技术领域

本发明涉及一种含氟聚合物在配制透明冻土中 的应用。

背景技术

在岩土工程方面的模型试验中， 研宄土体内部变形规律和机理， 对探索岩土工程 问题本质具有重要意义。特别是地球上多年冻 土、季节冻土和短时冻土区的面积约占陆 地面积的 50%， 其中， 多年冻土分布面积 3500万 km ² , 约占陆地面积的 25 %。 而冻土 的工程特性与常规土的工程特性相差较大， 因此， 开展对冻土的工程特性以及构建物在 冻土区域的特性研究显得非常重要。

专利号为 201110074794.2，发明名称为一种用于高含冰冻土� ��样的制备方法的专利 公开了一种利用常规设备制备高含冰冻土试样 的技术方法，该法可以根据实际需要的尺 寸制作高含冰人工冻土试样， 基于制配完成的冻土试样， 利用土工测试仪器对冻土的工 程特性进行测试。

但是， 传统的土体变形测量方法是在土体内部埋设一 系列传感器， 得到某些离散 点的位移， 但是传感器容易受外界环境扰动的影响， 测量结果往往不够准确， 同时不能 给出土体内部连续变形的整个位移场； 传感器的埋设也对真实土体环境进行了扰动。 现 代数字图像技术也只局限于测量土体的宏观或 边界变形，不能实现对土体内部变形的可 视化。 利用 X-射线、 Y -射线、 计算机层析扫描（CAT扫描）及磁共振成像技术 （MRI) 虽然可以用来测量土体内部的连续变形， 但昂贵的费用限制了这些技术的广泛应用。 利 用人工合成透明土结合光学观测和图像处理技 术可以实现土体内部变形的可视化，且其 费用低廉， 操作简便。 但其前提是获得透明度较高， 且性质与天然土体相似的人工合成 透明土。 目前已有采用不同材料来制配透明土， 并得到了一些成果， 如- 文献 1： Allersma, H. G. B., 1982, "Photo-Elastic Stress Analysis and Strains in Simple Shear," Proceedings, IUTAM Symposium on Deformation and Failure of Granular Materials, Delft, edited by P. A. Vermeer and H. J. Luger, pp. 345-353.

在文献 1中， 1982年， Allersma提出了用碎玻璃 （折射率为 1.4738)材料和相同 折射率的液体混合， 制配透明土。

文献 2： Iskander, Μ·， Lai, J., Oswald, C, and Mainnheimer, R.， 1994, "Development of a Transparent Material to Model the Geotechnical Properties of Soils, " Geotech. Test. J.， Vol.

替换页（细则第 26条) 说 明 书

17(4), pp. 425-433.

文献 3： Iskander, Μ·， Liu, J., and Sadek, S., 2002a, "Transparent Silica Gels to Model the Geotechnical Properties of Sand, ，， Int. J. Phys. Modell. Geotech., Vol. 2(4), pp. 27-40.

文献 4： Iskander, M.， Liu, J., and Sadek, S.， 2002b, " Transparent Amorphous Silica to Model clay, " J. Geotech. Geoenviron. Eng., Vol. 128(3), pp. 262-273.

文献 5： Liu, J. Y" Iskander, M., and Sadek, S.， 2003, "Consolidation and Permeability of Transparent Amorphous Silica, " Geotech. Test. J., Vol. 26(4), pp. 390-401.

在文献 2〜5中， 1998年、 2002年， Iskander et al.利用工业生产的无定型硅石粉 末或凝胶（折射率为 1.447)和具有相应折射率的孔隙液体制作了一种 人工合成透明土。

文献 6: 吴明喜， 2006， 人工合成透明砂土及其三轴试验研究 [D]. 硕士论文, 大 连： 大连理工大学， pp. 18-21.

文献 7: 隋旺华， 髙岳. 透明土实验技术现状与展望 [J].煤炭学报， 36(4): 577-582. 文献 8: Cao, Z. H., Liu, J. Υ·， and Liu, H. L.， 2011, "Transparent Fused Silica to Model Natural Sand,，， Pan-Am CGS Geotechnical Conference.

文献 9： Ezzein, F. M.， and Bathurst, R. J., 2011 , "A Transparent Sand for Geotechnical Laboratory Modeling," Geotech. Test. J., Vol. 34(6), pp. 590-601.

文献 10： Guzman, I. L.， Iskander, M., Suescun-Florez, E.， and Omidvar, M., 2013, "A Transparent Aqueous-Saturated Sand Surrogate for Use in Physical Modeling, " Acta Geotechnica, published on line, July 2013.

http://link.springer.eom/article/l 0.1007 % 2Fs 11440-013-0247-2

在文献 6〜10中， 2006年、 2013年等,吴明喜等人利用瑢融石英砂 (折射率为 1.4585) 和具有相应折射率的液体如混合油或溴化钙溶 液制配了一种人工合成透明土。

现有技术资料表明， 配制透明土的固体颗粒主要选用石英类材料， 其固体颗粒本 身的折射率在 1.44〜1.46之间， 选用硼硅玻璃材料， 其固体颗粒本身的折射率在 1.46〜 1.48之间， 远大于水的 1.33折射率和冰的 1.31折射率。 因此， 利用现有的配制透明土 的固体颗粒无法配制出饱和透明冻土试样。

含氟聚合物为美国杜邦公司生产的 Teflon AF 1600， 折射率 1.31， 密度 2.1g/cm ³ 〜 2.3g/cm ³ _; 具有耐高温、 耐低温、 耐化学腐蚀、 无粘性、 无毒、 无污染、 高透明度、 低 折射率的特性， 还具有气体渗透性结构、 疏水性、 化学惰性等特性， 与天然土体性质的

替换页（细则第 26条) 说 明 书 相似性好。 Tefl _On AF 1600可溶解于氟系溶剂中， 可以形成薄膜或熔融压缩成型； 目前， 其主要用在涂层、 浸渍或制成纤维， 制成的液芯波导在吸收、 荧光、 拉曼光谱分析、 气 体传感器等诸多领域也有运用。 而将 Teflon AF 1600用于制备透明冻土的应用还未见报 道。

发明内容

本发明的目的是提供一种含氟聚合物在配制透 明冻土中的应用，将所述含氟聚合物 作为配制透明冻土的透明固体材料。

为实现上述技术目的， 本发明提出一种含氟聚合物在配制透明冻土中 的应用， 配制 透明冻土时， 用作透明固体材料， 所述含氟聚合物为粒径 0.25mm~2.0nun的颗粒， 其颗 粒为不规则形状， 为美国杜邦公司生产的 Teflon AF 1600 , 折射率 1.31， 密度 2.1g/cm ³ ~2.3g/cm ³ , 以此粒径的含氟聚合物制备的透明冻土可以用 于模拟冻砂土。

用上述含氟聚合物制备模拟冻砂土的步骤如下 ：

( 1 ) 备料： 根据试验条件与试样尺寸大小计算确定含氟聚 合物、 颗粒冰及无色孔 隙液体的用量； 所述含氟聚合物为粒径 0.25mn！〜 2.0mm的颗粒， 清洗杂质并烘干， 其 颗粒为不规则形状,为美国杜邦公司生产的 Teflon AF 1600，折射率 1.31，密度 2.1g/cm ³ ~ 2.3g/cm ³ ; 所述颗粒冰为将冻结好的整块冰捣碎， 其粒径为 0.1mm~0.5mm; 所述无色孔 隙液体为水； 优选地， 水采用纯净水； 所述的含氟聚合物颗粒 0.25mm 粒径 <0.5mm 的为 10%〜50%， 0.5mm 粒径 < 1.0mm的为 10%〜50%， 1.0mm 粒径 < 1.5mm的为 10%〜50%， 1.5mm 粒径 2.0mm的为 10%〜50%， 以重量计， 合计为 100%。

(2) 混配： 在一 6.0'C~_ 8.0'C低温实验室内， 先将含氟聚合物颗粒和颗粒冰均匀 搅拌， 分 2〜3次装入模具内制试样， 并分层击实； 再将水加入模具内， 充填含氟聚合 物颗粒和颗粒冰之间的空隙；

( 3 ) 抽真空： 利用抽真空装置抽除存留在试样内部的气泡， 使试样达到充分饱和 状态；

(4)冻结： 将试样装入一 20Ό低温箱进行冻结 48小时， 制得模拟饱和冻砂土的透 明冻土， 其物理特性为： 密度 1.53 g/cm ³ 〜2.0g/cm ³ ， 重度 15kN/m ³ 〜20kN/m ³ ， 密实度 20%〜80%；力学特性为：内摩擦角 30° 〜3Γ ，弹性模量 8MPa〜61MPa，泊松比 0.2~ 0.4。

为了将透明冻土用于模拟冻黏土， 还可以使用粒 ≤0.074mm的含氟聚合物颗粒用

替换页（细则第 26条) 说 明 书 于配置透明冻土，所述含氟聚合物颗粒为不规 则形状，为美国杜邦公司生产的 Teflon AF 1600, 折射率 1.31， 密度 2.1g/cm ³ ~2.3g/cm ³ ， 以此粒径的含氟聚合物制备的透明冻土可 以用于模拟冻砂土。

具体地， 用上述聚合物制备用于模拟冻黏土的方法包括 如下步骤-

( 1 ) 备料： 根据试验条件与试样尺寸大小计算确定含氟聚 合物、 颗粒冰及无色孔 隙液体的用量； 所述含氟聚合物为粒径 0.074 mm的颗粒， 清洗杂质并供干， 其颗粒 为不规则形状， 为美国杜邦公司生产的 Teflon AF 1600, 折射率 1.31， 密度 2.1g/cm ³ 〜 2.3g/cm ³ _; 所述颗粒冰为将冻结好的整块冰捣碎， 其粒径 0.074 mm; 所述无色孔隙液 体为水；

(2)混配： 在一 6.0'C ^ ^— 8.0'C低温实验室内， 先将含氟聚合物颗粒和颗粒冰均匀 搅拌， 分 2~3次装入模具内制试样， 并分层击实； 再将水加入模具内， 充填含氟聚合 物颗粒和颗粒冰之间的空隙；

(3 ) 抽真空： 利用抽真空装置抽除存留在试样内部的气泡， 使试样达到充分饱和 状态；

(4) 固结： 将试样放在固结仪中进行固结， 固结度 OCR值 0.8〜3；

(5 )冻结： 将试样装入一 20'C低温箱进行冻结 48小时， 制得模拟饱和冻黏土的透 明冻土， 其物理特性为： 密度 1.63 g/cm ³ 〜2.1g/cm ³ ， 重度 16kN/m ³ 〜21kN/m ³ ， 固结度 OCR值 0.8~3；力学特性为：内摩擦角 19°〜22°，凝聚力为 1 kPa〜3kPa，弹性模量 5MPa〜 9MPa, 泊松比 0.2~·Ο.3。

将本发明所述的含氟聚合物用于配制透明冻土 的透明固体材料时，配制的透明冻土 透明度髙， 价格低廉， 无毒无害， 与天然冻土土体性质的相似性好， 能广泛替代天然冻 土， 用来模拟复杂的地质条件， 有效地用于岩土工程中的模型试验。

具体实施方式

实施例 1

—种含氟聚合物在配制透明冻土中的应用， 配制透明土时， 用作透明固体材料， 所 述含氟聚合物为粒径 0.25mm〜2.0mm 的颗粒， 其颗粒为不规则形状， 为美国杜邦公司 生产的 TeflonAF 1600, 折射率 1.31 , 密度 2.1 g/cm ³ 〜2.3 g/cm ³ 。

用上述含氟聚合物配制透明冻土的生产方法包 括以下步骤-

(1)配料： 根据试验条件与试样尺寸大小计算确定含氟聚 合物、 颗粒冰及无色孔隙

替换页（细则第 26条) 说 明 书 液体的用量； 所述含氟聚合物为粒径 0.25mm〜2.0mm的颗粒， 清洗杂质并烘干， 其颗 粒为不规则形状，为美国杜邦公司生产的 Teflon AF 1600,折射率 1.31，密度为 2.3g/cm ³ ， 含氟聚合物颗粒 0.25mm≤粒径 <0.5mtn的为 20%, 0.5 ≤粒径< 1.0mm的为 30%, 1.0mm≤粒径 < 1.5mm的为 30%， 1.5mm^^g≤2.0mm的为 20%，以重量计，合计为 100%， 将其混合均匀； 颗粒冰为将冻结好的整块冰捣碎， 其粒径为 （ mm O mm; 无色孔隙 液体为水， 为不影响折射率， 所述的水为纯净水；

根据试验条件与试样尺寸大小计算确定含氟聚 合物、 颗粒冰及纯净水的用量： 本实施例的试样含水量 100.0%、 干密度 0.55g/cm ³ 、 试样尺寸 （高 125.0mm, 直径 61.8mm)及低温实验室温度一 6.0Ό，换算出制备一个试样所需含氟聚合物颗� ��质量（颗 粒质量 =干密度 X试样体积） 为 206.0g， 总水量 （含水量 100.0%， 总水量的质量与颗 粒质量相等） 为 206.0g _; 由于砂土在温度为一 6.0'C时， 其未冻水含量约为 15%， 所以 在制备试样过程中加入纯净水的质量应为 30.9g， 颗粒冰的质量为 175.1g。

(2)混配：在一 6.0'C低温实验室内，先将步骤 (1)中确定的含氟聚合物颗粒和颗粒冰均 匀搅拌， 分 3次装入模具内制试样， 并分层击实， 压至设计密实度 70% ; 再将纯净水加 入试样中， 充填含氟聚合物颗粒和颗粒冰之间的空隙；

(3)抽真空：利用抽真空装置抽除存留在试样内 部的气泡，使试样达到充分饱和状态；

(4)冻结： 将试样装入一 20°C低温箱进行冻结 48小时， 制得模拟饱和冻砂土的透明 冻土， 其物理特性为： 密度 1.9g/cm ³ , 重度 19kN/m ³ , 密实度 70%; 力学特性为： 内摩 擦角 3Γ, 弹性模量 40MPa， 泊松比 0.3。

本实施例所述的透明冻土可用来模拟饱和冻砂 土。

实施例 2

制备步骤同实施例 1， 不同的是， 在步骤 (1)中， 选择密度 2.1g/cm ³ 的含氟聚合物颗 粒， 含氟聚合物颗粒 0.25mm≤粒径 <0.5mm的为 20 % , 0.5mm≤粒径 < 1.0mm的为 30 %， 1.0mm≤粒径 < 1.5mm的为 30 % , 1.5mm≤粒径≤2.0mm的为 20 %， 以重量计， 合计 为 100%， 将其混合均匀； '

在步骤 （2) 中， 控制密实度 30%;

本实施例所制透明冻土的物理特性为： 密度 1.82g/cm ³ , 重度 18kN/m ³ ， 密实度 30 %； 力学特性为： 内摩擦角 30°， 弹性模量 10MPa， 泊松比 0.35。

本实施例所述的透明冻土可用来模拟饱和冻砂 土。

替换页（细则第 26条) 说 明 书 实施例 3

一种含氟聚合物在配制透明冻土中的应用， 配制透明土时， 用作透明固体材料， 制 备透明冻土包括以下步骤：

(1)配料： 根据试验条件与试样尺寸大小计算确定含氟聚 合物、 颗粒冰及无色孔隙 液体的用量； 所述含氟聚合物为粒径 0.074mm的颗粒， 清洗杂质并烘干， 其颗粒为不 规则形状， 为美国杜邦公司生产的 Teflon AF 1600, 折射率 1.31， 密度 2.3g/cm ³ _; 所述 颗粒冰为将冻结好的整块冰捣碎， 其粒径 0.074mm _; 所述无色孔隙液体为水， 为不影 响折射率， 所述的水为纯净水；

本实施例试验条件与试样尺寸大小和计算方法 与实施例 1相同。

本实施例确定含氟聚合物颗粒、 颗粒冰及纯净水的用量分别为 206.0g、 175.1g和 30.9g。

(2)混配： 一 6.0Ό低温实验室内，先将步骤 (1)中确定的含氟聚合物颗粒和颗粒冰均匀 搅拌， 分 3次装入模具内制试样， 并分层击实， 压至设计密度； 再将纯净水加入试样中， 充填含氟聚合物颗粒和颗粒冰之间的空隙；

(3 )抽真空： 利用抽真空装置抽除存留在试样内部的气泡， 使试样达到充分饱和 状态；

(4) 固结： 将试样放在固结仪中进行固结， 固结度 OCR值 1.5;

(5)冻结： 将试样装入 -20'C低温箱进行冻结 48 小时， 制得模拟饱和冻黏土的透明 冻土， 其物理特性为： 密度 1.93g/cm ³ ， 重度 19.1kN/m ³ _; 力学特性为： 内摩擦角 20° ， 凝聚力为 3kPa， 弹性模量 9MPa， 泊松比 0.3。

本实施例所述的透明冻土可用来模拟饱和冻黏 土。

实施例 4

制备步骤同实施例 3, 不同的是：

在步骤 (1)中， 选择密度 2.1g/cm ³ 的含氟聚合物颗粒；

在步骤 (4)中， 固结度 OCR值 0.8;

本实施例所制透明冻土的物理特性为： 密度 1.83g/cm ³ ， 重度 17.8 kN/m ³ _; 力学特性 为： 内摩擦角 19°， 凝聚力为 lkPa， 弹性模量 5.2MPa， 泊松比 0.22。 本实施例所述的透 明冻土可用来模拟饱和冻黏土。

将本发明所述的含氟聚合物用于配制透明冻土 的透明固体材料时，配制的透明冻土

替换页（细则第 26条) 说 明 书 透明度高， 价格低廉， 无毒无害， 与天然冻土土体性质的相似性好， 能广泛替代天然冻 土， 用来模拟复杂的地质条件， 有效地用于岩土工程中的模型试验。

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