一種透明土孔隙液體配置方法及裝置設計

孫濱陽， 張建偉， 王穩

（浙江海洋大學 港航與交通運輸工程學院，浙江 舟山316022）

0 引 言

巖土工程實驗是研究巖土力學及其性質的重要方法，經過多次實驗得到的各項數據，為研究巖土力學性質奠定了實驗基礎。透明土是一種可靠性強、性價比高的非導入呈像材料，因其具有可觀測土體內部變形、位移的特點，而廣泛應用于巖土力學實驗中。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、無色、無毒、無害，且要求固、液兩相之間互不反應。目前孔隙液體配制技術分為有機溶液、無機溶液和有機無機溶液混合配制等3種方式。通過現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，配置過程中需實驗人員不斷調整各個試劑的用量，過程較為繁瑣[1-4]。為解決以上問題，本文主要從無機溶液配置孔隙液體的方法進行探究，提出了一種透明土孔隙液體配置方法及裝置設計，可實現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更加接近于天然土壤液體成分黏度系數值，以使透明土最大程度地模擬天然土壤的物理性質，同時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。當固體顆粒和孔隙液體的折射率一致時，可達到透明的效果；當孔隙液體黏度系數滿足要求，可使透明土進一步的模擬天然土壤液體成分的物理屬性。孔隙液體的折射率、黏度系數均與溶液質量比有關，在孔隙液體的配置過程中，隨著溶液質量比的增加，溶液折射率、黏度系數也逐漸增加，當一種溶質達到飽和時，加入另一與之不反應的溶質，混合溶液折射率、黏度系數可再次升高。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，對溶液進行折射率和黏度系數的測量[5-7]。本文所配置的孔隙液體為兩種無機溶液混合所得，根據現有資料分析，選用的母溶質為磷酸鉀，子溶質包括苯甲酸鈉、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）選取一種母溶質分為多組置于燒杯內，設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，形成多組母溶液，其溶質濃度呈梯度變化。分別取少量母溶液，使用折射儀測量其折射率。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，則改變母溶質用量，重復步驟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）選取一種子溶質分為多組置于燒杯內，設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。使用折射儀測量混合溶液折射率。5）若存在一組混合溶液折射率達到孔隙液體所需值，則使用黏度計測量其黏度系數；若不存在混合溶液折射率達到孔隙液體所需值，則改變子溶質添加量，重復步驟4），直至獲得一組混合溶液折射率達到孔隙液體所需值。6）在母溶質及子溶質不變情況下，多次重復步驟1）～步驟5），其中，每次重復實驗均需使母溶液折射率逐次降低0.001。當混合溶液折射率不能達到孔隙液體所需值時，配制停止。7）改變母溶質和子溶質的種類，使用上述方法，可獲得多組同一折射率的不同黏度系數的孔隙液體。8）根據所模擬天然土壤液體成分的黏度系數參數，從上述獲得的配制方案中選取最優解。原理及簡要流程如圖1、圖2所示。

圖1 方法原理圖

圖2 方法簡要流程圖

2 孔隙液體配置裝置結構設計

2.1 配置盤設計

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

圖3 裝置主視圖

2.2 轉盤及定位器設計

圖4 裝置俯視圖

孔隙液體配置裝置的底座上開設有圓形的凹部，凹部的底部上同軸設置且轉動連接有驅動軸；驅動軸上端同軸固設有圓形的轉盤；凹部底部上還設有電動機，電動機輸出軸經一傳動機構帶動驅動軸正反轉動。傳動機構主要包括偏轉盤和齒條，偏轉盤同軸固設在電動機的輸出軸上；驅動軸上同軸固設有齒輪，齒輪上固設有限位架；限位架上滑動設置有齒條；齒條與齒輪嚙合連接；齒條一端通過鉸鏈鉸接在偏轉盤上，另一端穿過限位架且懸空設置。當需要充分攪拌主配液容器或次配液容器中的溶液時，電動機輸出軸將經傳動機構帶動驅動軸正反轉動，驅動軸驅動轉盤、主配液容器及5個次配液容器同時正反轉動。在主配液容器和5個次配液容器正反轉動時，液體不斷在作順時針和逆時針之間變化，從而充分且快速地攪拌液體形成溶液。與手動攪拌方式相比，該結構避免攪拌時液體飛濺，降低勞動強度、提高工作效率。裝置如圖5所示。轉盤上圍繞主配液容器和每個次配液容器均固設有若干個定位架，定位架中開設有T形安裝腔并滑動設置有T形的抵壓塊，抵壓塊與T形安裝腔之間設置有壓緊彈簧；在壓緊彈簧作用下，抵壓塊外側突出定位架外；每個抵壓塊的外側均抵壓在主配液容器或者次配液容器上。該結構可固定主配液容器和每個次配液容器，同時在轉盤轉動時避免主配液容器和次配液容器相對轉盤發生位移，如圖6所示。

圖5 轉盤剖視圖

圖6 定位器局部放大圖

2.3 軟管夾設計

裝置中所設連接管為硅膠軟管，截止開關為軟管夾。軟管夾包括矩形的本體，本體上開設有圓形通道、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小；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。

開啟截止開關時，將連接管移動至圓形通道中，此時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次配液容器內；關閉截止開關時，連接管通過喇叭部移動至壓縮通道中，此時連接管被壓縮，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法流通。

圖7 軟管夾示意圖

3 結 語

透明土技術的出現給巖土工程實驗帶來了一種新的途徑，其組成中孔隙液體的黏度系數與天然土壤液體成分黏度系數越接近，透明土模擬天然土壤的能力也越強。目前孔隙液體配制中，通常僅能調控其折射率滿足要求，而黏度系數則難以同時滿足要求。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行探究，提出了一種透明土孔隙液體配置方法及裝置設計。孔隙液體配置裝置主要包括配置盤、轉盤和定位器，母溶質添加于主配液容器的母溶質漏斗內，子溶質添加于次配液容器的子溶質漏斗內，溶劑水添加于第一漏斗內，孔隙液體配置開始時，母溶質與水進入主配液容器形成母溶液，再經連接管進入次配液容器內，添加子溶質，在次配液容器內形成混合溶液，最后流入檢測皿測定黏度系數及折射率。其中，轉盤連接有驅動機構，可使配液容器內的溶質與水混合均勻，定位器可起到活動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的混合溶液，增強了透明土模擬天然土壤物理屬性的能力，具有良好的應用前景。同時，隨著配置次數的增加，配制方案數據不斷積累，可獲得形成不同折射率、黏度系數的配置方案表格，表格數據可直接用于今后透明土孔隙液體的配制。