一种测试含水多孔介质在冻融过程中水热变化特征的装置

1.一种测试含水多孔介质在冻融过程中水热变化特征的装置，是由模型外箱（1）、外箱顶盖（2）、制冷盘管（3）、第一冷浴液进口（4）、传感器引线孔（5）、外箱底座（6）、模型内箱（7）、内箱底座（8）、内箱顶盖（9）、密封环（10）、引线管（11）、紧固螺栓（12）、导液管（13）、1#冷浴（14）、2#冷浴（15）、冷浴液（16）、充填液（17）、温度传感器（18）、水分传感器（19）、水势传感器（20）、数据采集仪（21）及电子计算机（22）组成，模型外箱（1）和外箱顶盖（2）经扣件封闭后通过外箱底座（6）与地面隔开形成一个相对独立的空间环境，其特征是模型外箱（1）侧壁由两层钢板中间夹保温材料的形式构成，模型内箱（7）置于模型外箱（1）内，模型内箱（7）与模型外箱（1）之间，制冷盘管（3）以盘绕的方式置于模型外箱（1）内侧壁及底部，外侧壁分别设有第一冷浴液进口（4）、第二冷浴液进口（4′）、第一冷浴液出口（23）和第二冷浴液出口（23′），由第一冷浴液进口（4）、导液管（13）、制冷盘管（3）、1#冷浴（14）和第一冷浴液出口（23）进行冷浴液（16）循环，同样，由第二冷浴液进口（4′）、导液管（13）、制冷盘管（3）、2#冷浴（15）和第二冷浴液出口（23′）进行冷浴液（16）循环；模型内箱（7）座落在模型外箱（1）内底部的内箱底座（8）上，模型内箱（7）装有试样，在试样中分别放置温度传感器（18）、水分传感器（19）和水势传感器（20），模型外箱（1）和模型内箱（7）之间灌注充填液（17），模型内箱（7）通过内箱顶盖（9）和密封环（10）进行密封，再由紧固螺栓（12）紧固，传感器引线通过设置在内箱顶盖（9）上的引线管（11）引至模型内箱（7）外，再通过设置在外箱顶盖（2）的传感器引线孔（5）引出模型外箱（1），与数据采集仪（21）相连，数据采集仪（21）通过导线与电子计算机（22）相连。

一种测试含水多孔介质在冻融过程中水热变化特征的装置\n技术领域\n[0001] 本发明涉及一种试验测试装置，具体是指一种测试含水多孔介质在冻融过程中水热变化特征的装置。利用本装置可实现对试样的整体控温及快速冻融，能有效测量试样在冻融过程中的水热特征要素，如温度、体积未冻水含量和基质吸力等的变化测试，是研究含水多孔介质的冻融水热变化特征及冻融水分特征曲线的有效装置。\n背景技术\n[0002] 冻融试验在材料抗冻性检测、冻土区工程结构基础冻胀预测、新药品包装和运输等领域有着非常广泛的应用背景。考虑到现场实地观测周期长、不确定性因素多、成本高等特点，室内冻融试验成为了研究样本冻融过程及特点的主要手段。包括土壤在内的多孔介质当其孔隙中有液态水存在时就会在降温冻结过程产生冻胀现象，而在升温融化过程中又会出现融沉现象，这都会给农业生产和工程结构带来严重的灾害，加之我国的冻土面积非常广泛，陈博和李建平在2008年发表于《大气科学》第32卷第3期的《近50年来中国季节性冻土与短时冻土的时空变化特征》一文中指出“在我国, 冻土也有广泛的分布, 季节性冻土和多年冻土影响的面积约占中国陆地总面积的70%  , 如果算上短时冻土其面积则要占到\n90%左右, 其中多年冻土约占22. 3%  , 冻土对我国人民生活和经济建设有着举足轻重的影响。”因此开展包括土壤在内的含水多孔介质的冻融试验研究工作是十分必要的，揭示多孔介质在冻融过程中的水热变化规律及机理，无论是对冻土区农业生产还是工程建设都会起到有益的指导性作用。\n[0003] 含水多孔介质在冻融循环过程中水热特征参数的变化是造成其产生冻胀和融沉的关键因素，水热特征参数的获取需要有效的测量工具和完整的试验系统。目前国外对冻融循环过程中水分特征曲线的研究普遍采取的是与非饱和多孔介质干湿循环类比的办法，认为含水多孔介质的冻结和融化过程与脱湿和吸湿过程有一定的类同性，只是脱湿和吸湿过程中土孔隙中的气体被冻融过程中固态冰部分或全部代替（参见Tezera F. Azmatch  , David C. Sego  , Lukas U. Arenson  , Kevin W. Biggar. Using soil freezing characteristic curve to estimate the hydraulic conductivity function of partially frozen soils[J]. Cold Regions Science and Technology, 2012, 83–84, \n103–109），这样一来省去了冻融特征参数的直接测量，将非饱和多孔介质力学中已经成熟的水分特征理论直接用于冻融过程中的水分特征的研究。国内近年来也开始运用新型测试工具对冻融过程中水分特征参数进行尝试性测试试验（参见温智, 马巍, 薛珂, 张明礼, 俞祁浩. 基于pFmeter 基质势传感器的冻土水分迁移研究[J]. 土壤通报, 2014, 45(2): \n370-375）。从总体来说，冻融循环与干湿循环的类同性是经过了试验验证而毋庸置疑的，但是两者之间的区别也是显而易见的，含水多孔介质的冻结和融化不仅涉及水分的相变问题，而且往往伴随着水分和溶质运移过程，这样出现的水分重分布及不均匀将导致基质吸力在不同位置有很大差异，吸湿和脱湿中并不存在这一现象，当然还有干湿循环过程中滞后效应产生的机理与冻融过程中滞后效应机理存在较大区别，比如冻融过程中除“墨水瓶”等效应外，水的过冷现象也会导致冻结和融化曲线的不一致。这就充分说明单靠与干湿循环过程的类比方法研究多孔介质冻融过程中水分特征是远远不够的。\n[0004] 因此，为了摆脱冻融过程中水分特征研究对干湿过程水分特征的过分依赖性，实现对冻融过程水热特征参数（温度、体积未冻水含量、基质吸力）的直接有效测量，完善冻融特征参数的测试，设计一整套能实现获取含水多孔介质冻融水分特征的试验装置是非常有必要的，对冻土区农业生产和工程建设的科研和实践工作具有重要的推动作用。\n发明内容\n[0005] 针对上述问题，为实现对冻融过程水热特征参数（温度、体积未冻水含量、基质吸力等）的直接测量，本发明的目的旨在提供一种测试含水多孔介质在冻融过程中水热变化特征的装置，可以监测含水多孔介质在冻融过程中水热特征参数的变化规律及趋势，并能够通过试验数据获取冻融过程中的水分特征曲线。\n[0006] 为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：\n[0007] 一种测试含水多孔介质在冻融过程中水热变化特征的装置，是由模型外箱、外箱顶盖、制冷盘管、冷浴液接口、传感器引线孔、外箱底座、模型内箱、内箱底座、内箱顶盖、密封环、引线管、紧固螺栓、导液管、1#冷浴、2#冷浴、冷浴液、充填液、温度传感器、水分传感器、水势传感器、数据采集仪及电子计算机组成。模型外箱和外箱顶盖经扣件封闭后通过外箱底座与地面隔开形成一个相对独立的空间环境。模型外箱侧壁由两层钢板中间夹保温材料的形式构成，模型内箱置于模型外箱内，模型内箱与模型外箱之间，制冷盘管以盘绕的方式置于模型外箱内侧壁及底部，外侧壁分别设有第一冷浴液进口、第二冷浴液进口、第一冷浴液出口和第二冷浴液出口，由第一冷浴液进口、导液管、制冷盘管、1#冷浴和第一冷浴液出口进行冷浴液循环，同样，由第二冷浴液进口、导液管、制冷盘管、2#冷浴和第二冷浴液出口进行冷浴液循环；模型内箱座落在模型外箱内底部的内箱底座上，模型内箱装有试样，在试样中分别放置温度传感器、水分传感器和水势传感器，模型外箱和模型内箱之间灌注充填液，模型内箱通过内箱顶盖和密封环进行密封，再由紧固螺栓紧固，传感器引线通过设置在内箱顶盖上的引线管引至模型内箱外，再通过设置在外箱顶盖的传感器引线孔引出模型外箱，与数据采集仪相连，数据采集仪通过导线与电子计算机相连。\n[0008] 本发明的主要优点和产生的有益效果是：\n[0009] 1、本发明通过整体控温方式，结合现有传感器技术，直接测量含水多孔介质在冻融过程中的水热特征要素（温度、体积未冻水含量和基质吸力等），进而通过实验数据直接绘制水分特征曲线。从而避免了通过类比干湿过程土水特征曲线而间接获取冻融过程土水特征曲线产生的不必要的误差，为直接获取冻融过程含水多孔介质土水特征曲线找到了新的方法突破口。\n[0010] 2、本发明采取内外模型箱双层体系，利用外模型箱保温，通过外模型箱内侧壁及底部设置的制冷盘管和外部连的通两台冷浴进行控温和整体升温或降温，内外模型箱夹层中的充填液可为酒精、或煤油、或乙二醇等低凝固点液体以提高控温精度及保证恒温效果，使得整个冻融试验系统具有工作稳定，控温精度高，整体升降温速度快的特点。\n[0011] 3、本发明采取的是整体式升降温的控温方式，不设温度梯度，有效控制了试验过程中测试参数的影响因子数目，简化了数据分析过程，保证了试验结果的可控性。\n[0012] 4、本发明可适应多种含水多孔介质在冻融过程中的水热特征测试试验，可根据不同的试验要求选取传感器类型和个数，适用范围广、可开发程度高。\n[0013] 5、本发明还具有工作原理明确、测试全面、易于操作等优点。\n附图说明\n[0014] 图1是本发明的结构示意图。\n[0015] 图2是本发明实测土样的分阶段控温曲线。\n[0016] 图3是本发明实测土样体积未冻水含量与温度关系曲线。\n[0017] 图4是本发明实测土样基质吸力与体积未冻水含量关系曲线。\n具体实施方式\n[0018] 下面结合附图，对本发明再做进一步的说明：\n[0019] 如图1所示，一种测试含水多孔介质在冻融过程中水热变化特征的装置，是由模型外箱1、外箱顶盖2、制冷盘管3、第一冷浴液进口4、传感器引线孔5、外箱底座6、模型内箱7、内箱底座8、内箱顶盖9、密封环10、引线管11、紧固螺栓12、导液管13、1#冷浴14、2#冷浴15、冷浴液16、充填液17、温度传感器18、水分传感器19、水势传感器20、数据采集仪21及电子计算机22组成。模型内箱7和模型外箱1可为长方体或圆柱体。长方体各边长和圆柱体直径和高不小于0.60 m，模型内箱7内部各边长和圆柱体直径和高为0.15 m～0.45 m，模型外箱1和模型内箱7的壁厚介于2mm～5mm之间。模型外箱1和外箱顶盖2经扣件封闭后通过外箱底座6与地面隔开形成一个相对独立的空间环境，模型外箱1侧壁由两层钢板中间夹PVC保温材料。模型内箱7置于模型外箱1内，模型内箱7与模型外箱1之间，制冷盘管3以盘绕的方式置于模型外箱1内侧壁及底部，制冷盘管3可为铜、或铝导热性良好的金属管材，管壁厚为1 mm-3 mm，内径为8 mm-15 mm，管与管之间的轴线间距≤20 mm。外侧壁分别设有第一冷浴液进口4、第二冷浴液进口4′、第一冷浴液出口23和第二冷浴液出口23′，由第一冷浴液进口4、导液管13、制冷盘管3、1#冷浴14和第一冷浴液出口23进行冷浴液16循环，同样，由第二冷浴液进口4′、导液管13、制冷盘管3、2#冷浴15和第二冷浴液出口23′进行冷浴液16循环，用冷浴液16进行循环制冷或制热。模型内箱7座落在模型外箱1内底部的内箱底座8上，模型内箱\n7装有试样，在试样中分别放置温度传感器18、水分传感器19和水势传感器20，模型外箱1和模型内箱7之间灌注充填液17以保证控温效果。充填液17为酒精、或煤油、或乙二醇低凝固点液体。模型内箱7通过内箱顶盖9和密封环10进行密封，再由紧固螺栓12紧固，以保证控温效果传感器引线通过设置在内箱顶盖9上的引线管11引至模型内箱7外，再通过设置在外箱顶盖2的传感器引线孔5引出模型外箱1，与数据采集仪21相连，数据采集仪21通过导线与电子计算机22相连，完成数据自动采集。\n[0020] 实施过程中，首先根据试验方案在模型内箱7中装好所需试样，同时将温度传感器\n18、水分传感器19和水势传感器20布设在测试点位处，在箱口凹槽内放好密封环10，再将内箱顶盖9贴紧密封环10盖好，并将传感器引线从内箱顶盖9上部的引线管11引出，然后用紧固螺栓将内箱顶盖9与模型内箱7紧固为一体。接下来将内箱底座8放入模型外箱1底部，调整好位置后把紧固密封好的模型内箱7连同内部试样及传感器放置在内箱底座8之上，并将传感器引线从外箱顶盖2上的传感器引线孔引出，引出后与数据采集仪21相连，数据采集仪\n21接电源，并通过电子计算机22完成数据自动采集。1#冷浴14和2#冷浴15通过导液管13与模型外箱1左右侧壁的冷浴液接口相连接，试验开始后开启外部冷浴，冷浴液16通过冷浴液接口进入制冷盘管3循环制冷或制热。内外模型箱夹层空间充填酒精、或煤油、或乙二醇等低凝固点液体作为充填液17以提高控温精度和恒温效果。\n[0021] 测试实例\n[0022] 土壤是最为典型的多孔介质体系，其水分特征曲线也被称为土-水特征曲线（SWCC），它表征的是土体中基质吸力与含水量之间的本构关系。本试验土样采自青藏铁路沿线的多年冻土区，为粉质粘土，具有较高的冻胀敏感性。筛选粒径范围d≤2 mm的土样进行冻结试验，筛选后的土样不均匀系数为15.75。\n[0023] 冻结试验所采用的模型内箱的尺寸为0.40m×0.30m×0.30m（长、宽、高），其中所装土样尺寸为0.40m×0.30m×0.28m（长、宽、高），高度方向预留了2cm的冻胀空间，土样初始体积含水量33.2%。首先将土样进行1℃恒温，使其内部温度均匀分布后，对土样进行分阶段逐级降温，降温速率为0.25℃/h进行冻结试验。数据采集时间间隔为10分钟，试验主要对土样的温度、体积未冻水含量、基质吸力等要素进行了测试。\n[0024] 图2给出了土样在冻结过程中的控温曲线，从图2可以看出：控温曲线呈阶梯形变化，即在每一级降温后让温度保持一定时间的稳定过程，然后进行下一级降温。温度是表征土体中热量传递和分布的最为直接的依据，这一曲线充分体现了试验过程中分阶段逐级降温的过程和温度变化特征。\n[0025] 图3给出了土样在冻结过程中体积未冻水含量与温度的关系，该曲线包含了土样在冻结过程中的温度和体积未冻水含量两个参数的变化及其之间的相互关系，可有效反映土体在冻结过程中的水分随温度的变化特性。具体表现为土体在冻结过程中随着温度的降低，体积未冻水含量有规律地减少，但是由于颗粒表面能的作用，在负温条件下总是存在着一定数量的水分处于未冻结状态，称之为残余含水量。已有研究表明：土在冻融过程中由于水分的汽化值很小是可以忽略不计的，因此总含水量被认为是一个恒定值θ（一般指的是初始含水量），并且等于未冻水（液态水）含量θw=n(1-Si)和已冻水（固态冰）含量θi=nSi之和，其中n 为土样的孔隙率，Si指的是固态冰相对液态水含量的比值，这样通过以上关系式可以由未冻水含量计算得到含冰量。当然含冰量也是土体冻融过程中水分特征的一部分，更是计算土体冻胀的关键变量。\n[0026] 图4反映了体积未冻水含量与基质吸力之间的关系，也即冻融过程中的土-水特征曲线。具体表现为基质吸力随着体积未冻水含量的变化存在三个阶段。第一阶段为重力水冻结，基质吸力基本保持不变或变化很小，这是因为土体处于饱和阶段，对土中水分无吸力作用；第二阶段为毛细水冻结阶段，基质吸力先有一个急剧增大过程，达到一定临界值后缓慢增大，这一阶段是毛细吸力作用阶段；第三阶段是吸附水冻结阶段，基质吸力再一次急剧增大，这一阶段是土颗粒吸附作用阶段，含水量减小需要克服比毛细力更为强烈的吸附力。\n该土-水特征曲线为土体在冻融过程中的水分特征及水热变化规律研究提供了最为直接的依据。\n[0027] 以上试验结果表明该试验系统能够简单、准确地测试试样在冻融过程中温度、体积未冻水含量、基质吸力等关键要素的变化特征，进而准确反映获得试样在冻融过程中的水分特征曲线，从而，利用冻融过程中的水分特征曲线，为冻土工程建设起到有益的指导性作用。