一种提取黏土颗粒的装置及提取方法
本发明属于岩土工程技术领域，具体涉及一种提取黏土颗粒的装置及提取方法。
背景技术：
随着近年来人类工事活动的增加，与之相关的工程事故也频频发生，其中不乏岩土工程领域的工程事故，而岩土工程领域的基础就是对土的研究。不同地区土的工程特性具有明显差异，导致差异的原因之一就在于土中黏土颗粒含量不同。黏土颗粒含量的多寡可以改变土颗粒之间的接触方式和孔径分布，进而对土的工程力学特性造成影响。因此，准确有效的提取土壤中的黏土颗粒能够加强对不同种类土工程力学特性的认识，从而对正确指导工程实践具有重要意义。
技术实现要素：
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种提取黏土颗粒的装置。该装置结构简单，设计合理，通过设置螺旋搅拌器可以同时实现土壤溶液的旋转搅拌和上下搅拌，使土壤溶液各粒径土颗粒分布更加均匀；同时螺旋搅拌器的圆管设置有刻度线，使得溶液提取精准固定，减少了人为操作误差，试验结果具有较高的可重复性；螺旋搅拌器通过设置上端敞开中空圆管，使得搅拌器增加了吸取溶液的功能，圆管底部封闭并在圆管侧壁开设小孔，避免了分选界面处产生紊流运动，从而减少了对粉粒的吸取，提高了黏土颗粒提取的纯度。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种提取黏土颗粒的装置，其特征在于，包括螺旋搅拌器、塞子和上端敞开的筒体，所述筒体的侧壁透明，所述塞子设置于筒体开口处，塞子中心开设有通孔，所述螺旋搅拌器的底部穿过所述通孔伸入筒体内，所述螺旋搅拌器包括侧壁透明的圆管和设置于圆管外壁的外螺纹，所述圆管为上端敞开且底部封闭的中空圆管，圆管底部安装有叶片，圆管侧壁开设有小孔，圆管上设置有刻度线，所述通孔的孔壁设置有与所述外螺纹相配合的内螺纹。
上述的一种提取黏土颗粒的装置，其特征在于，所述圆管的上部设置有两个阻挡件，圆管上部且位于两个阻挡件之间套设有握筒。
上述的一种提取黏土颗粒的装置，其特征在于，所述小孔的数量为多个，多个小孔沿圆管的轴向均匀分布。
另外，本发明还提供了一种采用上述装置提取黏土颗粒的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、将待提取土样烘干，将分散剂、蒸馏水和烘干的土样混合后浸润，将浸润后的混合物加热煮沸，得到分散后土样溶液；
步骤二、将分散后土样溶液过筛，将筛下物置于权利要求1所述装置的筒体中，加蒸馏水至1000ml，安装好塞子和螺旋搅拌器；
步骤三、利用螺旋搅拌器将筒体中溶液搅拌均匀；
步骤四、根据斯托克斯公式：
步骤五、观察装置内圆管的刻度线，将螺旋搅拌器底部调整至距离筒体上层液面30cm处，将吸管与圆管顶端相连，将所需静置t时间后的筒体中的上层30cm溶液从圆管对应小孔内壁吸出后烘干，再向筒体中加蒸馏水至1000ml；
步骤六、重复步骤三至步骤五，直至筒体中的上层30cm溶液澄清。
上述的方法，其特征在于，步骤一中所述分散剂为六偏磷酸钠，分散剂与烘干的土样的质量比为1：(30～40)。
上述的方法，其特征在于，步骤一中所述浸润的时间不少于24h。
上述的方法，其特征在于，步骤一中所述煮沸的时间不少于0.5h。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、本发明相较于传统提取黏土颗粒方法在溶液制备过程中增加了加热煮沸流程，大幅度减小黏土颗粒的电化学团聚特性，使得溶液中黏土颗粒更加分散，增加了黏土颗粒的提取量；
2、本发明将土水混合溶液提取深度由传统方法中的10cm增加为30cm，从而增加每次溶液的提取量，减少了提取次数，缩短操作流程所需时间，提高了黏土颗粒的提取效率；
3、本发明的装置结构简单，设计合理，通过设置螺旋搅拌器可以同时实现土壤溶液的旋转搅拌和上下搅拌，使土壤溶液各粒径土颗粒分布更加均匀；
4、本发明的螺旋搅拌器通过设置上端敞开中空圆管，使得搅拌器增加了吸取溶液的功能，圆管底部封闭并在圆管侧壁开设小孔，避免了分选界面处产生紊流运动，从而减少了对粉粒的吸取，提高了黏土颗粒提取的纯度；
5、本发明的螺旋搅拌器的圆管设置有刻度线，使得溶液提取精准固定，避免了人为操作误差，从而使试验结果具有较高的可重复性。
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。
附图说明
图1为本发明装置的结构示意图。
图2为本发明螺旋搅拌器的结构示意图。
图3为传统方法与本发明方法作用下的黏粒提取理论含量的柱状图。
图4为传统方法与本发明方法作用下的黏粒提取纯度的柱状图。
附图标记说明：
1—螺旋搅拌器；1-1—圆管；1-2—叶片；
1-3—小孔；1-4—外螺纹；1-5—阻挡件；
2—握筒；3—塞子；4—筒体。
具体实施方式
实施例1
如图1和图2所示，本实施例的提取黏土颗粒的装置，包括螺旋搅拌器1、塞子3和上端敞开的筒体4，所述筒体4的侧壁透明，所述塞子3设置于筒体4开口处，塞子3中心开设有通孔，所述螺旋搅拌器1的底部穿过所述通孔伸入筒体4内，所述螺旋搅拌器1包括侧壁透明的圆管1-1和设置于圆管1-1外壁的外螺纹1-4，所述圆管1-1为上端敞开且底部封闭的中空圆管，圆管1-1底部安装有叶片1-2，圆管1-1侧壁开设有小孔1-3，圆管1-1上设置有刻度线，所述通孔的孔壁设置有与所述外螺纹1-4相配合的内螺纹。
本实施例中，所述圆管1-1的上部设置有两个阻挡件1-5，圆管1-1上部且位于两个阻挡件1-5之间套设有握筒2，握筒2的内径略大于螺旋搅拌器1上部的直径，阻挡件1-5可以确保握筒2与螺旋搅拌器1不会脱离。
本实施例中，筒体4可直接采用量筒，容量为1000ml。
本实施例中，所述小孔1-3的数量为多个，多个小孔1-3沿圆管1-1的轴向均匀分布。
实施例2
采用实施例1所述装置提取黏土颗粒的方法，包括以下步骤：
步骤一、将待提取土样烘干，将1.5g分散剂六偏磷酸钠、200ml蒸馏水和50g烘干的土样混合后浸润24h以上，将浸润后的混合物加热煮沸，煮沸的时间不少于0.5h，得到分散后土样溶液；
其中，分散剂与烘干的土样的质量比保持在1：(30～40)即可；
步骤二、将分散后土样溶液过筛，将筛下物置于权利要求1所述装置的筒体4中，加蒸馏水至1000ml，安装好塞子3和螺旋搅拌器1；
步骤三、利用螺旋搅拌器1将筒体4中溶液搅拌均匀；
步骤四、根据斯托克斯公式：
本实施例中，黏土颗粒粒径大小d为0.002mm，k为0.01254，l为30cm，代入斯托克斯公式，计算得到t＝1179min；
步骤五、观察装置内圆管1-1的刻度线，将螺旋搅拌器1底部调整至距离筒体4上层液面30cm处，将吸管与圆管1-1顶端相连，将所需静置t时间后的筒体4中的上层30cm溶液从圆管1-1对应小孔1-3内壁吸出后烘干，再向筒体4中加蒸馏水至1000ml；
步骤六、重复步骤三至步骤五，直至筒体4中的上层30cm溶液澄清。
本发明的实验原理为：重力作用下，静水中不同粒径大小的颗粒具有不同的沉降速率，而土颗粒正是根据其本身的粒径大小进行分类，所以可以利用静水沉降的方法分选出粒径较小的黏土颗粒。
实验依据：斯托克斯沉速公式
假定：①土颗粒均为球粒，表面光滑，密度相同；
②土颗粒相互间不受干扰，自由沉降且不存在紊流运动。
满足以上假定条件下，土颗粒在恒温静水中下沉速率与颗粒粒径的平方成正比，用公式表示为：
采用本发明的装置及方法对5组烘干土样进行黏土颗粒提取试验，并采用传统方法作为对照试验。表1展示了传统方法与本发明方法作用下的黏粒提取含量，共列出5组数据，通过对比不同方法作用下黏粒提取含量的均值，可以看出，本发明方法黏粒提取含量有效提高。
表1黏粒提取含量
表中，变异系数定义为标注差与平均值之比，可以表征不同组数据之间的离散程度，变异系数越大，数据离散程度越高，即每次黏粒提取含量结果差异越大。根据对比，本发明方法作用下黏粒提取含量的变异系数值更小，表明本发明方法作用下黏粒提取含量人为误差越小，可重复性越高。
图3为上表数据的柱状图，从图中可直观的看出，本发明方法较传统方法黏粒提取含量显著增多，且数据波动更小。
表2陈列了传统方法与本发明方法黏粒提取含量的理想值与实际值。按照理想状态来讲，提取出的溶液中只有黏粒，故而将提取的黏土颗粒溶液烘干后的颗粒总量称为理想值。但在实际提取黏粒溶液过程中，总会或多或少的摄入粉土颗粒，因此需要对提取出来的黏土颗粒纯度重新测定，重新测定出来的黏粒含量值称为实际值。将实际值与理想值的比值定义为纯度，比值越大，纯度越高。
表2黏粒提取含量的理想值与实际值
根据表2中数据，无论是理想值还是实际值，本发明方法作用下黏粒提取含量得到明显提高。传统方法提取黏粒含量纯度均值为66％，本发明方法提取黏粒含量纯度均值为81％，故而本发明方法提取黏粒含量纯度也得到了显著提高。
图4为表2纯度数据的柱状图，直观展示了本发明方法较传统方法黏粒提取含量纯度显著增多，且数据波动更小。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何限制，凡是根据发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。
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