隧道排水系統堵塞結晶體的xrd衍射圖譜及結晶生長試驗研究

0隧道排水管堵塞物組成隧道排水系統是隧道的必要結構。只有在運營期間，管道才能始終順暢，以確保隧道支護結構的設計水平。但是,隨著處于灰巖及巖溶等地區隧道的增多,排水管被鈣化結晶物堵塞的問題日益突出,如貴州盤興高速大山隧道、重慶軌道環線區間隧道等,在修建及運營過程中均出現了嚴重的排水管堵塞。排水系統堵塞將造成隧道圍巖中地下水位升高、支護結構受力增大,導致襯砌開裂、滲漏水乃至塌方。隧道排水管堵塞物主要是一種白色晶體,其本質是地層中的碳酸鹽、鈣鹽與水和空氣相互作用形成碳酸鈣晶體并在管內附著生長。文獻隧道排水管結晶受到離子質量濃度、流速、pH值和溫度等多種因素影響目前隧道排水系統結晶堵塞方面的研究極少,但實際問題又非常突出,本文在已有研究基礎上,基于排水管堵塞嚴重的隧道地下水pH值和水質分析結果,結合堵塞結晶體的XRD衍射圖譜,進一步確定排水管堵塞物成分。另外,通過在實驗室配制不同pH值堿性飽和溶液,進行試驗管2種充水狀態下56d周期的結晶生長試驗,通過分析結晶體的質量增加、XRD衍射圖譜和SEM電鏡掃描圖規律,從宏觀、微觀相結合的角度揭示不同pH值及充水狀態下隧道排水管結晶生長規律,以期為后期防治結晶堵塞提供理論基礎。1排水管堵塞晶體結構分析在西南地區部分堵塞嚴重的隧道(貴州水塘隧道、重慶軌道北—渝區間隧道和成渝高速中梁山隧道)提取現場地下水后,由重慶川東南地質礦產檢測中心進行水質分析可知,以上3座隧道地下水中Ca選取成渝高速中梁山隧道的排水管結晶物作為試樣,在實驗室進行XRD光譜分析,即將X光束以入射角θ進入晶體后獲得部分光束的衍射圖譜,將試驗結果表示在以偏轉角2θ為橫坐標和以任意單位的相對強度為縱坐標的XRD衍射圖譜,如圖2所示。為說明圖2中隧道排水管堵塞晶體的XRD衍射圖譜與方解石型碳酸鈣標準衍射圖譜具有良好的一致性,圖中采用菱形符號標示;因式(1)—(4)中其他晶體物質量少,且存在圖像重疊,故在圖中未作標示。結合水質分析結果可知,上述隧道排水管堵塞結晶體主要是方解石型碳酸鈣。表1示出3座排水管堵塞嚴重的隧道地下水pH值均在11以上,結合邢曉凱等2試驗設備和模擬試驗考慮4種堿性環境(pH值分別為8、9、10、11)、2種充水狀態(滿充水和半充水),共進行8組試驗。將試驗溶液放在60cm×40cm×30cm(長×寬×高)的透明箱體中,模擬地下水在隧道排水系統中的流動(見圖3)。控制排水管的滿充水和半充水狀態(見圖4),模擬地下水的流速和流量等因素。2.1ph值的測定對于pH值為8的溶液,采用塑料箱作為試驗箱;考慮到pH值為9～11的溶液水具有腐蝕性,采用玻璃缸作為試驗箱。為了配置不同pH值的試驗溶液,首先在試驗箱內注入4.5L去離子水,加入1kg的CaCl式中:m為需加NaOH質量,g;x取6、5、4、3;V為溶液體積,取4.5L;M為NaOH的相對分子量,為40。常溫下,水的離子積常數K(W)=C(H溶液pH值接近設定值時,用藥勺攝取0.1gNaOH粉末投入溶液,攪拌,測定pH值,重復此操作直至溶液達到設定pH值。但是,溶液配置完成后,隨著時間的推移,空氣中CO2.2試驗裝置及管設置排水管結晶試驗采用和實際工程隧道排水管材料相同的PVC管作試驗管,直徑為30mm。在圖3所示試驗裝置中,為摒除重力對結晶的影響,將試驗管布置在水平方向,與彎接頭和連接管形成一個完整的排水系統。試驗過程中每隔7d拆卸試驗管稱重,獲得結晶體的質量增長規律。為防止稱重拆卸試驗管時擾動管內結晶體,將試驗管內接于彎接頭,可確保試驗結果的精確。試驗借助揚程為2m的水泵,實現溶液從下部通過水泵進入排水管系統;另外,通過調節U-PVC球閥將試驗管設置成半充水和滿充水狀態(見圖4),模擬隧道排水管的實際充水狀態。在每種pH值溶液的試驗箱內放置2套試驗裝置(見圖3),可保證溶液環境完全一致,僅分析充水狀態的影響。本試驗的具體步驟如下:1)將PVC管、U-PVC球閥、接頭(彎接頭、直接頭)等在試驗箱中用去離子水洗凈,除去試驗裝置組件內的雜質,室溫靜置24h晾干。2)組裝完成圖3所示的試驗裝置,在試驗箱內加入4.5L去離子水,啟動水泵使試驗系統預運行24h后關閉水泵,靜置2h待試驗管內無水滴流出,輕輕卸下試驗管并稱其濕重記m3)按前述方法配制不同pH值的溶液,啟動水泵使飽和溶液在試驗系統中循環,每隔7d關閉水泵,按步驟2中方法對試驗管進行稱重m4)稱重結束后,輕輕將試驗管接回,并重啟系統。試驗共運行56d,獲得試驗管在不同時期的9個m5)試驗結束后,用烘箱在45℃環境下烘干試驗管,用截取器在試驗管上截取1cm×1cm的矩形樣品,并對樣品中央未擾動位置進行SEM電鏡掃描后收集少量晶體粉末樣品進行XRD光譜分析。2.3ph值對半充回收水結晶量的影響本試驗不同pH值下排水管設有半充水和滿充水2種狀態,且出水口流速均分別為0.49m/s和0.64m/s。試驗管稱重質量減去原始管重得到的結晶量生長變化規律如圖5所示。由圖5可知:無論半充水還是滿充水狀態,試驗管結晶量均隨著pH值增大而增加。當pH值為11時,第56d半充水和滿充水管結晶量分別達27.74g和40.18g,是pH值為8時相應條件下結晶量的4.32倍和6.67倍,符合文獻當pH值較低時,在試驗周期內結晶量近似線性增加;隨著pH值增大,結晶量會出現陡增段,且pH值越高陡增時間點越早。這是因為經過一段時間晶體生長后,管內壁摩阻增大利于晶體附著,結晶量會出現遞增或陡增;加之pH值較高溶液中晶核較多,管壁附著效率提高,于是將陡增時間點提前。另外,結晶體的附著生長還受到pH值和充水狀態的耦合影響,即在本試驗中隨著pH值的增大,充水狀態對結晶的影響逐漸變化。具體就是,當pH值為8、9、10時,大多數半充水管結晶量大于滿充水,且pH值為9、10時,在第49d后出現了半充水管結晶量陡增,說明充水狀態對結晶的影響較大;但當pH值為11時,滿充水管結晶量和趨勢明顯高于半充水,說明充水狀態對結晶的主要影響逐漸被pH值替代。為進一步比較不同充水狀態在不同pH值環境下的結晶情況,定義充水影響系數式中m不同pH值下充水影響系數變化如圖6所示。由圖6可知,排水管內結晶體的附著生長受到pH值和充水狀態的耦合影響。當pH值為8時,充水影響系數均大于0,且Δ呈先增大后降低趨于平緩;pH值為9、10時,Δ先加速增大后急速降低,出現了Δ<0的情況,最后又增大;當pH值為11時,前21dΔ在0附近上下浮動,之后加速降低,最終趨于平緩。上述圖表趨勢說明:pH值較低時,半充水對結晶影響較大;隨著pH值增大,溶液內晶核增多,即在試驗前期出現了半充水管結晶劇增,但隨著試驗進行,因管內壁結晶積累,摩阻增大利于晶體附著,滿充水管中溶液與管壁全斷面接觸,附著結晶效率提高,逐漸出現滿充水管結晶量大于半充水管;當pH值較大時,充水狀態對結晶的主要影響逐漸被高pH值替代。綜上所述,半充水伴隨的低流速利于結晶,滿充水伴隨高流速不利于結晶,但溶液與管內壁全斷面接觸利于結晶,高pH值溶液中晶核較多也利于結晶;但在不同試驗工況和試驗階段,上述各因素對結晶的影響比重不同,呈變化趨勢,即試驗管結晶受到pH值和充水狀態的耦合影響。為分析不同pH值溶液中各試驗管內結晶物的成分,4種pH值環境下試驗管內結晶物的XRD衍射光譜分析結果如圖7所示。由圖7可知:所有結晶物的衍射角規律近乎一致,均與方解石型碳酸鈣的標準衍射圖譜具有良好的一致性。由此可判斷各堿性環境下的試驗管結晶物成分主要為方解石型碳酸鈣,與實際工程中隧道排水管的結晶物礦物成分相同。為進一步確定晶體形態,對各試驗管結晶物進行SEM電鏡掃描,放大5000倍的電鏡圖如圖8所示。溶液pH值不同,其結晶體的堆積方式、晶型、晶體尺寸方面均呈現出一定的特點。當pH值為8時,晶粒堆積類似“蜂窩”狀,內部孔隙較多,晶型以不規則立方體為主,大塊體晶粒較少,以微末晶粒為主,最大和最小晶粒尺寸相差較大;當pH值為9時,晶體呈現“花瓣”狀,除立方體晶型外出現了球形晶粒,晶粒尺寸相差不大;當pH值為10時,晶粒堆積較有序、緊密,以方形和球形晶型為主,晶粒尺寸相差不大;當pH值為11時,晶體堆積最為緊密,主要呈紡錘形晶型,晶粒尺寸最小且均勻。即隨著pH值增大,晶體表面逐漸呈現緊密、光滑趨勢,也能說明圖5中pH值較低的試驗管結晶效率仍有增大的趨勢,pH值較高的試驗管結晶效率接近平衡。以上不同環境下晶粒呈現的晶型均與方解石晶型以立方形、球形、紡錘形及菱形為主的晶型特點吻合。3不同ph值對結晶物結晶效率的影響本文通過在實驗室進行4種堿性環境(PH值分別為8、9、10、11)、2種充水狀態(滿充水和半充水)條件下的8組排水管結晶規律試驗。根據試驗結果,可以得出以下結論:1)不同pH值環境下排水管結晶物的成分相同,且與隧道現場排水管結晶物主要成分相同,均為方解石型碳酸鈣。2)無論半充水狀態還是滿充水狀態,溶液pH值越大,試驗管內附著結晶效率越高。3)當pH值為8時,半充水管結晶量高于滿充水管,結晶量受充水狀態影響較大;當pH值為9和10時,pH值對結晶的影響逐漸增大;當pH值為11時,滿充水管結晶量逐漸大于半充水管,結晶量受pH值的影響較大。4)4種堿性環境下的結