一種酸性水垂直滲流與巖層發生酸性侵蝕反應的試驗裝置制造方法
【專利摘要】本實用新型提供了一種酸性水垂直滲流與巖層發生酸性侵蝕反應的試驗裝置，涉及地表巖體物理化學【技術領域】。該裝置分為三個部分，環境模擬部分，包括一個氮氣瓶和酸性溶液裝置容器。水巖反應部分，上殼體內腔設計成近似扁平錐體，在錐體底部與出水口相連；下殼體內腔設計成一端為圓錐形內部帶臺階的圓柱形腔頂部與進水口相連。上下殼體通過法蘭盤和螺栓連接。在下殼體內腔靠近出水口處依次設置不銹鋼多孔過水鋼片和出水端滲透膜。水樣測試部分，包括兩套依次連接在一級和二級反應裝置后出水口的電子壓力計、三通閥門，和與閥門相連的水樣采集器和放在電子稱上的量筒，以及三級反應裝置后與出水口相連的三通閥門和水樣采集器。主要用于水巖化學分析。
【專利說明】一種酸性水垂直滲流與巖層發生酸性侵蝕反應的試驗裝置
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及地表巖體物理化學【技術領域】，屬于巖樣滲透性和微觀結構形態以及滲流溶液進行測試分析的裝置。
【背景技術】
[0002]目前，我國環境污染相當嚴重，因次生環境問題引起的酸雨等環境問題使雨水、河水和湖水中化學物質增加，環境酸化(pH〈5.6)問題越來越嚴重。酸化環境對巖土體侵蝕作用是微觀的、長期的，可影響巖體各個時期的力學特性，隨著工程運營時間增加，問題將越來越突出。因此，開展酸性降雨對巖體礦物化學成分影響從而造成的力學強度變化機理的相關研究，對巖土體受到物理化學侵蝕引起工程性能變化和工程安全及其評估具有十分重要的意義。
[0003]前期研究表明，滲流作用是涉及孔隙水滲流、可搬運細微顆粒遷移和多孔介質變形的多相耦合系統。孔隙水在巖土體骨架滲流，對巖體內部可運動細微顆粒產生沖刷、搬運作用。過去的研究成果主要集中在滲流-侵蝕-應力耦合效應上，從巖土體微觀結構形態和力學強度變化方面對滲流影響進行分析。從宏觀上看，巖體內滲流具有非均勻性和各向異性，在裂隙發育的位置滲流破壞嚴重，并呈一定的方向性；從微觀上看，裂隙的幾何尺寸特征和裂隙內填充物質的物理力學性質是滲流破侵蝕的重要影響因素。
[0004]但是現有的滲流試驗裝置常忽略了入滲溶液對巖體材料的化學侵蝕效應，有的裝置未考慮入滲溶液與巖體所含礦物化學成分發生反應引起的巖土體礦物成分、孔隙尺寸結構(孔隙率)、水力特征(滲透率)、物理特征(有效反應比表面積)、力學特性(抗壓抗剪強度等)的變化。因此，本實驗裝置更全面的考慮到滲流侵蝕過程水巖化學作用對于巖體性質劣化產生的影響，為酸雨地區地表巖體工程特性分析和治理手段提供了重要的理論依據和技術支持。針對現有技術的不足，設計一種可。該裝置可直接采用各類型的巖體試樣與含化學溶質的水溶液進行化學作用來研究巖體在水巖化學作用下的化學劣化過程及機理。
實用新型內容
[0005]本實用新型的目的是提供一種酸性水垂直滲流與巖層發生酸性侵蝕反應的試驗裝置，它能有效地模擬含不同成分水溶液與巖體發生化學作用的水巖化學作用。
[0006]本實用新型的目的是通過以下技術方案來實現:一種酸性水垂直滲流與巖層發生酸性侵蝕反應的試驗裝置，分別由環境條件模擬部分、水巖反應部分、水樣測試部分組成，
[0007]氮氣瓶與酸性溶液容器的連接管路中按序設有指針壓力計、電子壓力計和蝶形螺栓，酸性溶液容器的底部設有帶閥門的管路連接一級反應裝置的進水口 ；
[0008]水巖反應部分包括:一級反應裝置由上殼體和下殼體組裝而成，上殼體內腔的一端為扁平錐體形且內部帶臺階的圓柱形腔，臺階處放置巖樣，圓柱形腔頂部與出水口相連；下殼體內腔為錐體，錐體底部與進水口相連，上殼體內腔直徑略大于下殼體直徑，上殼體底部沿周邊設有螺孔，下殼體下部設有與法蘭盤配合的螺栓孔，上殼體和下殼體通過法蘭盤和螺栓連接，在法蘭盤上可放置密閉墊圈。下殼體中部表面設有圓環狀凹槽，凹槽內設有密墊圈；在上殼體內腔靠近出水口處依次設置不銹鋼多孔過水鋼片和出水端滲透膜；
[0009]水樣測試部分包括:包括其它兩套依次連接在一級反應裝置后面的二級反應裝置和三級反應裝置，它們的出水口均設有電子壓力計和三通閥門，三通閥門的一端接一級反應裝置的出水口，一端接二級反應裝置的進水口，另一端連接連的水樣采集器和放在電子天平上的量筒；一級和二級反應裝置的結構和連接方式一致；三級反應裝置出水口處的三通閥門兩個出水口分別直接與水樣采集器和放置在電子天平上的量筒連接。
[0010]所述下殼體內腔設有石英質滲透膜。
[0011]所述巖樣的兩端設有膠圈，膠圈的前后設有密閉膠圈和密閉膠圈。
[0012]所述氮氣瓶(I)與容器之間通過高壓管路連接。
[0013]本實用新型中:
[0014]環境條件模擬部分可以由高壓氮氣瓶通過閥門與酸性溶液裝置容器相連，容器中溶液可分別設置為pH=2、pH=5、pH=7不同酸度的硫酸溶液，其中pH=7的溶液為去離子水溶液作為空白對照組試驗。試驗開始時，氮氣瓶中的氣體由容器頂部進入瓶中，設置酸性溶液容器內氣體壓力恒定(0.3-0.6MPa之間)。
[0015]水巖反應部分為酸性水入滲反應裝置中的核心部分，主要是為了保證酸性溶液與巖體充分進行物理化學作用。裝置要求具有良好的密閉性，以保證裝置中的液體只可垂直滲透穿過巖樣，不會從巖樣側面發生泄漏。工作過程是:試驗時，首先將巖體試樣防酸腐蝕膠圈套在圓形巖樣周邊并放入裝置中；酸性溶液從左側進水口進入裝置后，與巖樣全面充分的接觸，發生酸性侵蝕作用；反應后的液體經滲透膜過濾，液體從裝置出水口流出，進入下一級的測試裝置。不銹鋼多孔鋼板放置在最靠近出水口的內腔臺階上，其作用是使巖體試樣在試驗中均衡受力而不變形破損，多孔鋼板需具有一定的抗壓強度和耐化學腐蝕性能力；石英質滲透膜的作用是保證與巖體試樣反應后的溶液流出分析時不受溶液中溶解的固體顆粒影響。進水口、出水口的錐形設計有利于減小反應容器中的靜容積，縮短溶液流出時間。上、下部分圓柱體容器應有足夠大的強度。在出水口外側設置電子壓力計以及三通閥門，以便控制酸性溶液與巖樣作用后水溶液進行各種物理化學測試工作。
[0016]水樣測試部分主要由電子壓力計、高精度電子天平和量筒組成，量筒的進水口處最好有量筒蓋，以減少水分的蒸發，通過讀取一定時間內酸性溶液的流量來計算巖樣在酸性溶液侵蝕下滲透系數的變化。電子壓力計用于測量每一級巖樣與酸性溶液反應后在管道中的壓力，通過三通閥門出水口的改變，可以通過流量計算的滲透系數和壓力差變化算出溶液在各級巖樣內部的滲流速度。
[0017]本實用新型的優點是:
[0018]本裝置具有模擬不同酸濃度(如H2SO4)對不同埋藏深度巖體的侵蝕作用，通過對水巖作用后的溶液化學成分、PH值、電導率EC和巖石、滲透系數等參數的變化測試，以及入滲侵蝕巖石表面微觀結構形態變化觀察，為研究酸雨地區地表酸雨入滲過程對于含碳酸鹽礦物等易與酸反應的巖層水巖侵蝕作用和酸性弱化機理提供重要試驗依據。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0019]圖1為本實用新型整體布局示意圖[0020]圖2為本實用新型反應裝置的上殼體剖視圖
[0021]圖3為本實用新型反應裝置的下殼體剖視圖
[0022]圖4為本實用新型反應裝置的下殼體俯視圖
【具體實施方式】:
[0023]為進一步闡述本實用新型所采用的技術手段，下面結合附圖對具體實施說明如下。
[0024]一種酸性水垂直滲流與巖層發生酸性侵蝕反應的試驗裝置，分別由環境條件模擬部分、水巖反應部分、水樣測試部分組成，高壓氮氣瓶I與酸性溶液容器5的連接管路中按序設有指針壓力計2、電子壓力計3和蝶形螺栓4，酸性溶液容器5的底部設有帶閥門6的管路連接一級反應裝置7的進水口 ；
[0025]水巖反應部分包括:一級反應裝置7由上殼體14和下殼體27組裝而成，上殼體14內腔的一端為扁平錐體形且內部帶臺階的圓柱形腔，臺階處放置巖樣19，圓柱形腔頂部與出水口 22相連；下殼體27內腔為錐體，錐體底部與進水口 25相連，上殼體14內腔直徑略大于下殼體27直徑，上殼體14底部沿周邊設有螺孔21，下殼體27下部設有與法蘭盤26配合的螺栓孔21，上殼體14和下殼體27通過法蘭盤26和螺栓連接，在法蘭盤26上可放置密閉墊圈。下殼體27中部表面設有圓環狀凹槽，凹槽內設有密墊圈24 ;在上殼體14內腔靠近出水口 22處依次設置不銹鋼多孔過水鋼片15和出水端滲透膜16 ；
[0026]水樣測試部分包括:包括其它兩套依次連接在一級反應裝置7后面的二級反應裝置8和三級反應裝置9，它們的出水口均設有電子壓力計和三通閥門，三通閥門的一端接一級反應裝置的出水口 22，一端接二級反應裝置的進水口，另一端連接連的水樣采集器11和放在電子天平上13的量筒12 級和二級反應裝置的結構和連接方式一致；三級反應裝置9出水口處的三通閥門兩個出水口分別直接與水樣采集器和放置在電子天平上的量筒連接。
[0027]所述下殼體27內腔設有石英質滲透膜23。
[0028]所述巖樣19的兩端設有膠圈18，膠圈18的前后設有密閉膠圈17和密閉膠圈20。
[0029]所述高壓氮氣瓶I與酸性溶液容器5之間通過高壓管路連接。
[0030]本實用新型中:環境條件模擬部分可以由高壓氮氣瓶I通過指針壓力計2、電子壓力計3和蝶形螺栓閥門4與酸性溶液容器5相連，酸性溶液容器5中溶液可分別設置為pH=2、pH=5、pH=7不同酸度的硫酸溶液，其中pH=7的溶液為去離子水溶液作為空白對照組試驗。試驗開始時，高壓氮氣瓶I中的氣體由酸性溶液容器5頂部進入瓶中，設置酸性溶液容器5內氣體壓力恒定(0.3-0.6MPa之間)。
[0031]水巖反應部分為酸性水入滲反應裝置中的核心部分，反應裝置內裝有出水端滲透膜16、進水端滲透膜23，四周有防腐蝕的密閉圈，包括上密閉膠圈17、巖體膠圈18、下密閉膠圈20，用來固定巖樣并保持反應瓶與巖樣接觸部位密封；主要是為了保證酸性溶液與巖體充分進行物理化學作用。裝置要求具有良好的密閉性，以保證裝置中的液體只可垂直滲透穿過巖樣，不會從巖樣19側面發生泄漏。工作過程是:試驗時，首先將巖樣19防酸腐蝕膠圈18套在圓形巖樣周邊并放入裝置中；酸性溶液從左側進水口 25進入裝置后，與巖樣19全面充分的接觸，發生酸性侵蝕作用；反應后的液體經滲透膜16過濾，液體從裝置出水口 22流出，進入下一級的測試裝置8。不銹鋼多孔鋼板15放置在最靠近出水口 22的內腔臺階上，其作用是使巖體試樣在試驗中均衡受力而不變形破損，多孔鋼板15需具有一定的抗壓強度和耐化學腐蝕性能力；石英質滲透膜23的作用是保證與巖體試樣反應后的溶液流出分析時不受溶液中溶解的固體顆粒影響。進水口 25、出水口 22附近的錐形設計有利于減小反應容器中的靜容積，縮短溶液流出時間。上、下部分圓柱體容器應有足夠大的強度。在出水口 22外側設置電子壓力計3以及三通閥門10，以便控制酸性溶液與巖樣19作用后水溶液進行各種物理化學測試工作。
[0032]水樣測試部分主要由水樣采集器11、量筒12、電子天平13組成，量筒12的進水口處最好有量筒蓋，以減少水分的蒸發，通過讀取一定時間內酸性溶液的流量來計算巖樣19在酸性溶液侵蝕下滲透系數的變化。電子壓力計13用于測量每一級巖樣與酸性溶液反應后在管道中的壓力，通過三通閥門出水口的改變，可以通過流量計算的滲透系數和壓力差變化算出溶液在各級巖樣內部的滲流速度。
[0033]本實用新型的裝配方法可以如下:
[0034](一)首先在靠近反應裝置進、出水口位置放置出水端滲透膜16、進水端滲透膜23，用來過濾實驗中進、出水口溶液中的固體雜質；
[0035](二)將制備好的巖樣19裝入反應裝置7中，巖樣19與反應裝置通過上密閉膠圈17、下密閉膠圈20和巖體膠圈18密封連接；
[0036](三)將三個反應裝置通過溶液流通管道和三通閥門10連接成圖1模式，一級反應裝置7和二級反應裝置8后連接電子壓力表3和三通閥門10，閥門10下再接一個連有水樣采集器11的三通閥門，滲出的溶液用量筒12收集并放置于電子天平上稱重13，三級反應裝置9后只接一個三通閥門，閥門下接水樣采集器11和量筒12 ；
[0037](四)將酸性溶液裝置容器5與氮氣瓶I連接，中間連接指針壓力表2和電子壓力表3 ;
[0038](五)將一級反應裝置7與酸性溶液裝置容器5相連，使裝置連接成為一個整體，從而形成了完整的水巖化學作用裝置。
[0039]試驗過程如下:
[0040](一)實驗溶液在高壓氮氣瓶I的壓力下由酸性溶液裝置容器5進入水巖化學作用裝置7，溶液先通過一級反應裝置7中的出水端滲透膜16過濾后與巖樣19進行接觸；(二)溶液與巖樣19在反應裝置7中進行充分化學作用并滲透過巖樣19 ；(三)水巖化學作用之后的溶液經進水端滲透膜23過濾，然后流出反應裝置7，控制三通閥門10使溶液只能流向其下面的三通閥門，分別對滲透溶液進行水樣的采集和測試；(四)轉動三通閥門10讓溶液只能進入二級反應裝置8，溶液經過濾后與巖樣反應，反應后溶液仍然先流向分析測試出水口，對滲透溶液進行水樣的采集和測試；(五)轉動三通閥門讓溶液只能進入三級反應裝置9，溶液經過濾后與巖樣反應，反應后對滲透溶液進行水樣采集和測試(對各級反應裝置的滲透溶液進行水樣采集和水質分析時間間隔為一天)。
[0041]本裝置根據需要臥式安裝，為了確保反應裝置中無氣體殘留，需用透明材料制作反應裝置，且巖樣19的安裝須在去離子水箱中進行。
【權利要求】
1.一種酸性水垂直滲流與巖層發生酸性侵蝕反應的試驗裝置，分別由環境條件模擬部分、水巖反應部分、水樣測試部分組成，其特征在于:氮氣瓶(I)與酸性溶液容器(5)的連接管路中按序設有指針壓力計(2)、電子壓力計(3)和蝶形螺栓(4)，酸性溶液容器(5)的底部設有帶閥門(6)的管路連接一級反應裝置(7)的進水口(25)； 水巖反應部分包括:一級反應裝置(7)由上殼體(14)和下殼體(27)組裝而成，上殼體(14)內腔的一端為扁平錐體形且內部帶臺階的圓柱形腔，臺階處放置巖樣(19)，圓柱形腔頂部與進水口(25)相連；下殼體(27)內腔為錐體，錐體底部與出水口(22)相連，上殼體(14)內腔直徑略大于下殼體(27)直徑，上殼體底部沿周邊設有螺孔(21)，下殼體(27)下部設有與法蘭盤(26)配合的螺栓孔(21)，上殼體(14)和下殼體(27)通過法蘭盤(26)和螺栓連接；下殼體(27)中部表面設有圓環狀凹槽構造，凹槽內設有密墊圈(24);在上殼體內腔靠近出水口(22)處依次設置不銹鋼多孔過水鋼片(15)和出水端滲透膜(16)； 水樣測試部分包括:兩套依次連接在一級反應裝置(7)后面的二級反應裝置(8)和三級反應裝置(9 )，它們的出水口均設有電子壓力計和三通閥門(10 )，三通閥門(10 )的一端接一級反應裝置(7)的出水口(22)，一端接二級反應裝置(8)的進水口，另一端連接連的水樣采集器(11)和放在電子天平(13)上的量筒(12);—級和二級反應裝置的連接方式一致；三級反應裝置出水口處的三通閥門兩個出水口分別直接與水樣采集器和放置在電子天平上的量筒連接。
2.根據權利要求1所述的一種酸性水垂直滲流與巖層發生酸性侵蝕反應的試驗裝置，其特征在于:下殼體(27)內腔設有石英質滲透膜(23)。
3.根據權利要求1所述的一種酸性水垂直滲流與巖層發生酸性侵蝕反應的試驗裝置，其特征在于:巖樣(19)的兩端設有膠圈(18)，膠圈(18)的前后設有密閉膠圈(17)和密閉膠圈(20)。
4.根據權利要求1所述的一種酸性水垂直滲流與巖層發生酸性侵蝕反應的試驗裝置，其特征在于:氮氣瓶(I)與容器之間通過高壓管路連接。
【文檔編號】G01N33/24GK203595699SQ201320815760
【公開日】2014年5月14日 申請日期:2013年12月11日 優先權日:2013年12月11日
【發明者】李曉寧, 廖昕, 王剛剛, 巫錫勇, 凌斯祥, 朱寶龍, 馮君 申請人:西南交通大學