DD276538A1

DD276538A1 - COMPRESSOR CHAMBER FOR GAS EXHAUST MEASUREMENT

Info

Publication number: DD276538A1
Application number: DD32112488A
Authority: DD
Inventors: Reinhard Nindel; Gerd Miersch; Siegfried Raepke
Original assignee: Freiberg Bergakademie
Priority date: 1988-10-27
Filing date: 1988-10-27
Publication date: 1990-02-28
Also published as: DD276538B1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Druckkammer zur Realisierung von Gasexhalationsmessungen unter triaxialen Spannungszustaenden und dient der Charakterisierung des Materialverhaltens von Lockermassen. Die technische Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Druckkammer zur Gasexhalationsmessung zu entwickeln, die die Anwendung der Gasexhalationsmessung auch im triaxialen Spannungszustand an Lockermassen gestattet. Erfindungsgemaess wird die technische Aufgabe dadurch geloest, dass die Druckkammer aus einer bekannten Druckzelle mit Druckkolben, Bodenplatte und einem elastischen Rohr besteht, in der ein perforiertes Mittelrohr mit Gassammelraeumen angeordnet ist, das konzentrisch von der Probe umgeben ist und gemeinsam eine fuer Gas durchlaessige Grenzflaeche bilden. Der Druckkolben der Druckzelle zur Erzeugung der axialen Druckkraft ist gleitend auf dem perforierten Mittelrohr angeordnet. Das Mittelrohr verfuegt ueber den Gasein- und Gasauslass. Weiterhin ist die Probe von einem elastischen Rohr umgeben, das die Probe gegen das hydrostatische Druckmedium zur Erzeugung des erforderlichen Manteldruckes abschirmt, wobei ein den Schallaufnehmer tragender, in der Bodenplatte der Druckzelle angeordneter Kegelflansch das perforierte Mittelrohr traegt und das elastische Rohr gegen den Arbeitsraum abdichtet. Innerhalb der Druckkammer sind gegen das elastische Rohr schwenkbare kreissegmentfoermige Halteschalen angeordnet, deren obere Kanten eine Begrenzung fuer den Druckzylinder bilden und die an der Innenmantelflaeche Rillen aufweisen.The invention relates to a pressure chamber for the realization of gas exhalation measurements under triaxial stress states and serves to characterize the material behavior of sludges. The technical object of the invention is to develop a pressure chamber for gas exhalation measurement, which allows the application of the gas inhalation measurement also in the triaxial state of stress at looseness masses. According to the invention, the technical object is achieved in that the pressure chamber consists of a known pressure cell with pressure piston, bottom plate and an elastic tube in which a perforated center tube is arranged with gas collecting space, which is concentrically surrounded by the sample and together form a gas-permeable interface , The pressure piston of the pressure cell for generating the axial pressure force is slidably disposed on the perforated center tube. The center tube has the gas inlet and gas outlet. Furthermore, the sample is surrounded by an elastic tube which shields the sample against the hydrostatic pressure medium to produce the required sheath pressure, wherein a conical flange carrying the transducer and located in the bottom plate of the pressure cell supports the perforated central tube and seals the elastic tube against the working space. Within the pressure chamber pivotable kreissegmentfoermige holding shells are arranged against the elastic tube, the upper edges form a boundary for the printing cylinder and having grooves on the Innenmantelflaeche.

Description

Hierzu 1 Seite ZeichnungFor this 1 page drawing

Field of application of the invention

Die Erfindung betrifft eine Druckkammer zur Realisierung von Gasexhalationsmessungen, insbesondere der RadonexhalationsmessL'ng, unter triaxialen Spannungszuständen und dient der Charakterisierung des Materialvorhaitons von Lockermassen.The invention relates to a pressure chamber for the realization of gas exhalation measurements, in particular the RadonexhalationsmessL'ng, under triaxial stress states and serves to characterize the Vorvorit of Materialvorschmitons of slippery masses.

Characteristic of the known state of the art

In BERGELT, H.; MILITZER, H.; STOLZ, W.: .Die Radonexhalation von Festgesteinsproben unter Druckeinwirkung", Gerl. Beitr. Geoph. Leipzig 95 (1986) 1, S. 7-14 wird ein Verfahren beschrieben, bei (^m für die Kennwertbestimmung von Festgesteinen des radioaktiven Edelgases Radon in der Bodenluft durchgeführt wird.In BERGELT, H .; MILITZER, H .; STOLZ, W .: "The Radonexhalation of solid rock samples under pressure", Gerl. Contributed Geoph. Leipzig 95 (1986) 1, pp 7-14, a method is described at (^ m for the characteristic value determination of solid rocks of the radioactive noble gas radon carried out in the soil air.

Bei diesem Verfahren wird die Änderung der Radonexhalation in Abhängigkeit von einaxialen Belastungsänderungen an Fostgesteinen bestimmt.In this method, the change in radon exhalation is determined as a function of uniaxial load changes on Fost rocks.

Die Festgesteinsprobe ist hierbei in einer Druckkammer angeordnet. Die Druckkammer besteht im wesentlichen au* einer Bodenplatte, einem Druckstempcl und einem Tombakbalg, der während der Bewegung des Druckstempels den hermetischen Abschluß der Festgesteinsprobe gegenüber der Umgebung gewährleistet. Die Belastung des Tombakbalges auf Grund der Eigenmasse des Stempels wird mit Federn an den Führungsbolzen aufgehoben. Die Hülsen um die Führungshorn verhindern eine Zerstörung des Tombakbalges und der Meßuhr beim Bruch der Festgesteinsprobe. Der Stempel ist so gestaltet, daß seine Bodenfläche automatisch parallel zur Gesteinsdeckfläche gestellt wird. In dor Bodenplatte ist ein gegenüber äußeren Schwingungen gedämpfter piezoelektrischer Beschleunigungsaufnehmer angeordnet, der mechanischen Kontakt mit der zu untersuchenden Festgesteinsprobe hat. Mit Hilfe des Beschleunigungsaufnehmers wird die seismoak'jstische Aktivität während der Kluftbitdung registriert. Die Kanäle für den Gasein- und Gasauslaß sind so angeordnet, daß eine allseitige Umströmung der Festgesteinsprobe gewährleistet ist. In der Druckkammer muß der Forderung nach einem minimalen Gasvolumen Rechnung Cetragen worden, da die Ausbeute des Meßsystems entscheidend vom Verhältnis dos Volumens der für die Messung der Radonexhalationsmessung verwendeten Szintillationskammer und dem Volumen des Gesamtsystems beeinflußt wird. Der Nachteil dieser Druckkammer besteht darin, daß die Radonexhalationsmessung ausschließlich im einaxialen Druckzustand an Festgesteinsproben durchführDar ist. Für die Rahoonexhalationsmessung im triaxialen Spannungszustand an Lockermassen ist diese Druckkammer nicht geeignet, da die Voraussetzungen zur Bestimmung der Radonexhalation bei gleichzeitiger triaxialer Belastung der Probe nicht gegoben sind.The solid rock sample is arranged in a pressure chamber. The pressure chamber consists essentially of a bottom plate, a Druckstempcl and a Tombakbalg, which ensures the hermetic completion of the solid rock sample from the environment during the movement of the plunger. The burden of Tombakbalges due to the net mass of the punch is canceled with springs on the guide pin. The sleeves around the guide horn prevent the destruction of the tombac bellows and the dial gauge when the sample of rock is broken. The stamp is designed so that its bottom surface is automatically placed parallel to the rock face. In the bottom plate a against external vibrations damped piezoelectric accelerometer is arranged, which has mechanical contact with the sample of solid rock to be examined. With the help of the accelerometer the seismoakj activity is registered during the fissure. The channels for the gas inlet and outlet are arranged so that an all-round flow around the sample of solid rock is ensured. In the pressure chamber, the requirement for a minimum gas volume must be taken into account, since the yield of the measuring system is decisively influenced by the ratio of the volume of the scintillation chamber used for the measurement of radon inhalation measurement and the volume of the entire system. The disadvantage of this pressure chamber is that the radon inhalation measurement is carried out exclusively in the uniaxial pressure state on solid rock samples. For the Rahoonexhalationsmessung in triaxial state of tension at looseness masses, this pressure chamber is not suitable because the conditions for the determination of Radonexhalation with simultaneous triaxial loading of the sample are not defied.

Einfache Triaxialgeräte zur Durchführung von Druckscherfestigkeitsuntersuchungen an Lockermassen sind ebenfalls bekannt. Sie gestatten jedoch nicht die Durchführung von Gesexhalationsmessungen. In diesen Geräten wird der triaxiele Spannung ^zustand des Probenmaterials durch einen Druckkolbon in axialer Richtung und über ein elastisches Rohr mit hydrostatischem Mantetdruck bewirkt.Simple triaxial devices for performing pressure shear tests on slippery masses are also known. However, they do not permit the performance of gas exhalation measurements. In these devices, the triaxial stress state of the sample material is effected by a pressure piston in the axial direction and by means of an elastic tube with hydrostatic mantet pressure.

Object of the invention

Das Ziel der Erfindung besteht darin, eine weitere Vervollkommnung der charakteristischen Kennwerte von Lockermassen unter Verwendung der Gasexhalationsmessung zu erreichen, um verbesserte Aussagen über das Materialverhalten von Lockermassen treffen zu können, die vorteilhaft zur Überwachung von Kippen, Böschungen und Halden, von radioaktiven Deponien, für Untersuchungen zur Erdbebenprognose oder auf anderen Gebieten der Technik herangezogen werden können.The object of the invention is to achieve a further perfection of the characteristic values of loose masses using the gas inhalation measurement, in order to be able to make better statements about the material behavior of sludges which is advantageous for monitoring dumps, slopes and heaps of radioactive landfills Studies can be used for earthquake prediction or in other fields of technology.

Explanation of the essence of the invention The technical task of the invention is a pressure chamber for gas exhalation measurement, in particular for Radonexhalationsmessung, to develop such measurements look in the triaxial state of tension at looseness masses

gestattet.allowed.

According to the invention, the technical problem is solved in that the pressure chamber from a known pressure cell with Impact piston, bottom plate and elastic tube Bestoht, arranged in a perforated center tube with gas collection chambers

ist, das konzentrisch von der Probe umgeben ist und die gemeinsam eine für Gas durchlässige Grenzfläche bilden. Derwhich is concentrically surrounded by the sample and which together form a gas permeable interface. The

Pressure piston of the pressure cell for generating the axial compressive force is slidably disposed on the perforated central tube. The Mitf.lrohr has the gas inlet and outlet. The sample is surrounded by the elastic tube that holds the sample against the

hydrostatische Druckmedium zur Erzeugung des erforderlichen Manteldruckes abschirmt, wobei din den Schallaufnehmer tragender, in der Bodenplatte der Druckzelle angeordneter Kegelflansch das perforierte Mittelrohr trägt. Innerhalb dershields hydrostatic pressure medium to produce the required shell pressure, wherein din the transducer carrying, arranged in the bottom plate of the pressure cell conical flange carries the perforated center tube. Within the

Pressure chamber are arranged against the elastic tube pivotable circular segment-shaped holding shells, whose upper edges

eine Begrenzung für den Druckkolben bilden und die an der Innenmantelfläche Rillen aufweisen, um mittels Unterdruck das elastische Rohr gegen die Halteschalen zur Gewährleistung der Probengeometrie anzulegen.form a boundary for the pressure piston and having grooves on the inner circumferential surface to apply by means of negative pressure, the elastic tube against the holding shells to ensure the sample geometry.

By the pressure chamber according to the invention, it is possible Radonexhalationsmessung on a loose material sample in

triaxialen Sparnungszustand vorzunehmen.triaxial state of savings.

The caused by the axially acting pressure force of the pressure piston and by the hydrostatic pressure medium Sheath pressure generated triaxial stress state is, starting from a ground state in temporally discrete steps

definiert verändert. Dabei muß die axiale Druckkraft, der hydrostatische Manteldruck, die Verformung der Probe und die mitdefined changed. The axial compressive force, the hydrostatic jacket pressure, the deformation of the sample and with

Load change in usually associated acoustic emissions of the sample over the built-in measuring device Transducers are measured for the acoustic emission. The changing with change of state of tension Gas exhalation is determined in a known manner with a measuring system, which is flowed through by the measuring volume. The Gassemmolräume be formed by radial bores, which merge into longitudinal grooves at the interface to the sample. These gas collection chambers allow the formation of the largest possible interface and prevent penetration of the Sample material in the perforated center tube. The pivotable against the elastic tube circular segment-shaped holding cups are used in addition to the limitation of Pressure piston for stabilizing the cylindrical sample during installation in the pressure chamber. You will be self-employed Swinging application of the hydrostatic jacket pressure from the elastic tube swung. By means of the pressure chamber according to the invention, a perfection of the characteristic characteristics of loose masses is achieved

möglich, die wesentlich bessere Aussagen über das rnäterialverhsltsn von Lockermaseen zulassen.possible, which allow much better statements about the rnäterialverhsltsn of LOS Mermoos.

AusfOhrungsbeltplel

Die Erfindung soll anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert werden, das die Radonexhalationsmessung betrifft. In Figur 1 ist dazu ein Längsschnitt der erfindungsgemäßen Druckkammer dargestellt.The invention will be explained in more detail using an exemplary embodiment, which relates to the Radonexhalationsmessung. FIG. 1 shows a longitudinal section of the pressure chamber according to the invention.

Die Druckkammer besteht im wesentlichen aus der Druckzelle 1, dem perforierten Mittelrohr 2, dem elastischen Rohr 3, den Halteschalen 4, dem Kogelflansch B, dem Druckkolben β und dem Aufnehmer für die Schallemission 7. Der Probenraum 8 wird vom perforierten Mittelrohr 2 und dom elastischen Rohr 3 sowie vom Kegelflansch 5 und Druckkolben 6 begrenzt. Der Einbau der Probe in den Probenraum 8 erfolgt bei demontiertem Innenteil des Druckkolbens 6. Zur Stabilisierung des Probenmaterial· während des Einbaues werden drei kroissegmentförmigo Halteschalen 4 mittels Handelhebel gegen das elastische Rohr 3, das aus einer dünnen Gummihaut besteht, geschwenkt. Die oberen Kanten der Halteschalen 4 dienen dabei gleichzeitig als Begrenzung des Druckkolbens 6. Zur exakten Einhaltung der Probengeometrie wird das elastische Rohr 3 durch Anlegen eines Unterdruckes an der Druckzelle 1 gegen die mit Rillen versehenen Halteschalen 4 gezogen. Das Probenmaterial wird während des Einbauvorganges verdichtet und nach Erreichen des Füllvolumens wird das Innenteil des Druckkolbens 6 montiert. Dabei wird die Probe gleichzeitig nach außen abgedichtet. Nach dem Abbau des Unterdruckes in der Druckzelle 1 wird diese mit dem Druckmedium, vorzugsweise Wasser, blasenfrei gefüllt und verschlossen. Danach wird bei nach oben begrenztem Weg des Druckkolbens 6 ein hydrostatischer Manteldruck aufgebaut, wobei gleichzeitig die Halteschalen 4 von dem elastischen Rohr 3 weggeschwenkt werden. Der triaxiale Spannungszustand wird durch gleichzeitiges oder nachfolgendes Aufbringen einer axialen Druckkraft auf den Druckkolben β erreicht. Der Kegelflansch 5 dient zur Befestigung dos perforierten Mittelrohres 2 und zur Halterung des elastischen Rohres 3. Er enthält gleichzeitig den Aufnehm sr für die Schallemission 7 zur Registrierung der Schallimpulse, die bei Veränderung des Probendruckes entstehen. Das bei Druckänderung des Probendruckes entweichende Gas diffundiert in das mit Gassammeiräumen 9 versehene perforierte Mittelrohr 2 und wird einem Radon-Meßsystem zugeführt. Das Probenmaterial wird in den vorzugsweise Zylindergeometrie aufweisenden Probenraum 8 eingebracht. Die Höhe des Zylinders beträgt dabei 100mm und der Durchmesser 50mm. Die Mantelfläche des Zylinders wird durch das elastische Rohr 3 gebildet, auf den der hydraulisch erzeugte Manteldruck wirkt. Die undurchlässigen und ebenen Stirnflächen des Zylinders werden durch einen Kegelflansch 5 und durch einen die axiale Druckkraft übertragenden Druckzylinder 6 mit vorgelagertemThe pressure chamber consists essentially of the pressure cell 1, the perforated center tube 2, the elastic tube 3, the holding shells 4, the Kogelflansch B, the plunger β and the transducer for the acoustic emission 7. The sample chamber 8 is from the perforated central tube 2 and dom elastic Pipe 3 and limited by the conical flange 5 and 6 pressure piston. The installation of the sample in the sample chamber 8 takes place with disassembled inner part of the plunger 6. To stabilize the sample · during installation three kroissegmentförmo holding shells 4 by means of commercial lever against the elastic tube 3, which consists of a thin rubber skin, pivoted. The upper edges of the holding shells 4 serve simultaneously as a boundary of the pressure piston 6. For exact compliance with the sample geometry, the elastic tube 3 is pulled by applying a negative pressure to the pressure cell 1 against the grooved holding shells 4. The sample material is compressed during the installation process and after reaching the filling volume, the inner part of the pressure piston 6 is mounted. The sample is simultaneously sealed to the outside. After the reduction of the negative pressure in the pressure cell 1, this is filled bubble-free with the pressure medium, preferably water, and sealed. Thereafter, a hydrostatic jacket pressure is built up with limited upward path of the pressure piston 6, wherein at the same time the holding shells 4 are pivoted away from the elastic tube 3. The triaxial stress state is achieved by simultaneous or subsequent application of an axial compressive force on the pressure piston β. The conical flange 5 is used for fixing the perforated center tube 2 and for holding the elastic tube 3. It also contains the Aufnehm sr for the acoustic emission 7 for recording the sound pulses that arise when changing the sample pressure. The escaping at pressure change of the sample pressure gas diffuses into the provided with Gassammeiräumen 9 perforated center tube 2 and is fed to a radon measuring system. The sample material is introduced into the preferably cylinder geometry having sample space 8. The height of the cylinder is 100mm and the diameter 50mm. The lateral surface of the cylinder is formed by the elastic tube 3, acts on the hydraulically generated sheath pressure. The impermeable and flat faces of the cylinder are by a conical flange 5 and by an axial compressive force transmitted pressure cylinder 6 with upstream

vorzugsweise aus PTFE bestehenden Dichtscheiben gebildet. Es bildet sich im Inneren der Probe ein Radon-Konzentrationsgradient in Richtung des zentralen perforierten Mittelrohres 2 aus, das an ein Radon-Meßsystem mit geschlossenem Gaskreislauf angeschlossen ist.preferably made of PTFE existing sealing washers. A radon concentration gradient forms in the interior of the sample in the direction of the central perforated central tube 2, which is connected to a radon measuring system with a closed gas circulation.

Nach dem Einbau der Probe und deren vorzugsweise durch Vibration erfolgten Verdichtung werden wechselseitig zunächst der Manteldruck in kleinen Schritten erhöht und die axial wirkende Druckkraft nachgeführt, bis ein Ausgangsspannungszustand, der vorzugsweise zwischen 0 und 0,5MPa sowohl als Manteldruck als auch als axialer Druck eingestellt wird, erreicht ist. Nach der Einstellung des radioaktiven Gleichgewichtes im Radon-Meßsystem wird der Spannungszustand stufenweise variiert. Diese Änderung kann sowohl durch Änderung des axialen Druckes, des Manteldruckes oder auch beider Größen herbeigeführt werden.After the sample has been installed and the compression preferably achieved by vibration, the jacket pressure is alternately increased first in small increments and the axially acting compressive force is adjusted until an output voltage condition, which is preferably set between 0 and 0.5 MPa both as a shell pressure and as an axial pressure , is reached. After adjusting the radioactive equilibrium in the radon measuring system, the stress state is varied stepwise. This change can be brought about by changing the axial pressure, the jacket pressure or both.

Die im Radon-Meßsystem gemessenen Alpha-Impulsraten werden anhand von Kalibrierfaktoren in Radonaktivitäten umgerechnet. Durch die interaktive Kurvenanpassung eines Modells an den experimentell gemessenen zeitlichen Verlauf der Radonaktivität und Modifizieren der Modellparameter, Diffusionskoeffizient, Porosität, spontan mit Belastungsänderung exhalierte Radonaktivität und Änderung der Radonproduktion werden die Abweichungen des Modells minimiert und die Modellparametor bestimmt.The alpha pulse rates measured in the radon measurement system are converted into radon activities using calibration factors. By interactively fitting a model to the experimentally measured time course of radon activity and modifying the model parameters, diffusion coefficient, porosity, spontaneously exhaled radon activity and change in radon production, the model's deviations are minimized and the model parameter determined.

Claims

1. pressure chamber for gas exhalation measurement of looseness masses in the triaxial stress state consisting of a pressure cell with pressure piston, bottom plate and an elastic tube, characterized in that within the pressure cell (1) a perforated central tube (2) with Gassammeiräumen (9) is arranged concentrically the sample is surrounded and within the pressure cell (1) against the elastic tube (3) pivotable circular segment-shaped holding shells (4) are provided.

2. Pressure chamber according to claim 1, characterized in that the Gassammelräunr.e (9) consist of radial bores, which merge into longitudinal grooves at the interface to the sample.

3. Pressure chamber according to claim 1, characterized in that the holding shells (4) are provided on the inner circumferential surface with grooves.

4. Pressure chamber according to claim 1, characterized in that the pressure cylinder (6) is slidably guided on the perforated central tube (2).

5. Pressure chamber according to claim 1, characterized in that the perforated central tube (2) is provided with a gas inlet and outlet gas isl.

6. Pressure chamber according to claim 1, characterized in that the perforated central tube (2) is supported by a arranged in the bottom plate cone flange (5), in which a transducer for the acoustic emission (7) is arranged and the elastic tube (3) through the conical flange (5) is sealed against the hydrostatic pressure medium.