DD276538B1

DD276538B1 - COMPRESSOR CHAMBER FOR GAS EXHAUST MEASUREMENT

Info

Publication number: DD276538B1
Application number: DD32112488A
Authority: DD
Inventors: Reinhard Dipl-Geophys Nindel; Gerd Miersch; Siegfried Raepke
Original assignee: Bergakademie Freiberg Hochschu
Priority date: 1988-10-27
Filing date: 1988-10-27
Publication date: 1992-12-03
Also published as: DD276538A1

Description

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Anwendungsgebiet der ErfindungField of application of the invention

Die Erfindung betrifft eine Druckkammer zur Realisierung von Gasoxhalationsmessungen, insbesondere der Radonexhalationsmessung, unter triaxialen Spannungszuständon und dient der Charakterisierung des Materialvorhaltens von Lockormassen.The invention relates to a pressure chamber for the realization of Gasoxhalationsmessungen, in particular the Radonexhalationsmessung under triaxial Spannungszuständon and serves to characterize the Materialvorhaltens of lock masses.

Charakteristik dos bekannten Standes der TechnikCharacteristics of the known prior art

In BERGELT, H.; MIL'TZER, H.; STOLZ, W.: „Die Radonoxhalation von Festgesteinsprobon unter Druckeinwirkung'·, Gorl. Beitr. Geoph. Leipzig 95 (1986) 1, S.7-14 wird ein Verfahren beschrieben, bei dem für die Kennwertbestimmung von Festgosteinon dio Messung des radioaktiven Edelgases Radon in der Bodenluft durchgeführt wird.In BERGELT, H .; MIL'TZER, H .; STOLZ, W .: "The radon oxhalation of rock hard rock under pressure" ·, Gorl. Contrib. Geoph. Leipzig 95 (1986) 1, p.7-14, a method is described in which is carried out for the characteristic determination of Festgosteinon dio measurement of the radioactive noble gas radon in the soil air.

Bei diesem Verfahren wird dio Änderung dor Radonexhalution in Abhängigkeit von einnxialen Bolastungsänderungen an Festgestoinen bostimmt.In this method, the change in radon exhalation is dependent on an axial bolting change on solid rocks.

Die Festgesteinsprobo ist hierbei in einer Druckkammer angeordnet. Dio Druckkammer besteht im wesentlichen aus einer Bodenplatte, einem Druckstempel und einem Tombackbalg, der während dor Bowegung des Druckstempels den hermetischen Abschluß der Festgesteinsprobe gegenüber der Umgebung gewährleistet. Dio Belastung dos Tombackbalges auf Grund der Eigenmasse des Stempels wird mit Federn an den Führungsbolzen aufgehobon. Die Hülson um die Führungsbolzon verhindern eine Zerstörung des Tombackbalges und der Meßuhr beim Bruch der Festgcstoinsprobe. Der Stempel ist so gostaltet, daß soino Bodenfläche automatisch parallel zur Gesteinsdeckfläche gestellt wird. In der Bodenplatte ist ein gegenüber äußeren Schwingungen gedämpfter piezoelektrischer Beschleunigungsaufnehmer angeordnet, der mechanischen Kontakt mit der zu untersuchenden Festgerteinsprobo hat. Mit Hilfo dos Beschleunigungsaufnehmers wird die seismoakustische Aktivität während der Kluftbildung registriert. Dio Kanäle für den Gasein- und Gasauslaß sind so angeordnet, daß eine allsoitigo Umströmung der Fostgostoinsprobe gewährleistet ist. In der Druckkammer muß der Forderung nach einem minimalen Gasvolumen Rechnung getragen worden, da dio Ausbeute des. Meßr.ystoms entscheidend vom Verhältnis des Volumens der für dio Messung der Radonexhalationsmessung verwendetei> Szintillationskammer und dem Volumen des Gesamtsystems beeinflußt wird. Der Nachteil dieser Druckkammer besteht darin, daß dio Radüncxhalationsmcssung ausschließlich im einaxialen Druckzustand an Festgesteinsproben durchführbar ist. Fürdie Radonexhalationsmessung im triaxialen Spannungszustand an Lockermassen ist diese Druckkammer nicht geeignet, da die Voraussetzungen zur Bestimmung dor Hadonexhalation bei gleichzeitiger triaxialer Belastung der Probe nicht gegeben sind.The Festgesteinsprobo is arranged in a pressure chamber. Dio pressure chamber consists essentially of a bottom plate, a plunger and a Tombackbalg, which ensures the hermetic completion of the solid rock sample against the environment during dor Bowegung of the plunger. Dio load of Tombackbalges due to the inherent mass of the punch is aufgehobon with springs on the guide pin. The Hülson around the Führungsbolzon prevent destruction of the Tombackbalges and the dial gauge at break of Festgcstoinsprobe. The stamp is so gostaltet that soino soil surface is automatically placed parallel to the rock surface. In the bottom plate a against external vibrations damped piezoelectric acceleration sensor is arranged, which has mechanical contact with the Festgerteinsprobo to be examined. With the help of the accelerometer the seismo-acoustic activity is registered during the formation of the gap. Dio channels for the gas inlet and outlet are arranged so that an allsoitigo flow around the Fostgostoinsprobe is ensured. In the pressure chamber, the requirement for a minimum volume of gas must be taken into account, since the yield of the measuring chromotome 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 Radüncxhalationsmcssung exclusively in the uniaxial pressure state on solid rock samples is feasible. For Radonexhalationsmessung in the triaxial state of tension at looseness masses, this pressure chamber is not suitable because the conditions for the determination dor Hadonexhalation with simultaneous triaxial loading of the sample are not given.

Einfache Triaxialgeräte zur Durchführung von Druckscherfestigkeitsuntersuchungcn an Lockcrmassen sind ebenfalls bekannt. Sie gestatten jedoch nicht die Durchführung von Gasoxhalationsmessungen. In diosen Geräten wird der triaxiale Spannungszus'.and des Probenmaterials durch einen Druckkolben in axialer Richtung und über ein elastisches Rohr mit hydrostatischem Manteldruck bewirkt.Simple triaxial devices for performing compression shear tests on lock crusts are also known. However, they do not permit the performance of gas oxhalation measurements. In diose devices, the triaxial stress state of the sample material is effected by a pressure piston in the axial direction and via an elastic tube with hydrostatic jacket pressure.

Ziel der ErfindungObject of the invention

Das Ziel der Erfindung besteht darin, eine weitere Vervollkommnung der charakteristischen Kennwerte von Lockormassen 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 lock 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.

Darlegung des Wosens der ErfindungExplanation of the invention

Die technische Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Druckkammer zur Gasexhalationsmessung, insbesondere zur Radonexhalationsmessung, zu entwickeln, die derartige Messungen auch im triaxialen Spannungszustand an Lockermassen gestattet.The technical object of the invention is to develop a pressure chamber for gas exhalation measurement, in particular for radon inhalation measurement, which allows such measurements even in the triaxial state of stress on looseness masses.

Erfindungsgemäß wird die technische Aufgabe dadurch gelöst, daß die Druckkammer aus einer bekannten Druckzelle mit Druckkolben, Bodenplatte und elastischem Rohr besteht, in der ein perforiertes Mittelrohr mit Gassammeiräumen angeordnet ist, das konzentrisch von der Probe umgeben ist, und die gemeinsam eine für Gas durchlässige Grenzfläche bilden. Der Druckkolben dei Druckzelle zur Erzougung der axialen Druckkraft ist gleitend auf dem perforierten Miuolrohr angeordnet. Das Mittelrohr verfügt übor den Gasein- und Gasauslaß. Die Probe ist vom elastischen Rohr umgeben, das die Probe gegen das hydrostatische Druckmedium zur Erzeugung des erforderlichen Manteldruckes abschirmt, wobei ein den Schallaufnehmer tragender, in dor Bodenplatte der Druckzelle angeordneter Kegelflansch das perforierte Mittelrohr trägt. Innerhalb der Druckkammer sind gegen das elastische Rohr schwenkbare kreissegmcntförmige Haltoschalen angeordnet, deren obere Kanten eine Begrenzung für den Druckkolben bilden und die an der Innenmantelfläche Rillen aufweisen, um mittels Unterdruck das elastische Rohr gegen die Haltoschalen zur Gewährleistung der Probongeomotrie anzulegen.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 elastic tube in which a perforated center tube is arranged with Gassammeiräumen, which is concentrically surrounded by the sample, and which together form a gas-permeable interface form. The pressure piston of the pressure cell for increasing the axial pressure force is slidably disposed on the perforated Miuolrohr. The middle tube has the gas inlet and gas outlet. The sample is surrounded by the elastic tube which shields the sample against the hydrostatic pressure medium to produce the required sheath pressure, with a conical flange carrying the transducer and supported in the bottom plate of the pressure cell carrying the perforated center tube. Within the pressure chamber pivotable kreissegmcntförmige Haltoschalen are arranged against the elastic tube, the upper edges 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 Haltoschalen to ensure the Probongeomotrie.

Durch die orfindungsgemaßo Druckkammer ist es möglich, die Radonexha'ationsmessung an einer Lockermaterialprobe im triaxialen Spannungszustand vorzunohmcn.By the orfindungsgemaßo pressure chamber, it is possible vorzunohmcn the Radonexha'ationsmessung on a loose material sample in the triaxial stress state.

Der durch die axial wirkende Druckkraft des Druckkolbens und den durch das hydrostatische Druckmedium hervorgerufenen Manteldruck erzeugte triaxiale Spannungszustand wird, ausgehend von einem Grundzustand, in zeitlich diskreten Schritten definiert verändert. Dabei müssen dio axiale Druckkraft, der hydrostatische Manteldruck, die Verformung der Probe und die mit Belastungsänderung in der Regel einhergehenden Schallemissionen der Probe über den in der Meßvorrichtung eingebauten Aufnehmer für dio Schallemission gemessen worden. Die sich mit Veränderung des Spannungszustandes ändorndo Gasoxhalation wird in bekannter Weise mit einem Meßsystem bostimmt, das vom Meßvolumen durchströmt wird.The triaxial stress state generated by the axially acting compressive force of the pressure piston and the shell pressure caused by the hydrostatic pressure medium is changed in a defined manner in time-discrete steps, starting from a ground state. In this case, the axial compressive force, the hydrostatic jacket pressure, the deformation of the sample and the noise emissions of the sample, which generally accompany the change in load, have to be measured via the transducer for dioustic emission incorporated in the measuring device. The change in the state of tension ändorndo Gasoxhalation is bostimmt in a known manner with a measuring system, which is flowed through by the measuring volume.

Die Gassammolräume werden durch radiale Bohrungen, die an der Grenzfläche zur Probe in Längsnuten übergehen, gebildet.The gas collecting spaces are formed by radial bores, which merge into longitudinal grooves at the interface with the sample.

Dioso Gassammeiräume gestatten die Bildung einer möglichst großen Grenzfläche und verhindern ein Eindringen des Probonmaterials in das perforierte Mittelrohr.Dioso gas collection chambers allow the formation of the largest possible interface and prevent penetration of the sample material into the perforated central tube.

Die gogon das elastischo Rohr schwenkbaren kroissegmontförmigen Halteschalon dienen neben der Begrenzung dos Druckkolbons zur Stabilisierung der zylindrischen Probe während des Einbauos in die Druckkammer. Sie werden selbständig bei Beaufschlagung mit dem hydrostatischen Manteldruck vom elastischen Rohr abgeschwenkt.The gogon elastic tube swiveling kroissegmontförmigen holding shawl serve in addition to the limitation of the pressure piston to stabilize the cylindrical sample during the Einbauos in the pressure chamber. They are automatically pivoted away when exposed to the hydrostatic jacket pressure from the elastic tube.

Durch die erfindungsgemäße Druckkammer wird eine Vervollkommnung der charakteristischen Kennwerte von Lockermassen möglich, die wesentlich bossoro Aussagen über das Matorialverhalten von Lockermassen zulassen.By the pressure chamber according to the invention, a perfection of the characteristic characteristics of looseness masses is possible, which allow much bossoro statements about the Matorialverhalten of laxative masses.

AusführungsbolsplolAusführungsbolsplol

Die Erfindung soll anhand eines Ausführungsboispieles näher erläutert werden, das dio Radonoxhalationsmossung betrifft. In Figur 1 ist dazu ein Längsschnitt der erfindungsgemäßen Druckkammer dargestellt.The invention will be explained in more detail with reference to a Ausführungsboispieles that concerns the Radonoxhalationsmossung. FIG. 1 shows a longitudinal section of the pressure chamber according to the invention.

Die Druckkammer besteht im wesentlichen aus der Druckzclle-1, dom perforierten Mittelrohr 2, dem elastischen Rohr 3, den Halteschalen 4, dem Kcgelllansch 5, dem Druckkolben 6 und dem Aufnehmer für die Schallemission 7.The pressure chamber consists essentially of the Druckzclle-1, dom perforated center tube 2, the elastic tube 3, the holding shells 4, the Kcgelllansch 5, the pressure piston 6 and the transducer for the acoustic emission. 7

Der Probonraum 8 wird vom perforierten Mittolrohr 2 und dem elastischen Rohr 3 sowie vom Kegelflansch 5 und Druckkolbon begrenzt.The proof room 8 is bounded by the perforated central tube 2 and the elastic tube 3 and by the conical flange 5 and pressure bulb.

Dor Einbau der Probe in den Probonraum 8 erfolgt bei domontiortom Innentoil dos Druckkolbens 6. Zur Stabilisierung dos Probcnmatorials während des Einbaues worden drei kroissegmentförmigo Halteschalen 4 mittels Handhebel gegon das elastische Rohr 3, das aus einer dünnen Gummihaut besteht, geschwenkt. Dio oberen Kanten der Halteschalen 4 dienen dabei gleichzeitig als Begrenzung des Druckkolbens 6. Zur exakten Einhaltung der Probongeometrie wird das elastischo Rohr 3 durch Anlogen eines Unterdruckes an der Druckzolle 1 gogen die mit Rillen versehenen Haltcschalcn 4 gezogen. Das Probenmaterial wird während des Einbauvorganges verdichtet, und nach Erreichen des Füllvolumens wird das Innontoil dos Druckkolbens 6 montiert. Dabei wird die Probe gleichzeitig nach außen abgedichtet. Nach dem Abbau dos Untordruckes in der Druckzelle 1 wird diese mit dam Druckmedium, vorzugsweise Wasser, blasenfroi gefüllt und verschlossen. Danach wird bei nach obon begrenztem Weg des Druckkolbens 6 ein hydrostatischer Mantcldruck aufgebaut, wobei gleichzeitig dio Halteschalen 4 von dom elastischen Rohr 3 weggeschwenkt werden. Der triaxiale Spannungszustand wird durch gleichzeitiges oder nachfolgendos Aufbringen oinor axialen Druckkraft auf den Druckkolbon 6 erreicht. Der Kegolflansch 5 diont zur Befestigung dos perforierten Mittelrohres 2 und zur Haltorung des elastischen Rohres 3. Er enthält gleichzeitig don Aufnehmer für dio Schallemission 7 zur Registrierung der Schallimpulse, dio bei Veränderung des Probendruckes entstehen. Das bei Druckänderung dos Probendruckes entweichende Gas diffundiert in das mit Gassammolräumen 9 versehene perforierte Mittelrohr 2 und wird einem Radon-Meßsystem zugeführt. Das Probenmaterial wird in den vorzugsweise Zylindergeometrie aufweisenden Probenraum 8 eingebracht. Die Höho des Zylinders beträgt dabei 100mm und der Durchmesser 50mm. Dio Mantelfläche dos Zylinders wird durch das elastischo Rohr 3 gobildet, auf den der hydraulisch erzeugte Manteldruck wirkt. Dio undurchlässigen und ebenen Stirnflächen dos Zylinders werden durch einen Kegolflansch 5 und durch einon dio axiale Druckkraft übertragenden Druckzylinder 6 mit vorgolagortemDor sample installation in the sample room 8 takes place at Domontiortom Innentoil dos plunger 6. To stabilize the Probcnmatorials during installation three kroissegmentförmo holding shells 4 by hand lever gegon the elastic tube 3, which consists of a thin rubber skin, pivoted. Dio upper edges of the holding shells 4 serve simultaneously as a boundary of the pressure piston 6. For exact compliance with the Probongeometrie the elastischo tube 3 by Anlogen a negative pressure on the pressure roller 1 gogen the grooved Haltcschalcn 4 is pulled. The sample material is compressed during the installation process, and after reaching the filling volume Innontoil the pressure piston 6 is mounted. The sample is simultaneously sealed to the outside. After the reduction of the nonsuppressure in the pressure cell 1, it is filled with pressure medium, preferably water, bubble-free and sealed. Thereafter, a hydrostatic Mantcldruck is built up at obon limited way of the pressure piston 6, wherein at the same time dio holding shells 4 are pivoted away from dom elastic tube 3. The triaxial state of stress is achieved by simultaneously or subsequently applying oinor axial compressive force on the Druckkolbon 6. The Kegolflansch 5 diont for fixing the perforated center tube 2 and the Haltorung of the elastic tube 3. It also contains don donors for dio acoustic emission 7 for recording the sound pulses, dio arise when changing the sample pressure. The escaping at pressure change dos sample pressure gas diffuses into the provided with Gassammolräumen 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. Dio lateral surface of the cylinder is gobildet by the elastischo tube 3, acts on the hydraulically generated shell pressure. Dio impermeable and flat faces dos cylinder are by a Kegolflansch 5 and by a dio axial compressive force transmitted pressure cylinder 6 with vorgolagortem

vorzugsweise aus PTFE bestehenden Dichtscheiben gebildet. Es bildet sich im Inneren der Probe ein Radon-Konzontrationsgradient 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 erfolgte Verdichtung werden wechselseitig zunächst der Manteldruck in kleinen Schritten erhöht und die axial wirkende Druckkraft nachgeführt, bis ein Ausgangsspannungszustand, der vor?ugsweise zwischen 0 und 0,5MPa sowohl als Manteldruck als auch als axialer Druck einrestellt wird, erreicht ist. Nach dar Einstellung des radioaktiven Gleichgewichtes im Radon-Meßsystem wird der Spannungszustand stufenweise variiert. Diese Änderung kann sowohl durch Änderung des axialen Druckes, des Manteldruckes oder aucn teider Größen herbeigeführt werden.After installation of the sample and preferably compression by compression, the jacket pressure is alternately increased first in small increments and the axially acting compressive force is adjusted until an output voltage condition, preferably between 0 and 0.5 MPa, both as sheath pressure and as axial pressure is reached. After setting 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 shell pressure or aucn teider sizes.

Die im Radon-Meßsystem gemessenen Alpha-Impulsraten werden anhand von Kalibrierfaktoren in Radonaktivitäten umgerechnet. Durch die interative Kurvenanpassung einus Modells an den experimentoll gemessenen zeitlichen Verlauf der Radonaktivität und Modifizieren der Modellparameter, Diffusionskoeffizient, Porosität, spontan mit Delastungsänderung exhalicrte Radonaktivität und Änderung der Hadonproduktion werden die Abweichungen des Modells minimiert und die Modellparameter bestimmt.The alpha pulse rates measured in the radon measurement system are converted into radon activities using calibration factors. By inter-curve fitting of a model to the experimentally measured time course of radon activity and modifying the model parameters, diffusion coefficient, porosity, spontaneous with Delastungsänderung exhalicrte radon activity and change of Hadonproduktion the deviations of the model are minimized and determines the model parameters.

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 a during the measurement of a hydrostatic pressure medium surrounded elastic tube, characterized in that within the pressure cell (1) has a perforated center tube (2) with Gassammeiräumen (9) is arranged, which is concentrically surrounded by the sample, and within the pressure cell (1) against the elastic tube (3) pivotable circular segment-shaped holding shells (4) are provided.

2. Druckkammernach claim!, Characterized in that the Gassammeiräume (9) consist of radial bores, which merge into longitudinal grooves at the interface to the sample.

3. Pressure chamber according to claim!, Characterized in that the holding shells (4) are seen on the inner circumferential surface with grooves vei.

4. Druckkammernach claim!, 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.

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