[发明专利]粘土材料均匀湿化装置

说明书

本发明广泛适用于土木工程、岩土工程、放射化学等研究领域，为粘土材料均匀湿化装置，由搅拌桶、活塞、搅拌器三大结构组成，搅拌桶包括内、外双层套筒及液氮注入漏斗，活塞由活塞轴、活塞空腔、活塞头及雾化喷头构成，搅拌器包含电机、搅拌轴、叶轮及螺纹丝杠升降平台；搅拌桶由内、外双层套筒构成，外层套筒内部为空腔结构，空腔两侧分别连接液氮注入口和排气口，外层套筒设计有排气口：搅拌器、活塞装置分别通过搅拌轴、活塞卡槽与内层套筒盖连接固定，并通过内层套筒盖上方的电机与螺纹丝杠升降平台连接。本发明结构简单、操作简便、易于拆洗，安全风险低。

技术领域

本发明涉及一种粘土均匀湿化装置，广泛适用于土木工程、岩土工程、放射化学等研究领域。

背景技术

膨润土等粘土材料具有极低的渗透性能，较强的吸水膨胀性及较高的塑限，是放射性废物处置、岩土工程、水利工程等领域中重要的缓冲/回填材料。在工程应用中，通常将一定的水分添加到粘土材料中，通过液-固直接混合的方法进行土体的湿化，虽然该方法具有操作简单的特点，但由于膨润土等材料极强的塑性，导致土-水直接混合过程中无法实现均匀湿化，湿化样品往往存在含水率、干密度及团聚体粒径均一化程度较低，土体大量粘附于制备容器侧边等问题。根据土工实验标准，利用静置过夜的方法能够一定程度上提高土体含水率分布的均一性，但实际效果不显著。因此，土-水直接混合法不可避免地造成湿化土体物理及工程性质上的差异。与此同时，在核环境科学核素迁移等研究领域中，对湿化土体的均一性提出了更高的要求，且均一性标准随着样品尺度的减小而提高。

目前，针对粘土湿化，仍主要采用土-水直接混合的方法，实验室多采用喷雾法对少量的粘土进行缓慢的加水搅拌。但该方法难以满足短时间内、拌和大量土体的要求，且无法克服土-水混合过程中水分分布不均的问题，仍将产生大量的球状团聚体。Kobayashi等提出了采用以水的固体冰粉形式加入粘土中进行混合调配的方法，认为利用固-固混合的均一性远远大于固-液混合方式，能够有效减少团聚体结构，提高水分分布的均一性。针对该项技术，目前国内仅有兰州大学对其进行了研究，但并未研发相关的湿化装置，主要采取在-25℃低温室中依次进行冰粉制备-冰粉转移-土冰人工混合操作，该过程中通过碎冰机制备冰粉工序烦琐，低温室建造及冰粉制备环节投入成本高、人员操作安全风险大，且人工无法有效控制拌和的均匀性。针对以上问题，当前实验研究及工程作业中需要一种一体化的、能够同步实现冰晶制备及低温搅拌的粘土湿化装置。

发明内容

发明目的：本发明的目的是实现不同含水率的、水分与颗粒分布均一的湿化粘土的制备。结构简单、操作简便、易于拆洗，安全风险低。

技术方案：由搅拌桶、活塞、搅拌器三大结构组成，搅拌桶包括内、外双层套筒及液氮注入漏斗，活塞由活塞轴、活塞空腔、活塞头及雾化喷头构成，搅拌器包含电机、搅拌轴、叶轮及螺纹丝杠升降平台；搅拌桶由内、外双层套筒构成，外层套筒内部为空腔结构，空腔两侧分别连接液氮注入口和排气口，外层套筒设计有排气口：搅拌器、活塞装置分别通过搅拌轴、活塞卡槽与内层套筒盖连接固定，并通过内层套筒盖上方的电机与螺纹丝杠升降平台连接。

本发明整套装置由搅拌桶、活塞、搅拌器三大结构组成，其中搅拌桶主要包括内、外双层套筒及液氮注入漏斗等，活塞主要由活塞轴、活塞空腔、活塞头及雾化喷头等构成，搅拌器主要包含电机、搅拌轴、叶轮及螺纹丝杠升降平台等（见图1）。以上部件可实现如下的功能：

(1)均匀液滴的制备：根据土体的目标含水率定量称量水体，将其注入活塞空腔，以活塞刻度为基准手动匀速推动活塞轴，水体通过雾化喷头形成均匀液滴，并可通过调节流量控制旋钮控制雾滴大小。该过程一方面通过定量加水量来精确控制土体的终点含水率，另一方面通过对喷雾流量的控制实现了对搅拌进程及搅拌均匀性的控制。