[发明专利]基于沸石置换反应的可变密度含气土样制备装置及方法

说明书

本发明公开了一种基于沸石置换反应的可变密度含气土样制备装置及方法，包括沸石反应釜、土样反应釜和土样成型盒，沸石反应釜底部与土样反应釜中部通过高压导管A相连通，沸石反应釜顶部连通设有进气管B和第一真空压力表，土样反应釜顶部与土样成型盒底部通过高压导管B相连通，土样反应釜中对应安装有搅拌器，土样反应釜顶部连通设有进气管A和第二真空压力表，土样反应釜底部连通设有进水管，土样反应釜底部与土样成型盒顶部之间通过土浆联通管相连通，土浆联通管上从上至下依次设有第四阀门、第一流量计和第七阀门；土样成型盒底部连通设有第三真空压力表。本发明可批量、可控地制备出不受密度条件限制且符合室内土工实验要求的含气土样。

技术领域

本发明涉及岩土工程土工试验技术领域，尤其涉及一种基于沸石置换反应的可变密度含气土样制备装置及方法，特别涉及海底含气沉积物的室内人工模拟制样技术。

背景技术

含气土特指气体以封闭的游离、溶解态而非气水化合物形态赋存的土体。它被认为是由土颗粒、孔隙水、气体、温度及上覆层压力所构成的亚稳态平衡体，一旦平衡被打破，就会导致其工程性状迅速发生改变，给工程造成灾害。如：海底含气沉积物常引发海岸滑坡、土体液化、基础沉陷等灾害事故，是海洋工程中的重要安全隐患。

含气土在自然界中普遍存在，但由于土中气体压力大、不稳定，易于分解、脱溶、逸散，破坏土体的原状结构，难以获取现场原状含气土样。即便采用特殊装备能够获得保压原状土样，仍受室内难以二次加工、土样含气不均匀等问题困扰，促使发展了室内人工制备含气土的方法，通过模拟制备含气土样来研究海底含气沉积物的工程特性。专利“变压可控气体置换反压装置及其在含气土样制备中的应用(ZL201310752757.1)”提供了一种借助沸石吸附特性，用水置换沸石吸附甲烷气，形成含气土的方法，但该法只适用于制备松散松茸的含气土样，而对密度较大的含气土样制备则不能制备。

发明内容

针对现有技术存在的不足之处，本发明目的在于提供一种基于沸石置换反应的可变密度含气土样制备装置及方法，利用试样孔隙中的水置换出沸石中的N₂气，通过沸石粉来配比N₂气含量，通过各个流量计来配比得到精确数据的土浆，然后将计量后的土浆通入到土样成型盒中，通过带有刻度的推料活塞得到所需样品高度的土样，冰冻成型后，再在≤200kPa的反压下融化，土样孔隙水置换出沸石中的N₂气，从而制备出不同密度的含气土样。

本发明的目的通过下述技术方案实现：

一种基于沸石置换反应的可变密度含气土样制备装置，包括沸石反应釜、土样反应釜和土样成型盒，所述沸石反应釜底部与土样反应釜中部通过高压导管A相连通，所述沸石反应釜顶部连通设有进气管B和第一真空压力表，所述进气管B上设有第一阀门；所述土样反应釜顶部与土样成型盒底部通过高压导管B相连通，所述高压导管B靠近土样反应釜顶部位置处设有第三阀门，所述高压导管B靠近土样成型盒底部位置处设有第八阀门；所述土样反应釜中对应安装有搅拌器，所述土样反应釜顶部连通设有进气管A和第二真空压力表，所述进气管A上设有第五阀门，所述土样反应釜中设有温度计；所述土样反应釜底部连通设有进水管，所述进水管上对应设有第二流量计和第六阀门；所述土样反应釜底部与土样成型盒顶部之间通过土浆联通管相连通，所述土浆联通管上从上至下依次设有第四阀门、第一流量计和第七阀门；所述土样成型盒底部连通设有第三真空压力表，所述土样成型盒包括模顶盖、成型模和模底盖，所述模顶盖可拆卸式密封安装于成型模顶部，所述模底盖可拆卸式密封安装于成型模底部，所述模顶盖设有带刻度的推料活塞。

为了更好地实现本发明，所述沸石反应釜包括罐体和密闭盖合于罐体的顶部罐口处的沸石密封盖，所述沸石密封盖与罐体顶部之间还通过若干个第一螺栓连接固定；所述罐体底部呈漏斗形状，所述高压导管A靠近罐体底部位置处设有第二阀门，所述进气管B、第一真空压力表连通设置于沸石密封盖上。