CN107132090B - 纳米硅凝胶连结砂颗粒的可变胶结区成型装置及成型方法 - Google Patents
纳米硅凝胶连结砂颗粒的可变胶结区成型装置及成型方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种纳米硅凝胶连结砂颗粒的可变胶结区成型装置及成型方法，成型装置包括胶结区成型装置、胶结体积记录装置和恒温箱；所述胶结区成型装置包括第一球形颗粒、第二球形颗粒、橡皮膜、多个形状记忆合金丝和套筒，所述形状记忆合金丝在室温时中部折叠为线条而在变形温度时鼓起并挤压橡皮膜生成指定形状的胶结区；所述胶结体积记录装置包括压力隔离容器和压力控制器；本发明还公开了一种纳米硅凝胶连结砂颗粒的可变胶结区的成型方法。本发明通过引入形状记忆合金，克服已有装置难以在砂颗粒间形成可变形状的纳米硅凝胶胶结区的问题，为纳米硅凝胶固化砂土的细观研究提供基础。
Description
技术领域
本发明属于岩土工程研究领域,尤其涉及一种纳米硅凝胶连结砂颗粒
的可变胶结区成型装置及成型方法。
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，通过调整硅溶胶溶液的PH值，从硅溶胶转变为硅凝胶的时间可以从数秒到数月的时间内变化。通过试验测试纳米硅凝胶连结砂颗粒的胶结强度有助于从细观尺度上建立固化砂土的本构模型，但是现实中砂颗粒间胶结区形状是变化的，而现有装置无法在砂颗粒间形成可变形状的纳米硅凝胶胶结区供试验使用。
发明内容
本发明为了克服现有装置无法在砂颗粒间形成可变形状的纳米硅凝胶胶结区供试验使用的问题，通过引入形状记忆合金，本发明提供了一种纳米硅凝胶连结砂颗粒的可变胶结区成型装置及成型方法。
本发明的技术方案是：
一种纳米硅凝胶连结砂颗粒的可变胶结区成型装置，其特征是：其由胶结区成型装置、胶结体积记录装置和恒温箱组成，恒温箱内置纳米硅溶胶溶液或水，其中：
胶结区成型装置包括：
套筒，放置在恒温箱内，且浸没在纳米硅溶胶溶液或水中，套筒侧壁开设有通孔；
橡皮膜，呈圆筒状且长度大于套筒，如图3所示橡皮膜***套筒中且橡皮膜两端翻边后套在套筒两端的外侧；
形状记忆合金丝，多根，按套筒长轴方向设置，其位于套筒内壁与橡皮膜外壁之间，形状记忆合金丝的长度接近套筒的长度，形状记忆合金丝具有两种形状，变形温度时呈两端直线、中间为指定的鼓起弯曲形状，室温时呈两端直线、中间折叠直线；
第一球形颗粒、第二球形颗粒，能够嵌入橡皮膜内壁，第一球形颗粒设置有穿过球心的圆孔，套筒的通孔位于第一球形颗粒、第二球形颗粒之间，当形状记忆合金丝在变形温度下变形时能通过橡皮膜挤压第一球形颗粒、第二球形颗粒；第一球形颗粒和第二球形颗粒的球形颗粒直径小于套筒内径与形状记忆合金直径之差，同时，球形颗粒直径大于套筒内径与橡皮膜厚度之差；
胶结体积记录装置包括：
压力隔离容器，其用隔离橡胶膜隔离成第一腔室和第二腔室，第一腔室通过管路经橡皮膜连通第一球形颗粒的圆孔；
压力控制器，与第二腔室连通。
作为优选，所述形状记忆合金丝由Cu-Zn-Al制成。
作为优选，所述形状记忆合金丝的变形温度为65℃至85℃。
作为优选，所述形状记忆合金丝的根数大于或等于36。
作为优选，所述第一球形颗粒和第二球形颗粒直径为1mm，材料为二氧化硅。
一种纳米硅凝胶连结砂颗粒的可变胶结区成型装置的成型方法，包括所述的纳米硅凝胶连结砂颗粒的可变胶结区成型装置，其特征是，成型方法按如下步骤：
步骤1：在室温下，将形状记忆合金丝两端粘贴在套筒内壁，然后如图3所示将橡皮膜***套筒中，这时，橡皮膜两端均伸出套筒两端，同时，圆筒形橡皮膜盖住形状记忆合金丝，然后如图3所示将橡皮膜在套筒两端的超出部分翻边套在套筒两端外侧，这时，形状记忆合金丝中间部分形状为折叠直线；
步骤2：恒温箱中放置纳米硅溶胶溶液，恒温箱中调节温度为室温，然后将套筒放入恒温箱中；
步骤3：将第一球形颗粒和第二球形颗粒在纳米硅溶胶溶液中塞入套筒，同时两球形颗粒间留有空隙，第一球形颗粒中通过球心的圆孔方向与套筒长轴方向保持一致，套筒侧壁的圆孔位于两颗粒之间；
步骤4：将压力隔离容器的第一腔室注满纳米硅溶胶溶液并且与第一球形颗粒中的圆孔连接，第二腔室注满水且与压力控制器连接，并使压力控制器保持当前压力不变；
步骤5：将恒温箱中的纳米硅溶胶溶液换为水，同时恒温箱的温度上升至变形温度，促使形状记忆合金丝的中部鼓起为指定形状同时挤压橡皮膜，这时套筒外的液体随套筒侧壁的圆孔进入套筒和橡皮膜之间的区域，同时压力控制器保持当前压力不变，通过压力隔离容器吸取两个球形颗粒之间的纳米硅溶胶溶液、并记录吸入纳米硅溶胶液体的体积，在上述过程中两个球形颗粒的胶结区在橡皮膜挤压下逐渐变为指定形状；
步骤6：待第一球形颗粒和第二球形颗粒间的纳米硅溶胶溶液转变为纳米硅凝胶后，将恒温箱温度降为室温，这时形状记忆合金丝中中间鼓起部分重新变为竖向线条并紧贴在套筒内壁，然后将两个球形颗粒推出套筒，从而获得指定胶结区形状的两个连接颗粒。
作为优选，所述步骤2中纳米硅溶胶溶液用醋酸将PH值调节至5至6之间。
本发明的有益效果：本发明克服现有装置无法在砂颗粒间形成可变形状的纳米硅凝胶胶结区供试验使用的问题，通过引入形状记忆合金，提供了一种可人为设定颗粒胶结区形状的成型装置及成型方法。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图；
图2为本发明套管内安装形状记忆合金丝和橡皮膜后的剖面示意图；
图3为本发明套管内安装形状记忆合金丝和橡皮膜后的外部示意图；
图4为本发明套管内安装形状记忆合金丝、橡皮膜后和球形颗粒后的示意图；
图5为本发明室温时中部折叠为线条的形状记忆合金丝示意图；
图6为本发明变形温度时中部鼓起为各种指定形状的形状记忆合金丝示意图；
图7为本发明套筒中颗粒间胶结区形状示意图；
图8为本发明的颗粒间胶结区形状示意图；
图中1.压力控制器，2.压力隔离容器，3.套筒，4.橡皮膜，5.套筒侧边的开孔，6.第一球形颗粒，7.第二球形颗粒，8.胶结区，9.恒温箱，10.第一腔室，11.第二腔室，12.隔离橡胶膜，13.第一球形颗粒过球心的圆孔，14.形状记忆合金丝，15.纳米硅溶胶溶液。
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。
如图所示，一种纳米硅凝胶连结砂颗粒的可变胶结区成型装置，其由胶结区成型装置、胶结体积记录装置和恒温箱9组成，恒温箱9内置纳米硅溶胶溶液15或水，其中：
胶结区成型装置包括：
套筒3，放置在恒温箱9内，且浸没在纳米硅溶胶溶液15或水中，套筒3侧壁开设有通孔5；
橡皮膜4，呈圆筒状且长度大于套筒3，如图3所示橡皮膜4***套筒3中且橡皮膜4两端翻边后套在套筒3两端的外侧；
形状记忆合金丝14，多根，按套筒3长轴方向设置，其位于套筒3内壁与橡皮膜4外壁之间，形状记忆合金丝14的长度接近套筒3的长度，形状记忆合金丝14具有两种形状，变形温度时呈两端直线、中间为指定的鼓起弯曲形状，如图6所示，鼓起弯曲形状可以有多种，图中给出三种：图6(a)、图6(b)和图6(c),室温时呈两端直线、中间折叠直线，如图5所示；
第一球形颗粒6、第二球形颗粒7，能够嵌入橡皮膜4内壁，第一球形颗粒6设置有穿过球心的圆孔13，套筒3的通孔5位于第一球形颗粒6、第二球形颗粒7之间，当形状记忆合金丝14在变形温度下变形时能通过橡皮膜4挤压第一球形颗粒6、第二球形颗粒7；第一球形颗粒6和第二球形颗粒7的球形颗粒直径小于套筒3内径与形状记忆合金14直径之差，同时，球形颗粒直径大于套筒3内径与橡皮膜4厚度之差；
胶结体积记录装置包括：
压力隔离容器2，其用隔离橡胶膜隔离成第一腔室和第二腔室，第一腔室通过管路经橡皮膜4连通第一球形颗粒6的圆孔；
压力控制器，与第二腔室连通。
形状记忆合金丝由Cu-Zn-Al制成。
形状记忆合金丝14的变形温度为65℃至85℃。
形状记忆合金丝14的根数大于或等于36。
第一球形颗粒6和第二球形颗粒7直径为1mm，材料为二氧化硅。
一种纳米硅凝胶连结砂颗粒的可变胶结区成型装置的成型方法，包括纳米硅凝胶连结砂颗粒的可变胶结区成型装置，其特征是，成型方法按如下步骤：
步骤1：在室温下，将形状记忆合金丝14两端粘贴在套筒3内壁，然后将橡皮膜4***套筒3中，这时，橡皮膜4两端均伸出套筒3两端，同时，圆筒形橡皮膜4盖住形状记忆合金丝14，然后将橡皮膜4在套筒3两端的超出部分翻边套在套筒3两端外侧，这时，形状记忆合金丝14中间部分形状为折叠直线；
步骤2：恒温箱9中放置纳米硅溶胶溶液15，恒温箱9中调节温度为室温，然后将套筒3放入恒温箱9中；
步骤3：将第一球形颗粒6和第二球形颗粒7在纳米硅溶胶溶液15中塞入套筒3，同时两球形颗粒间留有空隙，第一球形颗粒6中通过球心的圆孔13方向与套筒3长轴方向保持一致，套筒3侧壁的圆孔5位于两颗粒之间；
步骤4：将压力隔离容器2的第一腔室10注满纳米硅溶胶溶液15并且与第一球形颗粒6中的圆孔13连接，第二腔室11注满水且与压力控制器连接，并使压力控制器保持当前压力不变；
步骤5：将恒温箱9中的纳米硅溶胶溶液15换为水，同时恒温箱9的温度上升至变形温度，促使形状记忆合金丝14的中部鼓起为指定形状同时挤压橡皮膜4，这时套筒3外的液体随套筒3侧壁的圆孔5进入套筒3和橡皮膜4之间的区域，同时压力控制器保持当前压力不变，通过压力隔离容器2吸取两个球形颗粒之间的纳米硅溶胶溶液15、并记录吸入纳米硅溶胶液体15的体积，在上述过程中两个球形颗粒的胶结区8在橡皮膜4挤压下逐渐变为指定形状；当选取图6(a)的变形温度形状记忆合金丝14时获得的胶结区8形状如图7(a)所示，当选取图6(b)的变形温度形状记忆合金丝14时获得的胶结区8形状如图7(b)所示,当选取图6(c)的变形温度形状记忆合金丝14时获得的胶结区8形状如图7(c)所示；
步骤6：待第一球形颗粒6和第二球形颗粒间7的纳米硅溶胶溶液15转变为纳米硅凝胶后，将恒温箱9温度降为室温，这时形状记忆合金丝14中中间鼓起部分重新变为竖向线条并紧贴在套筒3内壁，然后将两个球形颗粒推出套筒3，从而获得指定胶结区形状的两个连接颗粒。当选取图6(a)变形温度形状记忆合金丝14时获得的胶结区8形状如图8(a)所示，当选取图6(b)所示变形温度形状记忆合金丝14时获得的胶结区8形状如图8(b)所示,当选取图6(c)所示变形温度形状记忆合金丝14时获得的胶结区8形状如图8(c)所示。
步骤2中纳米硅溶胶溶液15用醋酸将PH值调节至5至6之间。
以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围不局限于如图6所示的三种形状记忆合金丝形状，将图6中所示的形状记忆合金丝替换为其他形状，都应该涵盖在本发明的包含范围内。
Claims (7)
1.一种纳米硅凝胶连结砂颗粒的可变胶结区成型装置，其特征是：其由胶结区成型装置、胶结体积记录装置和恒温箱(9)组成，恒温箱(9)内置纳米硅溶胶溶液(15)或水，其中：
胶结区成型装置包括：
套筒(3)，放置在恒温箱(9)内，且浸没在纳米硅溶胶溶液(15)或水中，套筒(3)侧壁开设有通孔(5)；
橡皮膜(4)，呈圆筒状且长度大于套筒(3)，如图3所示橡皮膜(4)***套筒(3)中且橡皮膜(4)两端翻边后套在套筒(3)两端的外侧；
形状记忆合金丝(14)，多根，按套筒(3)长轴方向设置，其位于套筒(3)内壁与橡皮膜(4)外壁之间，形状记忆合金丝(14)的长度接近套筒(3)的长度，形状记忆合金丝(14)具有两种形状，变形温度时呈两端直线、中间为指定的鼓起弯曲形状，室温时呈两端直线、中间折叠直线；
第一球形颗粒(6)、第二球形颗粒(7)，能够嵌入橡皮膜(4)内壁，第一球形颗粒(6)设置有穿过球心的圆孔(13)，套筒(3)的通孔(5)位于第一球形颗粒(6)、第二球形颗粒(7)之间，当形状记忆合金丝(14)在变形温度下变形时能通过橡皮膜(4)挤压第一球形颗粒(6)、第二球形颗粒(7)；第一球形颗粒(6)和第二球形颗粒(7)的球形颗粒直径小于套筒(3)内径与形状记忆合金(14)直径之差，同时，球形颗粒直径大于套筒(3)内径与橡皮膜(4)厚度之差；
胶结体积记录装置包括：
压力隔离容器(2)，其用隔离橡胶膜隔离成第一腔室和第二腔室，第一腔室通过管路经橡皮膜(4)连通第一球形颗粒(6)的圆孔；
压力控制器，与第二腔室连通。
2.如权利要求1所述的一种纳米硅凝胶连结砂颗粒的可变胶结区成型装置，其特征是，所述形状记忆合金丝由Cu-Zn-Al制成。
3.如权利要求1所述的一种纳米硅凝胶连结砂颗粒的可变胶结区成型装置，其特征是，所述形状记忆合金丝(14)的变形温度为65℃至85℃。
4.如权利要求1所述的一种纳米硅凝胶连结砂颗粒的可变胶结区成型装置，其特征是，所述形状记忆合金丝(14)的根数大于或等于36。
5.如权利要求1所述的一种纳米硅凝胶连结砂颗粒的可变胶结区成型装置，其特征是，所述第一球形颗粒(6)和第二球形颗粒(7)直径为1mm，材料为二氧化硅。
6.一种纳米硅凝胶连结砂颗粒的可变胶结区的成型方法，包括如权利要求1-5任一项所述的纳米硅凝胶连结砂颗粒的可变胶结区成型装置，其特征是，成型方法按如下步骤：
步骤1：在室温下，将形状记忆合金丝(14)两端粘贴在套筒(3)内壁，然后将橡皮膜(4)***套筒(3)中，这时，橡皮膜(4)两端均伸出套筒(3)两端，同时，圆筒形橡皮膜(4)盖住形状记忆合金丝(14)，然后将橡皮膜(4)在套筒(3)两端的超出部分翻边套在套筒(3)两端外侧，这时，形状记忆合金丝(14)中间部分形状为折叠直线；
步骤2：恒温箱(9)中放置纳米硅溶胶溶液(15)，恒温箱(9)中调节温度为室温，然后将套筒(3)放入恒温箱(9)中；
步骤3：将第一球形颗粒(6)和第二球形颗粒(7)在纳米硅溶胶溶液(15)中塞入套筒(3)，同时两球形颗粒间留有空隙，第一球形颗粒(6)中通过球心的圆孔(13)方向与套筒(3)长轴方向保持一致，套筒(3)侧壁的圆孔(5)位于两颗粒之间；
步骤4：将压力隔离容器(2)的第一腔室(10)注满纳米硅溶胶溶液((15)并且与第一球形颗粒(6)中的圆孔(13)连接，第二腔室(11)注满水且与压力控制器连接，并使压力控制器保持当前压力不变；
步骤5：将恒温箱(9)中的纳米硅溶胶溶液(15)换为水，同时恒温箱(9)的温度上升至变形温度，促使形状记忆合金丝(14)的中部鼓起为指定形状同时挤压橡皮膜(4)，这时套筒(3)外的液体随套筒(3)侧壁的圆孔(5)进入套筒(3)和橡皮膜(4)之间的区域，同时压力控制器保持当前压力不变，通过压力隔离容器(2)吸取两个球形颗粒之间的纳米硅溶胶溶液(15)、并记录吸入纳米硅溶胶液体(15)的体积，在上述过程中两个球形颗粒的胶结区(8)在橡皮膜(4)挤压下逐渐变为指定形状；
步骤6：待第一球形颗粒(6)和第二球形颗粒间(7)的纳米硅溶胶溶液(15)转变为纳米硅凝胶后，将恒温箱(9)温度降为室温，这时形状记忆合金丝(14)中中间鼓起部分重新变为竖向线条并紧贴在套筒(3)内壁，然后将两个球形颗粒推出套筒(3)，从而获得指定胶结区形状的两个连接颗粒。
7.如权利要求6所述的一种纳米硅凝胶连结砂颗粒的可变胶结区成型装置的成型方法，其特征在于：所述步骤2中纳米硅溶胶溶液(15)用醋酸将PH值调节至5至6之间。
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