一种土壤接触角测试装置及方法与流程

本发明涉及土壤检测技术领域，涉及土壤接触角的测试，具体涉及一种土壤接触角测试装置及方法。

背景技术

在岩土工程界中，岩石与土的湿润性和毛细作用是两种重要的性质，并且这两种性质在工程界的应用也十分广泛，如湿润性在石油、天然气开采中的应用，毛细作用在边坡防护、地基处理中的应用。因此，测量土壤接触角，对评价土壤的湿润性和毛细作用有着重要的意义。

目前在石油、化工等领域，接触角的直接测量方法如利用液滴直接滴在试样表面进行拍照计算或者间接测量方法如利用已知接触角材料等效计算等。但由于土壤是一种固、液、气组成的三相多孔材料，其空隙较多，容易浸润，现有的测试装置及方法对土壤的接触角测量结果并不准确。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的不足，本发明的目的在于，提供一种土壤接触角测试装置及方法，以解决现有技术中的无法准确测量土壤接触角的问题。

为了解决上述技术问题，本申请采用如下技术方案予以实现：

一种土壤接触角测试装置，包括机架、安装在机架底部的支撑足和安装于机架顶部的横梁，还包括安装于横梁上的吊样组件、安装于机架内侧的测样组件和安装于机架上的拍照组件；

所述的吊样组件包括安装于所述的横梁上的升降电机、安装于所述的升降电机下端的升降杆、安装于所述的升降杆下端的环刀卡槽和安装于所述的环刀卡槽末端的环刀；

所述的测样组件包括放置于机架内侧的测样平台和放置在所述的测样平台上的水皿；

所述的拍摄组件包括安装在机架侧面的摄像平台和安装在摄像平台上的摄像机。

本发明还保护一种土壤接触角测试方法，该方法使用如上所述的土壤接触角测试装置。

本发明还具有如下技术特征：

具体的，所述的所述的吊样组件还包括套接于所述的升降杆外的限位环和限位环固定杆，所述的限位环通过限位环固定杆安装于所述的横梁上；

所述的升降杆和升降电机之间还安装有吊线和万向水平器，所述的吊线一端连接并缠绕在升降电机输出轴上，另一端固接万向水平器，所述的万向水平器安装于所述的升降杆顶端。

具体的，所述的环刀末端开有圆柱形内孔。

具体的，所述的支撑足高度可调。

具体的，所述的摄像平台高度可调，所述的摄像机至少设置一台，摄像机镜头中轴平行并朝向水皿。

具体的，所述的水皿由透明材料制作。

具体的，该方法包括以下步骤：

步骤一，制备土壤试样，将环刀从环刀卡槽取下，并在其内侧涂抹凡士林，将待测接触角的土壤试样压实制备为直径和长度均同环刀内孔直径的圆柱形试样，并在试样侧面涂抹凡士林，将试样安装入环刀内，试样表面与环刀内孔末端平齐；

步骤二，测试装置初始化，调整支撑足高度，使万向水平器中气泡处于中心位置，调节环刀的高度，使环刀底部能高于水皿上沿，向水皿中注入满水，调整摄像摄像平台高度，保证摄像机中轴平行水皿中的水面；

步骤三，测试并拍照，打开摄像机进行实时拍照记录，然后打开升降电机的开关，使试样充分接触水面，再控制升降电机匀速反转，使环刀匀速上升并最终与水面分离；

步骤四，接触角标定及计算，从摄像机的记录照片中截取液桥照片，然后分别对液桥界面上水与土壤试样表面的接触点做切线，并测量切线与水平线间的夹角，该夹角即为所求的接触角，最后对所得接触角值取平均值，得到最终接触角值。

本发明与现有技术相比，有益的技术效果是：

(ⅰ)本发明的土壤接触角测试装置及方法通过制备试样，接触水面，然后拉出液桥的方式，避免了水滴浸润土壤导致的接触角测试不准确的问题，提高了测试精度；

(ⅱ)本发明的土壤接触角测试装置及方法与传统方法及设备相比，具有操作简单，设备维护要求低，便于携带，测量结果更加直接；

(ⅲ)本发明的土壤接触角测试装置及方法还可以适用于其他固体-液体接触角的测量，适用范围广泛，易于推广使用。

附图说明

图1是本发明的测试装置实务整体结构示意图；

图2是本发明的测试装置的左视结构示意图；

图3是本发明的环刀的结构示意图；

图4是本发明的接触角测试方法详细流程；

图5是本发明环刀下端浸入水中的示意图；

图6是本发明环刀向上提起时液桥的示意图；

图7是本发明环刀中土样与水分离前液桥的示意图；

图8是本发明环刀中土样与水分离后的示意图；

图中各个标号的含义为：1-机架，2-支撑足，3-横梁，4-吊样组件，5-测样组件，6-拍照组件，41-升降电机，42-升降杆，43-环刀卡槽，44-环刀，45-限位环，46-限位环固定杆，47-吊线，48-万向水平器，51-测样平台，52-水皿，61-摄像平台，62-摄像机。

以下结合实施例对本发明的具体内容作进一步详细解释说明。

具体实施方式

遵从上述技术方案，以下给出本发明的具体实施例，需要说明的是本发明并不局限于以下具体实施例，凡在本申请技术方案基础上做的等同变换均落入本发明的保护范围。下面结合实施例对本发明做进一步详细说明。

实施例：

本实施例给出一种土壤接触角测试装置，如图1至图8所示，包括长方体结构的机架1、安装在机架1底部的支撑足2和安装于机架1顶部的横梁3，安装于横梁3上的吊样组件4、安装于机架1内侧的测样组件5和安装于机架上的拍照组件6；

所述的吊样组件4包括安装于所述的横梁3上的升降电机41、安装于所述的升降电机41下端的升降杆42、安装于所述的升降杆42下端的环刀卡槽43和安装于所述的环刀卡槽43末端的环刀44；

所述的测样组件5包括放置于机架1内侧的测样平台51和放置在所述的测样平台51上的水皿52；

所述的拍摄组件6包括安装在机架1侧面的摄像平台61和安装在摄像平台61上的摄像机62。

本实施例还给出一种土壤接触角测试方法，该方法使用如上所述的土壤接触角测试装置。

作为本实施例的土壤接触角测试装置的一种具体方案，本实施例的吊样组件4还包括套接于所述的升降杆42外的限位环45和限位环固定杆46，所述的限位环45通过限位环固定杆46安装于所述的横梁3上；

所述的升降杆42和升降电机41之间还安装有吊线47和万向水平器48，所述的吊线47一端连接并缠绕在升降电机41输出轴上，另一端固接万向水平器48，所述的万向水平器48安装于所述的升降杆42。

作为本实施例的土壤接触角测试装置的一种具体方案，本实施例的环刀44末端开有圆柱形内孔。

作为本实施例的土壤接触角测试装置的一种具体方案，本实施例的支撑足2高度可调。

作为本实施例的土壤接触角测试装置的一种优选方案，本实施例的摄像平台61高度可调，所述的摄像机62在机架1四侧面各设置一台，摄像机62镜头中轴平行并朝向水皿52。

作为本实施例的土壤接触角测试装置的一种优选方案，本实施例的轮座41和叶片42由可释放铁离子的普通铁碳填料高温烘烧后经压模一体成型。

作为本实施例的土壤接触角测试装置的一种具体方案，本实施例的水皿52由透明材料制作。

作为本实施例的土壤接触角测试方法的一种具体方案，本实施例的土壤接触角测试方法包括以下步骤：

步骤一，制备土壤试样，将环刀44从环刀卡槽43取下，并在其内侧涂抹凡士林，将待测接触角的土壤试样压实制备为直径和长度均同环刀44内孔直径的圆柱形试样，并在试样侧面涂抹凡士林，将试样安装入环刀44内，试样表面与环刀44内孔末端平齐；

步骤二，测试装置初始化，调整支撑足2高度，使万向水平器48中气泡处于中心位置，调节环刀44的高度，使环刀43底部能高于水皿52上沿，向水皿52中注入满水，调整摄像摄像平台61高度，保证摄像机62中轴平行水皿52中的水面；

步骤三，测试并拍照，打开摄像机62进行实时拍照记录，然后打开升降电机41的开关，使试样充分接触水面，再控制升降电机41匀速反转，使环刀44匀速上升并最终与水面分离；

步骤四，接触角标定及计算，从摄像机62的记录照片中截取液桥照片，然后分别对液桥界面上水与土壤试样表面的接触点做切线，并测量切线与水平线间的夹角，该夹角即为所求的接触角，最后对所得接触角值取平均值，得到最终接触角值。

本发明的测试装置及方法尤其针对和适用于孔隙率较大或有浸润性的土壤试样的土壤接触角的测试中。利用现有技术在测试孔隙率较大或有浸润性的土壤试样的接触角时，如利用躺滴法进行测试时，水滴在试样表面停留时间非常短，多数不足百分之一秒，甚至更短的时间。由于液滴停留时间过短，给测试造成很大困难，同时难以保证测试精度，甚至多数孔隙率较大或有浸润性的土壤试样无法用如躺滴法的现有技术进行土壤接触角的测试。本发明的测试装置首创提出了利用土壤上提拉出液桥，进而对液桥的切角进行测试，以测定土壤接触角的方法和装置，对孔隙率较大或有浸润性的土壤试样同样能进行测试，并且具有良好的测试一致性和准确性。更进一步的，本发明的测试装置及方法也适用于其他孔隙率较小或不具有浸润性的材料，如岩石、矿物、橡胶、混凝土等的接触角的测试。