CN106814031A - 砂颗粒纳米凝胶胶结的剪切和弯曲强度测试装置及其方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种砂颗粒纳米凝胶胶结的剪切和弯曲强度测试装置，包括纳米凝胶胶结成型装置、载荷施加装置、力测量装置、恒温水箱养护装置和数据采集及控制系统。所述纳米凝胶胶结成型装置包含依次连接的真空泵、抽气管、两侧开孔的有机玻璃套筒、纳米硅溶胶注射管和纳米硅溶胶储存容器；所述载荷施加装置包含底部固定装置、底座、上部滑块、施力杆和超声波直线电机。数据采集及控制系统与超声波直线电机、力测量装置和恒温水箱养护装置连接。本发明可以实现砂颗粒间的硅溶胶胶结区成型，通过增设恒温水箱养护来控制颗粒间硅溶胶形成凝胶的温度，同时通过超声波直线电机提高了小尺寸情况下胶结区剪切和弯曲强度的测量精度。
Description
技术领域
本发明属于岩土工程研究领域,尤其涉及一种砂颗粒纳米凝胶胶结的剪切和弯曲强度测试装置及其方法。
背景技术
岩土工程中对于松散砂土地基可以用纳米硅溶胶溶液渗透加固。纳米硅溶胶溶液中悬浮着纳米颗粒，这些纳米颗粒在溶液碱性降低的过程中先逐渐凝聚成链状结构进而形成三维网状结构的凝胶，从而加固松散砂土地基。通过试验来测试颗粒间的剪切和弯曲强度有助于从细观尺度上建立固化砂土的本构模型。但是现有的测试装置只可进行大尺寸颗粒胶结强度测试，而对于砂颗粒等小尺寸颗粒，这类测试装置的载荷施加精度不够，因此难以直接应用于砂颗粒间的纳米凝胶胶结强度测试；且现有测试装置不是针对硅溶胶-凝胶反应进行开发，无法实现砂颗粒间的纳米凝胶胶结区成型，同时不设恒温水浴养护，难以精确控制颗粒间胶结固化过程中的温度。
发明内容
本发明为了克服现有装置测试小颗粒间纳米凝胶胶结强度的精度不足、难以精确控制颗粒间纳米凝胶胶结固化过程中的温度、无法实现砂颗粒间的硅溶胶胶结区成型的问题，通过安装超声波直线电机提高加载的精度、安装恒温水箱控制溶胶-凝胶固化过程中的温度、设计砂颗粒间的硅溶胶胶结区成型配件，本发明提供了一种砂颗粒纳米凝胶胶结的剪切和弯曲强度测试装置及其方法。
本发明的技术方案：一种砂颗粒纳米凝胶胶结的剪切和弯曲强度测试装置，包括纳米凝胶胶结成型装置、载荷施加装置、力测量装置、恒温水箱和数据采集及控制系统；
所述纳米凝胶胶结成型装置包含依次连接的真空泵、抽气管、两侧开孔的有机玻璃套筒、纳米硅溶胶注射管和纳米硅溶胶储存容器；
所述载荷施加装置包含底部固定装置、底座、上部滑块、施力杆和超声波直线电机，所述施力杆的一端与超声波直线电机连接，另一端与力测量装置连接，所述力测量装置为压力传感器；所述底部固定装置上设有用于剪切强度测试的第一凹槽和用于弯曲强度测试的第二凹槽，所述上部滑块上设有用于剪切强度测试的第三凹槽；
所述数据采集及控制系统与超声波直线电机、力测量装置和恒温水箱连接；
所述两侧开孔的有机玻璃套筒，有机玻璃套筒中放入A和B两个颗粒，有机玻璃套筒的内径与两个颗粒的直径相同，开孔处位于两个颗粒之间，一侧开孔与纳米硅溶胶注射管连接，另一侧开孔与抽气管连接，所述抽气管与真空泵连接；
所述底部固定装置通过螺栓固定在底座上，底座放入恒温水箱中，底部固定装置上的第一凹槽和第二凹槽用来放置两颗颗粒中的B颗粒；
所述上部滑块位于恒温水箱内，上部滑块上的第三凹槽用于固定两颗颗粒中的A颗粒。
优选地，所述真空泵、抽气管、两侧开孔的有机玻璃套筒、纳米硅溶胶注射管和纳米硅溶胶储存容器之间为可拆卸连接。
优选地，两颗颗粒均是直径为1mm的球形二氧化硅颗粒。
优选地，所述底部固定装置的第一凹槽和上部滑块装置的第三凹槽大小形状相同，两个凹槽内径和深度与试验颗粒的直径相同；底部固定装置的第二凹槽内径与试验颗粒的直径相同，第二凹槽深度等于试验颗粒半径。
优选地，所述两侧开孔的有机玻璃套筒的内径为1mm。
优选地，力测量装置为压电陶瓷压力传感器。
一种砂颗粒纳米凝胶胶结的剪切和弯曲强度测试装置的测试方法，其中剪切强度测试方法，包括下述步骤：
步骤1：两侧开孔的有机玻璃套筒中的一个孔与抽气管连接，另一个孔与纳米硅溶胶注射管连接，然后有机玻璃套筒中放入点接触的球形颗粒A和B，有机玻璃套筒的开孔处位于两颗粒之间，然后连接真空泵和抽气管，连接纳米硅溶胶注射管和纳米硅溶胶储存容器；
步骤2：开动真空泵，引导纳米硅溶胶溶液从纳米硅溶胶储存容器流出，依次经过纳米硅溶胶注射管、有机玻璃套筒中两个球形颗粒之间的空隙、抽气管；
步骤3：将有机玻璃套筒放置在恒温水箱底板上，在恒温水箱中注入水进行恒温养护；
步骤4：将恒温水箱中的水放干，然后将底部固定装置固定在恒温水箱的底座上，将胶结的两个颗粒从有机玻璃套筒中推出，将颗粒B放入底部固定装置的第一凹槽内，颗粒B的顶点与底部固定装置的上表面齐平，将上部滑块盖于颗粒A上，颗粒A位于上部滑块的凹槽内，颗粒A的最低点与上部滑块下表面齐平；
步骤5：在恒温水箱内放置超声波直线电机，对上部滑块施加力载荷，通过数据采集及控制系统记录直线电机的推进位移和压力传感器上的力，绘制位移-力曲线求取剪切强度；
其中弯曲强度测试方法，包括下述步骤：
步骤1：两侧开孔的有机玻璃套筒中的一个孔与抽气管连接，另一个孔与纳米硅溶胶注射管连接，然后有机玻璃套筒中放入点接触的球形颗粒A和B，有机玻璃套筒的开孔处位于两颗粒之间，然后连接真空泵和抽气管，连接纳米硅溶胶注射管和纳米硅溶胶储存容器；
步骤2：开动真空泵，引导纳米硅溶胶溶液从纳米硅溶胶储存容器流出，依次经过纳米硅溶胶注射管、有机玻璃套筒中两个球形颗粒之间的空隙、抽气管；
步骤3：将有机玻璃套筒放置在恒温水箱底板上，在恒温水箱中注入水进行恒温养护；
步骤4：将恒温水箱中的水放干，然后将底部固定装置固定在恒温水箱的底座上，将胶结的两个颗粒从有机玻璃套筒中推出，将颗粒B用胶水粘结在底部固定装置的第二凹槽内；
步骤5：在恒温水箱内放置超声波直线电机，超声波直线电机推动施力杆对上部颗粒A施加力载荷，通过数据采集及控制系统记录直线电机的推进位移和施力杆端部压力传感器上的力，绘制位移-力曲线求取剪切强度。
优选地，所述步骤1中纳米硅溶胶用醋酸将PH值调节至5至6之间。
优选地，所述步骤3中养护时间大于36小时。
本发明的有益效果是克服现有装置测试小颗粒间纳米凝胶胶结强度的精度不足、难以精确控制颗粒间纳米凝胶胶结固化过程中的温度、无法实现砂颗粒间的硅溶胶胶结区成型的问题，通过安装超声波直线电机提高加载的精度、安装恒温水箱控制溶胶-凝胶固化过程中的温度、设计砂颗粒间的硅溶胶胶结区成型配件，为砂颗粒间纳米凝胶胶结的剪切和弯曲强度测试提供了装置及测试方法。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明底座和底部固定装置的俯视图；
图3为本发明中纳米凝胶胶结成型装置的结构示意图；
图4为本发明进行剪切试验的示意图；
图5为本发明进行弯曲试验的示意图；
图中1.恒温水箱，2.底座，3.底部固定装置，4.上部滑块，5.超声波直线电机，6.螺纹通孔，7. 第三凹槽，8. 两侧开孔的有机玻璃套筒，9.真空泵，10.抽气管，11.纳米硅溶胶储存容器，12.第一凹槽，13.第二凹槽，14. 纳米硅溶胶注射管，15.A颗粒，16.B颗粒，17.胶结区，18.施力杆，19.压力传感器，20.数据采集及控制系统。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创新特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。
如图1-3所示，砂颗粒纳米凝胶胶结的剪切和弯曲强度测试装置，实验装置包括纳米凝胶胶结成型装置、载荷施加装置、力测量装置、恒温水箱和数据采集及控制系统20；所述纳米凝胶胶结成型装置包含依次连接的真空泵9、抽气管10、两侧开孔的有机玻璃套筒8、纳米硅溶胶注射管14和纳米硅溶胶储存容器11；所述载荷施加装置包含底部固定装置3、底座2、上部滑块4、施力杆18和超声波直线电机5，所述施力杆18的一端与超声波直线电机5连接，另一端与力测量装置连接，所述力测量装置为压力传感器19；底部固定装置3上设有用于剪切强度测试的第一凹槽12和用于弯曲强度测试的第二凹槽13，上部滑块4上设有用于剪切强度测试的第三凹槽7。数据采集及控制系统20与超声波直线电机5、压力传感器19和恒温水箱1连接。底部固定装置3通过螺栓固定在底座2上，底座2放入恒温水箱1中，底部固定装置3用来放置两颗胶结颗粒中的下部B颗粒16。上部滑块4位于恒温水箱内1，用于固定两颗胶结颗粒中的上部A颗粒15。两侧开孔的有机玻璃套筒8，其内径与两个颗粒直径相同，有机玻璃套筒8中放入A颗粒15和B颗粒16，开孔处位于两颗粒之间，一侧开孔与纳米硅溶胶注射管14连接，另一侧开孔与抽气管10连接，抽气管10与真空泵9连接。
本发明砂颗粒纳米凝胶胶结的剪切和弯曲强度测试方法的工作过程如下：
如图3和4所示，一种砂颗粒纳米凝胶胶结的剪切和弯曲强度测试方法，其中剪切强度测试方法包括下述步骤：
步骤1：两侧开孔的有机玻璃套筒8中的一个孔与抽气管10连接，另一个孔与纳米硅溶胶注射管14连接，然后有机玻璃套筒8中放入点接触的球A颗粒15和B颗粒16，有机玻璃套筒8的开孔处位于两颗粒之间，然后连接真空泵9和抽气管10，连接纳米硅溶胶注射管14和纳米硅溶胶储存容器11；
步骤2：开动真空泵9，引导纳米硅溶胶溶液从纳米硅溶胶储存容器11流出，依次经过纳米硅溶胶注射管14、有机玻璃套筒8中两个球颗粒之间的空隙、抽气管10；
步骤3：将有机玻璃套筒8放置在恒温水箱底板1上，在恒温水箱1中注入水进行恒温养护；
步骤4：将恒温水箱1中的水放干，然后将底部固定装置3固定在恒温水箱的底座2上，将胶结的两个颗粒从有机玻璃套筒3中推出，将B颗粒16放入底部固定装置的第一凹槽12内，B颗粒16的顶点与底部固定装置3的上表面齐平，将上部滑块4盖于B颗粒16上，A颗粒15位于上部滑块凹槽7内，A颗粒15的最低点与上部滑块4下表面齐平；
步骤5：在恒温水箱1内放置超声波直线电机5，对上部滑块4施加力载荷，通过数据采集及控制系统20记录直线电机5的推进位移和压力传感器19上的力，绘制位移-力曲线求取剪切强度。
如图3和5所示，一种砂颗粒纳米凝胶胶结的剪切和弯曲强度测试方法，其中弯曲强度测试方法包括下述步骤：
步骤1：两侧开孔的有机玻璃套筒8中的一个孔与抽气管10连接，另一个孔与纳米硅溶胶注射管14连接，然后有机玻璃套筒8中放入点接触的球A颗粒15和B颗粒16，有机玻璃套筒8的开孔处位于两颗粒之间，然后连接真空泵9和抽气管10，连接纳米硅溶胶注射管14和纳米硅溶胶储存容器11；
步骤2：开动真空泵9，引导纳米硅溶胶溶液从纳米硅溶胶储存容器11流出，依次经过纳米硅溶胶注射管14、有机玻璃套筒8中两个球颗粒之间的空隙、抽气管10；
步骤3：将有机玻璃套筒8放置在恒温水箱底板1上，在恒温水箱1中注入水进行恒温养护；
步骤4：将恒温水箱1中的水放干，然后将底部固定装置3固定在恒温水箱1的底座上，将胶结的两个颗粒从有机玻璃套筒8中推出，将B颗粒16用胶水粘结在底部固定装置的第二凹槽13内；
步骤5：在恒温水箱1内放置超声波直线电机5，超声波直线电机5推动施力杆18对上部A颗粒15施加力载荷，通过数据采集及控制系统20记录直线电机5的推进位移和施力杆18端部压力传感器19上的力，绘制位移-力曲线求取剪切强度。
本发明可以实现砂颗粒间的硅溶胶胶结区成型，通过增设恒温水箱养护来控制颗粒间硅溶胶形成凝胶的温度，同时通过超声波直线电机提高了小尺寸情况下胶结区剪切和弯曲强度的测量精度。
Claims (9)
1.一种砂颗粒纳米凝胶胶结的剪切和弯曲强度测试装置，其特征在于：其包括纳米凝胶胶结成型装置、载荷施加装置、力测量装置、恒温水箱和数据采集及控制系统；
所述纳米凝胶胶结成型装置包含依次连接的真空泵、抽气管、两侧开孔的有机玻璃套筒、纳米硅溶胶注射管和纳米硅溶胶储存容器；
所述载荷施加装置包含底部固定装置、底座、上部滑块、施力杆和超声波直线电机，所述施力杆的一端与超声波直线电机连接，另一端与力测量装置连接，所述力测量装置为压力传感器；所述底部固定装置上设有用于剪切强度测试的第一凹槽和用于弯曲强度测试的第二凹槽，所述上部滑块上设有用于剪切强度测试的第三凹槽；
所述数据采集及控制系统与超声波直线电机、力测量装置和恒温水箱连接；
所述两侧开孔的有机玻璃套筒，有机玻璃套筒中放入A和B两个颗粒，有机玻璃套筒的内径与两个颗粒的直径相同，开孔处位于两个颗粒之间，一侧开孔与纳米硅溶胶注射管连接，另一侧开孔与抽气管连接，所述抽气管与真空泵连接；
所述底部固定装置通过螺栓固定在底座上，底座放入恒温水箱中，底部固定装置上的第一凹槽和第二凹槽用来放置两颗颗粒中的B颗粒；
所述上部滑块位于恒温水箱内，上部滑块上的第三凹槽用于固定两颗颗粒中的A颗粒。
2.根据权利要求1所述的一种砂颗粒纳米凝胶胶结的剪切和弯曲强度测试装置，其特征在于：所述真空泵、抽气管、两侧开孔的有机玻璃套筒、纳米硅溶胶注射管和纳米硅溶胶储存容器之间为可拆卸连接。
3.根据权利要求1所述的一种砂颗粒纳米凝胶胶结的剪切和弯曲强度测试装置，其特征在于：两颗颗粒均是直径为1mm的球形二氧化硅颗粒。
4.根据权利1所述的一种砂颗粒纳米凝胶胶结的剪切和弯曲强度测试装置，其特征在于：所述底部固定装置的第一凹槽和上部滑块装置的第三凹槽大小形状相同，两个凹槽内径和深度与试验颗粒的直径相同；底部固定装置的第二凹槽内径与试验颗粒的直径相同，第二凹槽深度等于试验颗粒半径。
5.根据权利1所述的一种砂颗粒纳米凝胶胶结的剪切和弯曲强度测试装置，其特征在于：所述两侧开孔的有机玻璃套筒的内径为1mm。
6.根据权利要求1所述的一种砂颗粒纳米凝胶胶结的剪切和弯曲强度测试装置，其特征在于：力测量装置为压电陶瓷压力传感器。
7.一种如权利要求1所述的砂颗粒纳米凝胶胶结的剪切和弯曲强度测试装置的测试方法，其特征在于：
其中剪切强度测试方法，包括下述步骤：
步骤1：两侧开孔的有机玻璃套筒中的一个孔与抽气管连接，另一个孔与纳米硅溶胶注射管连接，然后有机玻璃套筒中放入点接触的球形颗粒A和B，有机玻璃套筒的开孔处位于两颗粒之间，然后连接真空泵和抽气管，连接纳米硅溶胶注射管和纳米硅溶胶储存容器；
步骤2：开动真空泵，引导纳米硅溶胶溶液从纳米硅溶胶储存容器流出，依次经过纳米硅溶胶注射管、有机玻璃套筒中两个球形颗粒之间的空隙、抽气管；
步骤3：将有机玻璃套筒放置在恒温水箱底板上，在恒温水箱中注入水进行恒温养护；
步骤4：将恒温水箱中的水放干，然后将底部固定装置固定在恒温水箱的底座上，将胶结的两个颗粒从有机玻璃套筒中推出，将颗粒B放入底部固定装置的第一凹槽内，颗粒B的顶点与底部固定装置的上表面齐平，将上部滑块盖于颗粒A上，颗粒A位于上部滑块的凹槽内，颗粒A的最低点与上部滑块下表面齐平；
步骤5：在恒温水箱内放置超声波直线电机，对上部滑块施加力载荷，通过数据采集及控制系统记录直线电机的推进位移和压力传感器上的力，绘制位移-力曲线求取剪切强度；
其中弯曲强度测试方法，包括下述步骤：
步骤1：两侧开孔的有机玻璃套筒中的一个孔与抽气管连接，另一个孔与纳米硅溶胶注射管连接，然后有机玻璃套筒中放入点接触的球形颗粒A和B，有机玻璃套筒的开孔处位于两颗粒之间，然后连接真空泵和抽气管，连接纳米硅溶胶注射管和纳米硅溶胶储存容器；
步骤2：开动真空泵，引导纳米硅溶胶溶液从纳米硅溶胶储存容器流出，依次经过纳米硅溶胶注射管、有机玻璃套筒中两个球形颗粒之间的空隙、抽气管；
步骤3：将有机玻璃套筒放置在恒温水箱底板上，在恒温水箱中注入水进行恒温养护；
步骤4：将恒温水箱中的水放干，然后将底部固定装置固定在恒温水箱的底座上，将胶结的两个颗粒从有机玻璃套筒中推出，将颗粒B用胶水粘结在底部固定装置的第二凹槽内；
步骤5：在恒温水箱内放置超声波直线电机，超声波直线电机推动施力杆对上部颗粒A施加力载荷，通过数据采集及控制系统记录直线电机的推进位移和施力杆端部压力传感器上的力，绘制位移-力曲线求取剪切强度。
8.根据权利要求7所述的一种砂颗粒纳米凝胶胶结的剪切和弯曲强度测试装置的测试方法，其特征在于：所述步骤1中纳米硅溶胶用醋酸将PH值调节至5至6之间。
9.根据权利要求7所述的一种砂颗粒纳米凝胶胶结的剪切和弯曲强度测试装置的测试方法，其特征在于：所述步骤3中养护时间大于36小时。
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| CN105891108A (zh) * | 2016-03-28 | 2016-08-24 | 盐城工学院 | 一种颗粒间胶结物剪切性能的测试装置及测试方法 |
Non-Patent Citations (3)
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN107402181A (zh) * | 2017-08-25 | 2017-11-28 | 中国石油大学(华东) | 一种高温环境中不同载荷下胶结颗粒强度测试装置及方法 |
| CN107402181B (zh) * | 2017-08-25 | 2019-08-30 | 中国石油大学(华东) | 一种高温环境中不同载荷下胶结颗粒强度测试装置及方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN106814031B (zh) | 2019-03-19 |
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