含水多孔介质冻融特征的测试装置的制造方法
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及一种试验测试装置，具体是指含水多孔介质冻融特征的测试装置。利用本装置可实现对试样的整体控温及快速冻融，能有效测量试样在冻融过程中的水热特征要素，如温度、体积未冻水含量和基质吸力等的变化测试，是研宄含水多孔介质的冻融水热变化特征及冻融水分特征曲线的有效装置。
【背景技术】
[0002]含水多孔介质在冻融循环过程中水热特征参数的变化是造成其产生冻胀和融沉的关键因素，水热特征参数的获取需要有效的测量工具和完整的试验系统。目前国外对冻融循环过程中水分特征曲线的研宄普遍采取的是与非饱和多孔介质干湿循环类比的办法，认为含水多孔介质的冻结和融化过程与脱湿和吸湿过程有一定的类同性，只是脱湿和吸湿过程中土孔隙中的气体被冻融过程中固态冰部分或全部代替(参见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)，这样一来省去了冻融特征参数的直接测量，将非饱和多孔介质力学中已经成熟的水分特征理论直接用于冻融过程中的水分特征的研宄。国内近年来也开始运用新型测试工具对冻融过程中水分特征参数进行尝试性测试试验(见温智，马巍，薛珂，张明礼，俞祁浩.基于pFmeter基质势传感器的冻土水分迀移研宄[J].土壤通报，2014，45(2): 370-375)。从总体来说，冻融循环与干湿循环的类同性是经过了试验验证而毋庸置疑的，但是两者之间的区别也是显而易见的，含水多孔介质的冻结和融化不仅涉及水分的相变问题，而且往往伴随着水分和溶质运移过程，这样出现的水分重分布及不均匀将导致基质吸力在不同位置有很大差异，吸湿和脱湿中并不存在这一现象，当然还有干湿循环过程中滞后效应产生的机理与冻融过程中滞后效应机理存在较大区别，比如冻融过程中除“墨水瓶”等效应外，水的过冷现象也会导致冻结和融化曲线的不一致。这就充分说明单靠与干湿循环过程的类比方法研宄多孔介质冻融过程中水分特征是远远不够的。
[0003]因此，为了摆脱冻融过程中水分特征研宄对干湿过程水分特征的过分依赖性，实现对冻融过程水热特征参数(温度、体积未冻水含量、基质吸力)的直接有效测量，完善冻融特征参数的测试，设计一整套能实现获取含水多孔介质冻融水分特征的试验装置是非常有必要的，对冻土区农业生产和工程建设的科研和实践工作具有重要的推动作用。
【发明内容】
[0004]针对上述问题，为实现对冻融过程水热特征参数(温度、体积未冻水含量、基质吸力等)的直接测量，本实用新型的目的旨在提供含水多孔介质冻融特征的测试装置，可以监测含水多孔介质在冻融过程中水热特征参数的变化规律及趋势，并能够通过试验数据获取冻融过程中的水分特征曲线。
[0005]为实现上述目的，本实用新型采用以下技术方案:
[0006]一种含水多孔介质冻融特征的测试装置，是由模型外箱、外箱顶盖、制冷盘管、冷浴液接□、传感器引线孔、外箱底座、模型内箱、内箱底座、内箱顶盖、密封环、引线管、紧固螺栓、导液管、1#冷浴、2#冷浴、冷浴液、充填液、温度传感器、水分传感器、水势传感器、数据采集仪及电子计算机组成。模型外箱和外箱顶盖经扣件封闭后通过外箱底座与地面隔开形成一个相对独立的空间环境。模型外箱侧壁由两层钢板中间夹保温材料的形式构成。模型内箱置于模型外箱内，模型内箱与模型外箱之间，制冷盘管以盘绕的方式置于模型外箱内侧壁及底部，外侧壁分别设有第一冷浴液进口、第二冷浴液进口、第一冷浴液出口和第二冷浴液出口，由第一冷浴液进口、导液管、制冷盘管、1#冷浴和第一冷浴液出口进行冷浴液循环，同样，由第二冷浴液进口、导液管、制冷盘管、2#冷浴和第二冷浴液出口进行冷浴液循环；模型内箱座落在模型外箱内底部的内箱底座上，模型内箱装有试样，在试样中分别放置温度传感器、水分传感器和水势传感器，模型外箱和模型内箱之间灌注充填液，模型内箱通过内箱顶盖和密封环进行密封，再由紧固螺栓紧固，传感器引线通过设置在内箱顶盖上的引线管引至模型内箱外，再通过设置在外箱顶盖的传感器引线孔引出模型外箱，与数据采集仪相连，数据采集仪通过导线与电子计算机相连。
[0007]本实用新型的主要优点和产生的有益效果是:
[0008]1、本实用新型通过整体控温方式，结合现有传感器技术，直接测量含水多孔介质在冻融过程中的水热特征要素(温度、体积未冻水含量和基质吸力等)，进而通过实验数据直接绘制水分特征曲线。从而避免了通过类比干湿过程土水特征曲线而间接获取冻融过程土水特征曲线产生的不必要的误差，为直接获取冻融过程含水多孔介质土水特征曲线找到了新的方法突破口。
[0009]2、本实用新型采取内外模型箱双层体系，利用外模型箱保温，通过外模型箱内侧壁及底部设置的制冷盘管和外部两台冷浴连通后进行控温和整体升温或降温，内外模型箱夹层中的充填液可为酒精、煤油、乙二醇等低凝固点液体以提高控温精度及保证恒温效果，使得整个冻融试验系统具有工作稳定，控温精度高，整体升降温速度快的特点。
[0010]3、本实用新型采取的是整体式升降温的控温方式，不设温度梯度，有效控制了试验过程中测试参数的影响因子数目，简化了数据分析过程，保证了试验结果的可控性。
[0011]4、本实用新型可适应多种含水多孔介质在冻融过程中的水热特征测试试验，可根据不同的试验要求选取传感器类型和个数，适用范围广、可开发程度高。
[0012]5、本实用新型还具有工作原理明确、测试全面、易于操作等优点。
【附图说明】
[0013]图1是本实用新型的结构示意图。
【具体实施方式】
[0014]土壤是最为典型的多孔介质