设计装置测定扩散系数

❶ 水合物热物理参数的实验测定

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热物理参数有重要的实际意义。然而，这一工作长期以来困难重重，一方面是由于实验室合成甲烷水合物过程中存在“铠甲”效应(即外部的水合物生成后会形成一层厚厚的“壳”，导致生成不够彻底，生成的水合物中夹杂大量的气体、水和冰粒，并且合成过程非常缓慢);另一方面是实验技术和测试方法的局限性。青岛海洋地质研究所水合物实验室研制出一套沉积物中水合物分解过程中的热物理特性模拟实验装置，包括一个可编程控制变温实验箱一台，高压模拟实验装置一套，研制了高压热-TDR探针，购置了TDR仪和数据采集器，制作了高压和温度监测系统，并研制了计算机控制与数据采集系统一套。该实验装置的技术核心在于热-TDR探针的设计制作。TDR技术和热脉冲技术具有相对独立的探头，我们将二者有机结合，可以实现同时同地测量介质含水量、温度、容积热容量、热导率、热扩散系数等多项参数。不但避免了介质时空变异性的影响，还可以实现连续定位测定。

实验装置

如图75.13所示，模拟实验系统硬件部分包括可编程步入式变频高低温箱一台、高压模拟实验装置一套(包括其核心技术———耐高压热-TDR探针)、数据采集系统，软件部分我们自行设计编写了计算机控制与数据采集系统。

图75.13 实验装置简图

高压模拟实验设备主体部分是增压系统、两个高压釜体及插入反应体系中的热-TDR探针。气高压气瓶顶端有两个压力控制阀门，用于控制气瓶输出压力和釜体输入压力。阀门连接两个压力指示表，可以直接读出两处压力值，便于控制加压幅度。

高压釜体包含一个反应釜体和一个为搅拌釜体。两个高压釜体容积均为200cm³，最大工作压力30MPa。高压反应釜外层用不锈钢制作，采用自紧法螺纹密封，为保证螺纹密封效果，在连接部分采用两个O型密封圈进行密封。整个反应釜也是专门设计定做，通过测试，其密封效果可以保证实验顺利完成。搅拌釜体内装有聚四氟磁棒，下部是磁力搅拌器。反应釜体内部装有内筒(内筒用聚砜材料切割制成，聚砜具有力学性能优异，刚性大、耐磨、耐高压、热稳定性好等特点，适合在低温高压条件下作为水合物的反应容器材料)。容积为70cm³。热-TDR探针插入内筒所盛的反应物中发射热脉冲和测定反应体系温度、含水量等参数。压力表直接连接在气体管路上，便于采集数据和人工监控。

实验技术与方法

将沉积物装入模拟装置，采用逐渐升压的办法，测量压力对热物理参数的影响。当模拟装置内的压力达到预定的压力条件时，停止加压。室温下模拟装置放置一定的时间后，若压力没有发生变化即可开展水合物生成模拟实验(压力恒定48h)。启动监测装置，监测模拟装置内，温度、压力和TDR波形的变化。随着水合物逐渐生成，TDR波形逐渐发生变化，反射系数逐渐增加，相对距离缩短。

打开搅拌釜、反应釜进气阀门(阀门3、4、5)，打开抽真空口(阀门2)，其余阀门关闭，将系统抽真空。待系统负压稳定后，关闭抽真空口和抽真空机。打开除高压阀以外的所有阀门，通入实验所用的甲烷气清洗气路，重复3～4次。然后打开进气阀门(阀门1、3、4)，其余阀门关闭，开始向两个高压釜内加压。加至实验所需压力(4.0～7.0MPa)后关闭加压阀门稳定一段时间。打开磁力搅拌器直至搅拌釜内的甲烷气溶解在SDS溶液中达到饱和。打开搅拌釜和反应釜之间的阀门(阀门5)，使溶解了饱和甲烷气的SDS溶液流向反应釜，直至反应釜中的松散沉积物达到含水量饱和状态后关闭阀门5。开启控温箱开关，将温度设置为0.5℃。实验进入水合物合成阶段。水合物合成所需时间受多个条件影响，如水合物的“记忆效应”、温度“过冷度”、表面活性剂的添加等。水合物合成一般需要1、2d时间。水合物生成进度可以通过TDR波形图明显看出。

实验选择的热脉冲电源为12V直流电源。通过计算机直接控制热脉冲发射的时间和时长。由于实验采用的加热丝直径很小，加热时间过长容易导致加热丝绝缘层烧化;另外，水合物本身遇热容易分解。综合考虑上述各因素影响，加热时长一般掌握在4～8s内。另外，一个热脉冲发射过后需要一定的散热时间，待反应体系温度完全恢复到脉冲发射前的状态时再发射下一个脉冲。两个相邻的热脉冲之间发射间隔过短，反应体系内的余温会干扰实验结果;间隔过长则费时费电(刁少波等，2008)。

计算

采用了平行热线法和交叉热线法测定热物理特性。

1)交叉热线法。热导率计算公式为:

岩石矿物分析第四分册资源与环境调查分析技术

式中:λ为热导率;"₂、"₁为两次热脉冲的加热时间;T₂-T₁为温度的变化;Q为热源强度。

2)平行热线法。热扩散系数α计算公式为:

岩石矿物分析第四分册资源与环境调查分析技术

式中:t_m为达最高温度时的时间;t₀为热脉冲的加热时间;r为热电偶距线性热源的垂直距离。

容积热容量计算公式为:

岩石矿物分析第四分册资源与环境调查分析技术

式中:q为单位长度加热丝在单位时间内释放的热量;E_i(-x)为指数积分。

由λ=α·ρ_c计算出热导率。

❷ 混凝土rcm法是什么

RCM是指混凝土氯离子扩散系数快速测定法。
混凝土氯离子扩散系数测定法主要用来测定混凝土氯离子稳态快速迁移的扩散系数，定量评价混凝土抵抗氯离子扩散的能力。用于测定混凝土氯离子含量，本方法参照氯离子扩散系数实验方法NT Build 492的实验原理来定量评价混凝土抗氯离子扩散的能力，为氯离子侵蚀环境中的混凝土结构耐久性设计以及使用寿命的评估与质量检验评定的依据。
用途: 主要用来测定混凝土氯离子稳态快速迁移的扩散系数，定量评价混凝土抵抗氯离子扩散的能力。
执行标准:
《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》GB/T50082-2009
《混凝土结构耐久性设计与施工指南》CCES-01-2004
《公路工程混凝土结构防腐蚀技术规范》JTG/TB07-01-2006
《水工混凝土试验规程》SL352-2006

❸ 水动力弥散系数的测定

目前，就非饱和土壤水动力弥散系数的测定来看，还没有公认而成熟的方法和规范可寻，当然，国内外一些学者在这方面也做了不少探索和研究。Yule和Gardner（1978）在假设弥散系数与速度成比例关系以及含水量均匀的前提下，进行室内短柱试验求得非饱和纵向和横向弥散系数，但由于假设偏于理想化，求得的参数难以体现实际情况。Smiles和Philip（1978），Smiles等（1978）求得水平吸水过程中溶质运移问题的半解析解，通过一维水平吸水实验，认为弥散系数仅为含水量的函数，与流速无关。De Smedt和Wierenga（1979，1984）在长30cm的一维垂直土柱中对两种不同粒径的玻璃球进行实验，认为弥散系数与平均孔隙流速呈线性关系。Jones和Watson（1982）用沙进行一维吸水实验，通过计算结果分析，当取弥散系数与平均流速呈线性关系时，计算结果完全落在实验结果的范围之内。杨金忠（1986）利用水平土柱试验，由数值方法反求参数，是个较有效的方法，但是求解非线性水流方程和对流弥散方程的复杂性，使之难以推广应用。黄康乐（1987，1988）基于质量守恒原理，借鉴求解水力传导度的瞬时剖面方法，提出了一种在实验和计算上都较为简单的室内和野外试验方法，并通过室内、野外试验证明该方法是较有效、精确的。石元春、李韵珠和陆锦文等（1986）以及清华大学的谢森传、杨诗秀和雷志栋（1989）进行了水平土柱的入渗试验，并根据试验结果求得了以含水率为变量的水动力弥散系数。张瑜芳、张蔚榛和沈荣开等（1997）提出，若已知土壤水、盐运动过程中某两个时刻的剖面分布，从质量守恒原理建立起剖面上各点的水分及盐分均衡方程，从而求出剖面上各点的弥散系数，此结果与根据实验用数值方法反求参数的结果相一致。

图2.3.3 扩散度拟合曲线

目前，对水动力弥散系数的结构形式的认识尚不统一（王亚东、胡毓骐，1992）。从理论上讲，水动力弥散系数D_sh为分子扩散系数D_s和机械弥散系数D_h之和。一般将溶质在土壤中的分子扩散系数仅表示为含水率的函数，而与溶质的浓度无关，常用经验公式来表示（雷志栋，杨诗秀，谢森传，1988）。用经验公式表示的分子扩散系数D_s为：

D_s=D₀αe^bθ （2.3.55）

式中：D_s分子扩散系数（cm²/min）；D₀溶质在自由水体中的扩散系数（cm²/min）；θ土壤含水率（cm³/cm³）；α、b均为经验常数。

据文献介绍（Olsen 和Kemper，1968），当土壤水吸力在0.3～15atm 的范围内变化时，上述经验公式中b=10 比较适合，α的变化范围为0.005～0.001（沙壤土-粘土），土壤粘性愈大，α值愈小。

一般认为，一维流情况下，机械弥散系数 D_h与平均孔隙流速 υ 的一次方成正比（Bear，1972）

D_h=α｜υ｜ （2.3.56）

式中：D_h机械弥散系数（cm²/min）；υ平均孔隙流速（cm/min）；α弥散度（为经验常数）（cm）。

综上所述，弥散系数D_sh表示为分子扩散系数D_s和机械弥散系数D_h之和，即

D_sh=D₀αe^bθ+α｜υ｜ （2.3.57）

当对流速度相当大时，机械弥散的作用会大大超过分子扩散作用，以致于水动力弥散中只需考虑机械弥散作用；反之，当土壤溶液静止时，则机械弥散完全不起作用，而只剩下分子扩散了。一般情况下，土壤中的溶质运移，都同时存在分子扩散和机械弥散作用，但实际上很难区分开来，因此，将分子扩散和机械弥散综合统称为水动力弥散。实际应用中，有的学者将水动力弥散系数表示为形如分子扩散系数形式的指数函数，如 Smiles 和 Philip（1978），谢森传、杨诗秀和雷志栋（1989），认为纵向弥散系数对孔隙水流速不敏感，因此，D_sh可以单独作为含水率的函数来对待。但从文献资料看，目前不少学者将水动力弥散系数表示为形如机械弥散系数形式的线性函数，认为D_sh与平均孔隙流速υ的一次方成正比。本文所测定的水动力弥散系数取前一种形式。测定方法有水平土柱法和垂直土柱法。

图2.3.4 垂直土柱试验装置示意图

（一）垂直土柱法

试验装置如图2.3.4 所示，土柱上装有负压计和盐分传感器以测定土壤负压和土壤溶液浓度，供试溶液由马氏瓶从底部进入土柱。为了计算水动力弥散系数（Hydrodynamic Dispersion Coefficiet），首先计算水分通量，然后计算盐分通量，最后由水分通量和盐分通量计算水动力弥散系数。

1.水分通量

若已知溶液从底部补给土柱的水量，以及不同时刻剖面含水率的分布，则由水量均衡原理，土柱上任一截面z处的水分通量q_z可表示为：

土壤水盐运移数值模拟

即

土壤水盐运移数值模拟

式中：q_z为任一截面z处的水分通量（cm/d），q₀为土柱底部的进水量（cm/d），θ为体积含水率（cm³/cm³），Δt=t₂-t₁为时段（d）。

上式（2.3.59）写为离散格式：

土壤水盐运移数值模拟

式中：k为时段数。

2.盐分通量

若已知土柱底部溶质通量，以及不同时刻剖面含水率和溶质浓度的分布，则任一截面z处的溶质通量J_z由质量守恒原理得：

土壤水盐运移数值模拟

土壤水盐运移数值模拟

式中：J_z为任一截面 z 处的溶质通量（g/cm²·d）；J₀为土柱底部的溶质通量（g/cm²·d）；c为土壤溶质浓度（g/cm³）；θ为体积含水率（cm³/cm³）；Δt=t₂-t₁为时段（d）。

式（2.3.62）写为离散格式为：

土壤水盐运移数值模拟

3.水动力弥散系数

根据水动力弥散原理，溶质通量等于水动力弥散通量与对流通量之和，即：

土壤水盐运移数值模拟

土壤水盐运移数值模拟

式中：J 为溶质通量（g/cm²·d）；D_sh为水动力弥散系数（cm²/d）；c 为溶质浓度（g/cm³）；θ为体积含水率（cm³/cm³）；Δt=t₂-t₁为时段（d）。

式（2.3.65）写为离散格式为：

土壤水盐运移数值模拟

将前面计算出的

和

代入式（2.3.66）即可计算水动力弥散系数D_sh，倘若取一系列z断面则可计算出一系列D_sh，从而将D_sh和对应的θ值或孔隙流速υ拟合成经验公式。

（二）水平土柱吸渗法

试验装置如图2.3.5所示，溶液由马氏瓶从土柱一端水平渗入，土柱为初始含水率和盐分含量均匀一致的半无限土柱，这个问题可以用如下的水盐运移方程进行描述。

图2.3.5 水平土柱试验装置示意图

水分方程：

基本方程，

土壤水盐运移数值模拟

式中：D（θ）为水分扩散度（cm²/min）；θ为与输入端（进水边界）的水平距离为x处的体积含水率（cm³/cm³）。

定解条件，

土壤水盐运移数值模拟

式中：θ_i为初始体积含水率（cm³/cm³）；θ_s饱和体积含水率（开始试验后在边界处瞬时形成）。

盐分运移方程：

基本方程，

土壤水盐运移数值模拟

式中：D_sh为水动力弥散系数（cm²/min）；c为与输入端（进水边界）的水平距离为x处的溶质浓度（g/cm³）；q为水流通量（cm/min）；θ为体积含水率（cm³/cm³）。

定解条件，

土壤水盐运移数值模拟

式中：c_i为初始土壤溶液浓度（g/cm³）；c₀为所供给溶液浓度（g/cm³）。

由水分方程可以解出扩散度：

土壤水盐运移数值模拟

由盐分方程可以解出水动力弥散系数，由于，

土壤水盐运移数值模拟

所以盐分运移的基本方程式（2.3.69）可以展成：

土壤水盐运移数值模拟

采用 Boltzmann 变换，将上述偏微分方程化为常微分方程，令

，则式（2.3.73）变为：

土壤水盐运移数值模拟

将

，

代入式（2.3.74）得：

土壤水盐运移数值模拟

令

土壤水盐运移数值模拟

将式（2.3.71）代入式（2.3.76）得：

土壤水盐运移数值模拟

将上式写为离散格式为：

土壤水盐运移数值模拟

式（2.3.75）可写为：

土壤水盐运移数值模拟

Boltzmann变换后盐分运移问题的定解条件变为：

土壤水盐运移数值模拟

将上式（2.3.79）两边在区间［c，c_i］上积分，求出水动力弥散系数：

土壤水盐运移数值模拟

写为离散格式为：

土壤水盐运移数值模拟

根据试验数据用式（2.3.82）即可计算水动力弥散系数D_sh。

（三）水动力弥散系数测定结果

本书采用水平土柱吸渗法进行水动力弥散试验。由于不同溶质在土壤中的弥散系数基本相同（张瑜芳、张蔚榛和沈荣开等，1997）；通过不同浓度的入渗试验证明，入渗溶液浓度和初始含水量对D_sh影响不明显（石元春、李韵珠和陆锦文等，1986）；理论分析和实验证明，入渗溶液的浓度对土壤水分的运动影响很小（谢森传、杨诗秀和雷志栋，1989）。因此，本书选用氯化钠溶液作为供水水源进行弥散试验。

试验装置为分节的有机玻璃圆柱（图 2.3.5），柱长 70cm，内径 2.5cm，每节长3.5cm，节与节之间为钟罩式连接，柱的一端装有多孔板，供水装置为马氏瓶。测试土样同前，为寅阳1^＃粉砂壤土，大兴2^＃粉砂壤土，兴隆沙1^＃粉质粘壤土，土壤含盐量及离子组成见表2.3.5。其中寅阳1^＃砂壤土，兴隆沙1^＃粉质粘壤土的土壤盐分均以氯化钠为主，Cl^-和Na⁺的含量占绝对优势，而大兴2^＃砂壤土离子含量则以

和Na⁺为主。土的装填，分层按容重装填。供水水源为氯化钠溶液，由于寅阳1^＃砂壤土含盐量和Cl^-和Na⁺的含量较高，所以供水水源的浓度也较高，为20 g/L的氯化钠溶液，而大兴2^＃砂壤土、兴隆沙1^＃粉质粘壤土含盐量较低，所以供水水源的浓度也较低，为5g/L的氯化钠溶液。溶液由马氏瓶水平进入土柱，试验于1999年3月至6月进行，根据土壤质地不同，试验时间为300～1340min。

表2.3.5 土样含盐量及离子组成

试验结束后，迅速将土柱按节拆开取样。土壤含水率采用烘干法测定，土壤含盐量采用电导率仪测定。通过实验数据拟合的电导率与土壤含盐量的换算关系为

s=2.8882E_c+ 0.1016 （2.3.83）

式中：s为土壤含盐量（单位质量干土所含盐分的质量（g/kg））；E_c为电导率（土水比为1：5的浸提液，标准为10³档下的读数（mS/cm））。

土壤溶液浓度c与土壤含盐量s的换算关系为：

θc=γs （2.3.84）

式中：c为土壤溶液浓度（g/L）；θ土壤含水率（cm³/cm³）；γ 为干土容重（g/cm³）；s土壤含盐量（g/kg）。

根据试验的实测数据，按照上述算法进行计算。拟合的水动力弥散系数的经验公式如下：

寅阳1^＃（相关系数R=0.987）

D_sh（θ）=8×10^-6e^30.187θ （2.3.85）

大兴2^＃（相关系数R=0.981）

D_sh（θ）=4×10^-8e^47.965θ （2.3.86）

兴隆沙1^＃（相关系数R=0.993）

D_sh（θ）=0.0061e^12.448θ （2.3.87）

主要计算图件及拟合曲线见图2.3.6至图2.3.8。

图2.3.6 寅阳1^＃曲线图

图2.3.7 大兴2^＃曲线图

图2.3.8 兴隆沙1^＃曲线图