隧道排水系统堵塞结晶体的xrd衍射图谱及结晶生长试验研究

隧道排水系统堵塞结晶体的xrd衍射图谱及结晶生长试验研究

0隧道排水管堵塞物组成隧道排水系统是隧道的必要结构。只有在运营期间，管道才能始终顺畅，以确保隧道支护结构的设计水平。但是,随着处于灰岩及岩溶等地区隧道的增多,排水管被钙化结晶物堵塞的问题日益突出,如贵州盘兴高速大山隧道、重庆轨道环线区间隧道等,在修建及运营过程中均出现了严重的排水管堵塞。排水系统堵塞将造成隧道围岩中地下水位升高、支护结构受力增大,导致衬砌开裂、渗漏水乃至塌方。隧道排水管堵塞物主要是一种白色晶体,其本质是地层中的碳酸盐、钙盐与水和空气相互作用形成碳酸钙晶体并在管内附着生长。文献隧道排水管结晶受到离子质量浓度、流速、pH值和温度等多种因素影响目前隧道排水系统结晶堵塞方面的研究极少,但实际问题又非常突出,本文在已有研究基础上,基于排水管堵塞严重的隧道地下水pH值和水质分析结果,结合堵塞结晶体的XRD衍射图谱,进一步确定排水管堵塞物成分。另外,通过在实验室配制不同pH值碱性饱和溶液,进行试验管2种充水状态下56d周期的结晶生长试验,通过分析结晶体的质量增加、XRD衍射图谱和SEM电镜扫描图规律,从宏观、微观相结合的角度揭示不同pH值及充水状态下隧道排水管结晶生长规律,以期为后期防治结晶堵塞提供理论基础。1排水管堵塞晶体结构分析在西南地区部分堵塞严重的隧道(贵州水塘隧道、重庆轨道北—渝区间隧道和成渝高速中梁山隧道)提取现场地下水后,由重庆川东南地质矿产检测中心进行水质分析可知,以上3座隧道地下水中Ca选取成渝高速中梁山隧道的排水管结晶物作为试样,在实验室进行XRD光谱分析,即将X光束以入射角θ进入晶体后获得部分光束的衍射图谱,将试验结果表示在以偏转角2θ为横坐标和以任意单位的相对强度为纵坐标的XRD衍射图谱,如图2所示。为说明图2中隧道排水管堵塞晶体的XRD衍射图谱与方解石型碳酸钙标准衍射图谱具有良好的一致性,图中采用菱形符号标示;因式(1)—(4)中其他晶体物质量少,且存在图像重叠,故在图中未作标示。结合水质分析结果可知,上述隧道排水管堵塞结晶体主要是方解石型碳酸钙。表1示出3座排水管堵塞严重的隧道地下水pH值均在11以上,结合邢晓凯等2试验设备和模拟试验考虑4种碱性环境(pH值分别为8、9、10、11)、2种充水状态(满充水和半充水),共进行8组试验。将试验溶液放在60cm×40cm×30cm(长×宽×高)的透明箱体中,模拟地下水在隧道排水系统中的流动(见图3)。控制排水管的满充水和半充水状态(见图4),模拟地下水的流速和流量等因素。2.1ph值的测定对于pH值为8的溶液,采用塑料箱作为试验箱;考虑到pH值为9～11的溶液水具有腐蚀性,采用玻璃缸作为试验箱。为了配置不同pH值的试验溶液,首先在试验箱内注入4.5L去离子水,加入1kg的CaCl式中:m为需加NaOH质量,g;x取6、5、4、3;V为溶液体积,取4.5L;M为NaOH的相对分子量,为40。常温下,水的离子积常数K(W)=C(H溶液pH值接近设定值时,用药勺摄取0.1gNaOH粉末投入溶液,搅拌,测定pH值,重复此操作直至溶液达到设定pH值。但是,溶液配置完成后,随着时间的推移,空气中CO2.2试验装置及管设置排水管结晶试验采用和实际工程隧道排水管材料相同的PVC管作试验管,直径为30mm。在图3所示试验装置中,为摒除重力对结晶的影响,将试验管布置在水平方向,与弯接头和连接管形成一个完整的排水系统。试验过程中每隔7d拆卸试验管称重,获得结晶体的质量增长规律。为防止称重拆卸试验管时扰动管内结晶体,将试验管内接于弯接头,可确保试验结果的精确。试验借助扬程为2m的水泵,实现溶液从下部通过水泵进入排水管系统;另外,通过调节U-PVC球阀将试验管设置成半充水和满充水状态(见图4),模拟隧道排水管的实际充水状态。在每种pH值溶液的试验箱内放置2套试验装置(见图3),可保证溶液环境完全一致,仅分析充水状态的影响。本试验的具体步骤如下:1)将PVC管、U-PVC球阀、接头(弯接头、直接头)等在试验箱中用去离子水洗净,除去试验装置组件内的杂质,室温静置24h晾干。2)组装完成图3所示的试验装置,在试验箱内加入4.5L去离子水,启动水泵使试验系统预运行24h后关闭水泵,静置2h待试验管内无水滴流出,轻轻卸下试验管并称其湿重记m3)按前述方法配制不同pH值的溶液,启动水泵使饱和溶液在试验系统中循环,每隔7d关闭水泵,按步骤2中方法对试验管进行称重m4)称重结束后,轻轻将试验管接回,并重启系统。试验共运行56d,获得试验管在不同时期的9个m5)试验结束后,用烘箱在45℃环境下烘干试验管,用截取器在试验管上截取1cm×1cm的矩形样品,并对样品中央未扰动位置进行SEM电镜扫描后收集少量晶体粉末样品进行XRD光谱分析。2.3ph值对半充回收水结晶量的影响本试验不同pH值下排水管设有半充水和满充水2种状态,且出水口流速均分别为0.49m/s和0.64m/s。试验管称重质量减去原始管重得到的结晶量生长变化规律如图5所示。由图5可知:无论半充水还是满充水状态,试验管结晶量均随着pH值增大而增加。当pH值为11时,第56d半充水和满充水管结晶量分别达27.74g和40.18g,是pH值为8时相应条件下结晶量的4.32倍和6.67倍,符合文献当pH值较低时,在试验周期内结晶量近似线性增加;随着pH值增大,结晶量会出现陡增段,且pH值越高陡增时间点越早。这是因为经过一段时间晶体生长后,管内壁摩阻增大利于晶体附着,结晶量会出现递增或陡增;加之pH值较高溶液中晶核较多,管壁附着效率提高,于是将陡增时间点提前。另外,结晶体的附着生长还受到pH值和充水状态的耦合影响,即在本试验中随着pH值的增大,充水状态对结晶的影响逐渐变化。具体就是,当pH值为8、9、10时,大多数半充水管结晶量大于满充水,且pH值为9、10时,在第49d后出现了半充水管结晶量陡增,说明充水状态对结晶的影响较大;但当pH值为11时,满充水管结晶量和趋势明显高于半充水,说明充水状态对结晶的主要影响逐渐被pH值替代。为进一步比较不同充水状态在不同pH值环境下的结晶情况,定义充水影响系数式中m不同pH值下充水影响系数变化如图6所示。由图6可知,排水管内结晶体的附着生长受到pH值和充水状态的耦合影响。当pH值为8时,充水影响系数均大于0,且Δ呈先增大后降低趋于平缓;pH值为9、10时,Δ先加速增大后急速降低,出现了Δ<0的情况,最后又增大;当pH值为11时,前21dΔ在0附近上下浮动,之后加速降低,最终趋于平缓。上述图表趋势说明:pH值较低时,半充水对结晶影响较大;随着pH值增大,溶液内晶核增多,即在试验前期出现了半充水管结晶剧增,但随着试验进行,因管内壁结晶积累,摩阻增大利于晶体附着,满充水管中溶液与管壁全断面接触,附着结晶效率提高,逐渐出现满充水管结晶量大于半充水管;当pH值较大时,充水状态对结晶的主要影响逐渐被高pH值替代。综上所述,半充水伴随的低流速利于结晶,满充水伴随高流速不利于结晶,但溶液与管内壁全断面接触利于结晶,高pH值溶液中晶核较多也利于结晶;但在不同试验工况和试验阶段,上述各因素对结晶的影响比重不同,呈变化趋势,即试验管结晶受到pH值和充水状态的耦合影响。为分析不同pH值溶液中各试验管内结晶物的成分,4种pH值环境下试验管内结晶物的XRD衍射光谱分析结果如图7所示。由图7可知:所有结晶物的衍射角规律近乎一致,均与方解石型碳酸钙的标准衍射图谱具有良好的一致性。由此可判断各碱性环境下的试验管结晶物成分主要为方解石型碳酸钙,与实际工程中隧道排水管的结晶物矿物成分相同。为进一步确定晶体形态,对各试验管结晶物进行SEM电镜扫描,放大5000倍的电镜图如图8所示。溶液pH值不同,其结晶体的堆积方式、晶型、晶体尺寸方面均呈现出一定的特点。当pH值为8时,晶粒堆积类似“蜂窝”状,内部孔隙较多,晶型以不规则立方体为主,大块体晶粒较少,以微末晶粒为主,最大和最小晶粒尺寸相差较大;当pH值为9时,晶体呈现“花瓣”状,除立方体晶型外出现了球形晶粒,晶粒尺寸相差不大;当pH值为10时,晶粒堆积较有序、紧密,以方形和球形晶型为主,晶粒尺寸相差不大;当pH值为11时,晶体堆积最为紧密,主要呈纺锤形晶型,晶粒尺寸最小且均匀。即随着pH值增大,晶体表面逐渐呈现紧密、光滑趋势,也能说明图5中pH值较低的试验管结晶效率仍有增大的趋势,pH值较高的试验管结晶效率接近平衡。以上不同环境下晶粒呈现的晶型均与方解石晶型以立方形、球形、纺锤形及菱形为主的晶型特点吻合。3不同ph值对结晶物结晶效率的影响本文通过在实验室进行4种碱性环境(PH值分别为8、9、10、11)、2种充水状态(满充水和半充水)条件下的8组排水管结晶规律试验。根据试验结果,可以得出以下结论:1)不同pH值环境下排水管结晶物的成分相同,且与隧道现场排水管结晶物主要成分相同,均为方解石型碳酸钙。2)无论半充水状态还是满充水状态,溶液pH值越大,试验管内附着结晶效率越高。3)当pH值为8时,半充水管结晶量高于满充水管,结晶量受充水状态影响较大;当pH值为9和10时,pH值对结晶的影响逐渐增大;当pH值为11时,满充水管结晶量逐渐大于半充水管,结晶量受pH值的影响较大。4)4种碱性环境下的结