本发明涉及水工混凝土试验，具体涉及一种适用于防渗帷幕体的高压电化学加速溶蚀-渗流试验系统及方法。
背景技术：
1、帷幕体是指将浆液灌入岩体或土层的裂隙、孔隙中而形成的连续阻水帷幕，其用于减小渗流量和降低渗透压力。由于地下水与帷幕材料之间存在相互作用，地下水的流动不仅可能引起物理磨损（即，磨蚀），还可能触发化学反应：一方面，水泥基帷幕体中的氢氧化钙等水化产物，它们容易与地下水中的酸性物质反应，导致溶解和流失，这种渗透溶蚀作用随着时间的推移逐渐累积，导致帷幕体的微观结构发生改变，孔隙率增加，渗透性增大，最终减弱了帷幕体的防渗性能；另一方面，帷幕体的溶蚀通常在特定区域更为显著，如底部和上游侧，这些区域受到的水头压力较大，渗流速度较快，溶蚀作用更为强烈。因此，帷幕体在自然环境下的溶蚀速率很大程度上取决于钙离子的溶出速率和水头压力。此外，环境因素比如地下水的温度也会对溶蚀速率和程度产生影响，一定范围的温度能够加快化学反应速率，增加某些物质的溶解度，降低水的粘度和密度，从而溶蚀进程的加速帷幕体材料的化学分解和溶解。
2、目前，水库、大坝、基坑工程、底下工程、高水头环境下的输水隧洞及江河堤防及海堤等大规模工程建设，均普遍存在防渗帷幕体长期受侵蚀和损伤这一现象。正确描述帷幕体防渗性能变化与其损伤程度的关系是预测帷幕体耐久性变化的关键环节，而如何加速帷幕体的溶蚀进程、模拟自然溶蚀状态又是帷幕体渗流溶蚀研究领域的难点所在。
3、帷幕体加速溶蚀-渗流室内试验研究对于揭示地下水渗流-化学耦合作用机理及其在荷载作用下的渗透特性演化机制、建立并验证帷幕体地下水渗流-化学反应-溶质迁移耦合模型及数值分析方法具有不可替代的作用。目前，国内外学者研发了大量的水工混凝土加速溶蚀-渗流耦合试验装置，包括基于高水力梯度加速溶蚀装置、基于硝酸铵溶液的化学试剂加速溶蚀实验方法、电化学溶蚀加速试验装置等。但，目前多数试验装置未能实现多因素耦合作用条件下的帷幕体溶蚀渗流试验，且试验周期较长。并且，虽然电化学加速溶蚀作为目前加速帷幕体溶蚀进程效率较高的一种方法，现多用于常压下的接触溶蚀试验，而不能有效的运用于高水压条件下的渗透溶蚀试验。
技术实现思路
1、本发明的目的在于提供一种适用于防渗帷幕体的高压电化学加速溶蚀-渗流试验系统，以及基于上述系统的适用于防渗帷幕体的高压电化学加速溶蚀-渗流试验方法，本发明可实现在对试件渗透加压、高温过程中进行电化学溶蚀，将只处于试件表面的接触溶蚀转变为对试件内部的渗透溶蚀，既能还原自然状态下多种因素耦合作用的侵蚀情况，提高了试验精度，还大大加快了溶蚀进程、节约了时间成本。
2、本发明所采用的技术方案是：
3、一种适用于防渗帷幕体的高压电化学加速溶蚀-渗流试验系统，包括用于安装试件并提供试验环境的试验舱、用于通过注水封装试验舱的封装模块、用于对试验舱施加渗透压的加压模块；试验舱内部中间设有试件安装位，试件安装后能将试验舱分隔为阴极室和阳极室，阴极室和阳极室的内壁均设置绝缘层、开口端通过各自的气密盖配合绝缘件封闭，阴极室和阳极室的内部安装有各自的温度传感器、电极和陶瓷发热体，阴极室和阳极室的上部设有各自的安全阀和注水口、下部设有各自的出水口，阴极室和阳极室的安全阀分别通过带阀门的管路接入各自的废气容器，阴极室和阳极室的注水口能选择封闭或外接，阴极室和阳极室的出水口分别通过带阀门的管路接入各自的反应液容器，阴极室内部安装有压力传感器；封装模块包括水泵，水泵的入口端通过带阀门的管路连接去离子水容器、出口端分别通过带阀门的管路连接阴极室和阳极室的注水口；加压模块包括压力传递装置和高精度液压泵，压力传递装置包括液压腔，液压腔的两端开口、中间不脱出地滑动配合陶瓷活塞，高精度液压泵的入口端通过带阀门的管路连接液压油箱、出口端通过带压力传感器的管路连接液压腔一端，液压油箱用于存储不导电的液压油，液压腔另一端通过管路与阴极室直接连通。
4、优选地，阴极室温度传感器、阴极室电极、阴极室陶瓷发热体、阴极室压力传感器、阳极室温度传感器、阳极室电极、阳极室陶瓷发热体、高精度液压泵与液压腔之间的压力传感器、高精度液压泵分别与电源及数控模块电连接，电源及数控模块与上位机电连接；电源及数控模块用于为各检测件和各执行件提供电源并根据上位机的指令控制各执行件动作；上位机能根据输入的设定信息以及各检测件的反馈信息通过电源及数控模块控制各执行件得到所需的试验温度和试验渗透压，能根据试验数据自动计算并绘制出不同电流电压、温度、渗透压影响下的溶蚀速率变化曲线和渗透特性变化曲线。
5、优选地，试验舱采用不锈钢耐高压材料，阴极室和阳极室的内壁绝缘层均采用硅橡胶垫，阴极室和阳极室的端部通过各自的气密盖配合环氧树脂封闭。
6、优选地，高精度液压泵入口端与阀门之间通过带安全片的管路旁接入回收油箱。
7、优选地，阴极室和阳极室的气密盖均通过紧固螺栓安装固定。
8、优选地，试验舱呈横置圆筒形，由支架抬高支撑。
9、优选地，阴极室温度传感器、阳极室温度传感器为压力式温度计。
10、一种适用于防渗帷幕体的高压电化学加速溶蚀-渗流试验方法，基于上述适用于防渗帷幕体的高压电化学加速溶蚀-渗流试验系统，包括步骤：
11、步骤s1、处理试件
12、试件在室温环境中养护完成后，先测量试件当前的电阻率，再进行真空饱水试验并测量试件真空饱水后的电阻率；
13、步骤s2、封装试件
14、先打开阴极室和阳极室的气密盖，再将试件安装在试验舱内部中间的试件安装位上，并做好试件与试验舱之间的绝缘和隔水，使得试件将试验舱分隔为阴极室和阳极室且阴极室和阳极室的溶液通电后只能通过试件构成回路，再关闭阴极室和阳极室的气密盖；然后开启水泵以及相应的阀门，使水泵将抽取的去离子水注入阴极室，直至阴极室内以及液压腔内一侧充满去离子水、陶瓷活塞移动至靠近高精度液压泵一端，再关闭水泵停止注水并静置一段时间；然后观察阳极室有无漏水，确定其密封完好后，先关闭阴极室注水口相应的阀门，再关闭阴极室注水口，再开启水泵以及相应的阀门，使水泵将抽取的去离子水注入阳极室，直至阳极室内充满去离子水，再关闭水泵和相应的阀门，再关闭阳极室注水口，试验舱内试件处于封装状态；
15、步骤s3、渗透溶蚀试件
16、开启阴极室和阳极室的陶瓷发热体，在阴极室和阳极室的温度传感器的反馈下，将阴极室和阳极室加热至所需的试验温度并保持；开启高精度液压泵和相应的阀门，使高精度液压泵将抽取的液压油推入液压腔对陶瓷活塞施压、陶瓷活塞将去离子水推入阴极室对阴极室加压，在高精度液压泵与液压腔之间的压力传感器、阴极室上的压力传感器的反馈下，将阴极室加压至所需的试验渗透压并保持；开启阴极室和阳极室的电极，电流经阳极室电极、试件、阴极室电极构成回路，在试验温度和试验渗透压下试件电化学溶蚀由接触溶蚀转变为渗透溶蚀，溶蚀速率大幅提高，且产生电解水反应，阴极室和阳极室分别产生氢气和氧气，若阴极室内压升高至阴极室安全阀临界压力，则阴极室安全阀自动打开恢复临界压力以下且排出氢气至阴极室废气容器，若阳极室内压升高至阳极室安全阀临界压力，则阳极室安全阀自动打开恢复临界压力以下且排出氧气至阳极室废气容器；
17、步骤s4、更换反应溶液并渗透溶蚀试件
18、待试验舱内溶液反应一定时间后，缓慢降低高精度液压泵的输出压力，直至高精度液压泵与液压腔之间的压力传感器数值降至室内大气压且陶瓷活塞复位时，关闭高精度液压泵和相应阀门，再在阴极室压力传感器数值不高于室内大气压后，打开相应阀门，使阴极室反应液容器和阳极室反应液容器分别收集阴极室反应溶液和阳极室反应溶液，再测量阴极室反应液容器和阳极室反应液容器收集的反应溶液的体积、所含离子浓度、沉淀物成分，测量计算阴极室废气容器和阳极室废气容器收集的气体摩尔质量，推算参与电解水反应的水的质量；然后开启水泵、阴极室注水口、阳极室注水口以及相应阀门，使水泵将抽取的去离子水注入并清洗阴极室和阳极室，冲洗干净后关闭相应阀门；然后按照步骤s2中的方式向阴极室和阳极室内注水，使试验舱内试件处于封装状态；然后按照步骤s3中的方式渗透溶蚀试件；
19、步骤s5、拆除试件
20、重复步骤s4，进行多次更换反应溶液并渗透溶蚀试件后，先排出阴极室和阳极室中的反应溶液，再开启阴极室和阳极室的气密盖，再拆除试件。
21、优选地，在步骤s1中，真空饱水试验的过程是：先将试件放入能抽真空的容器中，然后启动真空泵，将容器内的气压降低至1～5kpa并保持一段时间，然后在真空泵继续工作的情况下，向容器中注入蒸馏水或去离子水，直至完全浸没试件并保持一段时间，然后恢复到常压并继续浸泡一段时间，最后取出试件并测量试件真空饱水后的电阻率。
22、优选地，在步骤s3中，试验温度为80℃以下，试验渗透压为2mpa以内，阳极室电极和阴极室电极工作时采用恒定电压或恒定电流模式，阴极室安全阀和阳极室安全阀的临界压力设定为试验渗透压的100.1%。
23、本发明的有益效果是：
24、本发明可实现在对试件渗透加压、高温过程中进行电化学溶蚀，将只处于试件表面的接触溶蚀转变为对试件内部的渗透溶蚀，既能还原自然状态下多种因素耦合作用的侵蚀情况，提高了试验精度，还大大加快了溶蚀进程、节约了时间成本，具体在三个方面加速了溶蚀进程：一，采用电化学加速溶蚀，钙离子在电动势的作用加快了在孔隙溶液中的移动速度；二，反应在较高恒温状态下进行，使反应速率更快，增大水溶液中钙离子等物质的溶解度；三，只在阴极室施加渗透压，反应过程中钙离子会不断向阴极移动，距离阴极最近一面会最先开始溶蚀进程，因此只在阴极室中施加渗透压强，使试件表面正在发生的接触溶蚀扩展为渗透溶蚀，加快溶蚀进程。
1.一种适用于防渗帷幕体的高压电化学加速溶蚀-渗流试验系统，其特征在于：包括用于安装试件并提供试验环境的试验舱、用于通过注水封装试验舱的封装模块、用于对试验舱施加渗透压的加压模块；试验舱内部中间设有试件安装位，试件安装后能将试验舱分隔为阴极室和阳极室，阴极室和阳极室的内壁均设置绝缘层、开口端通过各自的气密盖配合绝缘件封闭，阴极室和阳极室的内部安装有各自的温度传感器、电极和陶瓷发热体，阴极室和阳极室的上部设有各自的安全阀和注水口、下部设有各自的出水口，阴极室和阳极室的安全阀分别通过带阀门的管路接入各自的废气容器，阴极室和阳极室的注水口能选择封闭或外接，阴极室和阳极室的出水口分别通过带阀门的管路接入各自的反应液容器，阴极室内部安装有压力传感器；封装模块包括水泵，水泵的入口端通过带阀门的管路连接去离子水容器、出口端分别通过带阀门的管路连接阴极室和阳极室的注水口；加压模块包括压力传递装置和高精度液压泵，压力传递装置包括液压腔，液压腔的两端开口、中间不脱出地滑动配合陶瓷活塞，高精度液压泵的入口端通过带阀门的管路连接液压油箱、出口端通过带压力传感器的管路连接液压腔一端，液压油箱用于存储不导电的液压油，液压腔另一端通过管路与阴极室直接连通。
2.如权利要求1所述的适用于防渗帷幕体的高压电化学加速溶蚀-渗流试验系统，其特征在于：阴极室温度传感器、阴极室电极、阴极室陶瓷发热体、阴极室压力传感器、阳极室温度传感器、阳极室电极、阳极室陶瓷发热体、高精度液压泵与液压腔之间的压力传感器、高精度液压泵分别与电源及数控模块电连接，电源及数控模块与上位机电连接；电源及数控模块用于为各检测件和各执行件提供电源并根据上位机的指令控制各执行件动作；上位机能根据输入的设定信息以及各检测件的反馈信息通过电源及数控模块控制各执行件得到所需的试验温度和试验渗透压，能根据试验数据自动计算并绘制出不同电流电压、温度、渗透压影响下的溶蚀速率变化曲线和渗透特性变化曲线。
3.如权利要求1或2所述的适用于防渗帷幕体的高压电化学加速溶蚀-渗流试验系统，其特征在于：试验舱采用不锈钢耐高压材料，阴极室和阳极室的内壁绝缘层均采用硅橡胶垫，阴极室和阳极室的端部通过各自的气密盖配合环氧树脂封闭。
4.如权利要求1或2所述的适用于防渗帷幕体的高压电化学加速溶蚀-渗流试验系统，其特征在于：高精度液压泵入口端与阀门之间通过带安全片的管路旁接入回收油箱。
5.如权利要求1或2所述的适用于防渗帷幕体的高压电化学加速溶蚀-渗流试验系统，其特征在于：阴极室和阳极室的气密盖均通过紧固螺栓安装固定。
6.如权利要求1或2所述的适用于防渗帷幕体的高压电化学加速溶蚀-渗流试验系统，其特征在于：试验舱呈横置圆筒形，由支架抬高支撑。
7.如权利要求1或2所述的适用于防渗帷幕体的高压电化学加速溶蚀-渗流试验系统，其特征在于：阴极室温度传感器、阳极室温度传感器为压力式温度计。
8.一种适用于防渗帷幕体的高压电化学加速溶蚀-渗流试验方法，其特征在于，基于如权利要求1至7任一所述的适用于防渗帷幕体的高压电化学加速溶蚀-渗流试验系统，包括步骤：
9.如权利要求8所述的适用于防渗帷幕体的高压电化学加速溶蚀-渗流试验方法，其特征在于，在步骤s1中，真空饱水试验的过程是：先将试件放入能抽真空的容器中，然后启动真空泵，将容器内的气压降低至1～5kpa并保持一段时间，然后在真空泵继续工作的情况下，向容器中注入蒸馏水或去离子水，直至完全浸没试件并保持一段时间，然后恢复到常压并继续浸泡一段时间，最后取出试件并测量试件真空饱水后的电阻率。
10.如权利要求8所述的适用于防渗帷幕体的高压电化学加速溶蚀-渗流试验方法，其特征在于：在步骤s3中，试验温度为80℃以下，试验渗透压为2mpa以内，阳极室电极和阴极室电极工作时采用恒定电压或恒定电流模式，阴极室安全阀和阳极室安全阀的临界压力设定为试验渗透压的100.1%。
