本發(fā)明屬于巖土工程研究領(lǐng)域,尤其涉及一種納米硅凝膠連結(jié)砂顆粒

的可變膠結(jié)區(qū)成型裝置及成型方法。

背景技術(shù)：

巖土工程中對于松散砂土地基可以用納米硅溶膠溶液滲透加固。納米硅溶膠溶液中懸浮著納米顆粒，這些納米顆粒在溶液堿性降低的過程中先逐漸凝聚成鏈狀結(jié)構(gòu)進而形成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的凝膠，從而加固松散砂土地基，通過調(diào)整硅溶膠溶液的ph值，從硅溶膠轉(zhuǎn)變?yōu)楣枘z的時間可以從數(shù)秒到數(shù)月的時間內(nèi)變化。通過試驗測試納米硅凝膠連結(jié)砂顆粒的膠結(jié)強度有助于從細(xì)觀尺度上建立固化砂土的本構(gòu)模型，但是現(xiàn)實中砂顆粒間膠結(jié)區(qū)形狀是變化的，而現(xiàn)有裝置無法在砂顆粒間形成可變形狀的納米硅凝膠膠結(jié)區(qū)供試驗使用。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明為了克服現(xiàn)有裝置無法在砂顆粒間形成可變形狀的納米硅凝膠膠結(jié)區(qū)供試驗使用的問題，通過引入形狀記憶合金，本發(fā)明提供了一種納米硅凝膠連結(jié)砂顆粒的可變膠結(jié)區(qū)成型裝置及成型方法。

本發(fā)明的技術(shù)方案是：

一種納米硅凝膠連結(jié)砂顆粒的可變膠結(jié)區(qū)成型裝置，其特征是：其由膠結(jié)區(qū)成型裝置、膠結(jié)體積記錄裝置和恒溫箱組成，恒溫箱內(nèi)置納米硅溶膠溶液或水，其中：

膠結(jié)區(qū)成型裝置包括：

套筒，放置在恒溫箱內(nèi)，且浸沒在納米硅溶膠溶液或水中，套筒側(cè)壁開設(shè)有通孔；

橡皮膜，呈圓筒狀且長度大于套筒，如圖3所示橡皮膜插入套筒中且橡皮膜兩端翻邊后套在套筒兩端的外側(cè)；

形狀記憶合金絲，多根，按套筒長軸方向設(shè)置，其位于套筒內(nèi)壁與橡皮膜外壁之間，形狀記憶合金絲的長度接近套筒的長度，形狀記憶合金絲具有兩種形狀，變形溫度時呈兩端直線、中間為指定的鼓起彎曲形狀，室溫時呈兩端直線、中間折疊直線；

第一球形顆粒、第二球形顆粒，能夠嵌入橡皮膜內(nèi)壁，第一球形顆粒設(shè)置有穿過球心的圓孔，套筒的通孔位于第一球形顆粒、第二球形顆粒之間，當(dāng)形狀記憶合金絲在變形溫度下變形時能通過橡皮膜擠壓第一球形顆粒、第二球形顆粒；第一球形顆粒和第二球形顆粒的球形顆粒直徑小于套筒內(nèi)徑與形狀記憶合金直徑之差，同時，球形顆粒直徑大于套筒內(nèi)徑與橡皮膜厚度之差；

膠結(jié)體積記錄裝置包括：

壓力隔離容器，其用隔離橡膠膜隔離成第一腔室和第二腔室，第一腔室通過管路經(jīng)橡皮膜連通第一球形顆粒的圓孔；

壓力控制器，與第二腔室連通。

作為優(yōu)選，所述形狀記憶合金絲由cu-zn-al制成。

作為優(yōu)選，所述形狀記憶合金絲的變形溫度為65℃至85℃。

作為優(yōu)選，所述形狀記憶合金絲的根數(shù)大于或等于36。

作為優(yōu)選，所述第一球形顆粒和第二球形顆粒直徑為1mm，材料為二氧化硅。

一種納米硅凝膠連結(jié)砂顆粒的可變膠結(jié)區(qū)成型裝置的成型方法，包括所述的納米硅凝膠連結(jié)砂顆粒的可變膠結(jié)區(qū)成型裝置，其特征是，成型方法按如下步驟：

步驟1：在室溫下，將形狀記憶合金絲兩端粘貼在套筒內(nèi)壁，然后如圖3所示將橡皮膜插入套筒中，這時，橡皮膜兩端均伸出套筒兩端，同時，圓筒形橡皮膜蓋住形狀記憶合金絲，然后如圖3所示將橡皮膜在套筒兩端的超出部分翻邊套在套筒兩端外側(cè)，這時，形狀記憶合金絲中間部分形狀為折疊直線；

步驟2：恒溫箱中放置納米硅溶膠溶液，恒溫箱中調(diào)節(jié)溫度為室溫，然后將套筒放入恒溫箱中；

步驟3：將第一球形顆粒和第二球形顆粒在納米硅溶膠溶液中塞入套筒，同時兩球形顆粒間留有空隙，第一球形顆粒中通過球心的圓孔方向與套筒長軸方向保持一致，套筒側(cè)壁的圓孔位于兩顆粒之間；

步驟4：將壓力隔離容器的第一腔室注滿納米硅溶膠溶液并且與第一球形顆粒中的圓孔連接，第二腔室注滿水且與壓力控制器連接，并使壓力控制器保持當(dāng)前壓力不變；

步驟5：將恒溫箱中的納米硅溶膠溶液換為水，同時恒溫箱的溫度上升至變形溫度，促使形狀記憶合金絲的中部鼓起為指定形狀同時擠壓橡皮膜，這時套筒外的液體隨套筒側(cè)壁的圓孔進入套筒和橡皮膜之間的區(qū)域，同時壓力控制器保持當(dāng)前壓力不變，通過壓力隔離容器吸取兩個球形顆粒之間的納米硅溶膠溶液、并記錄吸入納米硅溶膠液體的體積，在上述過程中兩個球形顆粒的膠結(jié)區(qū)在橡皮膜擠壓下逐漸變?yōu)橹付ㄐ螤睿?/p>

步驟6：待第一球形顆粒和第二球形顆粒間的納米硅溶膠溶液轉(zhuǎn)變?yōu)榧{米硅凝膠后，將恒溫箱溫度降為室溫，這時形狀記憶合金絲中中間鼓起部分重新變?yōu)樨Q向線條并緊貼在套筒內(nèi)壁，然后將兩個球形顆粒推出套筒，從而獲得指定膠結(jié)區(qū)形狀的兩個連接顆粒。

作為優(yōu)選，所述步驟2中納米硅溶膠溶液用醋酸將ph值調(diào)節(jié)至5至6之間。

本發(fā)明的有益效果：本發(fā)明克服現(xiàn)有裝置無法在砂顆粒間形成可變形狀的納米硅凝膠膠結(jié)區(qū)供試驗使用的問題，通過引入形狀記憶合金，提供了一種可人為設(shè)定顆粒膠結(jié)區(qū)形狀的成型裝置及成型方法。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的整體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明套管內(nèi)安裝形狀記憶合金絲和橡皮膜后的剖面示意圖；

圖3為本發(fā)明套管內(nèi)安裝形狀記憶合金絲和橡皮膜后的外部示意圖；

圖4為本發(fā)明套管內(nèi)安裝形狀記憶合金絲、橡皮膜后和球形顆粒后的示意圖；

圖5為本發(fā)明室溫時中部折疊為線條的形狀記憶合金絲示意圖；

圖6為本發(fā)明變形溫度時中部鼓起為各種指定形狀的形狀記憶合金絲示意圖；

圖7為本發(fā)明套筒中顆粒間膠結(jié)區(qū)形狀示意圖；

圖8為本發(fā)明的顆粒間膠結(jié)區(qū)形狀示意圖；

圖中1.壓力控制器，2.壓力隔離容器，3.套筒，4.橡皮膜，5.套筒側(cè)邊的通孔，6.第一球形顆粒，7.第二球形顆粒，8.膠結(jié)區(qū)，9.恒溫箱，10.第一腔室，11.第二腔室，12.隔離橡膠膜，13.第一球形顆粒過球心的圓孔，14.形狀記憶合金絲，15.納米硅溶膠溶液。

具體實施方式

為了使本發(fā)明實現(xiàn)的技術(shù)手段、創(chuàng)新特征、達(dá)成目的與功效易于明白了解，下面結(jié)合具體圖示，進一步闡述本發(fā)明。

如圖所示，一種納米硅凝膠連結(jié)砂顆粒的可變膠結(jié)區(qū)成型裝置，其由膠結(jié)區(qū)成型裝置、膠結(jié)體積記錄裝置和恒溫箱9組成，恒溫箱9內(nèi)置納米硅溶膠溶液15或水，其中：

膠結(jié)區(qū)成型裝置包括：

套筒3，放置在恒溫箱9內(nèi)，且浸沒在納米硅溶膠溶液15或水中，套筒3側(cè)壁開設(shè)有通孔5；

橡皮膜4，呈圓筒狀且長度大于套筒3，如圖3所示橡皮膜4插入套筒3中且橡皮膜4兩端翻邊后套在套筒3兩端的外側(cè)；

形狀記憶合金絲14，多根，按套筒3長軸方向設(shè)置，其位于套筒3內(nèi)壁與橡皮膜4外壁之間，形狀記憶合金絲14的長度接近套筒3的長度，形狀記憶合金絲14具有兩種形狀，變形溫度時呈兩端直線、中間為指定的鼓起彎曲形狀，如圖6所示，鼓起彎曲形狀可以有多種，圖中給出三種：圖6(a)、圖6(b)和圖6(c),室溫時呈兩端直線、中間折疊直線，如圖5所示；

第一球形顆粒6、第二球形顆粒7，能夠嵌入橡皮膜4內(nèi)壁，第一球形顆粒6設(shè)置有穿過球心的圓孔13，套筒3的通孔5位于第一球形顆粒6、第二球形顆粒7之間，當(dāng)形狀記憶合金絲14在變形溫度下變形時能通過橡皮膜4擠壓第一球形顆粒6、第二球形顆粒7；第一球形顆粒6和第二球形顆粒7的球形顆粒直徑小于套筒3內(nèi)徑與形狀記憶合金14直徑之差，同時，球形顆粒直徑大于套筒3內(nèi)徑與橡皮膜4厚度之差；

膠結(jié)體積記錄裝置包括：

壓力隔離容器2，其用隔離橡膠膜隔離成第一腔室和第二腔室，第一腔室通過管路經(jīng)橡皮膜4連通第一球形顆粒6的圓孔；

壓力控制器，與第二腔室連通。

形狀記憶合金絲由cu-zn-al制成。

形狀記憶合金絲14的變形溫度為65℃至85℃。

形狀記憶合金絲14的根數(shù)大于或等于36。

第一球形顆粒6和第二球形顆粒7直徑為1mm，材料為二氧化硅。

一種納米硅凝膠連結(jié)砂顆粒的可變膠結(jié)區(qū)成型裝置的成型方法，包括納米硅凝膠連結(jié)砂顆粒的可變膠結(jié)區(qū)成型裝置，其特征是，成型方法按如下步驟：

步驟1：在室溫下，將形狀記憶合金絲14兩端粘貼在套筒3內(nèi)壁，然后將橡皮膜4插入套筒3中，這時，橡皮膜4兩端均伸出套筒3兩端，同時，圓筒形橡皮膜4蓋住形狀記憶合金絲14，然后將橡皮膜4在套筒3兩端的超出部分翻邊套在套筒3兩端外側(cè)，這時，形狀記憶合金絲14中間部分形狀為折疊直線；

步驟2：恒溫箱9中放置納米硅溶膠溶液15，恒溫箱9中調(diào)節(jié)溫度為室溫，然后將套筒3放入恒溫箱9中；

步驟3：將第一球形顆粒6和第二球形顆粒7在納米硅溶膠溶液15中塞入套筒3，同時兩球形顆粒間留有空隙，第一球形顆粒6中通過球心的圓孔13方向與套筒3長軸方向保持一致，套筒3側(cè)壁的圓孔13位于兩顆粒之間；

步驟4：將壓力隔離容器2的第一腔室10注滿納米硅溶膠溶液15并且與第一球形顆粒6中的圓孔13連接，第二腔室11注滿水且與壓力控制器連接，并使壓力控制器保持當(dāng)前壓力不變；

步驟5：將恒溫箱9中的納米硅溶膠溶液15換為水，同時恒溫箱9的溫度上升至變形溫度，促使形狀記憶合金絲14的中部鼓起為指定形狀同時擠壓橡皮膜4，這時套筒3外的液體隨套筒3側(cè)壁的圓孔13進入套筒3和橡皮膜4之間的區(qū)域，同時壓力控制器保持當(dāng)前壓力不變，通過壓力隔離容器2吸取兩個球形顆粒之間的納米硅溶膠溶液15、并記錄吸入納米硅溶膠液體15的體積，在上述過程中兩個球形顆粒的膠結(jié)區(qū)8在橡皮膜4擠壓下逐漸變?yōu)橹付ㄐ螤?；?dāng)選取圖6(a)的變形溫度形狀記憶合金絲14時獲得的膠結(jié)區(qū)8形狀如圖7(a)所示，當(dāng)選取圖6(b)的變形溫度形狀記憶合金絲14時獲得的膠結(jié)區(qū)8形狀如圖7(b)所示,當(dāng)選取圖6(c)的變形溫度形狀記憶合金絲14時獲得的膠結(jié)區(qū)8形狀如圖7(c)所示；

步驟6：待第一球形顆粒6和第二球形顆粒間7的納米硅溶膠溶液15轉(zhuǎn)變?yōu)榧{米硅凝膠后，將恒溫箱9溫度降為室溫，這時形狀記憶合金絲14中中間鼓起部分重新變?yōu)樨Q向線條并緊貼在套筒3內(nèi)壁，然后將兩個球形顆粒推出套筒3，從而獲得指定膠結(jié)區(qū)形狀的兩個連接顆粒。當(dāng)選取圖6(a)變形溫度形狀記憶合金絲14時獲得的膠結(jié)區(qū)8形狀如圖8(a)所示，當(dāng)選取圖6(b)所示變形溫度形狀記憶合金絲14時獲得的膠結(jié)區(qū)8形狀如圖8(b)所示,當(dāng)選取圖6(c)所示變形溫度形狀記憶合金絲14時獲得的膠結(jié)區(qū)8形狀如圖8(c)所示。

步驟2中納米硅溶膠溶液15用醋酸將ph值調(diào)節(jié)至5至6之間。

以上所述，僅為本發(fā)明中的具體實施方式，但本發(fā)明的保護范圍不局限于如圖6所示的三種形狀記憶合金絲形狀，將圖6中所示的形狀記憶合金絲替換為其他形狀，都應(yīng)該涵蓋在本發(fā)明的包含范圍內(nèi)。