专利名称：一种黏性土试样的性能测试装置及其测试方法
技术领域：
本发明涉及环境及岩土工程领域，具体来说，涉及一种黏性土试样的性能测试装置及其测试方法，尤其是对于金属离子溶液作用下，膨润土与黏土 /砂土类型的竖向隔离墙、黏土和击实黏土(CCL)、土工合成黏土衬垫(GCL)等工程屏障材料的膜效率系数、有效扩散系数和阻滞因子性能的测定。
背景技术：
根据传统的对流-弥散-扩散迁移理论，有效扩散系数和阻滞因子是评价黏性土、击实粘土垫层(CCL)、土工合成黏土衬垫(GCL)、膨润土系竖向隔离墙等工程屏障阻滞重金属污染液迁移的重要基本指标。有效扩散系数采用一维土柱淋滤实验测定，阻滞因子通过批吸附实验结果求算获得。两者测定周期长、操作过程繁杂，并且需要不同的测定设备及方法完成。 此外，工程实践和科研试验中通常出现采用金属离子溶液对岩土工程材料(这里特指黏性土及工程屏障材料)进行渗透实验及一维土柱淋滤实验时，流量及金属离子溶质浓度通量理论计算结果与实际测定结果存在较大偏差。除了测定过程中的人为误差等因素，目前的分析理论中针对存在溶质浓度差的化学渗透均未考虑材料的半透膜效应。金属离子溶液作用下，由于岩土工程材料的半透膜效应所造成的化学渗透具体表现为(1)由于化学渗透造成的体积变化；(2)渗透规律结果偏离达西定律；(3)低渗透性岩土介质中出现异常孔隙水压力；(4)溶质迁移速率的改变等。岩土工程材料半透膜效应的成因主要包括(I)对于带电离子主要依靠相邻黏土颗粒间扩散双电层形成的(叠加)电场对离子的静电排斥；(2)对于非极性溶质，例如水溶性有机混合物，主要通过黏土孔隙尺寸对大分子溶质在几何空间上的约束。岩土工程材料半透膜效应的定量评价采用膜效率系数《，其数值介于0和I之间，数值等于0或I时分别表示材料不具有膜效应或具有理想膜效应。而目前尚未有能够测定岩土工程材料膜效率系数的测试装置，限制了工程实践中获取重金属污染物运移参数的准确性以及科学研究的理论分析方法进步。
发明内容
技术问题本发明所要解决的技术问题是提供一种黏性土试样的性能测试装置，该测试装置可以对黏性土试样的膜效率系数、有效扩散系数和阻滞因子性能进行测定，同时，本发明还提供了一种黏性土试样性能测试装置的测试方法，该测定方法简单易行，可以对黏性土试样的膜效率系数、有效扩散系数和阻滞因子性能进行联合测定，不必分别测定，提高了测定效率。技术方案为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是一种黏性土试样的性能测试装置，该性能测试装置包括试样盒、上透水石、下透水石、上滤纸、下滤纸、微差压传感器、数据采集仪、精密注射泵、第一储液罐、第二储液罐、第三储液罐和第四储液罐，其中，所述的试样盒包括顶盖、底座和腔体，腔体固定连接在顶盖和底座之间，腔体内壁涂有抗金属溶液腐蚀层，试样盒呈密封状态；下透水石、下滤纸、黏性土试样、上滤纸和上透水石从下向上依次排布在腔体中；上透水石的直径和下透水石的直径分别等于腔体的内径，上透水石的上部设有两个凹孔和一个通孔，下透水石的下部设有两个凹孔和一个通孔；顶盖中设有上左通管、上中通管和上右通管，上左通管的底端和上右通管的底端位于上透水石的凹孔中，上中通管的底端穿过上透水石的通孔，位于黏性土试样中，上中通管的顶部通过含有第一双向阀的管道与微差压传感器连接；底座中设有下左通管、下中通管和下右通管，下左通管的顶端和下右通管的顶端位于下透水石的凹孔中，下中通管的顶端穿过下透水石的通孔，位于黏性土试样中，下中通管的底部通过含有第二双向阀的管道与微差压传感器连接，微差压传感器与数据采集仪连接；所述的精密注射泵中设有第一注射器、第二注射器、第三注射器和第四注射器四 个注射器，第一注射器通过第一三通阀门分别与第一储液罐的出水口和上右通管的顶端连接，并且第一储液罐和第一三通阀门之间设有第二三通阀门；第二注射器通过第三三通阀 门分别与第二储液罐的出水口和上左通管的顶端连接，并且第二储液罐和第三三通阀门之间设有第四三通阀门；第三注射器通过第五三通阀门分别与第三储液罐的出水口和下右通管的底端连接，并且第三储液罐和第五三通阀门之间设有第六三通阀门；第四注射器通过第七三通阀门分别与第四储液罐的出水口和下左通管的底端连接，并且第四储液罐和第七三通阀门之间设有第八通阀门。一种黏性土试样的性能测试装置的测试方法，该测试方法包括以下步骤第一步调节第一三通阀门和第二三通阀门，使第一注射器仅与第一储液罐连通，通过第一储液罐向提供注射的第一注射器中注满去离子蒸馏水，同时，通过调节精密注射泵置空提供抽回的第二注射器，使得第二注射器体积为零；调节第五三通阀门和第六三通阀门，使第三注射器仅与第三储液罐连通，通过第三储液罐向提供注射的第三注射器中注满去离子蒸馏水，同时，通过调节精密注射泵置空提供抽回的第四注射器，使得第四注射器体积为零；然后调节第一三通阀门，使第一注射器仅与上右通管连通，调节第三三通阀门，使第二注射器仅与上左通管连通，调节第五三通阀门，使第三注射器仅与下右通管连通，调节第七三通阀门，使第四注射器仅与下左通管连通，并且开启第一双向阀和第二双向阀；随后第一注射器通过上右通管向上透水石的凹孔中注射去离子蒸馏水，上透水石中的去离子蒸馏水通过上左通管被第二注射器抽回，第三注射器通过下右通管向下透水石的凹孔中注射去离子蒸馏水，下透水石中的去离子蒸馏水通过下左通管被第四注射器抽回，第二注射器的抽回速度、第四注射器的抽回速度、第一注射器的注射速度和第三注射器注射速度分别相等，通过微差压传感器和数据采集仪测定黏性土试样两端的化学渗透压力差，并记录稳定时化学渗透压力差为初始渗透压力差-Aptl ；第二步先关闭第一双向阀和第二双向阀，调节第一三通阀门和第二三通阀门，切断第一注射器和上右通管之间，以及第一注射器和第一储液罐之间的连接；调节第三三通阀门和第四三通阀门，切断第二注射器和上左通管之间，以及第二注射器和第二储液罐之间的连接；调节第五三通阀门和第六三通阀门，切断第三注射器和下右通管之间，以及第三注射器和第三储液罐之间的连接；调节第七三通阀门和第八三通阀门，切断第四注射器和下左通管之间，以及第四注射器和第四储液罐之间的连接；然后，将第一储液罐中的溶液更换为溶质浓度为C的金属离子溶液，将第三储液罐中的溶液更换为去离子蒸馏水，并移去第二储液罐和第四储液罐中的溶液；第三步调节第一三通阀门和第二三通阀门，使得第一注射器仅与第一储液罐连通，并且第一储液罐向第一注射器中注满溶质浓度为C的金属离子溶液；调节第五三通阀门和第六三通阀门，使得第三注射器仅与第三储液罐连通，并且第三储液罐向第三注射器中注满去离子蒸馏水；调节精密注射泵，使得第二注射器和第四注射器体积为零；接着，调节第一三通阀门，使第一注射器仅与上右通管连通，调节第三三通阀门，使第二注射器仅与上左通管连通，调节第五三通阀门，使第三注射器仅与下右通管连通，调节第七三通阀门，使第四注射器仅与下左通管连通，开启第一双向阀和第二双向阀；随后，第一注射器向上透水石的凹孔中注射溶质浓度为Ctl的金属离子溶液，金属离子溶液通过上透水石，经上左通管被第二注射器抽回，第三注射器向下透水石的凹孔中注射去离子蒸馏水，下透水石中的去离子蒸馏水通过下左通管被第四注射器抽回；通过精密注射泵控制四个注射器同步、等流速的注射和抽回；
第四步打开第一双向阀和第二双向阀，通过微差压传感器持续测定黏性土试样两端化学渗透压力差，记录化学渗透压力差的峰值-A ppeak及稳定值-△ Pss ;同时，每间隔小时进行以下操作首先，关闭第一双向阀和第二双向阀，调节第一三通阀门，断开第一注射器与上右通管之间的连接，通过调节第二三通阀门收集第一注射器中的溶液，调节第三三通阀门，断开第二注射器与上左通管之间的连接，通过调节第四三通阀门收集第二注射器中的溶液，调节第五三通阀门，断开第三注射器与下右通管之间的连接，通过调节第六三通阀门收集第三注射器中的溶液，调节第七三通阀门，断开第四注射器与下左通管之间的连接，通过调节第八三通阀门收集第四注射器中的溶液；然后，对收集的溶液分别进行金属离子浓度测定；通过微差压传感器和数据采集仪实际测定的黏性土试样两端化学渗透压力差-Ap和累计溶质浓度通量随测试时间变化关系，如果黏性土试样两端化学渗透压力差达到稳定状态，并且累计溶质浓度通量随测试时间变化关系出现稳定线性增长时，则结束数据采集，进入第五步，否则返回第三步；第五步取第四步采集的实际测定黏性土试样13两端化学渗透压力差达到稳定状态所收集溶液的金属离子浓度，根据式(I)计算黏性土试样13的理论化学渗透压力差 _ A 31 ;
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C +CC +C^式⑴中，R为通用气体常数;T为绝对温度,Ct , . ^~I Chmej
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其中，C1表示负责注射的第一注射器中溶液的金属离子浓度，C2表示负责抽回的第二注射器中溶液的金属离子浓度，C3表示负责注射的第三注射器中溶液的金属离子浓度，C4表示负责抽回的第四注射器中溶液的金属离子浓度，下标i表示金属离子类型，N表示金属离子类型的总数。<\￡ (^表不第一注射器和第二注射器中金属离子浓度的平均值,(^￡ (^表不第三注射器和第四注射器中金属离子浓度的平均值；通过式(2)测定出黏性土试样的膜效率系数峰值《peak，
权利要求
1.一种黏性土试样的性能测试装置，其特征在于，该性能测试装置包括试样盒(I)、上透水石(2)、下透水石(3)、上滤纸(4)、下滤纸(5)、微差压传感器(6)、数据采集仪(7)、精密注射泵(8)、第一储液罐(9)、第二储液罐(10)、第三储液罐(11)和第四储液罐(12)，其中， 所述的试样盒(I)包括顶盖(101)、底座(102)和腔体(103)，腔体(103)固定连接在顶盖(101)和底座(102)之间，腔体(103)内壁涂有抗金属溶液腐蚀层，试样盒(I)呈密封状态；下透水石(3 )、下滤纸(5 )、黏性土试样(13 )、上滤纸(4)和上透水石(2 )从下向上依次排布在腔体(103)中；上透水石(2)的直径和下透水石(3)的直径分别等于腔体(103)的内径，上透水石(2)的上部设有两个凹孔和一个通孔，下透水石(3)的下部设有两个凹孔和一个通孔；顶盖(101)中设有上左通管(104)、上中通管(105)和上右通管(106),上左通管(104)的底端和上右通管(106)的底端位于上透水石(2)的凹孔中，上中通管(105)的底端穿过上透水石(2)的通孔，位于黏性土试样(13)中，上中通管(105)的顶部通过含有第一 双向阀(22)的管道与微差压传感器(6)连接；底座(102)中设有下左通管(107)、下中通管(108)和下右通管(109)，下左通管(107)的顶端和下右通管(109)的顶端位于下透水石(3)的凹孔中，下中通管(108)的顶端穿过下透水石(3)的通孔，位于黏性土试样(13)中，下中通管(108)的底部通过含有第二双向阀(23)的管道与微差压传感器(6)连接，微差压传感器(6)与数据采集仪(7)连接； 所述的精密注射泵(8)中设有第一注射器(801)、第二注射器(802)、第三注射器(803)和第四注射器(804)四个注射器，第一注射器(801)通过第一三通阀门(14)分别与第一储液罐(9)的出水口和上右通管(106)的顶端连接，并且第一储液罐(9)和第一三通阀门(14)之间设有第二三通阀门(15);第二注射器(802)通过第三三通阀门(16)分别与第二储液罐(10)的出水口和上左通管(104)的顶端连接，并且第二储液罐(10)和第三三通阀门(16)之间设有第四三通阀门(17);第三注射器(803)通过第五三通阀门(18)分别与第三储液罐(11)的出水口和下右通管(109)的底端连接，并且第三储液罐(11)和第五三通阀门(18)之间设有第六三通阀门(19);第四注射器(804)通过第七三通阀门(20)分别与第四储液罐(12)的出水口和下左通管(107)的底端连接，并且第四储液罐(12)和第七三通阀门(20)之间设有第八通阀门(21)。
2.按照权利要求I所述的黏性土试样的性能测试装置，其特征在于， 所述的上透水石(2)与顶盖(101)的底面接触，腔体(103)内无空隙。
3.按照权利要求I所述的黏性土试样的性能测试装置，其特征在于，所述的试样盒(I)由PVC材料制成，下左通管(107)、下中通管(108)、下右通管(109)、上左通管(104)、上中通管(105 )和上右通管(106 )均由聚酰胺材料制成。
4.按照权利要求I所述的黏性土试样的性能测试装置，其特征在于， 所述的上左通管(104)、上中通管(105)和上右通管(106)处于同一直线，且上左通管(104)和上右通管(106)到上中通管(105)的距离相等；下左通管(107)、下中通管(108)和下右通管(109)处于同一直线，且下左通管(107)和下右通管(109)到下中通管(108)的距离相等。
5.按照权利要求I所述的黏性土试样的性能测试装置，其特征在于，所述的抗金属溶液腐蚀层由铁氟龙材料制成。
6.按照权利要求I所述的黏性土试样的性能测试装置，其特征在于，所述的腔体(103)分别与顶盖(101)和底座(102)之间设有橡胶密封，上透水石(2)分别与上左通管(104)、上中通管(105)和上右通管(106)之间设有橡胶密封环，下透水石(3)分别与下左通管(107)、下中通管(108)和下右通管(109)之间设有橡胶密封环。
7.按照权利要求I所述的黏性土试样的性能测试装置，其特征在于，所述的上透水石(2)中凹孔的高度等于上透水石(2)高度的一半，下透水石(3)中凹孔的高度等于下透水石(3)高度的一半。
8.按照权利要求I所述的黏性土试样的性能测试装置，其特征在于，所述的微差压传感器(6)的量程达到50kPa以上，精度要求满足±0. 2kPa，所述的精密注射泵(8)的注射流速与回抽流速均为的第一注射器(801)、第二注射器(802)、第三注射器(803)和第四注射器(804)的体积相等，且体积范围在8.64X l(T7m3—8. 64X 10 3 之间。
9.一种权利要求I所述的黏性土试样的性能测试装置的测试方法，其特征在于该测试 方法包括以下步骤 第一步调节第一三通阀门(14)和第二三通阀门(15)，使第一注射器(801)仅与第一储液罐(9)连通，通过第一储液罐(9)向提供注射的第一注射器(801)中注满去离子蒸馏水，同时，通过调节精密注射泵(8)置空提供抽回的第二注射器(802)，使得第二注射器(802)体积为零；调节第五三通阀门(18)和第六三通阀门(19)，使第三注射器(803)仅与第三储液罐(11)连通，通过第三储液罐(11)向提供注射的第三注射器(803 )中注满去离子蒸馏水，同时，通过调节精密注射泵(8)置空提供抽回的第四注射器(804)，使得第四注射器(804)体积为零；然后调节第一三通阀门(14)，使第一注射器(801)仅与上右通管(106)连通，调节第三三通阀门(16)，使第二注射器(802)仅与上左通管(104)连通，调节第五三通阀门(18)，使第三注射器(803)仅与下右通管(109)连通，调节第七三通阀门(20)，使第四注射器(804)仅与下左通管(107)连通，并且开启第一双向阀(22)和第二双向阀(23);随后第一注射器(801)通过上右通管(106)向上透水石(2)的凹孔中注射去离子蒸馏水，上透水石(2)中的去离子蒸馏水通过上左通管(104)被第二注射器(802)抽回，第三注射器(803)通过下右通管(109)向下透水石(3)的凹孔中注射去离子蒸馏水，下透水石(3)中的去离子蒸馏水通过下左通管(107 )被第四注射器(804)抽回，第二注射器(802 )的抽回速度、第四注射器(804)的抽回速度、第一注射器(801)的注射速度和第三注射器(803)注射速度分别相等，通过微差压传感器(6)和数据采集仪(7)测定黏性土试样(13)两端的化学渗透压力差，并记录稳定时化学渗透压力差为初始渗透压力差-Aptl ； 第二步先关闭第一双向阀(22 )和第二双向阀(23 )，调节第一三通阀门(14)和第二三通阀门(15)，切断第一注射器(801)和上右通管(106)之间，以及第一注射器(801)和第一储液罐(9)之间的连接；调节第三三通阀门(16)和第四三通阀门(17)，切断第二注射器(802)和上左通管(104)之间，以及第二注射器(802)和第二储液罐(10)之间的连接；调节第五三通阀门(18)和第六三通阀门(19)，切断第三注射器(803)和下右通管(109)之间，以及第三注射器(803)和第三储液罐(11)之间的连接；调节第七三通阀门(20)和第八三通阀门(21)，切断第四注射器(804)和下左通管(107)之间，以及第四注射器(804)和第四储液罐(12)之间的连接；然后，将第一储液罐(9)中的溶液更换为溶质浓度为Ctl的金属离子溶液，将第三储液罐(11)中的溶液更换为去离子蒸馏水，并移去第二储液罐(10)和第四储液罐(12)中的溶液； 第三步调节第一三通阀门(14)和第二三通阀门(15)，使得第一注射器(801)仅与第一储液罐(9)连通，并且第一储液罐(9)向第一注射器(801)中注满溶质浓度为Ctl的金属离子溶液；调节第五三通阀门(18)和第六三通阀门(19)，使得第三注射器(803)仅与第三储液罐(11)连通，并且第三储液罐(11)向第三注射器(803 )中注满去离子蒸馏水；调节精密注射泵(8)，使得第二注射器(802)和第四注射器(804)体积为零；接着，调节第一三通阀门(14)，使第一注射器(801)仅与上右通管(106)连通，调节第三三通阀门(16)，使第二注射器(802)仅与上左通管(104)连通，调节第五三通阀门(18)，使第三注射器(803)仅与下右通管(109)连通，调节第七三通阀门(20)，使第四注射器(804)仅与下左通管(107)连通，开启第一双向阀(22)和第二双向阀(23);随后，第一注射器(801)向上透水石(2)的凹孔中注射溶质浓度为Ctl的金属离子溶液，金属离子溶液通过上透水石(2)，经上左通管(104)被第二注射器(802)抽回，第三注射器(803)向下透水石(3)的凹孔中注射去离子蒸馏水， 下透水石(3)中的去离子蒸馏水通过下左通管(107)被第四注射器(804)抽回；通过精密注射泵(8)控制四个注射器同步、等流速的注射和抽回； 第四步打开第一双向阀(22)和第二双向阀(23)，通过微差压传感器(6)持续测定黏性土试样(13)两端化学渗透压力差，记录化学渗透压力差的峰值-A ppeak及稳定值-A Pss ;同时，每间隔24小时进行以下操作首先，关闭第一双向阀(22)和第二双向阀(23)，调节第一三通阀门(14)，断开第一注射器(801)与上右通管(106)之间的连接，通过调节第二三通阀门(15)收集第一注射器(801)中的溶液，调节第三三通阀门(16)，断开第二注射器(802)与上左通管(104)之间的连接，通过调节第四三通阀门(17)收集第二注射器(802)中的溶液，调节第五三通阀门(18)，断开第三注射器(803)与下右通管(109)之间的连接，通过调节第六三通阀门(19)收集第三注射器(803)中的溶液，调节第七三通阀门(20)，断开第四注射器(804)与下左通管(107)之间的连接，通过调节第八三通阀门(21)收集第四注射器(804)中的溶液；然后，对收集的溶液分别进行金属离子浓度测定；通过微差压传感器(6)和数据采集仪(7)实际测定的黏性土试样(13)两端化学渗透压力差-Ap和累计溶质浓度通量随测试时间变化关系，如果黏性土试样(13)两端化学渗透压力差达到稳定状态，并且累计溶质浓度通量随测试时间变化关系出现稳定线性增长时，则结束数据采集，进入第五步，否则返回第三步； 第五步取第四步采集的实际测定黏性土试样(13)两端化学渗透压力差达到稳定状态所收集溶液的金属离子浓度，根据式(I)计算黏性土试样(13)的理论化学渗透压力差 _ A 31 ; N a — _m、 —/\ JIj , ~~~~I■丄」I-I 式(I)中，R为通用气体常数；T为绝对温度，C；aw|. = f.......—士......(上(,一 ;— I, a VCsI，/AuP其中，C1表示负责注射的第一注射器801中溶液的金属离子浓度，C2表示负责抽回的第二注射器802中溶液的金属离子浓度，C3表示负责注射的第三注射803器中溶液的金属离子浓度，C4表示负责抽回的第四注射器804中溶液的金属离子浓度，下标i表示金属离子类型，N表不金属离子类型的总数,Ct，ave，i表不第一注射器801和第二注射器802中金属离子浓度的平均值，Cb，avM表示第三注射器803和第四注射器804中金属离子浓度的平均值； 通过式(2)测定出黏性土试样(13)的膜效率系数峰值《peak，
10.按照权利要求9所述的黏性土试样的性能测试装置的测试方法，其特征在于所述的第三步中，第一注射器(801)在24小时内的注射量小于第一储液罐(9)初始向第一注射器(801)注入的溶液体积，第二注射器(802)在24小时内的抽回量小于第二注射器(802)的量程，第三注射器(803)在24小时内的注射量小于第三储液罐(10)初始向第三注射器(803)注入的溶液体积，第四注射器(804)在24小时内的抽回量小于第四注射器(804)的 里feo
全文摘要
本发明公开了一种黏性土试样的性能测试装置，包括试样盒、上透水石、下透水石、上滤纸、下滤纸、微差压传感器、数据采集仪、精密注射泵、第一储液罐、第二储液罐、第三储液罐和第四储液罐，顶盖中设有上左通管、上中通管和上右通管，底座中设有下左通管、下中通管和下右通管，微差压传感器与数据采集仪连接，精密注射泵中四个注射器。该测试装置可以对黏性土试样的膜效率系数、有效扩散系数和阻滞因子性能进行测定。同时，本发明还提供了一种黏性土试样性能测试装置的测试方法，该测定方法简单易行，可以对黏性土试样的膜效率系数、有效扩散系数和阻滞因子性能进行联合测定，不必分别测定，提高了测定效率。
文档编号G01N15/08GK102749277SQ20121022668
公开日2012年10月24日 申请日期2012年6月30日 优先权日2012年6月30日
发明者杜延军, 范日东, 陈左波 申请人:东南大学