含水多孔介質(zhì)凍融特征的測試裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及一種試驗(yàn)測試裝置，具體是指含水多孔介質(zhì)凍融特征的測試裝置。利用本裝置可實(shí)現(xiàn)對試樣的整體控溫及快速凍融，能有效測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。
【背景技術(shù)】
[0002]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量工具和完整的試驗(yàn)系統(tǒng)。目前國外對凍融循環(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。國內(nèi)近年來也開始運(yùn)用新型測試工具對凍融過程中水分特征參數(shù)進(jìn)行嘗試性測試試驗(yàn)(見溫智，馬巍，薛珂，張明禮，俞祁浩.基于pFmeter基質(zhì)勢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。
[0003]因此，為了擺脫凍融過程中水分特征研宄對干濕過程水分特征的過分依賴性，實(shí)現(xiàn)對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)的直接有效測量，完善凍融特征參數(shù)的測試，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】

[0004]針對上述問題，為實(shí)現(xiàn)對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)的直接測量，本實(shí)用新型的目的旨在提供含水多孔介質(zhì)凍融特征的測試裝置，可以監(jiān)測含水多孔介質(zhì)在凍融過程中水熱特征參數(shù)的變化規(guī)律及趨勢，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。
[0005]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型采用以下技術(shù)方案:
[0006]一種含水多孔介質(zhì)凍融特征的測試裝置，是由模型外箱、外箱頂蓋、制冷盤管、冷浴液接□、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。
[0007]本實(shí)用新型的主要優(yōu)點(diǎn)和產(chǎn)生的有益效果是:
[0008]1、本實(shí)用新型通過整體控溫方式，結(jié)合現(xiàn)有傳感器技術(shù)，直接測量含水多孔介質(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、本實(shí)用新型采取內(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兩臺(tái)冷浴連通后進(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、煤油、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、本實(shí)用新型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)過程中測試參數(shù)的影響因子數(shù)目，簡化了數(shù)據(jù)分析過程，保證了試驗(yàn)結(jié)果的可控性。
[0011]4、本實(shí)用新型可適應(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、本實(shí)用新型還具有工作原理明確、測試全面、易于操作等優(yōu)點(diǎn)。
【附圖說明】
[0013]圖1是本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0014]土壤是最為典型的多孔介質(zhì)