一種適用于高含水(冰)量凍土的人工單向凍結(jié)分層制樣裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種適用于高含水(冰)量凍土的人工單向凍結(jié)分層制樣裝置，該裝置由溫控系統(tǒng)、分層裝樣系統(tǒng)和保溫箱三部分構(gòu)成，其中溫控系統(tǒng)除了能夠提供冷能的冷浴及供冷液循環(huán)的管路外，還包括熱敏電阻溫度傳感器和溫度調(diào)控單元，分層裝樣系統(tǒng)由易導(dǎo)熱的鋁制底板、防粘濾紙、絕熱的環(huán)氧樹脂試樣筒、環(huán)氧樹脂頂蓋和制樣模具組成。利用溫控系統(tǒng)和保溫箱對分層裝樣系統(tǒng)的底板溫度進行調(diào)控，從制樣模具上端口進行分層裝樣，從而實現(xiàn)人工單向凍結(jié)分層制樣。通過該裝置可以保證在人工高含水(冰)量凍土試樣制備過程中冰的自然形成過程及試樣結(jié)構(gòu)的一致性，從而為高含水(冰)量凍土力學(xué)特性的試驗研究提供可靠的試樣基礎(chǔ)。
【專利說明】一種適用于高含水(冰)量凍土的人工單向凍結(jié)分層制樣裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】[0001]本發(fā)明涉及一種適用于高含水(冰)量凍土的人工單向凍結(jié)分層制樣裝置，主要用于凍土力學(xué)測試中高含水(冰)量(土、水混合物在融化條件下處于流塑狀態(tài))凍土試樣的人工制備使用。
[0002]【背景技術(shù)】
由于寒區(qū)經(jīng)濟的發(fā)展和工程實踐的指引，凍土學(xué)者在凍土力學(xué)性質(zhì)方面已進行了大量深入的研究，并從微細觀方面對其力學(xué)性質(zhì)變化機理進行了闡述，但這些工作主要集中于低含水(冰)量凍土，即凍土體中的總質(zhì)量含水量小于或等于飽和值。相比較，對于總含水量超過飽和值的高含水(冰)量凍土卻討論很少，而在實體工程的建設(shè)中(如青藏鐵路、青藏公路等)，有不少路段穿越了高含水(冰)量凍土區(qū)。人們在進行工程設(shè)計時發(fā)現(xiàn)，這些地區(qū)土體力學(xué)參數(shù)的選取即不能用低含水(冰)量凍土的研究成果，也不能用冰力學(xué)來解釋；如果溫度接近于水的相變區(qū)，其力學(xué)性質(zhì)就非常的不穩(wěn)定，極易在外界溫度和壓力變化的影響下發(fā)生實質(zhì)性的改變，所以高含水(冰)量凍土的力學(xué)性質(zhì)即不同于冰的，又有別于常規(guī)低含水(冰)量凍土的。隨著全球氣候的轉(zhuǎn)暖和高含水(冰)量凍土區(qū)基礎(chǔ)工程建設(shè)的增多，不論在待建工程的設(shè)計還是已運營工程的穩(wěn)定性評價中，都要考慮到高含水(冰)凍土的力學(xué)特性，那么高含水(冰)量凍土試樣的人工制備技術(shù)就成為關(guān)鍵。
[0003]基于已有的國、內(nèi)外研究，高含水(冰)量凍土的人工制備方法可歸納為三種:一、將壓碎冰(粒徑為0-16.0mm)和干土的均勻混合物以松散的狀態(tài)裝入模具，完成30分鐘左右的抽氣補水飽和后快速凍結(jié)；二、在低溫(-7.(TC左右)實驗室將壓碎冰(占總質(zhì)量含水量的85、0%，粒徑0-5.0mm)、干土和0°C液態(tài)水的均勻混合物按需求比例裝入模具，一次性壓制成標樣；三、將冰、水直接混合成的泥漿一次性倒入模具、搖勻，然后在-20.(TC以下進行24h以上的快速多向凍結(jié)。通過一、二兩種方式可以保證試樣具有較高的含水(冰)量，但是改變了冰在土體中的自然形成過程；而在第三種方式下，當試樣的總含水量較低時，在凍結(jié)過程中水分遷移不明顯，所得試樣內(nèi)部含水量分布比較均勻；但當含水量更大時，在快速多向凍結(jié)過程中，水分會向四周遷移，最終易造成試樣中的絕大多數(shù)含水量分布在試樣邊緣部位，尤其在試樣兩端冰、土分離比較嚴重。顯然，在高含水(冰)量凍土試樣的人工制備方面還存在諸多問題，因此，研發(fā)一種可模擬性強，且適用于常溫實驗室制備高含水(冰)量凍土試樣的人工制備裝置及方法，對于研究高含水(冰)量凍土的力學(xué)特性問題具有非常重要的意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]為了克服上述現(xiàn)有高含水(冰)量凍土的人工制備技術(shù)的缺點，本發(fā)明的目的在于提供一種適用于高含水(冰)量凍土的人工單向凍結(jié)分層制樣裝置。利用該裝置，能在常溫實驗室實現(xiàn)高含水(冰)量(土、水混合物在融化條件下處于流塑狀態(tài))凍土的人工制備。[0005]為了達到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實現(xiàn)的:
一種適用于高含水(冰)量凍土的人工單向凍結(jié)分層制樣裝置，主要由冷浴、冷卻液循環(huán)管路、方形冷卻盤管、鋁板、環(huán)氧樹脂試樣筒、試樣、制樣模具，保溫箱、熱敏電阻溫度傳感器和溫度調(diào)控單元組成。提供冷能的冷浴與冷卻液循環(huán)管路一端相連，冷卻液循環(huán)管路另一端與方形冷卻盤管相連，方形冷卻盤管固定在鋁板下表面的扣槽內(nèi)，熱敏電阻溫度傳感器等間距分布在鋁板下表面，鋁板上表面鋪設(shè)一層濾紙，環(huán)氧樹脂試樣筒置于濾紙上，通過螺母將鋁板和環(huán)氧樹脂試樣筒固定并位于保溫箱的中心，環(huán)氧樹脂試樣筒中置有制樣模具及與模具相箍的試樣，環(huán)氧樹脂試樣筒頂部有匹配的環(huán)氧樹脂頂蓋，溫度調(diào)控單元由溫控器和數(shù)顯式數(shù)據(jù)采集儀組成，其中溫控器與熱敏電阻溫度傳感器上的引線連接，數(shù)顯式數(shù)據(jù)采集儀與溫控器連接。
[0006]本發(fā)明的優(yōu)點:
本發(fā)明由溫控系統(tǒng)、分層裝樣系統(tǒng)和保溫箱三部分構(gòu)成，其中溫控系統(tǒng)包括冷浴、冷液循環(huán)管路、冷卻盤管、熱敏電阻溫度傳感器和溫度調(diào)控單元；分層裝樣系統(tǒng)包括鋁制底板、濾紙、環(huán)氧樹脂試樣筒、環(huán)氧樹脂頂蓋和制樣模具。溫控系統(tǒng)自動調(diào)節(jié)分層裝樣系統(tǒng)的底板溫度，保溫箱為分層裝樣系統(tǒng)提供穩(wěn)定的環(huán)境溫度。
[0007]本發(fā)明通過溫控系統(tǒng)和恒溫箱控制環(huán)氧樹脂試樣筒底部溫度，將呈流塑態(tài)的土、水均勻混合物由制樣模具上端口分次加入，然后通過調(diào)節(jié)環(huán)氧樹脂試樣筒底部溫度、每次加入土、水混合物的層厚及每加完一層后的恒溫時間，實現(xiàn)具有層狀或整體狀構(gòu)造的高含水(冰)量凍土試樣的人工制備，從而為高含水(冰)量凍土力學(xué)特性的試驗研究提供了試樣保證。
[0008]【專利附圖】

【附圖說明】
[0009]圖1是本發(fā)明立體示意圖。
[0010]圖2是圖1中環(huán)氧樹脂試樣筒與保溫箱剖面示意圖。
[0011]圖3是圖1中試樣與裝樣模具立體示意圖。
【具體實施方式】
[0012]本發(fā)明使用的熱敏電阻溫度傳感器，由熱敏電阻和針形的耐壓鋼套組成，其引線為兩線制；其性能在《冰川凍土》2011第33卷第4期“高精度熱敏電阻溫度傳感器的技術(shù)改進及使用特點”的研究文章中公開；其尺寸為:傳感器外徑3.0_，長度15.0_，引線長度
1.0?3.0m;其型號為:小型高精度熱敏電阻溫度傳感器，由蘭州中國科學(xué)院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所凍土工程國家重點實驗室生產(chǎn)。
[0013]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的技術(shù)方案再作進一步說明:
參見圖1-3，一種適用于高含水(冰)量凍土的人工單向凍結(jié)分層制樣裝置，主要由冷浴1、冷卻液循環(huán)管路2、方形冷卻盤管3、鋁板4、環(huán)氧樹脂試樣筒6、試樣8、制樣模具9，保溫箱10、熱敏電阻溫度傳感器11和溫度調(diào)控單元12組成。提供冷能的冷浴I與冷卻液循環(huán)管路2 —端相連，冷卻液循環(huán)管路2另一端與方形冷卻盤管3相連。冷卻液循環(huán)管路2為具有抗凍性能的塑膠管，其外部配備塑膠絕熱套管。方形冷卻盤管3的面積基本接近于鋁板4的下表面積，并被固定在鋁板4下表面的扣槽內(nèi)。方形冷卻盤管3為銅制品，其口徑為IOmm;鋁板4厚15_，面積與環(huán)氧樹脂試樣筒6的底面相當。4個熱敏電阻溫度傳感器11等間距分布在鋁板4下表面。鋁板4上表面鋪設(shè)一層濾紙5，環(huán)氧樹脂試樣筒6置于濾紙5上，通過4個螺母將鋁板4和環(huán)氧樹脂試樣筒6固定并放置于正方體保溫箱10的中心。環(huán)氧樹脂試樣筒6底部的方形冷卻盤管3和鋁板4用可塑性高的絕熱材料密封。保溫箱10內(nèi)部空間是環(huán)氧樹脂試樣筒6體積的2倍，其箱體由木板內(nèi)夾絕熱材料構(gòu)成，實現(xiàn)箱體內(nèi)的溫度不受環(huán)境溫度的影響。環(huán)氧樹脂試樣筒6中置有制樣模具9與制樣模具9相緊箍的試樣8，環(huán)氧樹脂試樣筒6頂部有匹配的環(huán)氧樹脂頂蓋7。環(huán)氧樹脂試樣筒6、環(huán)氧樹脂頂蓋7和制樣模具9選用具有一定抗變形能力和抗凍性能且絕熱的環(huán)氧樹脂材質(zhì)。制樣模具9呈對開兩瓣模，其內(nèi)徑為61.8mm,高度為160.0mm。
[0014]溫度調(diào)控單元12由溫控器和數(shù)顯式數(shù)據(jù)采集儀組成，其中溫控器與熱敏電阻溫度傳感器11上的引線連接，數(shù)顯式數(shù)據(jù)采集儀與溫控器連接。通過數(shù)顯式數(shù)據(jù)采集儀可直接觀察到環(huán)氧樹脂試樣筒底部溫度的實時變化。
[0015]制備高含水(冰)量凍土的人工試樣時，先在制樣模具9的內(nèi)外表面均勻地涂抹一層薄薄的凡士林，并將其插入環(huán)氧樹脂試樣筒6的空心圓柱中，然后分別蓋上環(huán)氧樹脂頂蓋7和保溫箱上蓋；開啟冷浴I和溫度調(diào)控單元12，并在溫控器上設(shè)定溫度為-20.(TC。根據(jù)設(shè)定的溫度，由溫控器將信號傳遞給熱敏電阻溫度傳感器11，再由熱敏電阻溫度傳感器11間接反饋給冷浴1，最終實現(xiàn)環(huán)氧樹脂試樣筒底板上的溫度控制。待環(huán)氧樹脂試樣筒6底端溫度達到設(shè)定值并穩(wěn)定2小時后，開啟環(huán)氧樹脂頂蓋7，并在每個制樣模具9內(nèi)分別注入30ml (TC的蒸餾水，待蒸餾水被完全凍結(jié)后，將配置好的溫度為0.2?0.5°C的土、水均勻混合物分等層(分層厚度隨流塑混合物在融化狀態(tài)時土、水質(zhì)量比的變化而變化，當土、水質(zhì)量比小于等于0.5時，層厚為20.0mm ;當土、水質(zhì)量比居于0.5?1.0之間時，層厚為30.0mm ;當土、水質(zhì)量比大于1.0時,層厚為40.0mm)逐步裝入制樣模具9內(nèi)，每裝完一層后，要進行適當?shù)膬鼋Y(jié)，在凍結(jié)過程中要伴隨適當?shù)臄嚢?，以防土顆粒劇烈下沉；當發(fā)現(xiàn)前一層土體上表面成粘稠狀時，繼續(xù)裝入后一層土、水均勻混合物，依次類推，直至模具9中試樣高度超過150.0mm為止；然后蓋上環(huán)氧樹脂頂蓋7,進行10小時以上的恒溫,待恒溫過程完成以后，關(guān)閉冷浴，斷開冷卻液循環(huán)管路2和方形冷卻盤管3的連接，將分層裝樣系統(tǒng)移出保溫箱10，并用千斤頂從環(huán)氧樹脂試樣筒底部一次性頂出制樣模具9和試樣8，脫掉試樣模具9將試樣8裝入限制側(cè)向變形的銅制模具，并放入-20.(TC的恒溫設(shè)施進行48小時以上的恒溫，完成恒溫后，對試樣脫銅制模具，并削掉試驗下端部的冰層，然后根據(jù)需要的尺寸切削試樣，將切削好的試樣放入恒溫箱，完成人工高含水(冰)量凍土試樣的制備。
【權(quán)利要求】
1.一種適用于高含水(冰)量凍土的人工單向凍結(jié)分層制樣裝置，主要由冷浴(I)、冷卻液循環(huán)管路(2)、方形冷卻盤管(3)、鋁板(4)、環(huán)氧樹脂試樣筒(6)、試樣(8)、制樣模具(9)，保溫箱(10)、熱敏電阻溫度傳感器(11)和溫度調(diào)控單元(12)組成，其特征在于:提供冷能的冷浴(I)與冷卻液循環(huán)管路(2) —端相連，冷卻液循環(huán)管路(2)另一端與方形冷卻盤管(3)相連，方形冷卻盤管(3)固定在鋁板(4)下表面的扣槽內(nèi)，熱敏電阻溫度傳感器(11)等間距分布在鋁板(4)下表面上，鋁板(4)上表面鋪設(shè)一層濾紙(5)，環(huán)氧樹脂試樣筒(6)置于濾紙(5)上，通過螺母將鋁板(4)和環(huán)氧樹脂試樣筒(6)固定并位于保溫箱(10)的中心，環(huán)氧樹脂試樣筒(6)中置有制樣模具(9)及與模具相箍的試樣(8)，環(huán)氧樹脂試樣筒(6)頂部有匹配的環(huán)氧樹脂頂蓋(7)，溫度調(diào)控單元(12)由溫控器和數(shù)顯式數(shù)據(jù)采集儀組成，其中溫控器與熱敏電阻溫度傳 感器(11)上的引線連接，數(shù)顯式數(shù)據(jù)采集儀與溫控器連接。
【文檔編號】G01N1/28GK103471884SQ201310367161
【公開日】2013年12月25日 申請日期:2013年8月21日 優(yōu)先權(quán)日:2013年8月21日
【發(fā)明者】馬巍, 張淑娟, 孫志忠, 杜玉霞, 杜海明 申請人:中國科學(xué)院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所