非饱和膨润土颗粒材料屏障性能的测试装置及测试方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种非饱和膨润土颗粒材料屏障性能的测试装置及测试方法，其装置包括用于存放土样的试样腔室、用于测定试样腔室内土样导热系数的热特性分析系统、用于测定试样腔室内土样膨胀力的膨胀力测试系统、用于测定试样腔室内土样渗透系数的渗透测试系统。本发明专利技术通过将土样置于设有透水石的试样腔室中，利用压力/体积控制器将液体注入到透水石上方的土样中，可以在不取出土样的情况下，实现土样的常水头渗透过程；将热探针插入试样腔室中的土样内，能够实现非饱和膨润土颗粒材料在水化过程中导热系数的实时连续测定；通过活塞将土样产生的膨胀力传递给应力传感器，能够实现非饱和膨润土颗粒材料在水化过程中膨胀力的实时连续测定。连续测定。连续测定。

【技术实现步骤摘要】
非饱和膨润土颗粒材料屏障性能的测试装置及测试方法


[0001]本专利技术涉及膨胀性土体导热测试装置领域，尤其涉及一种非饱和膨润土颗粒材料屏障性能的测试装置及测试方法。

技术介绍

[0002]大量研究表明，深地质处置是处理高水平放射性核废物最为科学可行的方式。在深地质处置库的运营过程中，充填于处置孔内的非饱和膨润土颗粒混合物将长期遭受到围岩裂隙地下水入渗、核废物衰变热和地质应力等多场耦合作用，膨润土颗粒材料的屏障性能(膨胀特性、渗透特性和热传导特性)将发生复杂变化，进而影响屏障系统的长期服役性能和处置库的长期安全性。根据国际原子能机构(IAEA)提出的安全标准，膨润土的膨胀力、渗透系数和导热系数是评价缓冲屏障材料性能的重要参数。既有研究对膨润土膨胀力、渗透系数和导热系数的测定通常是割裂的，由于不同测试装置的差异性、土样的尺寸以及制样方法等因素的影响，很难实现对上述三种性能指标发展规律的统一描述和综合分析。为此，有必要研制一种可统一测量非饱和膨润土颗粒材料导热系数
‑
膨胀力
‑
渗透系数的测试装置。

技术实现思路

[0003]本专利技术的目的在于针对现有技术的不足之处，提供一种测量功能更全面的非饱和膨润土颗粒材料屏障性能的测试装置及测试方法。
[0004]本专利技术提供的这种非饱和膨润土颗粒材料屏障性能的测试装置，包括用于存放土样的试样腔室、用于测定试样腔室内土样导热系数的热特性分析系统、用于测定试样腔室内土样膨胀力的膨胀力测试系统、用于测定试样腔室内土样渗透系数的渗透测试系统，
[0005]所述试样腔室包括腔室及密封滑动连接于腔室内的活塞，该活塞上端伸出腔室顶部与一压盖相连接，土样封装在活塞下方的腔室内，在土样底部与腔室间、土样顶部与活塞间分别设有第一透水石和第二透水石，在腔室底部设有与第一透水石相连通的进水阀和出水阀，在活塞上设有探针安装槽，所述热特性分析系统包括热特性分析仪和与该热特性分析仪电连接的热探针，所述热探针置于探针安装槽内且其头部穿过第二透水石插入土样中，所述膨胀力测试系统包括无纸记录仪和与该无纸记录仪电连接的应力传感器，所述应力传感器布置在压盖与活塞间，所述渗透测试系统包括压力/体积控制器，该压力/体积控制器通过导液管与进水阀相连通。
[0006]所述腔室包括底座及卡装在底座上的金属试样环，活塞密封滑动连接于金属试样环内，压盖置于金属试样环上方并通过螺杆组件与底座和金属试样环可拆卸的连接，第一透水石嵌装在金属试样环内部的底座上，土样封装在活塞与第一透水石间的金属试样环内，进水阀和出水阀安装在底座上并分别通过一导液通道与第一透水石相连通布置。
[0007]为确保装置的密封性，在金属试样环与底座间设有O型密封圈。
[0008]在第一透水石与土样间、第二透水石与土样间均设有滤纸。
[0009]所述活塞包括活塞体和可拆卸的连接在该活塞体顶部的活塞顶盖，第二透水石嵌装在活塞体底部，探针安装槽设在第二透水石上方的活塞体上。
[0010]所述第二透水石由金属材料制成。
[0011]所述热探针为KS
‑
1型探针，所述应力传感器的量程为0～0.5t，无纸记录仪为SIN
‑
R200型四通道无纸记录仪。
[0012]一种用于上述非饱和膨润土颗粒材料屏障性能的测试装置的测试方法，包括以下步骤：
[0013]S1、将第一透水石嵌装在腔室内；
[0014]S2、将称量好的土样填入腔室内并静力压实至目标高度；
[0015]S3、将热探针装入底部嵌有第二透水石的活塞内；
[0016]S4、将带有热探针的活塞插入土样中，直至第二透水石与土样紧密接触；
[0017]S5、安装嵌有应力传感器的压盖，采用水平尺量测压盖水平度以保证压盖处于完全水平状态；
[0018]S6、向压盖施加向下的预设初始应力值，确保应力传感器的探头与活塞紧密接触；
[0019]S7、连接压力/体积控制器与进水阀；
[0020]S8、将热探针与热特性分析仪连接，应力传感器与无纸记录仪连接；
[0021]S9、启动热特性分析仪，测定土样初始状态的导热系数，并设置自动测量时间间隔；
[0022]S10、启动压力/体积控制器，设定初始注水压力，打开出水阀，待腔室底座气泡完全排出后，关闭出水阀；
[0023]S11、启动热特性分析仪和无纸记录仪，测定并实时记录土样膨胀力、注入水量和导热系数的变化，存储测量数据；
[0024]S12、根据测量数据，计算并绘制膨胀力～时间、渗透系数～时间、导热系数～时间的发展曲线。
[0025]在所述步骤S1中，将第一透水石嵌装在腔室内的具体步骤如下：
[0026]S11、将第一透水石和O型密封圈安置在底座相应位置处；
[0027]S12、在第一透水石上方铺一张滤纸；
[0028]S13、在底座上卡装金属试样环；
[0029]S14、使用螺杆组件将金属试样环、O型密封圈和底座紧密连接成一体。
[0030]在所述步骤S3中，将热探针装入活塞内的具体步骤如下：
[0031]S31、打开活塞体顶部的活塞顶盖；
[0032]S32、将第二透水石嵌装在活塞体底部；
[0033]S33、将热探针置于活塞体内，并确保热探针头部沿第二透水石中心穿过；
[0034]S34、盖上活塞顶盖，确保热探针固定在活塞体内。
[0035]本专利技术通过将土样置于设有透水石的试样腔室中，利用压力/体积控制器将液体注入到透水石上方的土样中，可以在不取出土样的情况下，实现土样的常水头渗透过程，避免发生卸载回弹，从而增加导热系数测量结果的准确性；将热探针插入试样腔室中的土样内，能够实现非饱和膨润土颗粒材料在水化过程中导热系数的实时连续测定；通过活塞将土样产生的膨胀力传递给应力传感器，能够实现非饱和膨润土颗粒材料在水化过程中膨胀
力的实时连续测定；弥补了既有研究无法同时监测三种性能指标变化的缺陷，为深入研究和系统分析非饱和膨润土颗粒材料的热—水—力耦合性质提供帮助。本专利技术具有高精度、操作简单、实用性强的特点。
附图说明
[0036]图1为本专利技术中测试装置的结构示意图。
[0037]图中示出的标记及所对应的构件名称为：
[0038]1、土样；
[0039]2、腔室；21、进水阀；22、出水阀；23、底座；24、金属试样环；25、螺杆组件；26、O型密封圈；231、第一凹槽；232、O型圈凹槽；233、螺纹孔；234、凸条；235、导液通道；
[0040]3、活塞；31、探针安装槽；32、活塞体；33、活塞顶盖；34、连接孔；35、第二凹槽；
[0041]4、压盖；41、安装孔；
[0042]5、第一透水石；
[0043]6、第二透水石；
[0044]7、热特性分析仪；
[0045]8、热探针；
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种非饱和膨润土颗粒材料屏障性能的测试装置，其特征在于：包括用于存放土样(1)的试样腔室、用于测定试样腔室内土样导热系数的热特性分析系统、用于测定试样腔室内土样膨胀力的膨胀力测试系统、用于测定试样腔室内土样渗透系数的渗透测试系统，所述试样腔室包括腔室(2)及密封滑动连接于腔室内的活塞(3)，该活塞上端伸出腔室顶部与一压盖(4)相连接，土样封装在活塞下方的腔室内，在土样底部与腔室间、土样顶部与活塞间分别设有第一透水石(5)和第二透水石(6)，在腔室底部设有与第一透水石相连通的进水阀(21)和出水阀(22)，在活塞上设有探针安装槽(31)，所述热特性分析系统包括热特性分析仪(7)和与该热特性分析仪电连接的热探针(8)，所述热探针置于探针安装槽内且其头部穿过第二透水石插入土样中，所述膨胀力测试系统包括无纸记录仪(9)和与该无纸记录仪电连接的应力传感器(10)，所述应力传感器布置在压盖与活塞间，所述渗透测试系统包括压力/体积控制器(11)，该压力/体积控制器通过导液管(12)与进水阀相连通。2.根据权利要求1所述的非饱和膨润土颗粒材料屏障性能的测试装置，其特征在于：所述腔室包括底座(23)及卡装在底座上的金属试样环(24)，活塞密封滑动连接于金属试样环内，压盖置于金属试样环上方并通过螺杆组件(25)与底座和金属试样环可拆卸的连接，第一透水石嵌装在金属试样环内部的底座上，土样封装在活塞与第一透水石间的金属试样环内，进水阀和出水阀安装在底座上并分别通过一导液通道(235)与第一透水石相连通布置。3.根据权利要求2所述的非饱和膨润土颗粒材料屏障性能的测试装置，其特征在于：在金属试样环与底座间设有O型密封圈(26)。4.根据权利要求1所述的非饱和膨润土颗粒材料屏障性能的测试装置，其特征在于：在第一透水石与土样间、第二透水石与土样间均设有滤纸(13)。5.根据权利要求1所述的非饱和膨润土颗粒材料屏障性能的测试装置，其特征在于：所述活塞包括活塞体(32)和可拆卸的连接在该活塞体顶部的活塞顶盖(33)，第二透水石嵌装在活塞体底部，探针安装槽设在第二透水石上方的活塞体上。6.根据权利要求1所述的非饱和膨润土颗粒材料屏障性能的测试装置，其特征在于：所述第二透水石由金属材料制成。7.根据权利要求...

【专利技术属性】
技术研发人员：倪雪倩，张召，张升，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：