专利名称：土壤最大吸湿含水率的测量装置及其测量方法
技术领域：
本发明涉及土壤和细粒材料物理性质的测量，更具体涉及土壤最大吸湿含水率的测量。
背景技术：
粘土是原生矿物经过自然风化形成的产物，因此，粘土成分中包含有原生粘土矿物、次生粘土矿物、非品质矿物、晶质粘土矿物、可溶盐和有机质。膨胀土是土中粘粒成分主要由亲水矿物组成，同时具有显著的吸水膨胀和失水收缩两种变形特性的粘性土。膨胀土中最重要的粘土矿物是蒙脱石、伊利石和高岭石，他们都是晶质含水硅酸铝。蒙脱石是产生大多数膨胀土问题的粘土矿物。蒙脱石在含量增加时出现膨胀，而粘土其他矿物不发生膨胀或仅发生有限膨胀。蒙脱石是指除蛭石以外、所具有膨胀晶架的粘土矿物群，也是一种特定的矿物。粘土吸附了水就产生膨胀。从矿物学观点来看，膨胀的大小取决于粘土矿物的种类和含量、他们的可交换阳离子、水态的电解质含量以及内部结构。
现有对膨胀土分类的指标主要有自由膨胀率δef、液限w1、塑性指数Ip、小于2μm的粘�：�、蒙脱石含量、比表面积、阳离子交换量等，由于分类的指标的区别，导致分类结果不尽相同。GBJ112-87确定用自由膨胀率一个指标来对膨胀土分类，但许多专业人士对自由膨胀率是不是理想的判别膨胀土的指标有异议，进而对用自由膨胀率对膨胀土进行分类的科学性和可靠性提出质疑。因此，2001年修编的《铁路工程岩土分类标准》(TB10077-2001/J123-2001)对膨胀土的分类标准进行了修改。利用土质学、土壤的电化学理论，选择反映膨胀土本质的参数，建议膨胀土详判采用自由膨胀率、蒙脱石含量和阳离子交换量三项指标。
作为膨胀土分类的判别指标，应当满足以下三个条件(1)能反映膨胀土的本质；(2)指标的测定简单便捷；(3)指标数据可靠，重现性好。用自由膨胀率作为膨胀土分类的判别指标，具有测试简单的优点，但指标的重现性较差，蒙脱石含量和阳离子交换量指标的测试则极不方便，不利于在工程中推广应用。
研究发现，土壤最大吸湿含水率与土的蒙脱石矿物组成、阳离子交换量、比表面积具有良好的线性关系，其相关系数大于0.99，该指标基本能够反映膨胀土的本质。因此，如何快速测定膨胀土的最大吸湿含水率是迫切需要解决的问题。
现有测量土壤吸湿含水率的方法主要是将土壤放置在大气中自然平衡，测量湿重重量和其干燥后的重量，通过计算得到。
发明内容
首先定义土壤最大吸湿含水率。
本发明所称的土壤最大吸湿含水率ωf是指在标准温度和标准相对湿度下，土壤试样恒重后的含水率。上述的标准温度，在本发明中是指25±2℃；上述的标准相对湿度，在本发明中是指相对湿度为60％±2％。
本发明的目的是，提供一种土壤最大吸湿含水率的测量装置，该装置包含恒湿箱、试样放置盒、循环泵和真空泵，各部件之间用管道相互连通。该装置能快速、方便地测量土壤最大吸湿含水率。
本发明的另一目的是，提供一种用土壤最大吸湿含水率的测量装置测量土壤最大吸湿含水率的方法。该方法与现有技术相比，效率可提高3倍以上。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案一种土壤最大吸湿含水率的测量装置，该装置包含恒湿箱、试样放置箱、循环泵、真空泵、管路和阀门，恒湿箱为一在其底部放置了饱和溴化钠盐溶液、顶盖可移动的密封箱体，试样放置箱是一顶盖可移动中间安放多孔隔板的密封箱体；在恒湿箱液面上部的箱壁开三个孔，通过第一管路、第二管路和第三管路分别与真空泵、试样放置箱和循环泵连通，在第一管路和第二管路上再安装第五管路使得第一管路和第二管路连通，在第五管路间安装第三阀门，并在恒湿箱与第五管路之间的第一管路上安装第一阀门、第二管路上安装第二阀门，在真空泵与第五管路之间的第一管路上安装真空压力表，在试样放置箱与循环泵连通恒湿箱管路的另一端通过第四管路连通，并在第四管路间安装第四阀门。
用土壤最大吸湿含水率的测量装置测量土壤最大吸湿含水率的方法，按下列步骤顺序进行1、将有盖铝盒打开置于105～110℃恒温下烘3～4小时，取出并在干燥器中冷却至室温后，测出铝盒重量；再将铝盒重新置于105～110℃恒温下烘3～4小时，取出并在干燥器中冷却至室温后，测出铝盒重量；重复上述操作，直至前后两次重量差小于0.001克，记录最后一次铝盒的重量为W0；2、将土壤样品平铺在铝盒底部，记录待测土壤样品和铝盒的总重量为W1；3、打开连接真空泵与恒湿箱第一管路上的第一阀门，关上其它阀门，开动真空泵抽气，真空度达到0.1毫米水银柱后，关闭真空泵；在25±2℃温度下放置，直到恒湿箱密封箱体空间的相对湿度为60％±2％；4、关闭所有阀门，打开试样放置箱的顶盖；5、拿掉铝盒盖，将内有土壤样品的无盖铝盒放入试样放置箱的多孔板上，密封试样放置箱的顶盖；6、打开第三阀门，开动真空泵抽气，真空度达到0.1毫米水银柱后，关闭真空泵；7、关闭第一阀门和第三阀门，打开第二阀门和第四阀门，开启循环泵；8、经24小时，关闭所有阀门，取出铝盒，盖上铝盒盖，测量并记录铝盒与土壤样品的合计重量；9、重复5～8的步骤，直至前后两次铝盒与土壤样品的合计重量差小于0.001克，记录最后一次铝盒与土壤样品的合计重量为W2；10、拿掉铝盒盖，将内有土壤样品的铝盒置于105～110℃恒温下烘8小时，取出并在干燥器中冷却至室温后，盖上铝盒盖，测量铝盒与土壤样品的合计重量；11、拿掉铝盒盖，将铝盒重新置于105～110℃恒温下烘3～4小时，取出并在干燥器中冷却至室温后，盖上铝盒盖，测量铝盒与土壤样品的合计重量；重复本步骤的上述操作，直至前后两次重量差小于0.001克，记录最后一次铝盒与土壤样品的合计重量为W3；12、按下式计算土壤样品含水率Wf＝(W2-W3)/(W3-W0)×100％式中Wf为最大吸湿含水率，W2-W3为最大吸湿水量，W3-W0为土壤样品干重。
本发明方法的主要优点提供了一种土壤最大吸湿含水率的测量装置和利用该装置进行土壤最大吸湿含水率的测量方法，该装置结构简单、制造方便、价格便宜，用其测量土壤最大吸湿含水率比现有在恒温恒湿中通过水蒸气的布朗运动自然得到平衡测量含水率，可提高效率3倍以上。
图1为本发明的结构示意图。
其中1为恒湿箱、2为试样放置盒、3为循环泵、4为真空泵、5为管路、6为饱和溴化钠盐溶液、7为进气阀；8为排水阀、9为湿度计、10为真空压力表、11为多孔搁板、12为第一阀门、13为第三阀门、14为第二阀门、15为第四阀门。
具体实施例方式以下结合附图，对本发明作进一步的说明。
由图1可知，一种土壤最大吸湿含水率的测量装置包含恒湿箱1、试样放置箱2、循环泵3、真空泵4、管路和阀门，恒湿箱1为一在其底部放置饱和溴化钠盐溶液6，在25±2℃温度下在箱体内能形成相对湿度为60％±2％恒湿空间的顶盖可移动的密封箱体，在恒湿箱1的顶部分别安装进气进气阀7和湿度计9，在恒湿箱1的底部安装排水阀8；试样放置箱2是一顶盖可移动中间安放多孔隔板11的密封箱体；在恒湿箱1液面上的箱壁开三个孔，通过第一管路、第二管路和第三管路分别与真空泵4、试样放置箱2和循环泵3连通，在第一管路和第二管路上再安装第五管路使得第一管路和第二管路连通，在第五管路间安装第三阀门13，并在恒湿箱1与第五管路之间的第一管路上安装第一阀门12、第二管路上安装第二阀门14，在真空泵4与第五管路之间的第一管路上安装真空压力表10，在试样放置箱2与循环泵3连通恒湿箱1管路的另一端通过第四管路连通，并在第四管路间安装第四阀门15。
用土壤最大吸湿含水率的测量装置测量土壤最大吸湿含水率的方法，按下列步骤顺序进行
1、将有盖铝盒打开置于105～110℃恒温下烘3～4小时，取出并在干燥器中冷却至室温后，测出铝盒重量；再将铝盒重新置于105～110℃恒温下烘3～4小时，取出并在干燥器中冷却至室温后，测出铝盒重量；重复上述操作，直至前后两次重量差小于0.001克，记录最后一次铝盒的重量为W0；2、将土壤样品平铺在铝盒底部，记录待测土壤样品和铝盒的总重量为W1；3、打开连接真空泵4与恒湿箱1第一管路上的第一阀门12，关上其它阀门，开动真空泵4抽气，真空度达到0.1毫米水银柱后，关闭真空泵4；在25±2℃温度下放置，直到恒湿箱1密封箱体空间的相对湿度为60％±2％；4、关闭所有阀门，打开试样放置箱2的顶盖；5、拿掉铝盒盖，将内有土壤样品的无盖铝盒放入试样放置箱2的多孔板11上，密封试样放置箱2的顶盖；6、打开第三阀门13，开动真空泵4抽气，真空度达到0.1毫米水银柱后，关闭真空泵4；7、关闭第一阀门12和第三阀门13，打开第二阀门14和第四阀门15，开启循环泵3；8、经24小时，关闭所有阀门，取出铝盒，盖上铝盒盖，测量并记录铝盒与土壤样品的合计重量；9、重复5～8的步骤，直至前后两次铝盒与土壤样品的合计重量差小于0.001克，记录最后一次铝盒与土壤样品的合计重量为W3；10、拿掉铝盒盖，将内有土壤样品的铝盒置于105～110℃恒温下烘8小时，取出并在干燥器中冷却至室温后，盖上铝盒盖，测量铝盒与土壤样品的合计重量；11、拿掉铝盒盖，将铝盒重新置于105～110℃恒温下烘3～4小时，取出并在干燥器中冷却至室温后，盖上铝盒盖，测量铝盒与土壤样品的合计重量；重复本步骤的上述操作，直至前后两次重量差小于0.001克，记录最后一次铝盒与土壤样品的合计重量为W3；12、按下式计算土壤样品含水率Wf＝(W2-W3)/(W3-WX)×100％式中Wf为最大吸湿含水率，W2-W3为最大吸湿水量，W3-W0为土壤样品干重。
权利要求
1.土壤最大吸湿含水率的测量装置，其特征在于，该装置包含恒湿箱(1)、试样放置箱(2)、循环泵(3)、真空泵(4)、管路和阀门，恒湿箱(1)为一在其底部放置饱和溴化钠盐溶液(6)、顶盖可移动的密封箱体，试样放置箱(2)是一顶盖可移动中间安放多孔隔板(11)的密封箱体；在恒湿箱(1)液面上部的箱壁开三个孔，通过第一管路、第二管路和第三管路分别与真空泵(4)、试样放置箱(2)和循环泵(3)连通，在第一管路和第二管路上再安装第五管路使得第一管路和第二管路连通，在第五管路间安装第三阀门(13)，在恒湿箱(1)与第五管路之间的第一管路上安装第一阀门(12)、第二管路上安装第二阀门(14)，在第一管路真空泵(4)与第五管路之间安装真空压力表(10)，在试样放置箱(2)与循环泵(3)连通恒湿箱(1)管路的另一端通过第四管路连通，并在第四管路间安装第四阀门(15)。
2.根据权利要求1所述的土壤最大吸湿含水率的测量装置，其特征在于，所述的恒湿箱(1)其顶部分别安装进气进气阀(7)和湿度计9，其底部安装排水阀(8)。
3.用权利要求1所述的土壤最大吸湿含水率的测量装置测量土壤最大吸湿含水率的方法，其特征在于，该方法按下列步骤顺序进行a、将有盖铝盒置于105～110℃恒温下烘3～4小时，取出并在干燥器中冷却至室温后，测出铝盒重量；再将铝盒重新置于105～110℃恒温下烘3～4小时，取出并在干燥器中冷却至室温后，测出铝盒重量；重复上述操作，直至前后两次重量差小于0.001克，记录最后一次铝盒的重量为W0；b、将土壤样品平铺在铝盒底部，记录待测土壤样品和铝盒的总重量为W1；c、打开连接真空泵(4)与恒湿箱(1)第一管路上的第一阀门(12)，关上其它阀门，开动真空泵(4)抽气，真空度达到0.1毫米水银柱后，关闭真空泵(4)；在25±2℃温度下放置，直到恒湿箱(1)密封箱体空间的相对湿度为60％±2％；d、关闭所有阀门，打开试样放置箱(2)的顶盖；e、拿掉铝盒盖，将内有土壤样品的无盖铝盒放入试样放置箱(2)的多孔板(11)上，密封试样放置箱(2)的顶盖；f、打开第三阀门(13)，开动真空泵(4)抽气，真空度达到0.1毫米水银柱后，关闭真空泵(4)；g、关闭第一阀门(12)和第三阀门(13)，打开第二阀门(14)和第四阀门(15)，开启循环泵(3)；h、经24小时，关闭所有阀门，取出铝盒，盖上铝盒盖，测量并记录铝盒与土壤样品的合计重量；i、重复e～h的步骤，直至前后两次铝盒与土壤样品的合计重量差小于0.001克，记录最后一次铝盒与土壤样品的合计重量为W2；j、拿掉铝盒盖，将内有土壤样品的铝盒置于105～110℃恒温下烘8小时，取出并在干燥器中冷却至室温后，盖上铝盒盖，测量铝盒与土壤样品的合计重量；k、拿掉铝盒盖，将铝盒重新置于105～110℃恒温下烘3～4小时，取出并在干燥器中冷却至室温后，盖上铝盒盖，测量铝盒与土壤样品的合计重量；重复本步骤的上述操作，直至前后两次重量差小于0.001克，记录最后一次铝盒与土壤样品的合计重量为W3；1、按下式计算土壤样品含水率Wf＝(W2-W3)/(W3-W0)×100％式中的Wf为最大吸湿含水率，W2-W3为最大吸湿水量，W3-W0为土壤样品干重。
全文摘要
本发明公开了一种土壤最大吸湿含水率的测量装置，涉及土壤和细粒材料物理性质的测量。该装置包含恒湿箱(1)、试样放置箱(2)、循环泵(3)、真空泵(4)和阀门(12)(13)(14)(15)，恒湿箱(1)在25±2℃温度下能形成相对湿度为60％±2％的恒湿空间，各部件通过管路连接，并在管路上安装阀门。该装置结构简单、制造方便、价格便宜。本发明还公开了用土壤最大吸湿含水率的测量装置测量土壤最大吸湿含水率的方法，该方法比现有在恒温恒湿中通过水蒸气的布朗运动自然得到平衡测量含水率，可提高效率3倍以上。
文档编号G01N5/00GK1544911SQ20031011146
公开日2004年11月10日 申请日期2003年11月27日 优先权日2003年11月27日
发明者姚海林, 程平, 吴万平, 杨洋 申请人:中国科学院武汉岩土力学研究所
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