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原文传递便于微观试验制样的温控固结仪及其使用方法

专利名称：	便于微观试验制样的温控固结仪及其使用方法
摘要：	本发明公开了一种便于微观试验制样的温控固结仪及其使用方法，其由固结仪主体和用于对固结仪主体内的试样进行固化的固化系统组成，固结仪主体包括固结装置、压力加载装置、吸力控制装置、试样温控装置和数据采集与分析系统；固结装置内放置试样，压力加载装置固定于固结装置上方，为试样提供所需的固结压力；吸力控制装置与固结装置固定连接，控制固结装置中的基质吸力；试样温控装置与固结装置固定连接，为固结装置提供不同温度的试验环境；数据采集与分析系统与固结装置电性连接，以测量、分析和显示固结装置中试样的试验数据，固结装置通过导管与固化系统连接。解决了现有固结仪不便于在不同温度环境下制备结构完整的微观试验小试样的问题。
专利类型：	发明专利
申请人：	长沙理工大学
发明人：	高乾丰;曾铃;罗锦涛;史振宁
专利状态：	有效
申请日期：	1900-01-20T23:00:00+0805
发布日期：	1900-01-20T00:00:00+0805
申请号：	CN202010208922.7
公开号：	CN111198254A
代理机构：	西安知诚思迈知识产权代理事务所(普通合伙)
代理人：	麦春明
分类号：	G01N33/24;G01N1/28;G;G01;G01N;G01N33;G01N1;G01N33/24;G01N1/28
申请人地址：	410114 湖南省长沙市天心区万家丽南路2段960号
主权项：	1.便于微观试验制样的温控固结仪，其特征在于，由固结仪主体（1）和用于对固结仪主体（1）内的试样进行固化的固化系统（2）组成；所述固结仪主体（1）包括固结装置（3）、压力加载装置（4）、吸力控制装置（5）、试样温控装置（6）和数据采集与分析系统（7）；固结装置（3）内放置试样，压力加载装置（4）固定于固结装置（3）上方，为固结装置（3）中的试样提供所需的固结压力；吸力控制装置（5）与固结装置（3）固定连接，用来控制固结装置（3）中的基质吸力；试样温控装置（6）与固结装置（3）固定连接，为固结装置（3）提供不同温度的试验环境；固结装置（3）通过导管与固化系统（2）连接；所述数据采集与分析系统（7）与固结装置（3）电性连接，用来测量、分析和显示固结装置（3）中试样的试验数据。 2.根据权利要求1所述的便于微观试验制样的温控固结仪，其特征在于，所述固结装置（3）包括固结室（9）以及与固结室（9）连通的进水管（10）、进气管（11）、排水管（12）、排凝胶管（13）和抽气管（14），固结室（9）的外形为圆柱状，其内腔是坡率为3%的倒圆台状，且固结室（9）的底端内部设有底板（15），底板（15）与固结室（9）的内壁之间设有橡胶止水环，固结室（9）的顶端内部设有与其密封连接的盖帽（16），试样置于固结室（9）内的底板（15）上；所述进气管（11）和排凝胶管（13）经盖帽（16）与固结室（9）内腔连通，所述进水管（10）、进气管（11）、排水管（12）、排凝胶管（13）和抽气管（14）上均设有与其对应的控制阀门（17）。 3.根据权利要求2所述的便于微观试验制样的温控固结仪，其特征在于，所述固结室（9）放置于工作台（8）上；所述工作台（8）包括升降台内环（30）、升降台外环（31）、钢质垫板（32）、千斤顶（33）及仪器底座（34），仪器底座（34）内部中空，千斤顶（33）固定在仪器底座（34）内，千斤顶（33）的输出轴垂直向上；升降台内环（30）和升降台外环（31）位于仪器底座（34）上，且升降台内环（30）位于升降台外环（31）内；升降台内环（30）和升降台外环（31）底部均固定有下部支撑杆，下部支撑杆上均设有缩颈，使得下部支撑杆的下端垂直贯穿仪器底座（34）顶面并位于仪器底座（34）内腔中，其上端经缩颈置于仪器底座（34）顶面上；升降台内环（30）的下部支撑杆位于千斤顶（33）的输出轴正上方，升降台外环（31）的下部支撑杆位于千斤顶（33）的输出轴侧上方，且所有下部支撑杆的下端不与千斤顶（33）的输出轴相接触，使得千斤顶（33）的输出轴向上顶起时仅作用升降台内环（30）；所述仪器底座（34）的侧壁上设有钢质垫板插口，所述升降台内环（30）以及升降台外环（31）与千斤顶（33）之间设有钢质垫板（32），钢质垫板（32）经钢质垫板插口可插入或抽出仪器底座（34），钢质垫板（32）插入仪器底座（34）时置于千斤顶（33）的输出轴上，且千斤顶（33）的输出轴向上顶起时经钢质垫板（32）和下部支撑杆同时作用升降台内环（30）和升降台外环（31）；所述固结室（9）置于升降台外环（31）上，所述位于固结室（9）内的底板（15）置于升降台内环（30）上。 4.根据权利要求3所述的便于微观试验制样的温控固结仪，其特征在于，所述压力加载装置（4）包括立柱（23）、活动横梁A（24）、活动横梁B（26）、试样压力传感器（28）和位移传感器（29），活动横梁A（24）和活动横梁B（26）均固定在立柱（23）上，且活动横梁A（24）、活动横梁B（26）以及固结装置（3）的盖帽（16）从上到下依次设置，位移传感器（29）竖直固定于活动横梁A（24）底部，试样压力传感器（28）竖直安装在位移传感器（29）下端，且试样压力传感器（28）下端与盖帽（16）上部的凹槽相匹配；所述固结室（9）的顶端外侧壁上设有上沿，所述活动横梁B（26）的中心位置设有椭圆镂空，该椭圆镂空的内切圆直径大于固结室（9）的顶部内径即最大内径且小于固结室（9）的外径，以使活动横梁B（26）在脱模过程中顶住固结室（9）的上沿的同时能够允许固结试样从固结室（9）中脱出；所述立柱（23）至少设有两个且竖直固定在仪器底座（34）的顶面上，并位于升降台外环（31）以及固结室（9）的周向上；所述活动横梁A（24）通过活动螺栓A（25）固定在立柱（23）上，所述活动横梁B（26）由活动螺栓B（27）固定在立柱（23）上。 5.根据权利要求4所述的便于微观试验制样的温控固结仪，其特征在于，所述吸力控制装置（5）包括透水石（35）、陶土板（36）、孔隙水压力控制器（37）和孔隙气压力控制器（38），透水石（35）和陶土板（36）均位于固结室（9）内，且透水石（35）位于试样顶部，陶土板（36）位于试样底部，试样、透水石（35）和陶土板（36）的侧壁均与固结室（9）的内壁相接触；所述孔隙水压力控制器（37）通过进水管（10）与固结室（9）底部的陶土板（36）相连，所述孔隙气压力控制器（38）依次通过进气管（11）和盖帽（16）与透水石（35）相连；所述试样温控装置（6）包括试样温度控制器（18）、温度传感器A（19）、试样加热装置（20）、试样制冷装置（21）和液氮装置（22），温度传感器A（19）安装于固结室（9）底部，试样加热装置（20）套设于固结室（9）的外部并与其侧壁接触；所述试样制冷装置（21）经制冷管道与固结室（9）内腔连通，所述液氮装置（22）经液氮输送管道与固结室（9）内腔连通，且制冷管道和液氮输送管道上均设有与其对应的控制阀门（17）；所述试样温度控制器（18）的输入端与温度传感器A（19）的输出端电性连接，试样温度控制器（18）的输出端与试样加热装置（20）以及试样制冷装置（21）的输入端电性连接。 6.根据权利要求5所述的便于微观试验制样的温控固结仪，其特征在于，所述数据采集与分析系统（7）由数据采集箱（39），以及计算机（40）组成，所述温度传感器A（19）、温度传感器B（54）、试样压力传感器（28）、位移传感器（29）、千斤顶（33）、孔隙水压力控制器（37）和孔隙气压力控制器（38）的输出端分别与数据采集箱（39）的不同输入端电性连接；数据采集箱（39）的输出端与计算机（40）的输入端电性连接。 7.根据权利要2~6任一项所述的便于微观试验制样的温控固结仪，其特征在于，所述固化系统（2）包括供凝胶装置（41）、注凝胶装置（42）、凝胶温控装置（43）、抽真空装置（44）和废液收集装置（45），凝胶温控装置（43）与供凝胶装置（41）固定连接以控制供凝胶装置（41）内的温度，抽真空装置（44）与固结室（9）相连通以对固结室（9）进行抽真空，废液收集装置（45）与固结室（9）相连通以收集固结室（9）中的废液，供凝胶装置（41）经注凝胶装置（42）与固结室（9）相连通以向固结室（9）中注入凝胶。 8.根据权利要求7所述的便于微观试验制样的温控固结仪，其特征在于，所述供凝胶装置（41）由凝胶水箱A（46）和凝胶水箱B（47）组成，凝胶水箱A（46）中盛放低温凝胶，凝胶水箱B（47）中盛放中高温凝胶，所述注凝胶装置（42）由压力泵（48）、凝胶水箱A阀门（49）、凝胶水箱B阀门（50）和进凝胶管阀门（53）组成，所述凝胶温控装置（43）由温度传感器B（54）、凝胶温度控制器（55）、凝胶加热装置（56）和凝胶制冷装置（57）组成；凝胶水箱A（46）通过与其对应的一根导管与压力泵（48）的输入端连接，凝胶水箱B（47）通过与其对应的一根导管与压力泵（48）的输入端连接，压力泵（48）的输出端经进凝胶管（52）与固结室（9）连通，进凝胶管（52）上设有与其对应的控制阀门（17）；凝胶水箱A阀门（49）设于凝胶水箱A（46）与压力泵（48）连接的导管上，凝胶水箱B阀门（50）设于凝胶水箱B（47）与压力泵（48）连接的导管上，进凝胶管阀门（53）设于压力泵（48）的输入端，压力泵（48）的输出端设有压力泵阀门（51）；温度传感器B（54）分别安装于凝胶水箱A（46）和凝胶水箱B（47）底部；凝胶制冷装置（57）的制冷端通过与其对应的一根导管与凝胶水箱A（46）固定连接，凝胶加热装置（56）的加热端与凝胶水箱B（47）固定连接；所述凝胶温度控制器（55）的输入端与温度传感器B（54）的输出端电性连接，其输出端与凝胶加热装置（56）以及凝胶制冷装置（57）的输入端电性连接；所述抽真空装置（44）由真空泵（58）和真空压力控制器（59）组成，真空泵（58）经抽气管（14）与固结室（9）连通，真空压力控制器（59）的输出端与真空泵（58）电性连接；所述废液收集装置（45）由废液桶（60）和废液桶底座（61）组成，废液桶（60）安装在废液桶底座（61）上，其通过排水管（12）和排凝胶管（13）与固结室（9）连通。 9.如权利要求8所述的便于微观试验制样的温控固结仪的使用方法，其特征在于，具体步骤如下：步骤S1、检查仪器是否完好，具体包括：步骤S11、调节凝胶温控装置（43），使供凝胶装置（41）中的凝胶达到试验温度，待凝胶呈液态后，开启注凝胶装置（42），打开进凝胶管阀门（53），若固结室（9）底部出现流动凝胶，说明凝胶温控装置（43）、供凝胶装置（41）与注凝胶装置（42）完好，将仪器恢复至初始状态，清洗残余凝胶；步骤S12、开启孔隙水压力控制器（37），打开与固结室（9）连通的进水管（10）上的控制阀门（17），向固结室（9）内注入少量蒸馏水，若计算机（40）显示的孔隙水压力读数呈正常波动，表明孔隙水压力控制器（37）和孔隙水压力传感器完好，将仪器恢复至初始状态；步骤S13、开启孔隙气压力控制器（38），打开与固结室（9）连通的进气管（11）的控制阀门（17），向固结室（9）内施加孔隙气压力，若计算机（40）显示的孔隙气压力读数呈正常波动，表明孔隙气压力控制器（38）和孔隙气压力传感器正常，将仪器恢复至初始状态；步骤S14、用手向上作用试样压力传感器（28），若计算机（40）显示的压力及位移均呈正常波动，表明试样压力传感器（28）和位移传感器（29）完好；步骤S15、打开试样温控装置（6），设置一定温度值，若计算机（40）显示的温度读数在所设定温度值附近波动，表明试样温控装置（6）正常，将仪器恢复至初始状态；步骤S2、进行固结试验，具体包括：步骤S21、按试验方案配制所需含水率的土体，将土体倒入预先装好的环刀内，采用击实器分层击实土体，制备成具有预设干密度的试样；步骤S22、在固结室（9）内壁涂抹一层凡士林，在底板（15）上放置一个已浸水饱和且去气泡的陶土板（36），然后将制备好的试样压入固结室（9）内，在试样上再放置一个洁净而湿润的透水石（35），安装固结室（9）的盖帽（16），将活动横梁A（24）向下移动，保证活动横梁A（24）下部的试样压力传感器（28）与盖帽（16）上的凹槽接触良好，并使试样与陶土板（36）以及透水石（35）之间接触良好；步骤S23、待固结室（9）密封好后，开启孔隙水压力控制器（37），打开与固结室（9）连通的进水管（10）和排水管（12）上的控制阀门（17），施加孔隙水压力，再次排除陶土板（36）中溶于水的气体；步骤S24、当排水不掺杂气泡时，关闭排水管（12）上的控制阀门（17），通过孔隙水压力控制器（37）对试样施加所需的孔隙水压力，并维持孔隙水压力恒定；步骤S25、打开试样温控装置（6）、孔隙气压力控制器（38）和压力加载装置（4），控制固结室（9）中试样的温度、对试样施加的孔隙气压力以及净固结压力，完成主固结；步骤S26、试验完成后，关闭孔隙气压力控制器（38）、孔隙水压力控制器（37）以及与固结室（9）连通的进水管（10）和进气管（11）上的控制阀门（17）；步骤S3、试样固化，具体包括：步骤S31、开启供凝胶装置（41），根据试验目的选择低温凝胶或中高温凝胶，调节凝胶温控装置（43），使凝胶温度达到试验温度；步骤S32、待凝胶接近无粘性流动状态后，开启排凝胶管（13）和排水管（12）上的控制阀门（17）以及进凝胶管阀门（53），开启注凝胶装置（42），将液态凝胶压入固结试样内；步骤S33、当与盖帽（16）相连的排凝胶管（13）中流出凝胶时，关闭排凝胶管（13）的控制阀门（17），继续向固结试样内压入液态凝胶；步骤S34、当压力泵（48）在设定压力下无法再向固结室（9）中压入液态凝胶时即进凝胶管（52）中的凝胶不再移动时，关闭供凝胶装置（41）、凝胶温控装置（43）和注凝胶装置（42），让注入试样中的凝胶自由冷却、充分固化；步骤S35、将活动横梁A（24）上抬并取出盖帽（16），然后将活动横梁B（26）下移顶住固结室（9）的上沿，抽出钢质垫板（32），使用千斤顶（33）依次将升降台内环（30）、固结室（9）内的底板（15）和陶土板（36）向上顶起，从而顶出固化后的固结试样，完成脱模；步骤S36、清洗固结室（9）、进凝胶管（52）和排凝胶管（13），防止堵塞；步骤S4、微观试样制备，具体包括：步骤S41、根据试验需求，采用刀片或其他工具从固结试样中的特定位置沿拟定方向切取小试样，再对切割表面进行打磨处理，制作成微观试验所需的小试样；步骤S42、采用光学显微镜和扫描电子显微镜等微观试验手段对小试样的切割面进行观察，获得清晰、准确的微观图像，从而对固结试样的微观结构特征进行定性及定量分析。 10.根据权利要求9所述的便于微观试验制样的温控固结仪的使用方法，其特征在于，当保持恒定温度、恒定基质吸力，通过压力加载装置（4）进行温度和基质吸力控制情况下试样的分级加、卸载试验时，步骤S25的具体实现过程为：先打开试样温控装置（6），使固结室（9）中试样的温度从室温变化到所需试验温度，维持温度恒定；然后开启孔隙气压力控制器（38），对试样施加所需的孔隙气压力并维持恒定；最后打开压力加载装置（4），以初始净固结压力为12.5 kPa，下一级净固结压力是前一级净固结压力的两倍的递增方式逐级给试样施加净固结压力，直至净固结压力到达试验设定值，每级所需最短时间应保证试样在该级压力下的变形达到稳定即完成主固结；当保持恒定温度、恒定压力，通过吸力控制装置（5）对试样施加不同大小的基质吸力，进行温度和应力控制情况下试样的吸湿和脱湿试验时，步骤S25的具体实现过程为：先打开试样温控装置（6），使固结室（9）中试样的温度从室温变化到所需试验温度，维持温度恒定；然后打开压力加载装置（4），给试样施加所需净固结压力，待试样完成主固结后，维持净固结压力恒定；最后开启孔隙气压力控制器（38），以初始孔隙气压力为12.5 kPa，下一级孔隙气压力是前一级孔隙气压力的两倍的递增方式逐级给试样施加孔隙气压力，直至孔隙气压力到达试验设定值，每级所需最短时间应保证试样在该级压力下的变形达到稳定即完成主固结；当保持恒定压力、恒定基质吸力，通过试样温控装置（6）分级改变固结室（9）内固结试样的温度，使试样处于冷热循环状态，进行压力和基质吸力控制情况下试样的温度变形试验时，步骤S25的具体实现过程为：先开启孔隙气压力控制器（38），对试样施加所需的孔隙气压力并维持恒定；然后打开压力加载装置（4），给试样施加所需的净固结压力，待试样完成主固结后，维持净固结压力恒定；最后打开试样温控装置（6），使固结室（9）中试样的温度由室温以每级5℃的变化逐级降低或升高，直至试样温度到达试验设定值，每级所需最短时间应保证试样在该级温度下的变形达到稳定即完成主固结，所述试样温度的试验设定值在-20~100℃范围内。
所属类别：	发明专利