一种观测汽态水迁移的试验装置及方法与流程

本发明属于土样试验领域，涉及一种观测汽态水迁移的试验装置及方法。

背景技术：

在西北的一些干旱和半干旱地区，比如甘肃等，此地区降雨稀少，日照充足，蒸发作用强烈，蒸发量远远大于降雨量，昼夜温差大，地下水位较深，但是，在此地区发生了路基顶部含水率增加的现象。对于黄土路基而言，路基顶部含水量增加会造成路基强度的降低，路基沉缩，形成路基和基层之间的脱空，路基作为路基路面结构重要的支撑结构，路基强度降低必将影响到路面强度和稳定性，因此在此地区出现了不同程度的病害，例如出现了网状裂缝、纵横向裂缝和不均匀沉降等。西北干旱与半干旱地区因地理和气候因素，大气降雨和地下水毛细水的上升对路基顶部含水率的增加影响可以忽略。但是路基顶部含水率增加确实存在，而且影响到了路面的工作性。

目前，半刚性基层因刚度高，扩散应力强，水稳定性良好和造价低等特点被广泛应用于路面基层中。经过诸多学者分析，西北地区土体主要以非饱和土的形式存在。非饱和土三相体系中，水分子作为最为活跃的部分，常常受到自然环境的影响下，游离于固相和气相之间。当土基上存在覆盖层，尤其是公路工程中常用的半刚性路面，白天包气带的水汽被阻挡，便聚集在覆盖层下，晚上气温下降，聚集的水汽便冷凝成液态水，导致覆盖层下含水率的增大，进而造成路面病害的产生。

目前对水汽迁移的试验多为液态水迁移的研究，对于研究汽态水的迁移观测装置很少，尤其是直观的观测汽态水的迁移。但是在干旱和半干旱地区的公路工程中，汽态水迁移是含水率增加的主要原因。所以设计一种汽态水迁移的试验装置十分重要。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种观测汽态水迁移的试验装置及方法，能够实现土样的仅汽态水迁移过程，实现了汽态水迁移试验。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种观测汽态水迁移的试验装置，包括温度控制器、连接环、上位机和两根样品管；

两根样品管水平共线设置，前端相对间隙设置，连接环两端分别嵌套在两根样品管的前端；两根样品管末端分别可拆卸设置有一个控温盘，每个控温盘输入端连接有一个温度控制器输出端；两根样品管和连接环内均设置有温湿度传感器，温湿度传感器输出端与上位机输入端连接。

优选的，每根样品管及连接环上均设置有用于温湿度传感器穿过的通孔。

进一步，每根样品管设置有三个通孔，三个通孔分别位于样品管靠近两端部位及中间部位。

优选的，控温盘周面上嵌套有固定环，样品管的末端嵌套在固定环周面，通过螺钉穿过样品管与固定环连接。

优选的，两根样品管的前端均设置有纱网。

优选的，两根样品管与连接环螺纹连接。

优选的，样品管采用玻璃管。

一种基于上述任意一项所述装置的观测汽态水迁移的试验方法，包括以下步骤；

步骤一，将两种土样分别放置在两根样品管中，一种土样采用重氧水配置，另一种土样采用蒸馏水配置；将两根样品管前端通过连接环连接；

步骤二，启动两个温度控制器，控制两个控温盘温度保持不变，两个控温盘的温差为20℃-40℃；

步骤三，直到7-10天后，关闭两个温度控制器；

步骤四，重复步骤一至步骤三，改变每次试验土样的含水率和环境温度，检测在不同含水率和环境温度下，两个土样的重氧水的含量和含水率，从而得到重氧水的汽态水迁移数据。

优选的，将土样分层填筑到样品管中，样品管末端为土样底层，前端为土样顶层。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明通过控温盘对样品管进行温度的控制，能够对两个样品管的温度进行控制，从而实现在两个样品管的温差下的土样中汽态水，在两个相通的样品管间迁移，实现土样的仅汽态水迁移过程，实现了土样的汽态水迁移试验。

进一步，在两根样品管的前端设置纱网，防止样品管内的土样发生扰动，防止剥落，并且不会干扰汽态水自由进出。

本发明所述方法利用重氧水与常用蒸馏水的差异，通过控温盘对两个样品管的温度控制，从而能够直观的观测汽态水迁移的变化规律和机理。本发明有别于其他水汽迁移装置是对汽、液态水迁移规律的研究，实现了对汽态水迁移单独的、直观的观测，对于研究汽态水的迁移有极其重要的作用。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的样品管剖视图；

图3为本发明图2中a处的放大图。

其中：1-温度控制器；2-上位机；3-样品管；4-连接环；5-控温盘；6-固定环；7-温湿度传感器；8-纱网；9-通孔。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

如图1所示，本发明所述观测汽态水迁移的试验装置，包括温度控制器1、连接环4、上位机2和两根样品管3。

如图2所示，两根样品管3水平共线设置，前端相对间隙设置，两根样品管3的前端均设置有纱网8，两根样品管3均采用玻璃管，玻璃管内径为60mm，外径为70mm，壁厚为10mm，长度为110mm。

连接环4两端分别嵌套在两根样品管3的前端，连接环4内径为70mm，外径为80mm，壁厚为10mm，长度为40mm。在连接环4的中间位置有一个通孔9，与样品管3上的通孔9处于同一侧，方便温湿度传感器7安装和拆除。连接环4与两根样品管3的连接方式为螺纹连接，具体的见图3。样品管3前端，外表面需要做10mm的螺纹，两根样品管3前端周面上的螺纹相反。

两根样品管3末端分别可拆卸设置有一个控温盘5，每个控温盘5输入端连接有一个温度控制器1输出端，控温盘5内径为50mm，厚度为15mm，输入端通过传输线连接温度控制器1输出端，控温盘5周面上嵌套有固定环6，固定环6为内径为50mm，外径为60mm，厚度为10mm的钢环。在固定环6中间对称的上下两侧开有螺纹孔，半径为2.5mm，深度为5mm，样品管3的末端嵌套在固定环6周面，通过螺钉穿过样品管3与固定环6螺纹连接。

每根样品管3上均设置有三个用于温湿度传感器7穿过的通孔9，三个通孔9分别位于距样品管3前端25mm、55mm和85mm的位置，两根样品管3和连接环4内均设置有温湿度传感器7，温湿度传感器7输出端通过传感线与上位机2输入端连接。

本装置试验过程如下。

(1)试验准备阶段把试验用土制备好，配制土样之前，需要将试验用土进行烘干处理，然后再进行配制。为了能够清晰揭示汽态水迁移的现象，一种土样采用重氧水配置，另一种土样采用蒸馏水配置。

在温差以及含水率梯度的作用下，温度较高的样品管3中的高含水率土样的汽态水会穿过连接环4进入到低含水率土样的样品管3中。由于两段样品管3中各配置的土样所用的水不一样，在汽态水迁移的作用下，重氧水会渗透到低含水率的样品管3中。

(2)将配置好的两种土样按照压实度和样品管3的体积计算出每一小段样品管3试验用土的用量，分别分层填筑到样品管3中。填筑采用竖直填筑的方式，样品管3末端为土样底层，前端为土样顶层。每一次分层填筑下一层土样之前，需要对上一层土层进行拉毛处理，禁止填筑出现分层现象。并在分层填筑的过程中插入温湿度传感器7，每一个温湿度传感器7穿过通孔9，并将温湿度传感器7的放置在每一层土样中间位置。

(3)当两根有机样品管3填筑完成之后，分别用纱布将样品管3的前端进行封口。

(4)将两根样品管3水平共线放置，前端相对间隙设置，将两根样品管3利用连接环4进行连接。在连接环4中间的通孔9插入温湿度传感器7。启动两个温度控制器1，控制控温盘5的温度保持不变，两个控温盘5的温差为20℃-40℃。观测温湿度数据变化情况，当温湿度数据变化不大时，一般7-10天后，关闭两个温度控制器1。

(5)温度控制器1停止之后，利用上位机2进行土样的温湿度变化情况分析。

(6)将两段样品管3分层取出土样，用多组铝盒盛取，利用同位素质谱仪检测两根样品管3分层土样中重氧水的含量，同时利用烘干法将铝盒中两根样品管3的土样含水率测量出来，铝盒中土样的含水情况包含重氧水以及普通蒸馏水的质量，因此也可以计算出蒸馏水在两根样品管3中的迁移变化情况。由此可得在温度梯度和含水率差异的情况下，重氧水转换成汽态水迁移的情况，进而可以得出在不同条件土样汽态水迁移的变化规律。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。