[发明专利]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

说明书

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。

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。