一种透明土孔隙液体配置方法及装置设计

孙滨阳， 张建伟， 王稳

（浙江海洋大学 港航与交通运输工程学院，浙江 舟山316022）

0 引 言

岩土工程实验是研究岩土力学及其性质的重要方法，经过多次实验得到的各项数据，为研究岩土力学性质奠定了实验基础。透明土是一种可靠性强、性价比高的非导入呈像材料，因其具有可观测土体内部变形、位移的特点，而广泛应用于岩土力学实验中。透明土由折射率相同的固体颗粒和孔隙液体混合而成，其中，固液需透明、无色、无毒、无害，且要求固、液两相之间互不反应。目前孔隙液体配制技术分为有机溶液、无机溶液和有机无机溶液混合配制等3种方式。通过现有方法配置而成的孔隙液体大部分仅能满足透明土制备中折射率的需要，而不能进一步模拟天然土壤液体成分的物理属性。为了满足折射率的需要，配置过程中需实验人员不断调整各个试剂的用量，过程较为繁琐[1-4]。为解决以上问题，本文主要从无机溶液配置孔隙液体的方法进行探究，提出了一种透明土孔隙液体配置方法及装置设计，可实现在孔隙液体折射率满足要求的情况下，使孔隙液体的黏度系数更加接近于天然土壤液体成分黏度系数值，以使透明土最大程度地模拟天然土壤的物理性质，同时也可有效降低人工配置孔隙液体的工作量。

1 孔隙液体配置方法

透明土由固体颗粒和孔隙液体组成，它们分别模拟天然土壤中的固体和液体成分。当固体颗粒和孔隙液体的折射率一致时，可达到透明的效果；当孔隙液体黏度系数满足要求，可使透明土进一步的模拟天然土壤液体成分的物理属性。孔隙液体的折射率、黏度系数均与溶液质量比有关，在孔隙液体的配置过程中，随着溶液质量比的增加，溶液折射率、黏度系数也逐渐增加，当一种溶质达到饱和时，加入另一与之不反应的溶质，混合溶液折射率、黏度系数可再次升高。在孔隙液体配置的过程中，可分别使用2WAJ型阿贝折射仪、1840芬氏黏度计，对溶液进行折射率和黏度系数的测量[5-7]。本文所配置的孔隙液体为两种无机溶液混合所得，根据现有资料分析，选用的母溶质为磷酸钾，子溶质包括苯甲酸钠、六偏磷酸钠、乙酸氨、硫酸氢氨、磷酸二氢钠、磷酸二氢氨。

孔隙液体配置方法为：1）选取一种母溶质分为多组置于烧杯内，设置的药剂添加量呈梯度变化。2）水作为溶剂，定量加入烧杯内，形成多组母溶液，其溶质浓度呈梯度变化。分别取少量母溶液，使用折射仪测量其折射率。3）若存在一组母溶液的折射率略低于孔隙液体所需值，则选取该组母溶液进行孔隙液体的配制；若不存在母溶液的折射率略低于孔隙液体所需值，则改变母溶质用量，重复步骤1）～2），直至获得一组母溶液的折射率略低于孔隙液体所需值。4）选取一种子溶质分为多组置于烧杯内，设置的药剂添加量呈梯度变化。将步骤3获得的母溶液加入烧杯，形成多组混合溶液。使用折射仪测量混合溶液折射率。5）若存在一组混合溶液折射率达到孔隙液体所需值，则使用黏度计测量其黏度系数；若不存在混合溶液折射率达到孔隙液体所需值，则改变子溶质添加量，重复步骤4），直至获得一组混合溶液折射率达到孔隙液体所需值。6）在母溶质及子溶质不变情况下，多次重复步骤1）～步骤5），其中，每次重复实验均需使母溶液折射率逐次降低0.001。当混合溶液折射率不能达到孔隙液体所需值时，配制停止。7）改变母溶质和子溶质的种类，使用上述方法，可获得多组同一折射率的不同黏度系数的孔隙液体。8）根据所模拟天然土壤液体成分的黏度系数参数，从上述获得的配制方案中选取最优解。原理及简要流程如图1、图2所示。

图1 方法原理图

图2 方法简要流程图

2 孔隙液体配置装置结构设计

2.1 配置盘设计

孔隙液体配制装置的配置盘主要由底座、转盘和主次配液器组成，圆筒形的主次配液容器设于转盘上，并与定位器连接。主配液容器上分别设置有第一漏斗和母溶质漏斗，第一漏斗和母溶质漏斗上分别设置有第一节水阀和母溶质截止阀；环绕主配液容器设置有5个次配液容器，每个次配液容器均通过一连接管与主配液容器相连，并且每个连接管上均设有能够启闭连接管的截止开关；每个次配液容器中均设置有子溶质漏斗，子溶质漏斗上设置有子溶质截止阀；转盘上脱卸式设置有1个第一检测皿和5个第二检测皿，第一检测皿和第二检测皿分别通过连接管与主次配液器连接；主次配液容器上设有第一、二凹间，凹间内设有可拆卸的第一、二盖板，漏斗均设于盖板上。装置如图3、图4所示。孔隙液体的配置中，将一定量的母溶质和水分别放置于母溶质漏斗和第一漏斗中，分别启闭母溶质截止阀和第一节水阀，使母溶质和水排进主配液容器内，从而形成母溶液。再启闭截止开关，使主配液容器中的母溶液分别通过连接管排进每个次配液容器中。此时将一定量的子溶质放置于子溶质漏斗，启闭子溶质截止阀，在次配液器中获得混合溶液。混合溶液经连接管流入检测皿，可测量其折射率和黏度系数。

图3 装置主视图

2.2 转盘及定位器设计

图4 装置俯视图

孔隙液体配置装置的底座上开设有圆形的凹部，凹部的底部上同轴设置且转动连接有驱动轴；驱动轴上端同轴固设有圆形的转盘；凹部底部上还设有电动机，电动机输出轴经一传动机构带动驱动轴正反转动。传动机构主要包括偏转盘和齿条，偏转盘同轴固设在电动机的输出轴上；驱动轴上同轴固设有齿轮，齿轮上固设有限位架；限位架上滑动设置有齿条；齿条与齿轮啮合连接；齿条一端通过铰链铰接在偏转盘上，另一端穿过限位架且悬空设置。当需要充分搅拌主配液容器或次配液容器中的溶液时，电动机输出轴将经传动机构带动驱动轴正反转动，驱动轴驱动转盘、主配液容器及5个次配液容器同时正反转动。在主配液容器和5个次配液容器正反转动时，液体不断在作顺时针和逆时针之间变化，从而充分且快速地搅拌液体形成溶液。与手动搅拌方式相比，该结构避免搅拌时液体飞溅，降低劳动强度、提高工作效率。装置如图5所示。转盘上围绕主配液容器和每个次配液容器均固设有若干个定位架，定位架中开设有T形安装腔并滑动设置有T形的抵压块，抵压块与T形安装腔之间设置有压紧弹簧；在压紧弹簧作用下，抵压块外侧突出定位架外；每个抵压块的外侧均抵压在主配液容器或者次配液容器上。该结构可固定主配液容器和每个次配液容器，同时在转盘转动时避免主配液容器和次配液容器相对转盘发生位移，如图6所示。

图5 转盘剖视图

图6 定位器局部放大图

2.3 软管夹设计

装置中所设连接管为硅胶软管，截止开关为软管夹。软管夹包括矩形的本体，本体上开设有圆形通道、压缩通道和喇叭部。圆形通道的直径大于连接管的直径；压缩通道一端开口，另一端封闭，并且压缩通道开口的一端到封闭的一端逐渐缩小；喇叭部一端连通圆形通道，另一端连通压缩通道开口的一端，并且连通圆形通道的端部大于连通压缩通道的端部,如图7所示。

开启截止开关时，将连接管移动至圆形通道中，此时连接管将次配液容器和主配液容器连通，主配液容器中的母溶液可以排进次配液容器内；关闭截止开关时，连接管通过喇叭部移动至压缩通道中，此时连接管被压缩，断开次配液容器和主配液容器之间的连接，次配液容器和主配液容器中的溶液无法流通。

图7 软管夹示意图

3 结 语

透明土技术的出现给岩土工程实验带来了一种新的途径，其组成中孔隙液体的黏度系数与天然土壤液体成分黏度系数越接近，透明土模拟天然土壤的能力也越强。目前孔隙液体配制中，通常仅能调控其折射率满足要求，而黏度系数则难以同时满足要求。本文主要从透明土孔隙液体配置方法及配置装置两方面进行探究，提出了一种透明土孔隙液体配置方法及装置设计。孔隙液体配置装置主要包括配置盘、转盘和定位器，母溶质添加于主配液容器的母溶质漏斗内，子溶质添加于次配液容器的子溶质漏斗内，溶剂水添加于第一漏斗内，孔隙液体配置开始时，母溶质与水进入主配液容器形成母溶液，再经连接管进入次配液容器内，添加子溶质，在次配液容器内形成混合溶液，最后流入检测皿测定黏度系数及折射率。其中，转盘连接有驱动机构，可使配液容器内的溶质与水混合均匀，定位器可起到活动固定配液容器的作用。本方法及装置的使用可有效提高孔隙液体配置效率，同时在保证其折射率满足要求的前提下，尽可能地获得最为接近天然土壤液体成分黏度系数的混合溶液，增强了透明土模拟天然土壤物理属性的能力，具有良好的应用前景。同时，随着配置次数的增加，配制方案数据不断积累，可获得形成不同折射率、黏度系数的配置方案表格，表格数据可直接用于今后透明土孔隙液体的配制。