一种测量土体颗粒表面水膜密度和比重的装置的制作方法

1.本发明涉及岩土工程试验仪器，具体涉及一种土体颗粒表面水膜密度和比重的测量装置。


背景技术：

2.黏土矿物成分由于存在同晶置换作用、离子吸附作用、晶格破键作用等使颗粒表面具有带电性，黏土颗粒细小，阳离子交换量和比表面积大，因此黏土颗粒具有较强的水敏性，黏土颗粒表面会吸附水膜子。土-水-电解质系统的相互作用下，颗粒表面水膜密度和性质会影响土体的物理化学性质，不同的水膜密度情况下呈现出固态/半固态、可塑性/流动状态，土体会表现出复杂的物理力学特性。黏土颗粒表面水膜密度和性质与环境温度、土体矿物成分和形态、孔隙液介质等因素有关。目前缺少对应的可以测量不同温度条件下不同矿物成分土体颗粒表面水膜密度的装置。因此，本领域需要一种土体颗粒表面水膜密度的测量装置。
3.另一方面，现有的比重瓶法测量土体颗粒比重时，操作麻烦，误差大，在塞紧瓶塞使液体从瓶塞孔溢出时会存在较大误差，特别是煤油溢出后瓶身的清理等会比较麻烦且容易因残留而影响测量的准确性；且测量不同温度下比重瓶质量时是将比重瓶拿出恒温水浴槽的，其测量并不够精确，而且砂浴温度较高危险系数较大。因此，本领域也需要一种新的土体颗粒比重测量装置。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于克服现有技术存在的缺点和不足，提供一种土体颗粒表面水膜密度和比重的测量装置，适用于所有土壤，尤其是膨胀土等黏土颗粒。
5.本发明提供一种测量土体颗粒表面水膜密度和比重的装置，所述装置包括上端设置有密封盖的真空饱和缸(5)、设置在真空饱和缸(5)内的电子天平(2)、依次设置在电子天平(2)上方的磁力搅拌器(9)和顶部开口的温度控制箱(7)、设置在温度控制箱(7)内的细颈玻璃容量瓶(4)、温度控制器(8)以及导热用的苯甲基硅油，所述装置还包括照相机(1)和计算机数据采集系统(11)；所述细颈玻璃容量瓶(4)包括含细颈和刻度的上部分和与液体补充管(6)连通的下部分，上部分和下部分间能分离且能使用密封垫圈进行密封连接，所述细颈玻璃容量瓶(4)的细颈和刻度处向上伸出所述温度控制箱(7)和真空饱和缸(5)的顶部以外且由所述照相机(1)实时拍摄液位并将数据传递至所述计算机数据采集系统(11)进行分析和计算。
6.在一种具体的实施方式中，所述温度控制器(8)中包括电热管，所述装置还包括设置在温度控制箱(7)内的苯甲基硅油中的温度传感器(3)，优选所述温度传感器的测量精度为0.01℃。
7.在一种具体的实施方式中，所述装置还包括与真空饱和缸(5)的密封盖上的阀门连接且用于对真空饱和缸(5)抽真空的真空泵(10)。
8.在一种具体的实施方式中，所述细颈玻璃容量瓶(4)的上部分和/或下部分上还固定设置有塑料锁扣，用于将上部分和下部分之间锁合固定；优选所述塑料锁扣粘接固定在所述细颈玻璃容量瓶(4)的上部分和/或下部分上。
9.在一种具体的实施方式中，所述电子天平(2)、温度控制器(8)和温度传感器(3)均与计算机数据采集系统(11)电连接，所述温度控制器(8)用于对所述苯甲基硅油进行动态控温，所述温度传感器(3)用于精确测量所述苯甲基硅油的实时温度。
10.在一种具体的实施方式中，所述细颈玻璃容量瓶(4)中还匹配设置有磁子，所述细颈玻璃容量瓶(4)在设计刻度时已经考虑去除所述磁子的体积。
11.在一种具体的实施方式中，所述液体补充管(6)的顶部高度高于所述细颈玻璃容量瓶(4)的细颈处的底部高度，且低于所述细颈玻璃容量瓶(4)的细颈处的顶部高度。
12.本发明中，因细颈玻璃容量瓶(4)的细颈处尺寸足够小，因而并不能直接从细颈处向瓶中注入液体，本发明使用注射器将液体从液体补充管(6)的顶部压注进入瓶中，还能避免液体在细颈处挂壁而影响液体的体积读数。
13.在一种具体的实施方式中，所述细颈玻璃容量瓶(4)的下部分呈球形。
14.本发明提供一种测量土体颗粒表面水膜密度和比重的一体化智能装置，利用高精度电子天平和相机准确测量被测试样的质量和体积，并能提供一个准确的温度可控的测试环境，为测量土体颗粒表面水膜密度和比重提供一条新的途径，为解决岩土工程问题提供可靠的依据，更能保证试验结果的准确性与实用性。装置具有操作简单，经济实惠，智能性高，准确度高等特点。
附图说明
15.图1为本发明中用于测量土体颗粒表面水膜密度和比重的装置的结构示意图。
16.图中：1-照相机；2-电子天平；3-温度传感器；4-细颈玻璃容量瓶；5-真空饱和缸；6-液体补充管；7-温度控制箱；8-温度控制器；9-磁力搅拌器；10-真空泵；11-计算机数据采集系统。
具体实施方式
17.为提供一种土体颗粒表面水膜密度和比重的测量装置，本发明的基本思路是：土体颗粒放入到玻璃容量瓶中，加入水或者中性液体煤油，通过油浴和/或抽真空排除土体颗粒内的残余气体，并通过磁力搅拌促进土壤和液体混合均匀，最后通过电子天平和照相机分别确定玻璃容量瓶内的土-液混合物的质量和体积，最终确定土体颗粒表面水膜密度和比重。
18.同时在以下三个方面作了独创性设计：
19.1.本装置采用苯甲基有机硅油(kf-54)作为导热油，苯甲基有机硅油具有耐热、耐氧化、耐低温等特性，通过温度控制系统可以调节系统的温度范围为室温到300℃，进行油浴避免砂浴的不均匀受热和高温危险性；与此同时本装置还可以进行抽真空。可以测量不同温度下的土体颗粒表面水膜密度和比重，温度精确在0.01℃。
20.2.计算机数据采集系统，可以自动读取细颈玻璃瓶上的读数，准确测量容量瓶内的体积，精确至0.001ml；另一方面可以自动读取容量瓶的质量大小。确定体积和质量后，通
过编辑的计算程序自动输出土体颗粒的比重或者颗粒表面水膜密度。
21.3.试验装置含有磁力搅拌器，可以加速土体颗粒和液体混合，并加速排除残余气体。
22.4.细颈玻璃容量瓶是上下分离式的，将上半部分拆开可以方便快捷的将土体颗粒放入容量瓶中，细颈部分最小刻度是0.001ml，可以精确的测量容量瓶的体积；上下两部分紧密扣合后，可以通过液体补充管增加液体使得容量瓶的容量至刻度处，既能简单快捷的补充液体，又可以避免从颈部加入后液体挂壁影响测试的准确性。
23.本发明的目的是这样实现的：
24.本装置的细颈玻璃容量瓶4中放置被测对象，即土样；
25.本装置包括磁力搅拌温控测量系统，抽真空体积测量系统和图像采集系统；
26.所述的磁力搅拌温控测量系统包括磁力搅拌器9，温度控制器8，温度控制箱7，温度传感器3，电子天平2；
27.所述的抽真空体积测量系统包括真空泵10和真空饱和缸5以及细颈玻璃容量瓶4，细颈玻璃容量瓶包括可分离的上下部分：含有刻度的细颈的上部分，以及含有液体补充管6的圆形下部分，总容量为150ml，细颈部分最小刻度是0.001ml；
28.所述的图像采集系统，包括照相机1和计算机数据采集系统11。
29.砂土和粉土类土体颗粒表面的颗粒-水-电解质体系的相互作用一般较弱，所以可以采用蒸馏水测量其比重；而粉质黏土和黏土类土体颗粒表面的颗粒-水-电解质体系的相互作用一般较强，测量其比重采用中性液体煤油，而所有土体的颗粒表面水膜密度均用煤油进行测量。主要的方法和过程如下：
30.(1)砂土和粉土类土体的比重测量
31.将细颈玻璃容量瓶上下部分分开，在下半部分中放入30g烘干土样，然后将上半部分和下半部分扣紧；通过注射器从液体补充管6把测量液体注入到容量瓶中然后关闭补充管开关，砂土和粉土类选用蒸馏水，液体的体积稍微超过容量瓶上下部分的连接处。将容量瓶放入到含有苯甲基有机硅油(kf-54)导热油的温度控制箱7中并固定，打开磁力搅拌器9，使土体颗粒和测量液体快速混合；打开温度调节传感器8，把导热油的温度升高到超过被测量液体的沸点50℃以上，使玻璃容量瓶内的被测量液体沸腾，并煮沸1h以上，打开温度传感器3测量温度控制箱7内的导热油的温度，温度传感器的测量精度精确在0.01℃；降低温度控制箱温度，待容量瓶冷却温度稳定，且悬液上部澄清后，再次从液体补充管6向玻璃容量瓶中注入液体，使液体容量达到细颈上的可测量范围，然后通过相机1读取细颈上的刻度。前期已通过电子天平2测量温度控制箱7和磁力搅拌器9的质量，且细颈玻璃容量瓶4的空瓶和磁子质量已知，通过电子天平2测量出细颈玻璃容量瓶的荷载质量，最后由计算机数据采集系统11处理得到土体的比重。
32.(2)粉质黏土和黏土类的比重和全部种类的土壤的水膜密度的测量
33.将细颈玻璃容量瓶上下部分分开，在下半部分中放入30g土样，通过注射器从液体补充管6把测量液体注入到容量瓶中然后关闭补充管开关，粉质黏土和黏土类选用煤油，液体的体积在容量瓶上下部分的连接处以下。将容量瓶放入含有苯甲基有机硅油(kf-54)导热油的温度控制箱7中并固定，导热油的水位线在容量瓶连接处以下；打开磁力搅拌器9使液体和土体混合均匀，盖上真空饱和缸5上盖，关紧上盖左边的放气开关，打开连接真空泵
10的上盖右边的开关，抽真空1h以上，使混合液中不再含有残留气体。抽气完毕后关闭真空泵，打开真空饱和缸5上盖，将容量瓶上半部分和下半部分连接扣紧，再从液体补充管6向玻璃容量瓶中注入液体，使液体容量达到细颈上的可测量范围处。若想测量不同温度条件下的水膜密度，则打开温度控制器8，设定到额定的测量温度，通过导热油将煤油加热至测量温度。前期已通过电子天平2测量温度控制箱7和磁力搅拌器9的质量，且细颈玻璃容量瓶4的空瓶质量已知，通过电子天平2测量出玻璃容量瓶的荷载质量，最后由计算机数据采集系统11处理得到烘干土体的比重或者含有水膜条件下的土体颗粒表面的水膜密度。
34.因此，本发明中所述苯甲基有机硅油(kf-54)导热油一方面可以通过对其加热和磁力搅拌结合对液体及其中的土壤排气，另一方面可以通过设置为具体的温度而测量不同温度下的烘干土体的比重或者含有水膜条件下的土体颗粒表面的水膜密度。本发明可以仅使用苯甲基有机硅油(kf-54)导热油而不使用抽真空将液体加热至其沸点以上50℃而对液体和土壤排气，但因煤油的沸点高于水的沸点，因而使用导热油加热煤油至其沸点以上50℃的过程较为缓慢，因而一般使用抽真空代替该方式对土壤和液体进行排气，或者再结合抽真空的方式对土壤和液体进行排气。而当所述液体为水时，一般仅使用苯甲基有机硅油(kf-54)导热油而不使用抽真空将水加热至其沸点以上50℃而对水和土壤排气，因为该操作方式更为简单便捷。此外，在仅使用苯甲基有机硅油(kf-54)导热油而不使用抽真空对煤油进行排气时，一般选用沸点较低的煤油产品，例如沸点为110～150℃之间的煤油。
35.具体的计算方法如下：
36.(1)烘干土体的比重计算方法
37.测量土体比重时，采用蒸馏水作为测量液体时，土体颗粒的比重计算方法如公式(1)，当采用煤油时作为测量液体时，土体颗粒的比重计算方法如公式(2)，煤油的比重计算方法为在不加土体的情况下，如公式(3)所示，具体的不同土样的比重测试结果如表1所示。
38.本发明中，因蒸馏水材质一致且确定，所以温度t时自由水的密度可以查阅得知；查阅得知温度为25℃时水的密度为0.9970g/cm3。而煤油材质不一，因而温度t时煤油的比重g
kt
需要实际测量，且具体以如下公式(3)进行测量，在公式(3)中因测量煤油的比重时未加土体，因而公式(3)中v为测量得到的液体煤油的体积。在测量表1中温度t时烘干土体的比重g
st
之前，先测得温度为25℃时所用煤油的比重g
kt
为0.7857。
[0039][0040][0041][0042]
式中，g
st
——温度t时烘干土体的比重，m——瓶、液体、土体的总质量，精度为0.001g；md——烘干土体的质量，精度为0.001g；mb——空瓶的质量，精度为0.001g；v——测量得到液体和土体的体积；ρ
wt
——温度t时自由水的密度；g
kt
——温度t时煤油的比重。
[0043]
表1不同土样的比重测量结果
[0044][0045]
(2)含有水分的土体颗粒表面水分子密度(水膜密度)测量方法
[0046]
测量土体颗粒表面水分子密度，只采用煤油作为测量液体，颗粒表面水分子的密度计算如公式(4)所示:
[0047][0048][0049]
式中，ρ
wbt
——温度t时土体颗粒表面水膜密度；ρ
wt
——温度t时自由水的密度；md——土体的烘干质量,精度为0.001g；w——土样含水率；δv——同等质量下的水膜和自由水体积差；v——测量得到的土体和煤油的总体积；m——测量得到的土体和煤油、玻璃瓶的总质量，精度为0.001g；mb——空瓶的质量，精度为0.001g；g
kt
——温度t时煤油的容重；g
st
——土的比重。
[0050]
表2不同含水率下土体颗粒表面水膜密度测量结果
[0051][0052][0053]
选取黏土1进行其25℃时的不同含水率下水膜密度试验，由表1知道其干土比重为g
st
＝2.74，表2中使用的煤油25℃时的比重g
kt
＝0.7857，水的密度为ρ
wt
＝0.997，具体的水膜密度测量结果如表2所示。表2中土样含水率已知。
[0054]
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演和替换，都应当视为属于本发明的保护范围。