[发明专利]一种膨润土侵蚀模拟试验设备及试验方法

权利要求书

1.一种膨润土侵蚀模拟试验设备，其特征在于，包括：

膨胀渗透仪，所述膨胀渗透仪包括底座、安装于所述底座上方的试样环和滑动安装于所述试样环内的活塞；所述试样环内设置膨润土试样，且所述膨润土试样的顶部和底部分别设置有上透水垫片和下透水垫片，所述活塞位于所述上透水垫片的上方，所述上透水垫片上连接有上进液孔和上出液孔，所述下透水垫片上连接有下进液孔和下出液孔；所述活塞顶部安装压力传感器；

饱和试验水槽，所述饱和试验水槽内盛装有试验溶液，所述膨胀渗透仪浸泡于所述试验溶液内用于进行所述膨润土试样的饱和试验；所述底座连接排气装置，用于在饱和试验前排出所述底座内的空气；

侵蚀试验储液装置，所述侵蚀试验储液装置内盛装试验溶液，所述上进液孔和所述下出液孔通过循环管连通，所述下进液孔和所述上出液孔分别通过管路与所述侵蚀试验储液装置内的试验溶液连通，形成试验溶液的循环流动，以在所述膨润土试样饱和后进行循环侵蚀试验。

2.根据权利要求1所述的膨润土侵蚀模拟试验设备，其特征在于，还包括控制系统，所述压力传感器与所述控制系统信号连接，所述压力传感器用于实时监测所述膨润土试样的膨胀力，并将监测数值传输给所述控制系统。

3.根据权利要求1所述的膨润土侵蚀模拟试验设备，其特征在于，所述上透水垫片和所述下透水垫片为不锈钢烧结网或带裂隙的花岗岩垫片；所述不锈钢烧结网的孔径为1～100μm。

4.根据权利要求1所述的膨润土侵蚀模拟试验设备，其特征在于，所述下进液孔和所述上出液孔通过循环管连通，所述上进液孔和所述下出液孔分别通过管路与所述侵蚀试验储液装置内的试验溶液连通，形成试验溶液的循环流动，以在所述膨润土试样饱和后进行循环侵蚀试验。

5.根据权利要求1所述的膨润土侵蚀模拟试验设备，其特征在于，所述底座的上表面设置有凹槽，所述下透水垫片设置于所述凹槽内，所述下透水垫片与所述凹槽之间设置有第一密封圈。

6.根据权利要求1所述的膨润土侵蚀模拟试验设备，其特征在于，所述上透水垫片设置于所述试样环内，所述上透水垫片与所述试样环的内壁之间设置有第二密封圈。

7.根据权利要求1所述的膨润土侵蚀模拟试验设备，其特征在于，所述活塞的外壁与所述试样环的内壁之间设置有第三密封圈。

8.根据权利要求5所述的膨润土侵蚀模拟试验设备，其特征在于，所述底座上开设有通孔，所述通孔的底部可拆卸安装一底芯，且所述底芯与所述底座之间设置有第四密封圈；所述通孔的顶部内壁与所述底芯的上表面共同形成所述凹槽。

9.根据权利要求1所述的膨润土侵蚀模拟试验设备，其特征在于，所述底座和所述试样环之间设置有第五密封圈；所述底座和/或所述试样环为不锈钢结构。

10.一种基于权利要求1-9任意一项所述膨润土侵蚀模拟试验设备的膨润土侵蚀模拟试验方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一、制备至少两个膨润土试样，并将制备完成的膨润土试样进行重量和尺寸测定；

步骤二、组装两套膨胀渗透仪，每套膨胀渗透仪内均安装制备好的膨润土试样，且两套膨胀渗透仪内的两个膨润土试样的测定重量和测定尺寸均完全相同；

步骤三、进入膨润土试样饱和试验阶段，包括如下试验步骤：

步骤3.1、将装有试验溶液的两个饱和试验水槽放入恒温环境中，将安装完成的两套膨胀渗透仪分别放置在放有试验溶液的两个饱和试验水槽中；

步骤3.2、在两套膨胀渗透仪的底座均安装排气管，并通过加液管分别向两套膨胀渗透仪内加入与饱和试验水槽中成分及浓度相同的试验溶液，以对两套膨胀渗透仪进行底座排气；

步骤3.3、排气后，将两个饱和试验水槽内的试验溶液的液面均加至淹没膨润土试样上表面的高度，膨润土试样依靠自身吸力吸水膨胀，逐渐饱和；

步骤3.4、将一套膨胀渗透仪从饱和试验水槽中取出，并将压力传感器和活塞均取出，卸下底芯，此时上下透水垫片均不与膨润土试样分离；

步骤3.5、将步骤3.4中的试样环和底座置于小型压力试验机上，匀速将膨润土试样推出，推出过程中保持上下透水垫片均与膨润土试样紧密接触，然后做CT扫描，得到膨润土试样及上下透水垫片的内部结构；

步骤3.6、取下透水垫片做压汞试验，得到孔隙率及孔径分布；取上透水垫片做电镜试验，观察垫片表面的物质和结构；

步骤四、进入膨润土试样循环侵蚀阶段，将另一套膨胀渗透仪从饱和试验水槽中取出，然后进行如下试验步骤：

步骤4.1、将进液管一端穿过蠕动泵与下进液孔连接，另一端置于侵蚀试验储液装置中；

步骤4.2、将循环管的一端与下出液孔连接，另一端与上进液孔连接；

步骤4.3、将出液管的一端与上出液孔连接，另一端置于侵蚀试验储液装置中；

步骤4.4、用真空除气装置将去离子水除气，根据试验需要配制试验溶液，装入侵蚀试验储液装置中，并将出液管的另一端和进液管的另一端均淹没，再将连接好的进液管、出液管和循环管的膨胀渗透仪放入恒温环境中；

步骤4.5、设置蠕动泵的流速并启动，模拟侵蚀试验开始，记录开始时间和蠕动泵流速，试验过程中压力传感器持续记录膨胀力变化；

步骤4.6、当试验溶液从侵蚀试验储液装置通过进液管泵入膨胀渗透仪，使试验溶液通过下进液孔在下透水垫片孔隙内流动，在通过下出液孔与循环管到达上进液孔，使试验溶液在上透水垫片孔隙内流动，最后通过上出液孔与出液管回到侵蚀试验储液装置，完成了一次封闭循环；

步骤4.7、每循环24小时后，测定一次试验溶液的浊度、电导率和pH值，测定前要快速晃动侵蚀试验储液装置，使溶液分布均匀；之后更换未循环过的新溶液继续循环，将测定后的溶液倒入集液瓶中收集；

步骤4.8、当每循环24小时后测定的浊度变化范围小于1NTU、电导率变化范围小于10μS/cm时，改为每48小时测定一次试验溶液的浊度、电导率和pH值，并更换未循环过的新溶液继续循环，将测定后的溶液倒入集液瓶中收集；

步骤4.9、当48小时内，试验溶液的浊度变化范围小于0.1NTU、电导率变化范围小于1μS/cm，并且膨胀力变化量小于1％时，认为循环试验达到平衡状态，更换蠕动泵流速、试验溶液浓度、试验溶液种类中的一个或两个以上参数，重复步骤4.4～步骤4.9继续循环侵蚀；或者当循环试验达到平衡状态时，试验完成直接停止；

步骤五、试验拆除及数据处理，包括如下试验步骤：

步骤5.1、试验完成，停止蠕动泵，将进液管、循环管和出液管分别拆除，将侵蚀试验储液装置内的试验溶液测定浊度、电导率和pH值后，收集到集液瓶中；

步骤5.2、停止控制系统上膨胀力数据采集系统，将压力传感器和活塞取出，之后卸下底芯，此时上下透水垫片均不与膨润土试样分离；

步骤5.3、将步骤5.2中的试样环和底座置于小型压力试验机上，匀速将膨润土试样推出，推出过程中保持上下透水垫片均与膨润土试样紧密接触，然后做CT扫描，得到膨润土试样及上下透水垫片的内部结构；之后将膨润土试样及上下透水垫片的内部结构与做过膨胀饱和试验的膨润土试样及垫片的CT扫描图、以及未做过试验的新鲜膨润土试样及垫片的CT扫描图分别进行对比，分析影响膨润土颗粒挤入多孔介质及被溶液侵蚀的规律；

步骤5.4、取下透水垫片做压汞试验，得到孔隙率及孔径分布；取上透水垫片做电镜试验，观察垫片表面的物质和结构；之后将下透水垫片的压汞试验结果分别与做过膨胀饱和试验的下透水垫片的压汞试验结果和未做过试验的相同孔径新垫片的压汞试验结果进行对比，将上透水垫片的电镜试验结果分别与做过膨胀饱和试验的上透水垫片的电镜试验结果和未做过试验的相同孔径新垫片的电镜试验结构进行对比，分析膨润土颗粒进入多孔介质或裂隙的量，研究膨润土中杂质矿物堵塞孔隙的程度及与膨胀力、溶液浊度变化的关系；

步骤5.5、将集液瓶中的收集水全部105℃烘干，然后称重，检测烘干物质的成分；之后将烘干物质的成分与未做过循环试验的膨润土成分进行对比，分析膨润土被侵蚀的主要物质成分，研究膨润土被侵蚀量与溶液浓度、溶液成分、蠕动泵流速、垫片孔径的相互关系，最后根据比对结果设计延缓或减轻膨润土侵蚀的多孔物理屏障。