一种赤泥基胶凝材料路用环境评价模拟系统及方法

1.本发明属于土木工程实验仪设备技术领域，尤其涉及一种赤泥基胶凝材料路用环境评价模拟系统及方法。


背景技术：

2.本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
3.目前，越来越多的人开始关注赤泥对环境的危害，主要表现在占用土地和农田，污染土壤、水资源和大气，腐蚀建筑物和构筑物表面，甚至对环境造成放射性污染等。赤泥的处理和处置是一个国际性难题。
4.将赤泥作为建设公路的材料，不仅解决了大量赤泥处理困难的问题，也大大降低了工程中水泥等材料的用量，从而降低了工程的成本。但是赤泥基胶凝材料在满足强度需求同时，作为长期使用的公路材料，也必须考虑赤泥长期的污染浸出问题。目前，针对赤泥作为公路材料的污染浸出规律，尚未有有效的实验装置。


技术实现要素：

5.为克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种赤泥基胶凝材料路用环境评价模拟系统及方法，可以研究了解赤泥基胶凝路用材料的长期污染浸出状况，并且能够通过控制实验条件，缩短实验时间，为赤泥基路用材料的污染控制提供指导。
6.为实现上述目的，本发明的一个或多个实施例提供了如下技术方案：
7.一种赤泥基胶凝材料路用环境评价模拟系统，包括框架，所述框架用于填充素土和实验土，填土纵向设有多层传感器系统，所述多层传感器均连接至外部数据接收和存储设备。
8.进一步地，所述框架下方全部为素土，上方的中部为素土，两侧为实验土。
9.进一步地，所述框架顶部设有封闭系统，所述封闭系统包括实验区封闭系统和观察区封闭系统；所述观察区封闭系统部分为夹胶玻璃。
10.进一步地，所述实验区封闭系统从下到上依次包括板纹钢板、带钢筋防裂笼的混凝土层和防裂砂浆层。
11.进一步地，所述观察区封闭系统设于靠近框架边缘的一侧，且框架侧面部分为夹胶玻璃。
12.进一步地，所述框架一侧还设有观察走廊，所述观察走廊上设有通往框架顶部封闭系统的楼梯。
13.进一步地，每层所述传感器均等距离均匀分布。
14.进一步地，所述模拟系统还包括上层荷载模拟系统，包括支承框架、和微电子控制千斤顶组。
15.进一步地，所述模拟系统还包括雨水模拟装置，包括抗腐蚀管路、抗腐蚀喷嘴和半
自动控制装置，所述半自动控制装置内包含灌水器、水泵、电机、中央控制器和自动阀。
16.一个或多个实施例提供了一种基于所述模拟系统的模拟方法，包括：
17.设置上层荷载模拟系统的荷载上限、下限、循环次数和速度中的一项或多项，或
18.设置雨水模拟装置的水量、持续时间、晴雨比例和雨水类型中的一项或多项，来模拟不同的环境；
19.基于设定的间隔时间，采集传感器数据。
20.以上一个或多个技术方案存在以下有益效果：
21.通过在包括素土和实验土的填土中设置多层传感器，组成立体的传感器监测系统，能够全方位监测污染浸出情况；
22.通过在框架的上表面和侧面设置观察窗，能够从水平和垂直两个角度，观察素土和实验土，以及污染浸出情况；
23.通过设置上层荷载模拟系统和雨水模拟装置，能够模拟不同的天气环境和路面称重；通过控制实验条件，如环境温度、液体酸碱度、液体浓度等，能够以较短时间等效模拟使用环境中更长时间使用情况，大大节约了实验时间通过长期模拟实验和数据收集处理，研究赤泥基胶凝路用材料的污染浸出情况，建立赤泥基胶凝路用材料的污染扩散模型，为污染型固废路用的污染防护治理提供指导。
附图说明
24.构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
25.图1为本发明实施例中赤泥基胶凝材料路用环境评价模拟系统的整体外观示意图；
26.图2为本发明实施例中填土、框架和观察走廊的俯视图；
27.图3为本发明实施例中赤泥基胶凝材料路用环境评价模拟系统的剖面图；
28.图4为本发明实施例中传感器布设俯视图；
29.图5为本发明实施例中传感器布设主视图；
30.图6为本发明实施例中赤泥基胶凝材料路用环境评价模拟系统的俯视图；
31.图7为本发明实施例中雨水模拟系统示意图；
32.图8为本发明实施例中上层荷载模拟系统千斤顶分布示意图；
33.图9为本发明实施例中上层荷载模拟系统钢架示意图。
34.其中：
35.100观测区；101夹胶玻璃，102砖混楼梯，103混凝土加厚墙，104混凝土地基；
36.200钢架；201钢板底座，202工字钢立柱，203方钢框架，204工字钢横梁，205工字钢框架，206工字钢立柱；
37.300传感器系统；301底层传感器，302中层传感器，303上层传感器，304传感器数据线；
38.400填土；401素土，402实验土；
39.500隔离系统；501板纹钢板，502有防裂钢筋笼的混凝土层，503防裂砂浆层，504夹胶玻璃，505实验路面砖，506铁盖板；
40.600上层荷载模拟系统；610支承框架，611工字钢立柱，612钢板底座，613方钢框架结构，620微电子控制千斤顶；
41.700雨水模拟装置；701抗腐蚀管路，702抗腐蚀喷嘴，703半自动控制装置。
具体实施方式
42.应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
43.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
44.在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
45.本实施例公开了一种赤泥基胶凝材料路用环境评价模拟系统，模拟系统包括框架200，所述框架用于填充素土401和实验土402，填土纵向设有多层传感器系统300，所述多层传感器均连接至外部数据接收和存储设备。
46.所述框架下方全部为素土401，上方的中部为素土401，两侧为实验土402。
47.所述框架顶部设有封闭系统，所述封闭系统包括实验区封闭系统500和观察区封闭系统；所述观察区封闭系统设于靠近框架边缘的一侧，且部分为夹胶玻璃504，用于观察素土和实验土交界处。使得实验人员能够从水平方向上观察素土和实验土情况，以及实验土的污染渗透情况。
48.并且具体地，所述实验区封闭系统500从下到上依次包括板纹钢板501、带钢筋防裂笼的混凝土层502和防裂砂浆层503。
49.所述观察区封闭系统相应的框架侧面部分为夹胶玻璃504，使得实验人员能够从垂直方向上观察素土和实验土，以及实验土的污染渗透情况。
50.作为一种具体的实施方式，所述框架总体形状为长宽高分别为8.8m*8m*2.2m的长方体框架，框架内的填土包括素土401和实验土402两部分，实验土402填土共有两块，分别位于实验系统两条八米长边的上部，分别为1000*11800*80000mm和1000*8700*80000mm的长方体填土。其他部分以素土401进行填土。
51.填土的具体方法为：使用素土401进行第一层填土，填土深度500mm，压实后以1000mm为间距安装底层传感器301。传感器安装并走线完成后，使用素土401进行第二层填土，深度500mm，但在两侧距离两条8m边1000mm距离内填土深度为400mm，压实。在两条8m边留出的区域以实验土填土402，深度100mm，压实。以1000mm为间距安装中层传感器302。两侧继续以实验土402填土，其余部分以素土401填土，填土深度为500mm，布设上层传感器系统303。继续按此填土，深度为220mm。压实并整平。
52.所述框架中包括沿长边方向的6.8m的实验区域框架和2m的观察区域框架。所述2m的观察区域一侧，还包括1.2m的观察走廊。
53.所述实验区域框架由200*200mm的工字钢立柱202、300*300mm的钢板底座201和200*200mm的方钢框架结构203组成，方钢框架结构203与工字钢立柱202上部连接，工字钢
立柱202底部加装钢板底座201。
54.所述实验区域框架对应实验区域，所述实验区域顶部封闭系统从下到上依次为板纹钢板501、有防裂钢筋笼的混凝土层502和防裂砂浆层503。
55.所述观察区域框架由100*100mm的工字钢立柱206、100*100mm和100*100mm的工字钢框架205、工字钢横梁204组成。两个钢架并排放置，且一条短边在同一直线上。
56.所述观察区域对应观察区域框架的部分顶部密封系统为夹胶玻璃504，另一部分为实验路面砖505。实验路面砖505和夹胶玻璃504从上表面来看均为2000*4000mm的长方形，两块区域短边相邻。夹胶玻璃为八块1000*1000mm的由钢架包裹的钢化玻璃。
57.所述观察区域侧面设有三面有由100*100mm工字钢框架包围的尺寸为2000*1000mm的夹胶玻璃101，其他部分以混凝土加厚墙(102)隔开。
58.所述观察走廊底部设有混凝土基层104以及防渗水层，具体地，设有300-500mm厚混凝土地基104和四周混凝土防渗层。并且所述观察走廊上设有通向实验区域顶部实验路面砖区域的砖混楼梯102。观察走廊顶部以六块1000*1333mm的可拆装的铁盖板覆盖506。
59.所述填土中从下到上依次布设底层传感器系统301、中层传感器系统302、上层传感器系统组成303。每层传感器等距离均匀分布。三组传感器组成立体的传感器监测系统，全方位监测污染浸出情况。具体地，底层传感器301距实验系统底部500mm、中层传感器302距实验系统底部1000mm、上层传感器303距实验系统底部1500mm。每层传感器以边长为1000mm的正方形的四个交点排列，正方形边长平行或垂直于实验系统的各边。底层传感器系统由8*8＝64个传感器组成、中层和上层传感器系统分别由6*8＝48个传感器组成。所有传感器通过传感器数据线304与外部数据接收存储设备连接。
60.所述上层荷载模拟系统由支承框架610、和微电子控制千斤顶组620组成。支承框架由200*200mm的工字钢立柱611、900*900mm的钢板底座612和200*200mm的方钢框架结构613。微机控制千斤顶以边长为2000mm的正方形的四个交点排列，正方形边长平行或垂直于实验系统的各边，千斤顶下方设有900*900mm的钢板底座612。共设有十个微机控制千斤顶。每根框架梁两段与工字钢立柱611相接，立柱高为700mm且立柱支撑于地面，立柱下方加装900*900mm的钢板底座612，钢板每个底座用八枚高强化学螺栓与地面栓接。
61.所述的雨水模拟装置700由抗腐蚀管路701、抗腐蚀喷嘴702组成和半自动控制装置703组成。半自动控制装置内包含灌水器、水泵、电机、中央控制器、自动阀。抗腐蚀喷嘴以边长为500mm的正方形的四个交点排列，正方形边长平行或垂直于实验系统的各边，钢板底座612的上方不设管路和喷嘴。管路与喷嘴距地面400mm。
62.模拟实验系统建立完毕后，长期、有计划地进行模拟并收集污染扩散数据。
63.可以通过改变使用条件(温度、液体酸碱度、溶液浓度等)来大幅减少实验时间。
64.可以通过控制上层荷载模拟系统600来模拟各类动荷载、静荷载、循环荷载。通过雨水模拟装置700喷洒酸碱毒不同的模拟雨水，用以模拟使用环境中的酸碱雨水环境。按照实验需求设置上层荷载模拟系统的荷载上限、下限、循环次数和速度，设置雨水模拟装置的水量、持续时间、晴雨比例、雨水类型等。
65.该实验共进行十年：前两年每三个月采集一次数据，第三年开始到第六年每月采集一次数据，第七年到第十年每半个月采集一次数据。
66.上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范
围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

技术特征：
1.一种赤泥基胶凝材料路用环境评价模拟系统，其特征在于，包括框架，所述框架用于填充素土和实验土，填土纵向设有多层传感器系统，所述多层传感器均连接至外部数据接收和存储设备。2.如权利要求1所述的赤泥基胶凝材料路用环境评价模拟系统，其特征在于，所述框架下方全部为素土，上方的中部为素土，两侧为实验土。3.如权利要求1所述的赤泥基胶凝材料路用环境评价模拟系统，其特征在于，所述框架顶部设有封闭系统，所述封闭系统包括实验区封闭系统和观察区封闭系统；所述观察区封闭系统部分为夹胶玻璃。4.如权利要求3所述的赤泥基胶凝材料路用环境评价模拟系统，其特征在于，所述实验区封闭系统从下到上依次包括板纹钢板、带钢筋防裂笼的混凝土层和防裂砂浆层。5.如权利要求3所述的赤泥基胶凝材料路用环境评价模拟系统，其特征在于，所述观察区封闭系统设于靠近框架边缘的一侧，且框架侧面部分为夹胶玻璃。6.如权利要求5所述的赤泥基胶凝材料路用环境评价模拟系统，其特征在于，所述框架一侧还设有观察走廊，所述观察走廊上设有通往框架顶部封闭系统的楼梯。7.如权利要求1所述的赤泥基胶凝材料路用环境评价模拟系统，其特征在于，每层所述传感器均等距离均匀分布。8.如权利要求1所述的赤泥基胶凝材料路用环境评价模拟系统，其特征在于，所述模拟系统还包括上层荷载模拟系统，包括支承框架、和微电子控制千斤顶组。9.如权利要求1所述的赤泥基胶凝材料路用环境评价模拟系统，其特征在于，所述模拟系统还包括雨水模拟装置，包括抗腐蚀管路、抗腐蚀喷嘴和半自动控制装置，所述半自动控制装置内包含灌水器、水泵、电机、中央控制器和自动阀。10.一种基于如权利要求1-9任一项所述模拟系统的模拟方法，其特征在于，包括：设置上层荷载模拟系统的荷载上限、下限、循环次数和速度中的一项或多项，或设置雨水模拟装置的水量、持续时间、晴雨比例和雨水类型中的一项或多项，来模拟不同的环境；基于设定的间隔时间，采集传感器数据。

技术总结
本发明公开了一种赤泥基胶凝材料路用环境评价模拟系统及方法，所述系统包括框架，所述框架用于填充素土和实验土，填土纵向设有多层传感器系统，所述多层传感器均连接至外部数据接收和存储设备，本发明可以研究了解赤泥基胶凝路用材料的长期污染浸出状况，并且能够通过控制实验条件，缩短实验时间，为赤泥基路用材料的污染控制提供指导。材料的污染控制提供指导。材料的污染控制提供指导。


技术研发人员：周勇 李召峰 王川 郭涛 刘晓林 牛昊 王梦雅
受保护的技术使用者：山东大学
技术研发日：2022.02.15
技术公布日：2022/5/25