CN109575490A - 一种透明黏土及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种透明黏土及其制备方法，包括以下步骤：称取适量去离子水，并装于密封桶中，称取适量AVC聚合物，并放入步骤1中装有去离子水的密封桶内；通过搅拌机快速搅拌混合，搅拌均匀后，盖上密封桶盖，并静置于阴凉处；称取适量纳米碳管到步骤三中的静置后的AVC胶体中，通过搅拌机缓慢搅拌至纳米碳管均匀分布在AVC胶体中，采用真空泵抽真空除去透明黏土中的气泡后，继续放置于阴凉处静置，直至透明黏土成型。本发明操作简易，此外，AVC聚合物流变性好，在高剪切力作用下具有较高的稳定性，且粘稠度适中，不会出现拉丝现象，因而在作为透明土材料时不会产生极高的粘聚力。

Description

一种透明黏土及其制备方法
技术领域
本发明公开了一种透明黏土及其制备方法，涉及岩土工程可视化模型试验技术领域。
背景技术
研究土体变形及渗流情况，传统的方法是在土体内部埋设传感器，但由于传感器容易受到外部环境扰动，无法获得准确的测量结果，也无法测出土体连续变形的位移场变化；或是采用X射线衍射、CT扫描、核磁共振等方法，但这些方法价格昂贵，试验步骤繁琐，无法广泛应用于岩土工程试验中。目前透明土结合图像粒子测速技术可以很好地解决这些问题，实现土体内部变形的可视化，操作简单且费用较低，可广泛应用于隧道周围土体变形、渗流和贯入取土等岩土工程试验中，研究土体内部变形规律和机理，对于探索岩土工程问题的本质具有重要意义。现有的透明土一般由透明土颗粒和具有相当折射率的孔隙流体组成，且大都具有无胶结砂土的性质，对于粘性透明土的研究较少。因此需要寻找一种透明度高，且性质与天然土体相似的粘性透明土，拓宽透明土的模拟范围。
在本发明专利前，1994年，伊斯坎德尔(Iskander)等采用工业无定型硅粉和具有相当折射率的流体来制配透明土，其岩土工程性质与天然黏土相近。但无定型二氧化硅颗粒容易吸水破裂并着色或在低围压下发生塑性变形，制成的人工合成透明土压缩性较大，和天然土体相比仍存在较大差异。由于其真空饱和难度较大，透明度受到了一定影响。2018年，孔纲强等以Ultrez10聚合物等为原材料来配置透明黏土，该透明黏土光学透明厚度可达25～40cm，较目前已有常规透明土材料的光学透明厚度提高约2～3倍。但存在孔隙比较高而强度较低的缺陷。由于高孔隙比，透明黏土呈现相对低的剪切强度。这种强度特征限制了其与天然黏土的相似性(除非常低强度的泥浆或其它极软的黏土)。因此，寻找透明度高且性质与天然土基本特性相近的粘性透明土具有非常重要的意义。
发明内容
本发明针对上述背景技术中的缺陷，提供一种透明黏土及其制备方法，本发明制备操作简单，价格低廉；制成的黏土透明度高。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：一种透明黏土，包括去离子水、AVC聚合物和纳米碳管；所述去离子水、AVC聚合物和纳米碳管的份数比为(180～200)：(4～5):1。
进一步的，所述AVC聚合物为丙烯酰二甲基牛磺酸铵/VP共聚物。
一种透明黏土的制备方法，包括以下步骤：
步骤一：称取适量去离子水；
步骤二：称取适量AVC聚合物，并放入步骤1中的去离子水中；
步骤三：通过搅拌机快速搅拌混合，搅拌均匀后，将混合物密封后，并静置于阴凉处；
步骤四：称取适量纳米碳管到步骤三中的静置后的AVC胶体中，通过搅拌机缓慢搅拌至纳米碳管均匀分布在AVC胶体中；
步骤五：采用真空泵在工作功率在180～200w下，抽真空除去透明黏土中的气泡后，继续放置于阴凉处静置，直至透明黏土成型。
进一步的，所述步骤3中搅拌混合时间为15～25min。
进一步的，所述步骤3中静置的时间为6～8h。
进一步的，所述步骤4中静置的时间为4～8h。
有益效果：本发明操作简易，此外，AVC聚合物流变性好，在高剪切力作用下具有较高的稳定性，且粘稠度适中，不会出现拉丝现象，因而在作为透明土材料时不会产生极高的粘聚力。
本发明利用真空泵抽真空除去透明黏土中的气泡，折射率基本不会受到影响，更容易达到更高的透明度。
本发明采用的纳米碳管具有非常强的非线性光学效应，在经过近红外光照射之后产生荧光，本发明的透明粘土主要用于变形场的观测，采用碳纳米管可以满足作为示踪粒子产生清晰散斑场的要求，纳米碳管的力学性质稳定，对于形变具有较高的弹性响应，且与新型透明土之间不发生化学反应。
附图说明
图1本发明的制作流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图对技术方案的实施作进一步的详细描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
如图1所示，本发明提供的一种实施例，一种透明黏土，包括去离子水、AVC聚合物和纳米碳管；所述去离子水、AVC聚合物和纳米碳管的份数比为(180～200)：(4～5):1。
进一步的，所述AVC聚合物为丙烯酰二甲基牛磺酸铵/VP共聚物。
一种透明黏土的制备方法，包括以下步骤：
步骤一：称取180～200份去离子水放入密封桶1中；
步骤二：称取4～5份AVC聚合物，并放入步骤1中的去离子水中；
步骤三：通过搅拌机2快速搅拌混合15～25min，搅拌均匀后，将混合物密封后，并静置于阴凉处6～8h；
步骤四：称取适量纳米碳管到步骤三中的静置后的AVC胶体中，通过搅拌机缓慢搅拌至纳米碳管均匀分布在AVC胶体中；
步骤五：采用真空泵3在工作功率在180～200w下，抽真空除去透明黏土中的气泡后，继续放置于阴凉处静置4～8h，直至透明黏土成型。
本实例制成的透明粘土的性能与现有技术制成的粘土性能差异如下表一所示；
表一：本发明透明粘土的性能与现有技术制成的粘土性能差异
根据表一所述，本发明配置的透明土呈半透明状态下具有250mm的可视厚度，具有较高的光学清晰度。随着时间的推迟，21天透明度仅下降了7％，透明度变化缓慢，表明透明土性质稳定，适用于周期相对较长的模型试验。
本发明制配透明土压缩指数为2.6，压缩性较高，其基本物理性质与天然淤泥土相近，能满足模型试验中土体变形场的观测要求，适用于分析贯入取土过程中的土体变形规律。
本发明制配的透明土灵敏度随着时间的增加而增加，灵敏度在4～8之间，为灵敏度土；土的灵敏度高，结构性强，受扰动后土的强度明显降低，压缩性增大，进一步说明本发明粘土具有可用于模拟天然淤泥的物理特性。
本发明仅采用少量AVC聚合物作为配制的透明土的主要原料，可按需要配置不用浓度透明土，操作简单易行，同时具有优异的稳定性和透明性。其抗剪强度相较于U10粉末、LAPONITE RD材料制配成的透明黏土材料稍高，而水族珠制配而成的透明黏土材料其强度近似为零。无定型硅粉和矿物油制配成透明土材料性质与天然黏土相近，但透明度较低，不利于可视化研究。
本文所配置的透明黏土所使用的材料价格低廉，配制操作简单易行；光学透明度较高，尽管与天然黏土的物理力学特性仍存在一定的差异；但是，可以满足特定物理试验模型需求，可以尝试在模拟天然淤泥土中应用。
本发明利用真空泵抽真空除去透明黏土中的气泡，折射率基本不会受到影响，更容易达到更高的透明度。
本发明所选择的材料和设备，均为市场上的常见产品，购买方便，价格低廉，无毒无害，在岩土技术和岩土环境研究中具有较高的性价比。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种透明黏土，其特征在于，包括去离子水、AVC聚合物和纳米碳管；所述去离子水、AVC聚合物和纳米碳管的份数比为（180~200）：（4~5）:1。
2. 根据权利要求1所述的一种透明黏土，其特征在于，所述AVC聚合物为丙烯酰二甲基牛磺酸铵/VP 共聚物。
3.一种透明黏土的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：称取适量去离子水；
步骤二：称取适量AVC聚合物，并放入步骤1中的去离子水中；
步骤三：通过搅拌机快速搅拌混合，搅拌均匀后，将混合物密封后，并静置于阴凉处；
步骤四：称取适量纳米碳管到步骤三中的静置后的AVC胶体中，通过搅拌机缓慢搅拌至纳米碳管均匀分布在AVC胶体中；
步骤五：采用真空泵抽真空除去透明黏土中的气泡后，继续放置于阴凉处静置，直至透明黏土成型。
4.根据权利要求3所述的一种透明黏土的制备方法，其特征在于，所述步骤3中搅拌混合时间为15~25min。
5.根据权利要求3所述的一种透明黏土的制备方法，其特征在于，所述步骤3中静置的时间为6~8h。
6.根据权利要求3所述的一种透明黏土的制备方法，其特征在于，所述步骤4中静置的时间为4~8h。
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