CN103969099A - 一种人工合成透明土材料的制配方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种人工合成透明土材料的制配方法。该透明土材料由烘烤石英砂颗粒和具有相同折射率的无色孔隙液体组成，其中孔隙液体为正12烷与15号白油的混合液。制配过程中，用玻璃棒不断搅拌，保证充分混合；并利用真空箱，抽真空，去除混合物中残余空气，直到混合物透明；最后利用固结仪固结。本发明操作简便，易于实现，相比其他制配方法，材料来源广泛，价格低廉，无污染、无毒害，同时能达到更好的透明效果，制成的透明土可有效地用于模型试验，实现土体内部变形的非嵌入式可视化观测。

Description

一种人工合成透明土材料的制配方法

技术领域

本发明属于岩土工程可视化模型试验技术领域，特别涉及一种人工合成透明土的制配方法。

背景技术

传统的土体变形测量方法是在土体内部埋设一系列传感器，得到某些离散点的位移，但是传感器容易受外界环境扰动的影响，测量结果往往不够准确，同时不能给出土体内部连续变形的整个位移场；现代数字图像技术也只局限于测量土体的宏观或边界变形，不能实现对土体内部变形的可视化；X-射线、γ-射线、计算机层析扫描（CAT扫描）及磁共振成像技术（MRI）虽然可以用来测量土体内部的连续变形，但昂贵的费用限制了这些技术的广泛应用。利用人工合成透明土结合光学观测和图像处理技术可以实现土体内部变形的可视化，费用低廉，操作简便，可以广泛应用在隧道的变形、堤防和挡土墙、渗流和沉桩贯入等岩土工程方面的模型试验中，研究土体内部变形规律和机理，对探索岩土工程问题本质具有重要意义，而这前提是获得透明度较高，且性质与天然土体相似的人工合成透明土。

在本发明专利前，2002年，伊斯坎德尔（Iskander）等利用工业生产的无定型硅石粉末或凝胶和具有相应折射率的孔隙液体制作了一种人工合成透明土，但由于无定型硅石粉末或凝胶为多孔介质，内部微细孔道较多，制成的人工合成透明土压缩性较大，和天然土体仍然存在比较大的差异，而且其真空饱和难度较大，影响了其透明效果，这限制了人工合成透明土在岩土工程模型试验中的进一步应用。2006年吴明喜等利用熔融石英砂和具有相应折射率的溴化钙溶液制作了一种人工合成透明土，但是溴化钙溶液具有强烈腐蚀性，可操作性较差，同时熔融石英砂纯度较低，而且价格相对较高，这也限制了其在模型试验中的广泛应用。故采用更合适更经济来源更广泛的材料来制作人工合成透明土就显得意义重大，而目前这方面的研究还处于空白。

发明内容

本发明的目的在于克服上述缺陷，提出一种透明度更高、价格适中、且其材料基本物理力学性质与天然土体更相近的人工合成透明土的制配方法。本发明采用的技术方案是：

采用级配广泛的烘烤石英砂和正12烷与15号白油的混合液；制配过程中，用玻璃棒不断搅拌，保证充分混合；用阿贝折射仪测定混合液折射率，微调两种液体比例，保证混合液折射率与烘烤石英砂折射率相同（折射率随温度变化有一定改变）；利用真空箱对混合物抽真空饱和，去除其中残留空气，直至混合物透明；将混合物转至固结仪中固结（可根据需要选择是否固结）。

所述的烘烤石英砂，其特征在于：烘烤石英砂具有纯度高，级配广泛，性质稳定，强度、硬度较高，和天然砂土性质具有很大的相似性，同时其来源广泛，具有良好的光学性质，无污染和毒性，烘烤石英砂颗粒在表面各个方向折射率相同。

所述的孔隙液体，其特征在于：选择正12烷和15号白油两种液体，并按质量比1:4混合，这两种液体都具有良好的化学稳定性和溶液选择性，挥发性小，无色透明，无污染和毒性，同时两种液体之间不发生化学反应，混合而成的溶液性能稳定，透视性好，折射率满足要求。

所述的一种人工合成透明土的制配方法，包括以下步骤：

（1）选择一定级配的烘烤石英砂，洗净烘干，去除杂质和水分；

（2）选择正12烷和15号白油按一定比例混合，混合过程中用玻璃棒不断搅拌，保证充分混合，溶液均匀；

（3）利用阿贝折射仪测定混合液在试验温度下的折射率，微调正12烷和15号的比例，直至混合溶液的折射率与烘烤石英砂的折射率一致；

（4）将烘烤石英砂均匀分散地倾倒入混合溶液中，倾倒过程中利用玻璃棒不断搅拌，保证充分混合，同时混合液体液面略高于烘烤石英砂；

（5）将混合物放置于真空箱中，静置，抽真空，去除其中残余空气，直至透明度达到设计要求；

（6）对于粒径小于0.005 mm的试样，可根据试验固结度要求，利用固结仪对混合物进行固结；最后完成人工合成透明土的制配。

本发明的优点和效果在于：烘烤石英砂具有纯度高，级配广泛，性质稳定，强度、硬度较高，和天然砂土性质具有很大的相似性；同时其来源广泛，具有良好的光学性质，无污染和毒性，烘烤石英砂颗粒在表面各个方向折射率相同。正12烷和15号白油两种液体都具有良好的化学稳定性和溶液选择性，挥发性小，无色透明，无污染和毒性，同时两种液体之间不发生化学反应，混合而成的溶液性能稳定，透视性好，折射率满足要求。利用真空箱抽真空饱和，去除其中残留空气，基本不影响折射率，更容易达到更好的透明度。所选择的材料和设备，均为市场上常见产品，价格低廉，来源广泛，无毒无害，在岩土技术和岩土环境研究中需要的费用最低。

本发明的人工合成透明土制配方法，操作简便，易于实现，能达到很好的透明效果，成本低廉，制成的人工合成透明土可有效地用于岩土工程中的模型试验，所选择的材料和设备，均容易获得，有效地节约了资源，避免了不合理的浪费；所制作的人工合成透明土适用性广泛，可应用岩土工程许多方面的研究，如：隧道的变形、堤防和挡土墙、渗流和沉桩贯入问题；实现土体内部变形的可视化，能广泛代替自然土，用来模拟复杂的地质条件，提高对岩土工程问题本质的认识。

附图说明

图1——为本发明制配流程示意图

其中，1为玻璃器皿，2为玻璃棒，3为真空箱，4为单向固结仪。

具体实施方式

以下结合附图详细叙述本发明的具体实施方式。本发明的保护范围并不仅仅局限于本实施方式的描述。

首先选择一定级配的纯净烘烤石英砂，用水洗净，后酸洗，经烘箱烘干，去除其中所包含的杂质和水分，本实施例子选择的烘烤石英砂级配为0.1 mm-1 mm；选择正12烷和15号白油，并按质量比1：4倒入玻璃器皿1中，过程中用玻璃棒2不断搅拌约20分钟，保证充分混合，溶液均匀，所处的环境为24°恒温；利用阿贝折射仪测定混合液室温下折射率，其间可微调正12烷和15号的比例，直至混合溶液的折射率与烘烤石英砂的折射率一致，均为为1.458，本实施例子在24°环境下，正12烷和15号白油质量比正好为1：4；将烘烤石英砂均匀分散地倾倒入盛有混合溶液的玻璃器皿1中，倾倒过程中利用玻璃棒2不断搅拌，保证充分混合，同时保持混合液体液面略高于烘烤石英砂；将混合物放置于真空箱3中，静置，抽真空饱和约2小时，去除其中残余空气，直至土体透明，本实施例子选择1个大气负压值抽真空饱和；对于粒径小于0.005 mm的试样，可根据固结需要，可将混合物置于单向固结仪4中进行固结，可选择正常固结和超固结，一般达到需求的固结要求即可；最后完成人工合成透明土的制作。

Claims (4)

1.一种人工合成透明土的制配方法，包括以下技术步骤：

（1）选择一定级配的烘烤石英砂，洗净烘干，去除杂质和水分；

（2）选择正12烷和15号白油按一定比例混合，混合过程中用玻璃棒不断搅拌，保证充分混合，溶液均匀；

（3）利用阿贝折射仪测定混合液在试验温度下的折射率，微调正12烷和15号的比例，直至混合溶液的折射率与烘烤石英砂的折射率一致；

（4）将烘烤石英砂均匀分散地倾倒入混合溶液中，倾倒过程中利用玻璃棒不断搅拌，保证充分混合，同时混合液体液面略高于烘烤石英砂；

（5）将混合物放置于真空箱中，静置，抽真空，去除其中残余空气，直至透明度达到设计要求；

（6）对于粒径小于0.005 mm的试样，可根据试验固结度要求，利用固结仪对混合物进行固结；最后完成人工合成透明土的制配。

2.根据权利要求1所述的一种人工合成透明土的制配方法，其特征在于：所述的烘烤石英砂具有纯度高，级配广泛，性质稳定，强度、硬度较高，和天然砂土性质具有很大的相似性，同时具有良好的光学性质，无污染和毒性，烘烤石英砂颗粒在表面各个方向折射率相同。

3.根据权利要求1所述的一种人工合成透明土的制配方法，其特征在于：所述的孔隙液体为正12烷和15号白油两种液体，按1：4质量比混合 。

4.根据权利要求1所述的一种人工合成透明土的制配方法，其特征在于：混合两种液体和倾倒烘烤石英砂的过程中用玻璃棒不断搅拌，并利用真空箱抽气真空饱和，去除混合物中残留空气，保证透明度不受残留空气影响。