設計裝置測定擴散系數

❶ 水合物熱物理參數的實驗測定

自然界中水合物有99%是甲烷水合物，直接研究甲烷水合物的熱物理參數有重要的實際意義。然而，這一工作長期以來困難重重，一方面是由於實驗室合成甲烷水合物過程中存在「鎧甲」效應(即外部的水合物生成後會形成一層厚厚的「殼」，導致生成不夠徹底，生成的水合物中夾雜大量的氣體、水和冰粒，並且合成過程非常緩慢);另一方面是實驗技術和測試方法的局限性。青島海洋地質研究所水合物實驗室研製出一套沉積物中水合物分解過程中的熱物理特性模擬實驗裝置，包括一個可編程式控制制變溫實驗箱一台，高壓模擬實驗裝置一套，研製了高壓熱-TDR探針，購置了TDR儀和數據採集器，製作了高壓和溫度監測系統，並研製了計算機控制與數據採集系統一套。該實驗裝置的技術核心在於熱-TDR探針的設計製作。TDR技術和熱脈沖技術具有相對獨立的探頭，我們將二者有機結合，可以實現同時同地測量介質含水量、溫度、容積熱容量、熱導率、熱擴散系數等多項參數。不但避免了介質時空變異性的影響，還可以實現連續定位測定。

實驗裝置

如圖75.13所示，模擬實驗系統硬體部分包括可編程步入式變頻高低溫箱一台、高壓模擬實驗裝置一套(包括其核心技術———耐高壓熱-TDR探針)、數據採集系統，軟體部分我們自行設計編寫了計算機控制與數據採集系統。

圖75.13 實驗裝置簡圖

高壓模擬實驗設備主體部分是增壓系統、兩個高壓釜體及插入反應體系中的熱-TDR探針。氣高壓氣瓶頂端有兩個壓力控制閥門，用於控制氣瓶輸出壓力和釜體輸入壓力。閥門連接兩個壓力指示表，可以直接讀出兩處壓力值，便於控制加壓幅度。

高壓釜體包含一個反應釜體和一個為攪拌釜體。兩個高壓釜體容積均為200cm³，最大工作壓力30MPa。高壓反應釜外層用不銹鋼製作，採用自緊法螺紋密封，為保證螺紋密封效果，在連接部分採用兩個O型密封圈進行密封。整個反應釜也是專門設計定做，通過測試，其密封效果可以保證實驗順利完成。攪拌釜體內裝有聚四氟磁棒，下部是磁力攪拌器。反應釜體內部裝有內筒(內筒用聚碸材料切割製成，聚碸具有力學性能優異，剛性大、耐磨、耐高壓、熱穩定性好等特點，適合在低溫高壓條件下作為水合物的反應容器材料)。容積為70cm³。熱-TDR探針插入內筒所盛的反應物中發射熱脈沖和測定反應體系溫度、含水量等參數。壓力表直接連接在氣體管路上，便於採集數據和人工監控。

實驗技術與方法

將沉積物裝入模擬裝置，採用逐漸升壓的辦法，測量壓力對熱物理參數的影響。當模擬裝置內的壓力達到預定的壓力條件時，停止加壓。室溫下模擬裝置放置一定的時間後，若壓力沒有發生變化即可開展水合物生成模擬實驗(壓力恆定48h)。啟動監測裝置，監測模擬裝置內，溫度、壓力和TDR波形的變化。隨著水合物逐漸生成，TDR波形逐漸發生變化，反射系數逐漸增加，相對距離縮短。

打開攪拌釜、反應釜進氣閥門(閥門3、4、5)，打開抽真空口(閥門2)，其餘閥門關閉，將系統抽真空。待系統負壓穩定後，關閉抽真空口和抽真空機。打開除高壓閥以外的所有閥門，通入實驗所用的甲烷氣清洗氣路，重復3～4次。然後打開進氣閥門(閥門1、3、4)，其餘閥門關閉，開始向兩個高壓釜內加壓。加至實驗所需壓力(4.0～7.0MPa)後關閉加壓閥門穩定一段時間。打開磁力攪拌器直至攪拌釜內的甲烷氣溶解在SDS溶液中達到飽和。打開攪拌釜和反應釜之間的閥門(閥門5)，使溶解了飽和甲烷氣的SDS溶液流向反應釜，直至反應釜中的鬆散沉積物達到含水量飽和狀態後關閉閥門5。開啟控溫箱開關，將溫度設置為0.5℃。實驗進入水合物合成階段。水合物合成所需時間受多個條件影響，如水合物的「記憶效應」、溫度「過冷度」、表面活性劑的添加等。水合物合成一般需要1、2d時間。水合物生成進度可以通過TDR波形圖明顯看出。

實驗選擇的熱脈沖電源為12V直流電源。通過計算機直接控制熱脈沖發射的時間和時長。由於實驗採用的加熱絲直徑很小，加熱時間過長容易導致加熱絲絕緣層燒化;另外，水合物本身遇熱容易分解。綜合考慮上述各因素影響，加熱時長一般掌握在4～8s內。另外，一個熱脈沖發射過後需要一定的散熱時間，待反應體系溫度完全恢復到脈沖發射前的狀態時再發射下一個脈沖。兩個相鄰的熱脈沖之間發射間隔過短，反應體系內的余溫會干擾實驗結果;間隔過長則費時費電(刁少波等，2008)。

計算

採用了平行熱線法和交叉熱線法測定熱物理特性。

1)交叉熱線法。熱導率計算公式為:

岩石礦物分析第四分冊資源與環境調查分析技術

式中:λ為熱導率;"₂、"₁為兩次熱脈沖的加熱時間;T₂-T₁為溫度的變化;Q為熱源強度。

2)平行熱線法。熱擴散系數α計算公式為:

岩石礦物分析第四分冊資源與環境調查分析技術

式中:t_m為達最高溫度時的時間;t₀為熱脈沖的加熱時間;r為熱電偶距線性熱源的垂直距離。

容積熱容量計算公式為:

岩石礦物分析第四分冊資源與環境調查分析技術

式中:q為單位長度加熱絲在單位時間內釋放的熱量;E_i(-x)為指數積分。

由λ=α·ρ_c計算出熱導率。

❷ 混凝土rcm法是什麼

RCM是指混凝土氯離子擴散系數快速測定法。
混凝土氯離子擴散系數測定法主要用來測定混凝土氯離子穩態快速遷移的擴散系數，定量評價混凝土抵抗氯離子擴散的能力。用於測定混凝土氯離子含量，本方法參照氯離子擴散系數實驗方法NT Build 492的實驗原理來定量評價混凝土抗氯離子擴散的能力，為氯離子侵蝕環境中的混凝土結構耐久性設計以及使用壽命的評估與質量檢驗評定的依據。
用途: 主要用來測定混凝土氯離子穩態快速遷移的擴散系數，定量評價混凝土抵抗氯離子擴散的能力。
執行標准:
《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標准》GB/T50082-2009
《混凝土結構耐久性設計與施工指南》CCES-01-2004
《公路工程混凝土結構防腐蝕技術規范》JTG/TB07-01-2006
《水工混凝土試驗規程》SL352-2006

❸ 水動力彌散系數的測定

目前，就非飽和土壤水動力彌散系數的測定來看，還沒有公認而成熟的方法和規范可尋，當然，國內外一些學者在這方面也做了不少探索和研究。Yule和Gardner（1978）在假設彌散系數與速度成比例關系以及含水量均勻的前提下，進行室內短柱試驗求得非飽和縱向和橫向彌散系數，但由於假設偏於理想化，求得的參數難以體現實際情況。Smiles和Philip（1978），Smiles等（1978）求得水平吸水過程中溶質運移問題的半解析解，通過一維水平吸水實驗，認為彌散系數僅為含水量的函數，與流速無關。De Smedt和Wierenga（1979，1984）在長30cm的一維垂直土柱中對兩種不同粒徑的玻璃球進行實驗，認為彌散系數與平均孔隙流速呈線性關系。Jones和Watson（1982）用沙進行一維吸水實驗，通過計算結果分析，當取彌散系數與平均流速呈線性關系時，計算結果完全落在實驗結果的范圍之內。楊金忠（1986）利用水平土柱試驗，由數值方法反求參數，是個較有效的方法，但是求解非線性水流方程和對流彌散方程的復雜性，使之難以推廣應用。黃康樂（1987，1988）基於質量守恆原理，借鑒求解水力傳導度的瞬時剖面方法，提出了一種在實驗和計算上都較為簡單的室內和野外試驗方法，並通過室內、野外試驗證明該方法是較有效、精確的。石元春、李韻珠和陸錦文等（1986）以及清華大學的謝森傳、楊詩秀和雷志棟（1989）進行了水平土柱的入滲試驗，並根據試驗結果求得了以含水率為變數的水動力彌散系數。張瑜芳、張蔚榛和沈榮開等（1997）提出，若已知土壤水、鹽運動過程中某兩個時刻的剖面分布，從質量守恆原理建立起剖面上各點的水分及鹽分均衡方程，從而求出剖面上各點的彌散系數，此結果與根據實驗用數值方法反求參數的結果相一致。

圖2.3.3 擴散度擬合曲線

目前，對水動力彌散系數的結構形式的認識尚不統一（王亞東、胡毓騏，1992）。從理論上講，水動力彌散系數D_sh為分子擴散系數D_s和機械彌散系數D_h之和。一般將溶質在土壤中的分子擴散系數僅表示為含水率的函數，而與溶質的濃度無關，常用經驗公式來表示（雷志棟，楊詩秀，謝森傳，1988）。用經驗公式表示的分子擴散系數D_s為：

D_s=D₀αe^bθ （2.3.55）

式中：D_s分子擴散系數（cm²/min）；D₀溶質在自由水體中的擴散系數（cm²/min）；θ土壤含水率（cm³/cm³）；α、b均為經驗常數。

據文獻介紹（Olsen 和Kemper，1968），當土壤水吸力在0.3～15atm 的范圍內變化時，上述經驗公式中b=10 比較適合，α的變化范圍為0.005～0.001（沙壤土-粘土），土壤粘性愈大，α值愈小。

一般認為，一維流情況下，機械彌散系數 D_h與平均孔隙流速 υ 的一次方成正比（Bear，1972）

D_h=α｜υ｜ （2.3.56）

式中：D_h機械彌散系數（cm²/min）；υ平均孔隙流速（cm/min）；α彌散度（為經驗常數）（cm）。

綜上所述，彌散系數D_sh表示為分子擴散系數D_s和機械彌散系數D_h之和，即

D_sh=D₀αe^bθ+α｜υ｜ （2.3.57）

當對流速度相當大時，機械彌散的作用會大大超過分子擴散作用，以致於水動力彌散中只需考慮機械彌散作用；反之，當土壤溶液靜止時，則機械彌散完全不起作用，而只剩下分子擴散了。一般情況下，土壤中的溶質運移，都同時存在分子擴散和機械彌散作用，但實際上很難區分開來，因此，將分子擴散和機械彌散綜合統稱為水動力彌散。實際應用中，有的學者將水動力彌散系數表示為形如分子擴散系數形式的指數函數，如 Smiles 和 Philip（1978），謝森傳、楊詩秀和雷志棟（1989），認為縱向彌散系數對孔隙水流速不敏感，因此，D_sh可以單獨作為含水率的函數來對待。但從文獻資料看，目前不少學者將水動力彌散系數表示為形如機械彌散系數形式的線性函數，認為D_sh與平均孔隙流速υ的一次方成正比。本文所測定的水動力彌散系數取前一種形式。測定方法有水平土柱法和垂直土柱法。

圖2.3.4 垂直土柱試驗裝置示意圖

（一）垂直土柱法

試驗裝置如圖2.3.4 所示，土柱上裝有負壓計和鹽分感測器以測定土壤負壓和土壤溶液濃度，供試溶液由馬氏瓶從底部進入土柱。為了計算水動力彌散系數（Hydrodynamic Dispersion Coefficiet），首先計算水分通量，然後計算鹽分通量，最後由水分通量和鹽分通量計算水動力彌散系數。

1.水分通量

若已知溶液從底部補給土柱的水量，以及不同時刻剖面含水率的分布，則由水量均衡原理，土柱上任一截面z處的水分通量q_z可表示為：

土壤水鹽運移數值模擬

即

土壤水鹽運移數值模擬

式中：q_z為任一截面z處的水分通量（cm/d），q₀為土柱底部的進水量（cm/d），θ為體積含水率（cm³/cm³），Δt=t₂-t₁為時段（d）。

上式（2.3.59）寫為離散格式：

土壤水鹽運移數值模擬

式中：k為時段數。

2.鹽分通量

若已知土柱底部溶質通量，以及不同時刻剖面含水率和溶質濃度的分布，則任一截面z處的溶質通量J_z由質量守恆原理得：

土壤水鹽運移數值模擬

土壤水鹽運移數值模擬

式中：J_z為任一截面 z 處的溶質通量（g/cm²·d）；J₀為土柱底部的溶質通量（g/cm²·d）；c為土壤溶質濃度（g/cm³）；θ為體積含水率（cm³/cm³）；Δt=t₂-t₁為時段（d）。

式（2.3.62）寫為離散格式為：

土壤水鹽運移數值模擬

3.水動力彌散系數

根據水動力彌散原理，溶質通量等於水動力彌散通量與對流通量之和，即：

土壤水鹽運移數值模擬

土壤水鹽運移數值模擬

式中：J 為溶質通量（g/cm²·d）；D_sh為水動力彌散系數（cm²/d）；c 為溶質濃度（g/cm³）；θ為體積含水率（cm³/cm³）；Δt=t₂-t₁為時段（d）。

式（2.3.65）寫為離散格式為：

土壤水鹽運移數值模擬

將前面計算出的

和

代入式（2.3.66）即可計算水動力彌散系數D_sh，倘若取一系列z斷面則可計算出一系列D_sh，從而將D_sh和對應的θ值或孔隙流速υ擬合成經驗公式。

（二）水平土柱吸滲法

試驗裝置如圖2.3.5所示，溶液由馬氏瓶從土柱一端水平滲入，土柱為初始含水率和鹽分含量均勻一致的半無限土柱，這個問題可以用如下的水鹽運移方程進行描述。

圖2.3.5 水平土柱試驗裝置示意圖

水分方程：

基本方程，

土壤水鹽運移數值模擬

式中：D（θ）為水分擴散度（cm²/min）；θ為與輸入端（進水邊界）的水平距離為x處的體積含水率（cm³/cm³）。

定解條件，

土壤水鹽運移數值模擬

式中：θ_i為初始體積含水率（cm³/cm³）；θ_s飽和體積含水率（開始試驗後在邊界處瞬時形成）。

鹽分運移方程：

基本方程，

土壤水鹽運移數值模擬

式中：D_sh為水動力彌散系數（cm²/min）；c為與輸入端（進水邊界）的水平距離為x處的溶質濃度（g/cm³）；q為水流通量（cm/min）；θ為體積含水率（cm³/cm³）。

定解條件，

土壤水鹽運移數值模擬

式中：c_i為初始土壤溶液濃度（g/cm³）；c₀為所供給溶液濃度（g/cm³）。

由水分方程可以解出擴散度：

土壤水鹽運移數值模擬

由鹽分方程可以解出水動力彌散系數，由於，

土壤水鹽運移數值模擬

所以鹽分運移的基本方程式（2.3.69）可以展成：

土壤水鹽運移數值模擬

採用 Boltzmann 變換，將上述偏微分方程化為常微分方程，令

，則式（2.3.73）變為：

土壤水鹽運移數值模擬

將

，

代入式（2.3.74）得：

土壤水鹽運移數值模擬

令

土壤水鹽運移數值模擬

將式（2.3.71）代入式（2.3.76）得：

土壤水鹽運移數值模擬

將上式寫為離散格式為：

土壤水鹽運移數值模擬

式（2.3.75）可寫為：

土壤水鹽運移數值模擬

Boltzmann變換後鹽分運移問題的定解條件變為：

土壤水鹽運移數值模擬

將上式（2.3.79）兩邊在區間［c，c_i］上積分，求出水動力彌散系數：

土壤水鹽運移數值模擬

寫為離散格式為：

土壤水鹽運移數值模擬

根據試驗數據用式（2.3.82）即可計算水動力彌散系數D_sh。

（三）水動力彌散系數測定結果

本書採用水平土柱吸滲法進行水動力彌散試驗。由於不同溶質在土壤中的彌散系數基本相同（張瑜芳、張蔚榛和沈榮開等，1997）；通過不同濃度的入滲試驗證明，入滲溶液濃度和初始含水量對D_sh影響不明顯（石元春、李韻珠和陸錦文等，1986）；理論分析和實驗證明，入滲溶液的濃度對土壤水分的運動影響很小（謝森傳、楊詩秀和雷志棟，1989）。因此，本書選用氯化鈉溶液作為供水水源進行彌散試驗。

試驗裝置為分節的有機玻璃圓柱（圖 2.3.5），柱長 70cm，內徑 2.5cm，每節長3.5cm，節與節之間為鍾罩式連接，柱的一端裝有多孔板，供水裝置為馬氏瓶。測試土樣同前，為寅陽1^＃粉砂壤土，大興2^＃粉砂壤土，興隆沙1^＃粉質粘壤土，土壤含鹽量及離子組成見表2.3.5。其中寅陽1^＃砂壤土，興隆沙1^＃粉質粘壤土的土壤鹽分均以氯化鈉為主，Cl^-和Na⁺的含量占絕對優勢，而大興2^＃砂壤土離子含量則以

和Na⁺為主。土的裝填，分層按容重裝填。供水水源為氯化鈉溶液，由於寅陽1^＃砂壤土含鹽量和Cl^-和Na⁺的含量較高，所以供水水源的濃度也較高，為20 g/L的氯化鈉溶液，而大興2^＃砂壤土、興隆沙1^＃粉質粘壤土含鹽量較低，所以供水水源的濃度也較低，為5g/L的氯化鈉溶液。溶液由馬氏瓶水平進入土柱，試驗於1999年3月至6月進行，根據土壤質地不同，試驗時間為300～1340min。

表2.3.5 土樣含鹽量及離子組成

試驗結束後，迅速將土柱按節拆開取樣。土壤含水率採用烘乾法測定，土壤含鹽量採用電導率儀測定。通過實驗數據擬合的電導率與土壤含鹽量的換算關系為

s=2.8882E_c+ 0.1016 （2.3.83）

式中：s為土壤含鹽量（單位質量干土所含鹽分的質量（g/kg））；E_c為電導率（土水比為1：5的浸提液，標准為10³檔下的讀數（mS/cm））。

土壤溶液濃度c與土壤含鹽量s的換算關系為：

θc=γs （2.3.84）

式中：c為土壤溶液濃度（g/L）；θ土壤含水率（cm³/cm³）；γ 為干土容重（g/cm³）；s土壤含鹽量（g/kg）。

根據試驗的實測數據，按照上述演算法進行計算。擬合的水動力彌散系數的經驗公式如下：

寅陽1^＃（相關系數R=0.987）

D_sh（θ）=8×10^-6e^30.187θ （2.3.85）

大興2^＃（相關系數R=0.981）

D_sh（θ）=4×10^-8e^47.965θ （2.3.86）

興隆沙1^＃（相關系數R=0.993）

D_sh（θ）=0.0061e^12.448θ （2.3.87）

主要計算圖件及擬合曲線見圖2.3.6至圖2.3.8。

圖2.3.6 寅陽1^＃曲線圖

圖2.3.7 大興2^＃曲線圖

圖2.3.8 興隆沙1^＃曲線圖