软粘土结合水含量联合测定装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种软粘土结合水含量联合测定装置及方法，测定装置包括水合系统、等温吸附系统和测量系统；通过容量法使干粘土充分水合，由保湿干燥器提供的水蒸气和进酸管中的硫酸调节调湿吸附干燥器内的水气平衡压。控制系统通过重量传感器、温湿度传感器获取测试数据。通过本装置获得刚好充分水合的粘土，在不同水气平衡压下测得粘土表面吸附水含量，通过等温吸附线求得软粘土中强弱结合水含量，结合烘干法求得自由水含量。本发明专利技术装置简单，高度集成，操作安全方便。

Apparatus and method for joint determination of soft clay combined with water content

The invention discloses a soft clay combined device and method for measuring water content measuring device including hydration system, isothermal adsorption system and the measuring system; the dry clay fully hydrated by volumetric method, provided by the water vapor and moisture dryer in sulfuric acid inlet pipe adjusting wet equilibrium pressure in the adsorption dryer. The control system obtains the test data through the weight sensor and the temperature and humidity sensor. Just get fully hydrated clay through the device at different vapor pressure measured adsorption on clay surface water content, the adsorption isotherm obtained the strength of soft clay bound water content, free water content with drying method. The device of the invention is simple, highly integrated and safe and convenient to operate.

【技术实现步骤摘要】
软粘土结合水含量联合测定装置及方法
本专利技术涉及一种岩土工程和地基工程中定量测量软粘土结合水含量的装置和方法。
技术介绍
粘土中的结合水是由于粘土颗粒表面带负电荷，吸附极性水分子，而在粘土颗粒周围形成的与自由水性质不同的水膜。据水分子与粘土颗粒表面距离和相互作用力的大小，结合水可分为强结合水与弱结合水。强结合水和粘土矿物以氢键连结，排列有序，紧密吸附于颗粒表面，故而也称吸附结合水或吸着水，呈六角形岛状结构，具有较大的粘滞性和抗剪强度，不能传递静水压力，强结合水含量与粘土颗粒比表面积成正比。弱结合水则来源于粘土矿物表面的离子化作用，表面离解作用使粘土矿物表面形成水化—离子扩散层，扩散层中的水包含一小部分强结合水，大部分为弱结合水，也可以粗略将扩散层中的水称为弱结合水。弱结合水与土颗粒表面连结的牢靠程度明显小于强结合水，属液相范围，但也具有一定的粘滞性和抗剪强度。强结合水和弱结合水两种形态说明粘土颗粒和水存在两种不同的连接形式，也反映了在不同水化阶段粘土颗粒表面吸附的结合水具有不同的结构和性质。结合水具有复杂的物理化学性质，对细粒土的物理性质、水理性质、变形与强度特性都具有特殊而重要的影响。对同一种土而言，结合水含量越高，土的塑性愈高，渗透性愈低，压缩性愈高，粘聚力愈大，内摩擦角愈小。随着我国沿海地区经济的迅猛发展，港口、铁路、工民建中大型、巨型工程纷纷开展，这些建筑多兴建于软土分布区，对软土地基稳定性的要求很高。由于软土具有高含水率、大孔隙比、高压缩性等特性，工后沉降，难以控制；路堤失稳，屡见不鲜。软基之上事故频发，其主要原因之一是对软粘土的力学行为及变形机理研究不深。对于软粘土，颗粒表面吸附的结合水的类型和含量的多少，决定了颗粒之间、颗粒与水之间作用力的大小，决定了软粘土的固结变形和强度特性。因此，研究结合水的特性，是认清软粘土的固结变形与强度特性的根本，也可为软粘土性质改良与加固提供科学的理论依据。而结合水含量的测定则是深入研究结合水特性的基础，因此，本文所述专利技术具有重要的理论意义和工程价值。国内外很多学者都提出过土中结合水含量的测定方法。主流的方法有容量法、等温吸附法、热分析、核磁共振、离心沉降法和红外光谱法等。但是容量法测量精度不够，其测量结果是在先假定了强结合水和弱结合水的密度的基础上实现的。离心沉降法只能估算，并不能定量测定结合水以及区分强弱结合水。核磁共振法可以用来定量测量黏土结合水，但结果的误差较大，且成本较高。红外光谱法只能定性研究黏土结合水的存在形式。热分析可以定量分析粘土中结合水含量，但需借助高温连续加热，技术和成本要求都较高。等温吸附法不失为测量结合水含量的一种有效方法，其原理是测量干土在不同水气平衡压的条件下吸附水蒸气的含量，根据等温吸附线求取土中结合水和自由水的含量，并进行结合水类型的划分。现有等温吸附法试验在实施时多采用干燥器底部加硫酸溶液或饱和盐溶液进行干燥器内的湿度控制，多存在以下问题：1、由于吸附试验时间较长，无法保证干燥器内湿度不发生变化，加酸或加水的量不好控制。2、由于要测不同水气平衡压下的吸附结合水含量，需要准备多台干燥器和多组试样、配置不同浓度的硫酸溶液，增加了试验用度。3、需要定时量测土的重量以判断吸附是否完成，频繁从干燥器中取出土和量瓶称重，对粘土样品和干燥器内的水气平衡压都会造成影响，既繁琐又增加了试验误差。4、粘土颗粒本身具有形成团聚体的特点，干粘粒之间的粘聚力大于水分子向内的楔入力，所以自气体中被粘土表面吸附的水分子在颗粒团聚体的表面形成了紧密排列的结合水，并不易向团聚体内部移动，使得等温吸附法的测量结果偏低。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术的不足，提供一种定量测定软粘土结合水含量的试验装置，并改进现有容量法和等温吸附法，依托试验装置提出更为精确合理的方法。使得水气平衡压的控制更加精确简易，加酸过程更加安全可靠；只用一组仪器便可完成结合水测定试验，节省了试验用度和繁琐的操作过程，同时减少了误差；解决了干粘土直接吸附时水分子滞留于团聚体表面，不向内部移动的问题。该方法原理可靠，装置构造简单，操作简便，易于掌握。可定量评价软粘土的水化作用，为力学-化学耦合模型提供定量化的参数，也可为软粘土性质改良与加固提供理论依据，具有工程价值和广阔的应用前景。本专利技术之软粘土结合水含量联合测定装置包括水合系统、等温吸附系统和测量系统；水合系统包括容量瓶和回旋振荡仪，容量瓶中盛有已经在250℃下烘干的干粘土颗粒和蒸馏水；等温吸附系统由两个相连的干燥器组成，分别为保湿干燥器和调湿吸附干燥器，保湿干燥器用以确定水合后粘土含水量并可以向调湿吸附干燥器提供湿源，其底缸盛有蒸馏水，与左侧进水管相连，通过注水阀门能向干燥器底缸注水，注水量可由进水管上的刻度读出，加水至所需值后可关闭注水阀门，进水管有上帽以防水分蒸发。干燥器底缸之上为平整多孔的陶瓷板，陶瓷板上安有支架，支架之上为重量传感器，重量传感器可以精确测量上载物体的重量，重量传感器之上为盛土的磨口称量瓶，磨口称量瓶盖上盖子就可以防止水蒸气进入，方便称量。磨口称量瓶内为经容量法处理后的软粘土，是经容量法充分水合后，通过离心处理得到的水合粘土沉淀物。保湿干燥器侧壁装有湿度和温度传感器，用以监测保湿干燥器内的温度和湿度。保湿干燥器的侧壁有导气口，导气口通过橡皮管与调湿吸附干燥器相连，可以让保湿干燥器内的水蒸气进入调湿吸附干燥器内，橡皮管中间以夹子扎紧，相当于进气阀门，夹子打开则水蒸气进入调湿吸附干燥器，夹子扎紧则保湿干燥器与调湿吸附干燥器无水蒸气流通。调湿吸附干燥器底缸盛有浓硫酸，调湿吸附干燥器具有进酸管，通过进酸管和注酸阀门可以向调湿吸附干燥器底缸注酸，注酸量可由进酸管上的刻度读出，加硫酸至所需值后可关闭注酸阀门，进酸管有上帽以防止进酸管中的硫酸自空气中吸收水蒸气，可以通过相对湿度与硫酸溶液浓度的关系算出加酸量，结合湿度传感器显示的湿度值，逐步滴加至所需值。通过进酸管加酸便于操作且安全可靠，避免了目前等温吸附试验重复加酸的繁复操作和安全隐患。调湿吸附干燥器底缸之上仍置陶瓷陶瓷板，陶瓷板上安有支架，支架之上为重量传感器，重量传感器可以精确测量上载物体的重量，重量传感器之上为磨口称量瓶，磨口称量瓶内的粘土为经过容量瓶、离心机和保湿干燥器处理后的水合完全的粘土。通过进酸管和橡皮管可以控制调湿吸附干燥器内的水气平衡压，调湿吸附干燥器侧壁装有湿度和温度传感器，用以监测调湿吸附干燥器内的温度和湿度。测量系统由支架上的重量传感器、温度和湿度传感器、磨口称量瓶、软粘土、粘土、数据线以及控制系统组成，支架上放置重量传感器，重量传感器之上载有磨口称量瓶，保湿干燥器内的磨口称量瓶中粘土，数据线穿过保湿干燥器和调湿吸附干燥器侧壁上的密封塞，数据线一端与重量传感器的输出端相连，另一端则与控制系统的数据接收端相连，可以方便的进行数据采集，读取干燥器内粘土的的重量变化。本专利技术之软粘土结合水含量联合测定方法包括以下步骤：a.将软粘土风干、粉碎，烘干，过0.1mm筛，在250℃下烘至恒重，放入RH＝0干燥器备用。众多研究结果显示，在250℃的高温下可以将土中结合水完全除去。因此得到的干粘土粉是完全脱去结合水的。b.将容量瓶洗净、烘干、冷却，取约3本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种软粘土结合水含量联合测定装置，其特征在于：包括水合系统、等温吸附系统和测量系统；水合系统包括容量瓶(1)和回旋振荡仪(2)，容量瓶(1)中盛有已经在250℃下烘干的干粘土颗粒(3)和蒸馏水(4)；等温吸附系统由两个相连的干燥器组成，分别为保湿干燥器(5)和调湿吸附干燥器(6)，保湿干燥器(5)用以确定水合后粘土含水量并可以向调湿吸附干燥器(6)提供湿源，其底缸盛有蒸馏水(4)，与左侧进水管(7)相连，通过注水阀门(8)能向干燥器底缸注水，进水管有上帽(9)以防水分蒸发；保湿干燥器(5)底缸之上为平整多孔的陶瓷板(10)，陶瓷板(10)上安有支架(11)，支架(11)之上为重量传感器(12)，重量传感器(12)可以精确测量上载物体的重量，重量传感器(12)之上为盛土的磨口称量瓶(13)，磨口称量瓶(13)盖上盖子就可以防止水蒸气进入，磨口称量瓶(13)内为经容量法处理后的水合粘土沉淀物(14)，保湿干燥器(5)侧壁装有湿度和温度传感器(15)，用以监测保湿干燥器(5)内的温度和湿度；保湿干燥器(5)的侧壁有导气口(16)，导气口(16)通过橡皮管(17)与调湿吸附干燥器(6)相连，橡皮管(17)中间以夹子(18)扎紧，相当于进气阀门，夹子(18)打开则水蒸气进入调湿吸附干燥器(6)，夹子(18)扎紧则保湿干燥器(5)与调湿吸附干燥器(6)无水蒸气流通；调湿吸附干燥器(6)底缸盛有浓硫酸(19)，调湿吸附干燥器(6)具有进酸管(20)，通过进酸管(20)和注酸阀门(21)可以向调湿吸附干燥器(6)底缸注酸，进酸管(20)有上帽(9)以防止进酸管(20)中的硫酸自空气中吸收水蒸气，调湿吸附干燥器(6)底缸之上仍置陶瓷板(10)，陶瓷板(10)上安有支架(11)，支架(11)之上为重量传感器(12)，重量传感器(12)可以精确测量上载物体的重量，重量传感器(12)之上为磨口称量瓶(13)，磨口称量瓶(13)内的粘土为经过容量瓶(1)、离心机和保湿干燥器(5)处理后的刚好水合完全的粘土(22)；通过进酸管(20)和橡皮管(17)可以控制调湿吸附干燥器(6)内的水气平衡压，调湿吸附干燥器(6)侧壁装有湿度和温度传感器(15)，用以监测调湿吸附干燥器(6)内的温度和湿度；测量系统由支架(11)上的重量传感器(12)、温度和湿度传感器(15)、磨口称量瓶(13)、水合粘土沉淀物(14)、粘土(22)、数据线(23)以及控制系统(24)组成，支架(11)上放置重量传感器(12)，重量传感器(12)之上载有磨口称量瓶(13)，保湿干燥器(5)内的磨口称量瓶(13)中粘土(22)，数据线(23)穿过保湿干燥器(5)和调湿吸附干燥器(6)侧壁上的密封塞(25)，数据线(23)一端与重量传感器(12)的输出端相连，另一端则与控制系统(24)的数据接收端相连。...

【技术特征摘要】
1.一种软粘土结合水含量联合测定装置，其特征在于：包括水合系统、等温吸附系统和测量系统；水合系统包括容量瓶(1)和回旋振荡仪(2)，容量瓶(1)中盛有已经在250℃下烘干的干粘土颗粒(3)和蒸馏水(4)；等温吸附系统由两个相连的干燥器组成，分别为保湿干燥器(5)和调湿吸附干燥器(6)，保湿干燥器(5)用以确定水合后粘土含水量并可以向调湿吸附干燥器(6)提供湿源，其底缸盛有蒸馏水(4)，与左侧进水管(7)相连，通过注水阀门(8)能向干燥器底缸注水，进水管有上帽(9)以防水分蒸发；保湿干燥器(5)底缸之上为平整多孔的陶瓷板(10)，陶瓷板(10)上安有支架(11)，支架(11)之上为重量传感器(12)，重量传感器(12)可以精确测量上载物体的重量，重量传感器(12)之上为盛土的磨口称量瓶(13)，磨口称量瓶(13)盖上盖子就可以防止水蒸气进入，磨口称量瓶(13)内为经容量法处理后的水合粘土沉淀物(14)，保湿干燥器(5)侧壁装有湿度和温度传感器(15)，用以监测保湿干燥器(5)内的温度和湿度；保湿干燥器(5)的侧壁有导气口(16)，导气口(16)通过橡皮管(17)与调湿吸附干燥器(6)相连，橡皮管(17)中间以夹子(18)扎紧，相当于进气阀门，夹子(18)打开则水蒸气进入调湿吸附干燥器(6)，夹子(18)扎紧则保湿干燥器(5)与调湿吸附干燥器(6)无水蒸气流通；调湿吸附干燥器(6)底缸盛有浓硫酸(19)，调湿吸附干燥器(6)具有进酸管(20)，通过进酸管(20)和注酸阀门(21)可以向调湿吸附干燥器(6)底缸注酸，进酸管(20)有上帽(9)以防止进酸管(20)中的硫酸自空气中吸收水蒸气，调湿吸附干燥器(6)底缸之上仍置陶瓷板(10)，陶瓷板(10)上安有支架(11)，支架(11)之上为重量传感器(12)，重量传感器(12)可以精确测量上载物体的重量，重量传感器(12)之上为磨口称量瓶(13)，磨口称量瓶(13)内的粘土为经过容量瓶(1)、离心机和保湿干燥器(5)处理后的刚好水合完全的粘土(22)；通过进酸管(20)和橡皮管(17)可以控制调湿吸附干燥器(6)内的水气平衡压，调湿吸附干燥器(6)侧壁装有湿度和温度传感器(15)，用以监测调湿吸附干燥器(6)内的温度和湿度；测量系统由支架(11)上的重量传感器(12)、温度和湿度传感器(15)、磨口称量瓶(13)、水合粘土沉淀物(14)、粘土(22)、数据线(23)以及控制系统(24)组成，支架(11)上放置重量传感器(12)，重量传感器(12)之上载有磨口称量瓶(13)，保湿干燥器(5)内的磨口称量瓶(13)中粘土(22)，数据线(23)穿过保湿干燥器(5)和调湿吸附干燥器(6)侧壁上的密封塞(25)，数据线(23)一端与重量传感器(12)的输出端相连，另一端则与控制系统(24)的数据接收端相连。2.根据权利要求1所述软粘土结合水含量的联合测定装置，其特征在于所述控制系统(24)为计算机。3.一种权利要求1所述软粘土结合水含量联合测定装置的测定方法，包括以下步骤：a.将软粘土风干、粉碎，烘干，过0.1mm筛，在250℃下烘至恒重，放入RH＝0干燥器备用；众多研究结果显示，在250℃的高温下可以将土中结合水完全除去；因此得到的干粘土粉是完全脱去结合水的；b.将容量瓶(1)洗净、烘干、冷却，取约30g在250℃下烘干的干粘土颗粒(3)加入容量瓶中，加入适量蒸馏水(4)，使液面达到瓶颈某一刻度，记录页面读数；将盛有干粘土颗粒(3)和蒸馏水(4)的容量瓶盖好盖子，置于回旋震荡仪(2)之上，震荡120min，使得容量瓶中土颗粒分散，水合均匀；取出容量瓶，在恒温箱中静置，由于土颗粒的水合，容量瓶液面会不断下降，当液面不再降低时认为粘土水合完全；c.将容量瓶中的水土混合液取出，经离心倾出上清液，取称量瓶(13)测量空瓶质量，记为m0，取下部沉淀物置于称量瓶内，放入保湿...

【专利技术属性】
技术研发人员：王常明，李硕，吴谦，江南，王冰，张索煜，邹琳琳，张志敏，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：吉林,22