氟化钙在配制透明土中的应用及所制的透明土和生产方法

摘要

本发明公开了一种氟化钙在配制透明土中用作透明固体材料，所述氟化钙为粒径0.25㎜～2.0㎜（或≤0.074㎜）的颗粒，其颗粒为不规则形状，折射率1.434，密度3.18g/㎝

说明书

技术领域

本发明涉及一种透明土及生产方法，具体地说是一种采用低折射率的透明固体材料和相同折射率的水溶型溶液配制透明土及生产方法，特别是涉及一种氟化钙在配制透明土中的应用及所制的透明土和生产方法。

背景技术

在岩土工程方面的模型试验中，研究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。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。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、γ-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，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，但是其透明度效果有限，可穿透的透明厚度有限，从而无法在相对大一点的模型中进行试验，影响模型试验结果的可靠性和可推广性。

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。存在缺点：一是碎玻璃棱角容易引起入射光反射；二是碎玻璃材料的基本特性与土体基本特性相差较大；三是制配成的透明土属于半透明材料，非透明材料。

文献2：Iskander, M., Lai, J., Oswald, C., and Mainnheimer, R., 1994, “Development of a Transparent Material to Model the Geotechnical Properties of Soils,” Geotech. Test. J., Vol. 17(4), pp. 425-433.

文献3：Iskander, M., 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。存在缺点：一是由于无定型硅石粉末或凝胶为多孔介质，内部微细孔道较多，制成的人工合成透明土压缩性较大，和天然土体仍然存在比较大的差异；二是其真空饱和难度较大，影响了透明效果；三是可透明的厚度，约在12㎝左右，限制了人工合成透明土在岩土工程模型试验中的进一步应用。

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，高岳. 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. Y., 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.com/article/10.1007%2Fs11440-013-0247-2

在文献6～10中，2006年、2013年等，吴明喜等人利用熔融石英砂（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。存在缺点：一是溴化钙溶液具有强烈腐蚀性，可操作性较差；二是熔融石英砂纯度较低，而且价格相对较高，这也限制了其在模型试验中的广泛应用；三是由于熔融石英砂的折射率相对较高，配制相应折射率的溴化钙溶液，浓度很高；随着温度的变化，溴化钙晶体容易析出，从而影响溴化钙溶液的折射率。

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。虽然利用有机油配制透明土可以实现，不过有机油往往具有凝聚力，以此模拟黏性土可行，而模拟砂性土则不合适。利用水溶性溶液配制透明土时（水的折射率在1.309～1.333之间），则要求溶液浓度相对较高，而此时晶体容易析出（例如，要将溴化钙溶液的折射率调制1.458，20℃温度下其溶液的浓度需达到65﹪左右，而在该浓度下，溴化钙溶液很容易因为温度的变化等原因，出现晶体析出现象），从而改变浓度，影响其折射率。

氟化钙，化学式为CaF₂，俗称萤石或氟石，透明度高，无色结晶或白色粉末，难溶于水，微溶于无机酸，熔点1402℃，沸点2497℃ ，折射率为1.434，密度3.18g/cm³。可用碳酸钙或氢氧化钙用氢氟酸溶解，将所得溶液浓缩，或向钙盐水溶液中加入氟离子，得到氟化钙的胶状沉淀，经精制可得。实验室一般用碳酸钙与氢氟酸作用或用浓盐酸和氢氟酸反复处理萤石粉来制备氟化钙。主要用于冶金、化工和建材三大行业，其次用于轻工、光学、雕刻和国防工业。

发明内容

本发明的目的是提供一种采用低折射率的透明固体材料和相同折射率的无色孔隙液体配制透明土及生产方法，所述的折射率为1.434；具体为氟化钙在配制透明土中的应用及所制的透明土和生产方法。

本发明是采用如下技术方案实现其发明目的的，一种氟化钙在配制透明土中的应用，配制透明土时，用作透明固体材料，所述氟化钙为粒径0.25㎜～2.0㎜的颗粒，其颗粒为不规则形状，折射率1.434，密度3.18g/㎝³。

一种透明土，它由氟化钙与相同折射率的无色孔隙液体经备料、混配、抽真空步骤配制而成，所述氟化钙为粒径0.25㎜～2.0㎜的颗粒，其颗粒为不规则形状，折射率1.434，密度3.18g/㎝³；所述的氟化钙颗粒0.25㎜≤粒径＜0.5㎜的为10﹪～50﹪，0.5㎜≤粒径＜1.0㎜的为10﹪～50﹪，1.0㎜≤粒径＜1.5㎜的为10﹪～50﹪，1.5㎜≤粒径≤2.0㎜的为10﹪～50﹪，以重量计，合计为100﹪；所述透明土的物理特性为：密度1.98g/㎝³～2.5g/㎝³，重度19kN/m³～25kN/m³，密实度20﹪～80﹪；力学特性为：内摩擦角34°～35°，弹性模量12MPa～71MPa，泊松比0.2～0.45。

本发明所述的孔隙液体为糖溶液或氯化钠溶液或溴化钙溶液中的一种。

一种透明土的生产方法，它包括以下步骤：

⑴备料：选择粒径为0.25㎜～2.0㎜的氟化钙颗粒，其颗粒为不规则形状，清洗杂质并烘干，所述氟化钙折射率1.434，密度3.18g/㎝³；选择无色孔隙液体，调节溶液浓度，使孔隙液体的折射率与氟化钙的折射率一致；

本发明在步骤⑴中，所述的氟化钙颗粒0.25㎜≤粒径＜0.5㎜的为10﹪～50﹪，0.5㎜≤粒径＜1.0㎜的为10﹪～50﹪，1.0㎜≤粒径＜1.5㎜的为10﹪～50﹪，1.5㎜≤粒径≤2.0㎜的为10﹪～50﹪，以重量计，合计为100﹪；

本发明在步骤⑴中，所述的孔隙液体为糖溶液或氯化钠溶液或溴化钙溶液中的一种。

⑵混配：根据试验条件与试样的尺寸大小计算确定氟化钙颗粒和孔隙液体的用量，先将氟化钙颗粒分层填入模具中，并分3～4次击实；然后在模具中注入孔隙液体；

或者先将调配好的孔隙液体装在容器中，并将氟化钙颗粒缓慢、均匀、分散地倒入容器中，倾倒过程中不断搅拌排出气泡，并保持氟化钙颗粒始终在孔隙液体液面以下；

⑶抽真空：利用抽真空装置抽除氟化钙颗粒之间的气泡，利用吸球抽去高出氟化钙颗粒的孔隙液体，制得模拟饱和砂土的透明土，其物理特性为：密度1.98 g/㎝³～2.5g/㎝³，重度19kN/m³～25kN/m³，密实度20﹪～80﹪；力学特性为：内摩擦角34°～35°，弹性模量12MPa～71MPa，泊松比0.2～0.45。

一种氟化钙在配制透明土中的应用，配制透明土时，用作透明固体材料，所述氟化钙为粒径≤0.074㎜的颗粒，其颗粒为不规则形状，折射率1.434，密度3.18g/㎝³。

一种透明土，它由氟化钙与相同折射率的无色孔隙液体经备料、混配、抽真空、固结步骤配制而成，所述氟化钙为粒径≤0.074㎜的颗粒，其颗粒为不规则形状，折射率1.434，密度3.18g/㎝³；所述透明土的物理特性为：密度1.98g/㎝³～2.5g/㎝³，重度20kN/m³～26kN/m³，固结度OCR值0.8～3；力学特性为：凝聚力1 kPa～3kPa，内摩擦角22°～26°，弹性模量5MPa～9MPa，泊松比0.20～0.35。

本发明所述的孔隙液体为糖溶液或氯化钠溶液或溴化钙溶液或正12烷与甘油的混合物中的一种。

一种透明土的生产方法，它包括以下步骤：

⑴备料：选择粒径≤0.074㎜的氟化钙颗粒，其颗粒为不规则形状，清洗杂质并烘干，所述氟化钙折射率1.434，透光率95﹪，容重3.18g/㎝³；选择无色孔隙液体，调节溶液浓度，使孔隙液体的折射率与氟化钙的折射率一致；

本发明所述的孔隙液体为糖溶液或氯化钠溶液或溴化钙溶液或正12烷与甘油的混合物中的一种。

⑵混配：根据试验条件与试样的尺寸大小计算确定氟化钙颗粒和孔隙液体的用量，先将氟化钙颗粒分层填入模具中，并分3～4次击实；然后在模具中注入孔隙液体；

或者先将调配好的孔隙液体装在容器中，并将氟化钙颗粒缓慢、均匀、分散地倒入容器中，倾倒过程中不断搅拌排出气泡，并保持氟化钙颗粒始终在孔隙液体液面以下；

⑶抽真空：利用抽真空装置抽除氟化钙颗粒之间的气泡，利用吸球抽去高出氟化钙颗粒的孔隙液体；

⑷固结：在固结仪中进行固结，制得模拟饱和黏土的透明土，其物理特性为：密度1.98g/㎝³～2.5g/㎝³，重度20kN/m³～26kN/m³，固结度OCR值0.8～3；力学特性为：凝聚力1 kPa～3kPa，内摩擦角22°～26°，弹性模量5MPa～9MPa，泊松比0.20～0.35。

由于采用上述技术方案，本发明较好的实现了发明目的，透明固体材料采用氟化钙颗粒，具有透明度高、容易获得的特性；所使用的孔隙液体无色透明、无污染、来源广泛，容易获得和调配；配制方法简便，易于实现，配制的透明土透明度高，价格低廉，与天然土体性质的相似性好，能广泛替代自然土，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

下面结合实施例对本发明作进一步说明。

实施例1：

一种氟化钙在配制透明土中的应用，配制透明土时，用作透明固体材料，所述氟化钙为粒径0.25㎜～2.0㎜的颗粒，其颗粒为不规则形状，折射率1.434，密度3.18g/㎝³。

一种透明土，它由氟化钙与相同折射率的无色孔隙液体经备料、混配、抽真空步骤配制而成，所述氟化钙为粒径0.25㎜～2.0㎜的颗粒，其颗粒为不规则形状，折射率1.434，密度3.18g/㎝³；所述透明土的物理特性为：密度1.98 g/㎝³～2.5g/㎝³，重度19kN/m³～25kN/m³，密实度20﹪～80﹪；力学特性为：内摩擦角34°～35°，弹性模量12MPa～71MPa，泊松比0.2～0.45。

本发明所述的氟化钙颗粒0.25㎜≤粒径＜0.5㎜的为10﹪～50﹪，0.5㎜≤粒径＜1.0㎜的为10﹪～50﹪，1.0㎜≤粒径＜1.5㎜的为10﹪～50﹪，1.5㎜≤粒径≤2.0㎜的为10﹪～50﹪，以重量计，合计为100﹪；

本发明所述的孔隙液体为糖溶液或氯化钠溶液或溴化钙溶液中的一种。

本实施例所述的透明土可用来模拟饱和砂土。

一种透明土的生产方法，它包括以下步骤：

⑴备料：选择粒径为0.25㎜～2.0㎜的氟化钙颗粒，其颗粒为不规则形状，清洗杂质并烘干，所述氟化钙折射率1.434，密度3.18g/㎝³；选择无色孔隙液体，调节溶液浓度，使孔隙液体的折射率与氟化钙的折射率一致；

本发明在步骤⑴中，所述的氟化钙颗粒0.25㎜≤粒径＜0.5㎜的为10﹪～50﹪，0.5㎜≤粒径＜1.0㎜的为10﹪～50﹪，1.0㎜≤粒径＜1.5㎜的为10﹪～50﹪，1.5㎜≤粒径≤2.0㎜的为10﹪～50﹪，以重量计，合计为100﹪；

本发明在步骤⑴中，所述的孔隙液体为糖溶液或氯化钠溶液或溴化钙溶液中的一种。

本实施例选择氟化钙颗粒0.25㎜≤粒径＜0.5㎜的为30﹪，0.5㎜≤粒径＜1.0㎜的为20﹪，1.0㎜≤粒径＜1.5㎜的为20﹪，1.5㎜≤粒径≤2.0㎜的为30﹪，以重量计，合计为100﹪，将其混合均匀；孔隙液体为糖溶液，所述的糖为蔗糖。调制溶液浓度（本实施例浓度为56﹪），利用阿贝折射仪测定蔗糖溶液在试验温度（本实施例为20^oC）下的折射率（本实施例为1.434），使其与氟化钙的折射率一致。

⑵混配：根据试验条件与试样的尺寸大小计算确定氟化钙颗粒和孔隙液体的用量，先将氟化钙颗粒分层填入模具中，并分3～4次击实，以控制试样的密实度为20﹪～80﹪；然后在模具中注入孔隙液体，静置24小时～48小时；

本实施例在模具中填入一定量后，对氟化钙颗粒进行预压；分3次击实，控制试样的密实度为30﹪；然后在模具中注入孔隙液体，静置24小时；

⑶抽真空：利用抽真空装置抽除氟化钙颗粒之间的气泡，使其达到充分饱和状态，利用吸球抽去高出氟化钙颗粒的孔隙液体，制得模拟饱和砂土的透明土，其物理特性为：密度1.98 g/㎝³～2.5g/㎝³，重度19kN/m³～25kN/m³，密实度20﹪～80﹪；力学特性为：内摩擦角34°～35°，弹性模量12MPa～71MPa，泊松比0.2～0.45。

本实施例所制透明土的物理特性为：密度2.1g/㎝³，重度21kN/m³，密实度30﹪；力学特性为：内摩擦角34°，弹性模量17MPa，泊松比0.35。

实施例2：

在步骤⑴中，选择氟化钙颗粒0.25㎜≤粒径＜0.5㎜的为20﹪，0.5㎜≤粒径＜1.0㎜的为30﹪，1.0㎜≤粒径＜1.5㎜的为30﹪，1.5㎜≤粒径≤2.0㎜的为20﹪，以重量计，合计为100﹪，将其混合均匀；所述孔隙液体为氯化钠溶液，其浓度为54﹪；

在步骤⑵中，根据试验条件与试样的尺寸大小计算确定氟化钙颗粒和孔隙液体的用量，先将调配好的孔隙液体装在容器中，并将氟化钙颗粒缓慢、均匀、分散地倒入容器中，倾倒过程中不断搅拌排出气泡，并保持氟化钙颗粒始终在孔隙液体液面以下；

本实施例所制透明土的物理特性为：密度2.0g/㎝³，重度20kN/m³，密实度40﹪；力学特性为：内摩擦角34°，弹性模量20MPa，泊松比0.4。

余同实施例1。

实施例3：

在步骤⑴中，选择氟化钙颗粒0.25㎜≤粒径＜0.5㎜的为10﹪，0.5㎜≤粒径＜1.0㎜的为40﹪，1.0㎜≤粒径＜1.5㎜的为35﹪，1.5㎜≤粒径≤2.0㎜的为15﹪，以重量计，合计为100﹪，将其混合均匀；所述孔隙液体为溴化钙溶液，其浓度为45﹪；

在步骤⑵中，控制试样其密实度为50﹪。

本实施例所制透明土的物理特性为：密度1.53g/㎝³，重度15kN/m³，密实度50﹪；力学特性为：内摩擦角35°，弹性模量25MPa，泊松比0.3。

余同实施例1。

实施例4：

一种氟化钙在配制透明土中的应用，配制透明土时，用作透明固体材料，所述氟化钙为粒径≤0.074㎜的颗粒，其颗粒为不规则形状，折射率1.434，密度3.18g/㎝³。

一种透明土，它由氟化钙与相同折射率的无色孔隙液体经备料、混配、抽真空、固结步骤配制而成，所述氟化钙为粒径≤0.074㎜的颗粒，其颗粒为不规则形状，折射率1.434，密度3.18g/㎝³；所述透明土的物理特性为：密度1.98g/㎝³～2.5g/㎝³，重度20kN/m³～26kN/m³，固结度OCR值0.8～3；力学特性为：凝聚力1kPa～3kPa，内摩擦角22°～26°，弹性模量5MPa～9MPa，泊松比0.20～0.35。

本发明所述的孔隙液体为糖溶液或氯化钠溶液或溴化钙溶液或正12烷与甘油的混合物中的一种。

本实施例所述的透明土可用来模拟饱和黏土。

一种透明土的生产方法，它包括以下步骤：

⑴备料：选择粒径≤0.074㎜的氟化钙颗粒，其颗粒为不规则形状，清洗杂质并烘干，所述氟化钙折射率1.434，透光率95﹪，容重3.18g/㎝³；选择无色孔隙液体，调节溶液浓度，使孔隙液体的折射率与氟化钙的折射率一致；

本发明在步骤⑴中，所述的孔隙液体为糖溶液或氯化钠溶液或溴化钙溶液或正12烷与甘油的混合物中的一种。

本实施例选择粒径≤0.074㎜的氟化钙颗粒；孔隙液体为糖溶液，所述的糖为蔗糖。调制溶液浓度（本实施例浓度为56﹪），利用阿贝折射仪测定蔗糖溶液在试验温度（本实施例为20^oC）下的折射率（本实施例为1.434），使其与氟化钙的折射率一致。

⑵混配：根据试验条件与试样的尺寸大小计算确定氟化钙颗粒和孔隙液体的用量，先将氟化钙颗粒分层填入模具中，并分3～4次击实，以控制试样的密度；然后在模具中注入孔隙液体，静置24小时～48小时；

本实施例在模具中填入一定量后，对氟化钙颗粒进行预压；分3次击实，以控制试样的密度；然后在模具中注入孔隙液体，静置24小时；

⑶抽真空：利用抽真空装置抽除氟化钙颗粒之间的气泡，使其达到充分饱和状态，利用吸球抽去高出氟化钙颗粒的孔隙液体；

⑷固结：在固结仪中进行固结，制得模拟饱和黏土的透明土，其物理特性为：密度1.98g/㎝³～2.5g/㎝³，重度20kN/m³～26kN/m³，固结度OCR值0.8～3；力学特性为：凝聚力1 kPa～3kPa，内摩擦角22°～26°，弹性模量5MPa～9MPa，泊松比0.20～0.35。

本实施例所制透明土的物理特性为：密度1.98g/㎝³，重度20kN/m³，固结度OCR值0.8；力学特性为：凝聚力1 kPa，内摩擦角22°，弹性模量5MPa，泊松比0.35。

实施例5：

在步骤⑴中，所述孔隙液体为氯化钠溶液，其浓度为54﹪；

在步骤⑵中，根据试验条件与试样的尺寸大小计算确定氟化钙颗粒和孔隙液体的用量，先将调配好的孔隙液体装在容器中，并将氟化钙颗粒缓慢、均匀、分散地倒入容器中，倾倒过程中不断搅拌排出气泡，并保持氟化钙颗粒始终在孔隙液体液面以下；

本实施例所制透明土的物理特性为：密度2.3g/㎝³，重度23kN/m³，固结度OCR值1.5；力学特性为：凝聚力2 kPa，内摩擦角23°，弹性模量8MPa，泊松比0.30。

余同实施例4。

实施例6：

在步骤⑴中，所述孔隙液体为溴化钙溶液，其浓度为45﹪；

本实施例所制透明土的物理特性为：密度2.1g/㎝³，重度21kN/m³，固结度OCR值1.0；力学特性为：凝聚力1kPa，内摩擦角22°，弹性模量6MPa，泊松比0.30。

余同实施例4。

实施例7：

在步骤⑴中，所述孔隙液体为正12烷（折射率为1.421）与甘油（折射率为1.473）的混合物，通过调整正12烷与甘油的的质量比来改变混合油的折射率，使其与氟化钙颗粒的折射率一致；本实施例正12烷与甘油的的质量比为1：3；

本实施例所制透明土的物理特性为：密度2.3g/㎝³，重度23kN/m³，固结度OCR值1.5；力学特性为：凝聚力3kPa，内摩擦角26°，弹性模量8MPa，泊松比0.35。

余同实施例4。