一种钙基材料矿化制浆及可视化注浆实验系统与方法

本发明涉及注浆实验，具体涉及一种钙基材料矿化制浆及可视化注浆实验系统与方法。

背景技术：

1、在岩体加固、隧道建设及矿山开采等工程中，注浆技术被广泛应用于改善岩体结构性能。通过向岩体裂隙和节理注入浆液，可以有效提高岩体的强度和稳定性，减少渗透性，从而防止岩体变形或坍塌。随着地下工程项目规模的扩大和地质条件的复杂化，对注浆技术的要求也日益提高，特别是在应对复杂地质条件、深部岩层及多种外部因素影响的场景下，传统的注浆技术难以完全满足工程需求。因此，对注浆过程中的材料研发、扩散规律及固结效果的深入研究，成为确保工程安全和稳定的关键。

2、为了深入研究注浆材料的效果，研究人员开发了各种类型的注浆实验设备。这些设备旨在模拟实际工程中的注浆过程，以便分析浆液在不同地质条件下的扩散、渗透和固结行为。通过这些实验设备，研究人员能够观察和评估注浆材料的性能，优化注浆工艺，从而提高岩体加固的有效性和安全性。注浆实验设备的主要作用在于提供一个可控的实验环境，使得复杂的注浆过程得以在实验室条件下精确重现，为理论研究提供了可靠的数据支持。

3、现有的注浆实验设备在多个关键方面仍然存在不足。首先，现有设备大多缺乏高效便捷的矿化制浆系统，导致材料制备过程复杂且耗时；其次，多数设备难以真实模拟复杂工况下的三维裂隙岩体，无法准确再现浆液在裂隙网络中的扩散和固结过程，限制了对浆液扩散规律的深入研究。此外，现有设备的可视化监控能力有限，无法全面捕捉浆液在不同地质条件下的流动路径及其固结效果，这种局限性导致研究结果的准确性和可靠性受到影响。更为重要的是，目前的实验系统在模拟注浆后的动水条件下，浆液的二次流动和固结实验方面，存在显著不足，无法全面评估材料的长期稳定性和耐久性。因此，亟需开发一种集成矿化制浆、可视化监控、多工况实验及动水条件下二次流动和固结实验功能于一体的先进实验系统，以弥补现有技术的不足，推动注浆技术的进一步发展。

技术实现思路

1、针对上述问题，本发明公开了一种钙基材料矿化制浆及可视化注浆实验系统与方法，解决了现有技术中存在的注浆材料便捷矿化制浆与过程监控、材料研发制备与性能测试一体化、多工况下三维裂隙岩石注浆实验和注浆后动水条件下浆液二次流动及固结效果实验问题。

2、根据本发明的目的提出的一种钙基材料矿化制浆及可视化注浆实验系统，包括钙基材料矿化制浆模块、可视化注浆实验模块和控制器。

3、所述钙基材料矿化制浆模块包括搅拌装置、供气装置、监测传感器和出料装置；所述搅拌装置包括搅拌桶、设置于搅拌桶内的搅拌元件、安装于搅拌桶上用于驱动搅拌元件的伺服电机以及超声波发生器；所述供气装置包括co2气罐、废气桶、连接co2气罐与搅拌桶的进气管道、设置于进气管道上的减压阀、第一流量计和第一单向阀、连接搅拌桶与废气桶的排气管道以及设置于排气管道上的管道风机和第二流量计；所述监测传感器包括设置于搅拌桶内的扭矩传感器和电阻率传感器；所述出料装置包括储液桶、连接搅拌桶和储液桶的出液管道以及设置于出液管道上的第一电子阀和离心泵。

4、所述可视化注浆实验模块包括注浆实验台、注浆模块、循环注水模块以及高速摄像机；所述注浆实验台包括试件固定架、固定安装于试件固定架内的裂隙岩石试件以及储液箱；所述裂隙岩石试件使用透明树脂通过3d打印得到，内部设有裂隙、注浆通道和注水通道；所述储液箱固定安装于注浆通道出口；所述注浆模块包括储液桶、第一空气压缩机、用于连接储液桶和注浆实验台上注浆通道的注浆管道以及设置于注浆管道上第三流量计、第一压力计和第二电子阀；所述循环注水模块包括贮水桶、第二空气压缩机、用于连接贮水桶和注浆实验台上注水通道进水口的注水管道、用于连接贮水桶和注浆实验台上注水通道出水口的出水管道以及设置于注水管道上的第五流量计、第二压力计和第三电子阀和设置于出水管道上的第四流量计、第二单向阀。

5、优选的，所述搅拌桶包括桶体和桶盖，桶盖为半开式结构，通过卡扣与桶体连接，桶盖上开设有三个孔位分别用于安装伺服电机、超声波发生器和电阻率传感器；所述搅拌元件安装于伺服电机上，包括中空转轴、搅拌叶及螺旋叶片，所述扭矩传感器安装于中空转轴顶部；所述桶体底部侧边开设有用于连接进气管道的进气口、底部开设有用于连接出液管道的出料口以及上部侧边开设有用于连接排气管道的排气口，所述进气口处安装有滤网。

6、优选的，所述桶体与桶盖之间采用卡扣与“o”型密封圈密封，桶盖连接处采用齿状密封条密封，各开口连接处均加装 “o”型密封圈密封。

7、本发明另外公开的一种使用上述系统进行钙基材料矿化制浆及可视化注浆实验的方法，包括以下步骤：

8、步骤一：钙基材料矿化制浆。

9、s11、将搅拌装置、供气装置、监测传感器和出料装置各元件安装完成，开启各装置确定其能正常工作，打开co2气罐通入少量气体并回收，通过第一流量计和第二流量计读数检测其密封性。

10、s12、使用钙基材料与矿化促进剂配备注浆材料，二者配比为1.2-2.5，通过x射线粉末衍射分析得到其中碱性成分的含量。

11、s13、根据实验所需注浆材料重量及配比，称取钙基材料与矿化促进剂放入搅拌桶中；根据分析得到的注浆材料中碱性成分的含量计算反应所需co2量并向搅拌桶中注水，水灰比为y，y的取值范围为0.5-3。

12、s14、关闭桶盖并扣紧卡扣确保密封，通过控制器启动伺服电机控制搅拌元件旋转，观察扭矩传感器及电阻率传感器数值。

13、s15、当扭矩传感器及电阻率传感器数值逐渐减小并保持稳定时，打开超声波发生器和co2气罐阀门向搅拌桶中通入co2，观察电阻率传感器数值。

14、s16、当电阻率传感器数值逐渐升高并保持稳定时，关闭超声波发生器和co2气罐阀门，开启管道风机抽取废气到废气桶。

15、s17、调低伺服电机转速，开启第一电子阀，浆液由离心泵抽取进入储液桶用于实验，剩余浆液留在桶中继续搅拌避免凝固，并实时补充储液桶浆液。

16、步骤二：可视化注浆实验。

17、s21、取待注浆区域岩石样本进行ct扫描并三维重构，获得岩石裂隙特征及参数，根据所得数据使用3d打印机打印透明裂隙岩石试件，并留设注浆通道及注水通道。

18、s22、将裂隙岩石试件放置于试件固定架中心，旋转紧固螺栓固定，连接注浆管道、注水管道以及出水管道，对储液桶和贮水桶进行保压测试，验证其密封性；

19、s23、开启第二空气压缩机加压，待达到设定注水压力后开启第三电子阀，水流注入裂隙岩石试件并回流经第二单向阀进入贮水桶形成循环注水；

20、s24、开启第一空气压缩机加压，待达到设定注浆压力后开启第二电子阀，浆液注入裂隙岩石试件在动水环境下通过注浆通道充填裂隙。

21、s25、通过高速摄像机拍摄动水条件下注浆过程中浆液流动及注浆效果。

22、优选的，在步骤二中的注浆实验完成后，将储液箱安装于注浆通道出口，浆液注入裂隙岩石试件后进入储液箱，当裂隙和储液箱注满后浆液无法继续注入，通过高速摄像机拍摄岩石裂隙充填情况及动水条件下浆液固结情况。

23、与现有技术相比，本发明公开的一种钙基材料矿化制浆及可视化注浆实验系统与方法的优点是：

24、1.本发明可实现注浆材料便捷矿化制浆与过程监控，解决了传统制浆方式自动化程度低、过程不清晰、无法进行数据量化等问题。

25、2.本发明整合了矿化制浆及注浆实验装置，实现了材料研发制备与性能测试一体化，避免了浆液转移与储存问题，实验更接近现实工况。

26、3.本发明设计了注浆实验台及裂隙岩石试件，可实现多参量（注浆压力、动水压力、裂隙密度等）下多尺寸三维岩石试件注浆实验。

27、4.本发明可进行注浆完成后动水条件下浆液二次流动及固结实验，进一步评估所研发注浆材料在实际工况下注浆效果。