一種測(cè)試含水多孔介質(zhì)在凍融過程中水熱變化特征的裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種試驗(yàn)測(cè)試裝置，具體是指一種測(cè)試含水多孔介質(zhì)在凍融過程中水熱變化特征的裝置。利用本裝置可實(shí)現(xiàn)對(duì)試樣的整體控溫及快速凍融，能有效測(cè)量試樣在凍融過程中的水熱特征要素，如溫度、體積未凍水含量和基質(zhì)吸力等的變化測(cè)試，是研宄含水多孔介質(zhì)的凍融水熱變化特征及凍融水分特征曲線的有效裝置。
[0002]
【背景技術(shù)】
[0003]凍融試驗(yàn)在材料抗凍性檢測(cè)、凍土區(qū)工程結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)凍脹預(yù)測(cè)、新藥品包裝和運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域有著非常廣泛的應(yīng)用背景?？紤]到現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地觀測(cè)周期長(zhǎng)、不確定性因素多、成本高等特點(diǎn)，室內(nèi)凍融試驗(yàn)成為了研宄樣本凍融過程及特點(diǎn)的主要手段。包括土壤在內(nèi)的多孔介質(zhì)當(dāng)其孔隙中有液態(tài)水存在時(shí)就會(huì)在降溫凍結(jié)過程產(chǎn)生凍脹現(xiàn)象，而在升溫融化過程中又會(huì)出現(xiàn)融沉現(xiàn)象，這都會(huì)給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和工程結(jié)構(gòu)帶來嚴(yán)重的災(zāi)害，加之我國(guó)的凍土面積非常廣泛，陳博和李建平在2008年發(fā)表于《大氣科學(xué)》第32卷第3期的《近50年來中國(guó)季節(jié)性凍土與短時(shí)凍土的時(shí)空變化特征》一文中指出“在我國(guó)，凍土也有廣泛的分布，季節(jié)性凍土和多年凍土影響的面積約占中國(guó)陸地總面積的70%，如果算上短時(shí)凍土其面積則要占到90%左右，其中多年凍土約占22.3%，凍土對(duì)我國(guó)人民生活和經(jīng)濟(jì)建設(shè)有著舉足輕重的影響?！币虼碎_展包括土壤在內(nèi)的含水多孔介質(zhì)的凍融試驗(yàn)研宄工作是十分必要的，揭示多孔介質(zhì)在凍融過程中的水熱變化規(guī)律及機(jī)理，無論是對(duì)凍土區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)還是工程建設(shè)都會(huì)起到有益的指導(dǎo)性作用。
[0004]含水多孔介質(zhì)在凍融循環(huán)過程中水熱特征參數(shù)的變化是造成其產(chǎn)生凍脹和融沉的關(guān)鍵因素，水熱特征參數(shù)的獲取需要有效的測(cè)量工具和完整的試驗(yàn)系統(tǒng)。目前國(guó)外對(duì)凍融循環(huán)過程中水分特征曲線的研宄普遍采取的是與非飽和多孔介質(zhì)干濕循環(huán)類比的辦法，認(rèn)為含水多孔介質(zhì)的凍結(jié)和融化過程與脫濕和吸濕過程有一定的類同性，只是脫濕和吸濕過程中土孔隙中的氣體被凍融過程中固態(tài)冰部分或全部代替(參見Tezera F.Azmatch，David C.Sego ， Lukas U.Arenson ， Kevin W.Biggar.Using soil freezingcharacteristic curve to estimate the hydraulic conductivity funct1n ofpartially frozen soils[J].Cold Reg1ns Science and Technology, 2012，83 - 84，103 - 109)，這樣一來省去了凍融特征參數(shù)的直接測(cè)量，將非飽和多孔介質(zhì)力學(xué)中已經(jīng)成熟的水分特征理論直接用于凍融過程中的水分特征的研宄。國(guó)內(nèi)近年來也開始運(yùn)用新型測(cè)試工具對(duì)凍融過程中水分特征參數(shù)進(jìn)行嘗試性測(cè)試試驗(yàn)(參見溫智，馬巍，薛珂，張明禮，俞祁浩.基于pFmeter基質(zhì)勢(shì)傳感器的凍土水分迀移研宄[J].土壤通報(bào)，2014，45(2): 370-375)。從總體來說，凍融循環(huán)與干濕循環(huán)的類同性是經(jīng)過了試驗(yàn)驗(yàn)證而毋庸置疑的，但是兩者之間的區(qū)別也是顯而易見的，含水多孔介質(zhì)的凍結(jié)和融化不僅涉及水分的相變問題，而且往往伴隨著水分和溶質(zhì)運(yùn)移過程，這樣出現(xiàn)的水分重分布及不均勻?qū)?dǎo)致基質(zhì)吸力在不同位置有很大差異，吸濕和脫濕中并不存在這一現(xiàn)象，當(dāng)然還有干濕循環(huán)過程中滯后效應(yīng)產(chǎn)生的機(jī)理與凍融過程中滯后效應(yīng)機(jī)理存在較大區(qū)別，比如凍融過程中除“墨水瓶”等效應(yīng)外，水的過冷現(xiàn)象也會(huì)導(dǎo)致凍結(jié)和融化曲線的不一致。這就充分說明單靠與干濕循環(huán)過程的類比方法研宄多孔介質(zhì)凍融過程中水分特征是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。
[0005]因此，為了擺脫凍融過程中水分特征研宄對(duì)干濕過程水分特征的過分依賴性，實(shí)現(xiàn)對(duì)凍融過程水熱特征參數(shù)(溫度、體積未凍水含量、基質(zhì)吸力)的直接有效測(cè)量，完善凍融特征參數(shù)的測(cè)試，設(shè)計(jì)一整套能實(shí)現(xiàn)獲取含水多孔介質(zhì)凍融水分特征的試驗(yàn)裝置是非常有必要的，對(duì)凍土區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和工程建設(shè)的科研和實(shí)踐工作具有重要的推動(dòng)作用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]針對(duì)上述問題，為實(shí)現(xiàn)對(duì)凍融過程水熱特征參數(shù)(溫度、體積未凍水含量、基質(zhì)吸力等)的直接測(cè)量，本發(fā)明的目的旨在提供一種測(cè)試含水多孔介質(zhì)在凍融過程中水熱變化特征的裝置，可以監(jiān)測(cè)含水多孔介質(zhì)在凍融過程中水熱特征參數(shù)的變化規(guī)律及趨勢(shì)，并能夠通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)獲取凍融過程中的水分特征曲線。
[0007]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案:
一種測(cè)試含水多孔介質(zhì)在凍融過程中水熱變化特征的裝置，是由模型外箱、外箱頂蓋、制冷盤管、冷浴液接口、傳感器引線孔、外箱底座、模型內(nèi)箱、內(nèi)箱底座、內(nèi)箱頂蓋、密封環(huán)、引線管、緊固螺栓、導(dǎo)液管、1#冷浴、2#冷浴、冷浴液、充填液、溫度傳感器、水分傳感器、水勢(shì)傳感器、數(shù)據(jù)采集儀及電子計(jì)算機(jī)組成。模型外箱和外箱頂蓋經(jīng)扣件封閉后通過外箱底座與地面隔開形成一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的空間環(huán)境。模型外箱側(cè)壁由兩層鋼板中間夾保溫材料的形式構(gòu)成，模型內(nèi)箱置于模型外箱內(nèi)，模型內(nèi)箱與模型外箱之間，制冷盤管以盤繞的方式置于模型外箱內(nèi)側(cè)壁及底部，外側(cè)壁分別設(shè)有第一冷浴液進(jìn)口、第二冷浴液進(jìn)口、第一冷浴液出口和第二冷浴液出口，由第一冷浴液進(jìn)口、導(dǎo)液管、制冷盤管、1#冷浴和第一冷浴液出口進(jìn)行冷浴液循環(huán)，同樣，由第二冷浴液進(jìn)口、導(dǎo)液管、制冷盤管、2#冷浴和第二冷浴液出口進(jìn)行冷浴液循環(huán)；模型內(nèi)箱座落在模型外箱內(nèi)底部的內(nèi)箱底座上，模型內(nèi)箱裝有試樣，在試樣中分別放置溫度傳感器、水分傳感器和水勢(shì)傳感器，模型外箱和模型內(nèi)箱之間灌注充填液，模型內(nèi)箱通過內(nèi)箱頂蓋和密封環(huán)進(jìn)行密封，再由緊固螺栓緊固，傳感器引線通過設(shè)置在內(nèi)箱頂蓋上的引線管引至模型內(nèi)箱外，再通過設(shè)置在外箱頂蓋的傳感器引線孔引出模型外箱，與數(shù)據(jù)采集儀相連，數(shù)據(jù)采集儀通過導(dǎo)線與電子計(jì)算機(jī)相連。
[0008]本發(fā)明的主要優(yōu)點(diǎn)和產(chǎn)生的有益效果是:
1、本發(fā)明通過整體控溫方式，結(jié)合現(xiàn)有傳感器技術(shù)，直接測(cè)量含水多孔介質(zhì)在凍融過程中的水熱特征要素(溫度、體積未凍水含量和基質(zhì)吸力等)，進(jìn)而通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)直接繪制水分特征曲線。從而避免了通過類比干濕過程土水特征曲線而間接獲取凍融過程土水特征曲線產(chǎn)生的不必要的誤差，為直接獲取凍融過程含水多孔介質(zhì)土水特征曲線找到了新的方法突破口。
[0009]2、本發(fā)明采取內(nèi)外模型箱雙層體系，利用外模型箱保溫，通過外模型箱內(nèi)側(cè)壁及底部設(shè)置的制冷盤管和外部連的通兩臺(tái)冷浴進(jìn)行控溫和整體升溫或降溫，內(nèi)外模型箱夾層中的充填液可為酒精、或煤油、或乙二醇等低凝固點(diǎn)液體以提高控溫精度及保證恒溫效果，使得整個(gè)凍融試驗(yàn)系統(tǒng)具有工作穩(wěn)定，控溫精度高，整體升降溫速度快的特點(diǎn)。
[0010]3、本發(fā)明采取的是整體式升降溫的控溫方式，不設(shè)溫度梯度，有效控制了試驗(yàn)過程中測(cè)試參數(shù)的影響因子數(shù)目，簡(jiǎn)化了數(shù)據(jù)分析過程，保證了試驗(yàn)結(jié)果的可控性。
[0011]4、本發(fā)明可適應(yīng)多種含水多孔介質(zhì)在凍融過程中的水熱特征測(cè)試試驗(yàn)，可根據(jù)不同的試驗(yàn)要求選取傳感器類型和個(gè)數(shù)，適用范圍廣、可開發(fā)程度高。
[0012]5、本發(fā)明還具有工作原理明確、測(cè)試全面、易于操作等優(yōu)點(diǎn)。
[0013]
【附圖說明】
[0014]圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0015]圖2是本發(fā)明實(shí)測(cè)土樣的分階段控溫曲線。
[0016]圖3是本發(fā)明實(shí)測(cè)土樣體積未凍水含量與溫度關(guān)系曲線。
[0017]圖4是本發(fā)明實(shí)測(cè)土樣基質(zhì)吸力與體積未凍水含量關(guān)系曲線。
【具體實(shí)施方式】
[0018]下面結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明再做進(jìn)一步的說明:
如圖1所示，一種測(cè)試含水多孔介質(zhì)在凍融過程中水熱變化特征的裝置，是由模型外箱1、外箱頂蓋2、制冷盤管3、冷浴液接口 4、傳感器引線孔5、外箱底座6、模型內(nèi)箱7、內(nèi)箱底座8、內(nèi)箱頂蓋9、密封環(huán)10、引線管11、緊固螺栓12、導(dǎo)液管13、1#冷浴14、2#冷浴15、冷浴液16、充填液17、溫度傳感器18、水分傳感器19、水勢(shì)傳感器20、數(shù)據(jù)采集儀21及電子計(jì)算機(jī)22組成。模型內(nèi)箱7和模型外箱I可為長(zhǎng)方體或圓柱體。長(zhǎng)方體各邊長(zhǎng)和圓柱體直徑和高不小于0.60 m，模型內(nèi)箱7內(nèi)部各邊長(zhǎng)和圓柱體直徑和高為0.15 m?0.45 m，模型外箱I和模型內(nèi)箱7的壁厚介于2mm?5mm之間。模型外箱I和外箱頂蓋2經(jīng)扣件封閉后通過外箱底座6與地面隔開形成一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的空間環(huán)境，模型外箱I側(cè)壁由兩層鋼板中間夾PVC保溫材料。模型內(nèi)箱7置于模型外箱I內(nèi)，模型內(nèi)箱7與模型外箱I之間，制冷盤管3以盤繞的方式置于模型