透水石嵌装在活塞体底部；
S33、将热探针置于活塞体内，并确保热探针头部沿第二透水石中心穿过；
S34、盖上活塞顶盖，确保热探针固定在活塞体内；
S4、将带有热探针的活塞插入土样中，直至第二透水石与土样紧密接触；
S5、安装嵌有应力传感器（10）的压盖（4），采用水平尺量测压盖水平度以保证压盖处于完全水平状态；
S6、向压盖施加向下的预设初始应力值，确保应力传感器的探头与活塞紧密接触；
S7、连接压力/体积控制器（11）与进水阀（21）；
S8、将热探针与热特性分析仪（7）连接，应力传感器与无纸记录仪（9）连接；
S9、启动热特性分析仪，测定土样初始状态的导热系数，并设置自动测量时间间隔；
S10、启动压力/体积控制器，设定初始注水压力，打开出水阀（22），待腔室底座气泡完全排出后，关闭出水阀；
S11、启动热特性分析仪和无纸记录仪，测定并实时记录土样膨胀力、注入水量和导热系数的变化，存储测量数据；
S12、根据测量数据，计算并绘制膨胀力～时间、渗透系数～时间、导热系数～时间的发展曲线。
2.根据权利要求1所述的非饱和膨润土颗粒材料屏障性能的测试方法，其特征在于：在金属试样环与底座间设有O型密封圈（26）。
3.根据权利要求1所述的非饱和膨润土颗粒材料屏障性能的测试方法，其特征在于：在第一透水石与土样间、第二透水石与土样间均设有滤纸（13）。
4.根据权利要求1所述的非饱和膨润土颗粒材料屏障性能的测试方法，其特征在于：所述第二透水石由金属材料制成。
5.根据权利要求1所述的非饱和膨润土颗粒材料屏障性能的测试方法，其特征在于，在所述步骤S1中，将第一透水石嵌装在腔室内的具体步骤如下：
S11、将第一透水石和O型密封圈（26）安置在底座（23）相应位置处；
S12、在第一透水石上方铺一张滤纸（13）；
S13、在底座上卡装金属试样环（24）；
S14、使用螺杆组件（25）将金属试样环、O型密封圈和底座紧密连接成一体。
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