一種透明土孔隙液體配置方法及裝置設(shè)計(jì)

孫濱陽(yáng)， 張建偉， 王穩(wěn)

（浙江海洋大學(xué) 港航與交通運(yùn)輸工程學(xué)院，浙江 舟山316022）

0 引 言

巖土工程實(shí)驗(yàn)是研究巖土力學(xué)及其性質(zhì)的重要方法，經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)得到的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，為研究巖土力學(xué)性質(zhì)奠定了實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。透明土是一種可靠性強(qiáng)、性價(jià)比高的非導(dǎo)入呈像材料，因其具有可觀測(cè)土體內(nèi)部變形、位移的特點(diǎn)，而廣泛應(yīng)用于巖土力學(xué)實(shí)驗(yàn)中。透明土由折射率相同的固體顆粒和孔隙液體混合而成，其中，固液需透明、無(wú)色、無(wú)毒、無(wú)害，且要求固、液兩相之間互不反應(yīng)。目前孔隙液體配制技術(shù)分為有機(jī)溶液、無(wú)機(jī)溶液和有機(jī)無(wú)機(jī)溶液混合配制等3種方式。通過現(xiàn)有方法配置而成的孔隙液體大部分僅能滿足透明土制備中折射率的需要，而不能進(jìn)一步模擬天然土壤液體成分的物理屬性。為了滿足折射率的需要，配置過程中需實(shí)驗(yàn)人員不斷調(diào)整各個(gè)試劑的用量，過程較為繁瑣[1-4]。為解決以上問題，本文主要從無(wú)機(jī)溶液配置孔隙液體的方法進(jìn)行探究，提出了一種透明土孔隙液體配置方法及裝置設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)在孔隙液體折射率滿足要求的情況下，使孔隙液體的黏度系數(shù)更加接近于天然土壤液體成分黏度系數(shù)值，以使透明土最大程度地模擬天然土壤的物理性質(zhì)，同時(shí)也可有效降低人工配置孔隙液體的工作量。

1 孔隙液體配置方法

透明土由固體顆粒和孔隙液體組成，它們分別模擬天然土壤中的固體和液體成分。當(dāng)固體顆粒和孔隙液體的折射率一致時(shí)，可達(dá)到透明的效果；當(dāng)孔隙液體黏度系數(shù)滿足要求，可使透明土進(jìn)一步的模擬天然土壤液體成分的物理屬性?？紫兑后w的折射率、黏度系數(shù)均與溶液質(zhì)量比有關(guān)，在孔隙液體的配置過程中，隨著溶液質(zhì)量比的增加，溶液折射率、黏度系數(shù)也逐漸增加，當(dāng)一種溶質(zhì)達(dá)到飽和時(shí)，加入另一與之不反應(yīng)的溶質(zhì)，混合溶液折射率、黏度系數(shù)可再次升高。在孔隙液體配置的過程中，可分別使用2WAJ型阿貝折射儀、1840芬氏黏度計(jì)，對(duì)溶液進(jìn)行折射率和黏度系數(shù)的測(cè)量[5-7]。本文所配置的孔隙液體為兩種無(wú)機(jī)溶液混合所得，根據(jù)現(xiàn)有資料分析，選用的母溶質(zhì)為磷酸鉀，子溶質(zhì)包括苯甲酸鈉、六偏磷酸鈉、乙酸氨、硫酸氫氨、磷酸二氫鈉、磷酸二氫氨。

孔隙液體配置方法為：1）選取一種母溶質(zhì)分為多組置于燒杯內(nèi)，設(shè)置的藥劑添加量呈梯度變化。2）水作為溶劑，定量加入燒杯內(nèi)，形成多組母溶液，其溶質(zhì)濃度呈梯度變化。分別取少量母溶液，使用折射儀測(cè)量其折射率。3）若存在一組母溶液的折射率略低于孔隙液體所需值，則選取該組母溶液進(jìn)行孔隙液體的配制；若不存在母溶液的折射率略低于孔隙液體所需值，則改變母溶質(zhì)用量，重復(fù)步驟1）～2），直至獲得一組母溶液的折射率略低于孔隙液體所需值。4）選取一種子溶質(zhì)分為多組置于燒杯內(nèi)，設(shè)置的藥劑添加量呈梯度變化。將步驟3獲得的母溶液加入燒杯，形成多組混合溶液。使用折射儀測(cè)量混合溶液折射率。5）若存在一組混合溶液折射率達(dá)到孔隙液體所需值，則使用黏度計(jì)測(cè)量其黏度系數(shù)；若不存在混合溶液折射率達(dá)到孔隙液體所需值，則改變子溶質(zhì)添加量，重復(fù)步驟4），直至獲得一組混合溶液折射率達(dá)到孔隙液體所需值。6）在母溶質(zhì)及子溶質(zhì)不變情況下，多次重復(fù)步驟1）～步驟5），其中，每次重復(fù)實(shí)驗(yàn)均需使母溶液折射率逐次降低0.001。當(dāng)混合溶液折射率不能達(dá)到孔隙液體所需值時(shí)，配制停止。7）改變母溶質(zhì)和子溶質(zhì)的種類，使用上述方法，可獲得多組同一折射率的不同黏度系數(shù)的孔隙液體。8）根據(jù)所模擬天然土壤液體成分的黏度系數(shù)參數(shù)，從上述獲得的配制方案中選取最優(yōu)解。原理及簡(jiǎn)要流程如圖1、圖2所示。

圖1 方法原理圖

圖2 方法簡(jiǎn)要流程圖

2 孔隙液體配置裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 配置盤設(shè)計(jì)

孔隙液體配制裝置的配置盤主要由底座、轉(zhuǎn)盤和主次配液器組成，圓筒形的主次配液容器設(shè)于轉(zhuǎn)盤上，并與定位器連接。主配液容器上分別設(shè)置有第一漏斗和母溶質(zhì)漏斗，第一漏斗和母溶質(zhì)漏斗上分別設(shè)置有第一節(jié)水閥和母溶質(zhì)截止閥；環(huán)繞主配液容器設(shè)置有5個(gè)次配液容器，每個(gè)次配液容器均通過一連接管與主配液容器相連，并且每個(gè)連接管上均設(shè)有能夠啟閉連接管的截止開關(guān)；每個(gè)次配液容器中均設(shè)置有子溶質(zhì)漏斗，子溶質(zhì)漏斗上設(shè)置有子溶質(zhì)截止閥；轉(zhuǎn)盤上脫卸式設(shè)置有1個(gè)第一檢測(cè)皿和5個(gè)第二檢測(cè)皿，第一檢測(cè)皿和第二檢測(cè)皿分別通過連接管與主次配液器連接；主次配液容器上設(shè)有第一、二凹間，凹間內(nèi)設(shè)有可拆卸的第一、二蓋板，漏斗均設(shè)于蓋板上。裝置如圖3、圖4所示。孔隙液體的配置中，將一定量的母溶質(zhì)和水分別放置于母溶質(zhì)漏斗和第一漏斗中，分別啟閉母溶質(zhì)截止閥和第一節(jié)水閥，使母溶質(zhì)和水排進(jìn)主配液容器內(nèi)，從而形成母溶液。再啟閉截止開關(guān)，使主配液容器中的母溶液分別通過連接管排進(jìn)每個(gè)次配液容器中。此時(shí)將一定量的子溶質(zhì)放置于子溶質(zhì)漏斗，啟閉子溶質(zhì)截止閥，在次配液器中獲得混合溶液?；旌先芤航?jīng)連接管流入檢測(cè)皿，可測(cè)量其折射率和黏度系數(shù)。

圖3 裝置主視圖

2.2 轉(zhuǎn)盤及定位器設(shè)計(jì)

圖4 裝置俯視圖

孔隙液體配置裝置的底座上開設(shè)有圓形的凹部，凹部的底部上同軸設(shè)置且轉(zhuǎn)動(dòng)連接有驅(qū)動(dòng)軸；驅(qū)動(dòng)軸上端同軸固設(shè)有圓形的轉(zhuǎn)盤；凹部底部上還設(shè)有電動(dòng)機(jī)，電動(dòng)機(jī)輸出軸經(jīng)一傳動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)軸正反轉(zhuǎn)動(dòng)。傳動(dòng)機(jī)構(gòu)主要包括偏轉(zhuǎn)盤和齒條，偏轉(zhuǎn)盤同軸固設(shè)在電動(dòng)機(jī)的輸出軸上；驅(qū)動(dòng)軸上同軸固設(shè)有齒輪，齒輪上固設(shè)有限位架；限位架上滑動(dòng)設(shè)置有齒條；齒條與齒輪嚙合連接；齒條一端通過鉸鏈鉸接在偏轉(zhuǎn)盤上，另一端穿過限位架且懸空設(shè)置。當(dāng)需要充分?jǐn)嚢柚髋湟喝萜骰虼闻湟喝萜髦械娜芤簳r(shí)，電動(dòng)機(jī)輸出軸將經(jīng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)軸正反轉(zhuǎn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)軸驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)盤、主配液容器及5個(gè)次配液容器同時(shí)正反轉(zhuǎn)動(dòng)。在主配液容器和5個(gè)次配液容器正反轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，液體不斷在作順時(shí)針和逆時(shí)針之間變化，從而充分且快速地?cái)嚢枰后w形成溶液。與手動(dòng)攪拌方式相比，該結(jié)構(gòu)避免攪拌時(shí)液體飛濺，降低勞動(dòng)強(qiáng)度、提高工作效率。裝置如圖5所示。轉(zhuǎn)盤上圍繞主配液容器和每個(gè)次配液容器均固設(shè)有若干個(gè)定位架，定位架中開設(shè)有T形安裝腔并滑動(dòng)設(shè)置有T形的抵壓塊，抵壓塊與T形安裝腔之間設(shè)置有壓緊彈簧；在壓緊彈簧作用下，抵壓塊外側(cè)突出定位架外；每個(gè)抵壓塊的外側(cè)均抵壓在主配液容器或者次配液容器上。該結(jié)構(gòu)可固定主配液容器和每個(gè)次配液容器，同時(shí)在轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)避免主配液容器和次配液容器相對(duì)轉(zhuǎn)盤發(fā)生位移，如圖6所示。

圖5 轉(zhuǎn)盤剖視圖

圖6 定位器局部放大圖

2.3 軟管夾設(shè)計(jì)

裝置中所設(shè)連接管為硅膠軟管，截止開關(guān)為軟管夾。軟管夾包括矩形的本體，本體上開設(shè)有圓形通道、壓縮通道和喇叭部。圓形通道的直徑大于連接管的直徑；壓縮通道一端開口，另一端封閉，并且壓縮通道開口的一端到封閉的一端逐漸縮??；喇叭部一端連通圓形通道，另一端連通壓縮通道開口的一端，并且連通圓形通道的端部大于連通壓縮通道的端部,如圖7所示。

開啟截止開關(guān)時(shí)，將連接管移動(dòng)至圓形通道中，此時(shí)連接管將次配液容器和主配液容器連通，主配液容器中的母溶液可以排進(jìn)次配液容器內(nèi)；關(guān)閉截止開關(guān)時(shí)，連接管通過喇叭部移動(dòng)至壓縮通道中，此時(shí)連接管被壓縮，斷開次配液容器和主配液容器之間的連接，次配液容器和主配液容器中的溶液無(wú)法流通。

圖7 軟管夾示意圖

3 結(jié) 語(yǔ)

透明土技術(shù)的出現(xiàn)給巖土工程實(shí)驗(yàn)帶來(lái)了一種新的途徑，其組成中孔隙液體的黏度系數(shù)與天然土壤液體成分黏度系數(shù)越接近，透明土模擬天然土壤的能力也越強(qiáng)。目前孔隙液體配制中，通常僅能調(diào)控其折射率滿足要求，而黏度系數(shù)則難以同時(shí)滿足要求。本文主要從透明土孔隙液體配置方法及配置裝置兩方面進(jìn)行探究，提出了一種透明土孔隙液體配置方法及裝置設(shè)計(jì)。孔隙液體配置裝置主要包括配置盤、轉(zhuǎn)盤和定位器，母溶質(zhì)添加于主配液容器的母溶質(zhì)漏斗內(nèi)，子溶質(zhì)添加于次配液容器的子溶質(zhì)漏斗內(nèi)，溶劑水添加于第一漏斗內(nèi)，孔隙液體配置開始時(shí)，母溶質(zhì)與水進(jìn)入主配液容器形成母溶液，再經(jīng)連接管進(jìn)入次配液容器內(nèi)，添加子溶質(zhì)，在次配液容器內(nèi)形成混合溶液，最后流入檢測(cè)皿測(cè)定黏度系數(shù)及折射率。其中，轉(zhuǎn)盤連接有驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，可使配液容器內(nèi)的溶質(zhì)與水混合均勻，定位器可起到活動(dòng)固定配液容器的作用。本方法及裝置的使用可有效提高孔隙液體配置效率，同時(shí)在保證其折射率滿足要求的前提下，盡可能地獲得最為接近天然土壤液體成分黏度系數(shù)的混合溶液，增強(qiáng)了透明土模擬天然土壤物理屬性的能力，具有良好的應(yīng)用前景。同時(shí)，隨著配置次數(shù)的增加，配制方案數(shù)據(jù)不斷積累，可獲得形成不同折射率、黏度系數(shù)的配置方案表格，表格數(shù)據(jù)可直接用于今后透明土孔隙液體的配制。