СПОСОБ ПРИМЕНЕНИЯ ФТОРОСОДЕРЖАЩЕГО ПОЛИМЕРА ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ ПРОЗРАЧНОГО МЕРЗЛОГО ГРУНТА Российский патент 2017 года по МПК G01N1/28 E02D33/00 

Область техники

Данное изобретение относится к применению фторсодержащего полимера в получении прозрачного мерзлого грунта.

Уровень техники

В модельных испытаниях в рамках инженерной геологии исследования закона внутреннего преобразования и механизма грунтовых массивов имеют огромное значение в изучении проблем инженерной геологии. В частности, регионы с вечномерзлым, сезонномерзлым и временномерзлым грунтом на земле занимают приблизительно 50% суши, причем область распространения вечномерзлого грунта составляет 35000000 км², что примерно равно 20% суши. Существует большая разница между техническими характеристиками мерзлого и обычного грунта, поэтому крайне важно разработать возможность исследования технических характеристик мерзлого грунта и характеристик строящегося объекта в районе с мерзлым грунтом.

В патенте Китая под номером 201110074794.2 с названием изобретения «Способ получения пробы мерзлого грунта с высоким содержанием воды» раскрыт технический способ получения пробы мерзлого грунта с высоким содержанием воды с помощью стандартного оборудования. В данном способе можно было получить пробу мерзлого грунта с высоким содержанием воды в зависимости от необходимых размеров, на основе полученной пробы прибор для анализа грунта использовался для испытания технических характеристик мерзлого грунта.

Несмотря на то что стандартный способ измерения деформации грунтового массива заключается в установке нескольких датчиков в грунтовый массив и смещении некоторых дискретных точек, датчики легко подвергаются воздействию нарушения внешней среды, результаты измерения зачастую неточны, а поле смещения при непрерывной деформации грунтового массива невозможно представить в полной мере. Кроме того, установка датчиков приводит к нарушениям в реальной среде грунтового массива. Современные технологии цифрового изображения предусматривают измерение только макроскопической или предельной деформации грунтового массива и не могут наглядно показать его внутреннюю деформацию; несмотря на то что для измерения непрерывной деформации грунтового массива можно использовать технологии рентгеновского, γ-лучевого, компьютерного томографического сканирования (САТ-сканирование) и магнитно-резонансной томографии (МРТ), большие расходы ограничивают широкое применение этих технологий. Искусственный синтез прозрачного грунта в сочетании с технологиями оптического наблюдения и обработки изображений используется для того, чтобы наглядно показать внутреннюю деформацию грунтового массива, имеет низкие расходы и прост в эксплуатации. Однако его предпосылкой является получение искусственно синтезированного грунта с высокой прозрачностью и свойствами, схожими с естественным грунтовым массивом. В настоящее время для получения прозрачного грунта применяются различные материалы и появились некоторые достижения в этой области, к примеру:

документ 1: Аллерсма Х.Г.Б., 1982 г. «Поляризационно-оптический анализ напряжений и нагрузки при простом сдвиге», Протоколы, Симпозиум IUTAM (Международный союз теоретической и прикладной механики) по деформации и разрушению сыпучих материалов, Делфт, Под редакцией Вермера П.А. и Люгера Х.Ю., с. 345-353. В документе 1 от 1982 г. Аллерсма предложил использовать смесь битого стекла (с коэффициентом преломления 1,4738) и жидкости с аналогичным коэффициентом преломления для получения прозрачного грунта;

документ 2: Искандер М., Лай Дж., Освальд К. и Майнхаймер Р., 1994 г. «Разработка прозрачного материала для моделирования геотехнических свойств грунтов». Журнал геотехнических испытаний, том 17(4), с. 425-433;

документ 3: Искандер М., Лиу Ц. и Садек С., 2002а. «Оптическое измерение деформации с помощью прозрачного силикагеля для моделирования песка». Международный журнал физического моделирования в геотехнике, том 2(4), с. 27-40.

документ 4: Искандер M., Лиу Ц. и Садек С., 2002b. «Прозрачный аморфный кремнезем для моделирования песчаного грунта». Журнал геотехнического и геоэкологического проектирования, том 128(3), с. 262-273;

документ 5: Лиу Ц., Искандер М. и Садек С., 2003 г. «Затвердевание и проницаемость прозрачного аморфного кремнезема». Журнал геотехнических испытаний, том 26(4), с. 390-401.

В документах 2-5 от 1998 и 2002 г. Искандер и соавт. использовали промышленно изготовленный аморфный кварцевый порошок или силикагель (с коэффициентом преломления 1,447) и поровую жидкость с соответствующим коэффициентом преломления для получения искусственно синтезированного прозрачного грунта;

документ 6: У Минси, 2006 г. Исследование искусственного прозрачного грунта и его испытание на трехосное сжатие [D]. Магистерская диссертация, Далянь, Даляньский технологический университет, с. 18-21;

документ 7: Суй Ванхуа, Гао Юэ. Статус и перспективы экспериментальной методики использования прозрачного грунта [J]. Журнал Китайского угольного сообщества, 36(4): 577-582;

документ 8: Цао Ц.Х., Лиу Ц.Ю. и Лиу Х.Л., 2011 г. «Прозрачный плавленый кварц для моделирования естественного песка». Всеамериканская геотехническая конференция Канадского геотехнического общества;

документ 9: Эззейн Ф.М. и Бэтхерст Р.Дж., 2011 г. «Прозрачный песок для моделирования в геотехнической лаборатории». Журнал геотехнических испытаний, том 34(6), с. 590-601;

документ 10: Гузман И.Л., Искандер М., Сескун-Флорес Е. и Омидвар М., 2013 г. «Прозрачный водонасыщенный заменитель песка для использования в физическом моделировании». Журнал Acta Geotechnica, опубликовано онлайн, июль 2013 г.

http://link.springer.com/article/10.1007%2Fs 11 440-013-0247-2

В документах 6-10 от 2006, 2013 гг. и т.д. У Минси и соавт. использовали плавленый кварцевый песок (с коэффициентом преломления 1,4585) и жидкость с соответствующим коэффициентом преломления, такую как смешанное масло или раствор бромида кальция для получения искусственно синтезированного прозрачного грунта.

Существующие технические данные показывают, что в качестве твердых частиц для получения прозрачного грунта главным образом применяются кварцевые материалы с коэффициентом преломления твердых частиц 1,44-1,46 и боросиликатное стекло с коэффициентом преломления твердых частиц 1,46-1,48, что значительно больше коэффициента преломления воды 1,33 и льда 1,31. Таким образом, с помощью существующих твердых частиц для получения прозрачного грунта невозможно получить пробу насыщенного прозрачного мерзлого грунта.

Известен фторсодержащий полимер в виде тефлона AF 1600 производства компании American DuPont Company с коэффициентом преломления 1,31 и плотностью 2,1-2,3 г/см³. Он устойчив к действию высоких и низких температур, химической коррозии, невязок, нетоксичен, не загрязняет окружающую среду, имеет высокую прозрачность и низкий коэффициент преломления, газопроницаемую структуру, гидрофобность и химическую инертность, а по своим свойствам подобен естественному грунтовому массиву. Тефлон AF 1600 можно растворять во фтористых растворителях, преобразовывать в пленку или формовать путем плавкого сжатия. В настоящее время он преимущественно используется в облицовке или пропитке, либо преобразуется в волокна, а готовое жидкое ядро также применяется в различных сферах абсорбции, флуоресценции, рамановском спектральном анализе, датчиках газа и т.д. Применение тефлона AF 1600 в получении прозрачного мерзлого грунта еще не было зарегистрировано.

Сущность изобретения

Цель настоящего изобретения заключается в применении фторсодержащего полимера для получения прозрачного мерзлого грунта, и фторсодержащий полимер используется в качестве прозрачного твердого материала для получения прозрачного мерзлого грунта.

Чтобы достичь вышеуказанной цели, данное изобретение предусматривает применение фторсодержащего полимера в получении прозрачного мерзлого грунта: он используется в качестве прозрачного твердого материала в получении прозрачного мерзлого грунта, имеет вид частиц диаметром 0,25-2,0 мм с неправильной формой и представлен тефлоном AF 1600 производства компании American DuPont Company с коэффициентом преломления 1,31 и плотностью 2,1-2,3 г/см³, а прозрачный мерзлый грунт, полученный из фторсодержащего полимера с данным диаметром частиц, может использоваться для имитирования мерзлого песчаного грунта.

Этапы получения искусственного мерзлого песчаного грунта из указанного фторсодержащего полимера представлены ниже:

(1) приготовление материалов: количество фторсодержащего полимера, кубикового льда и бесцветной поровой жидкости рассчитывается согласно условиям испытаний и размерам проб; фторсодержащий полимер представлен частицами диаметром 0,25-2,0 мм, подвергается очистке от примесей, сушится в сушильном шкафу, причем его частицы имеют неправильную форму, и является тефлоном AF 1600 производства American DuPont Company с коэффициентом преломления 1,31 и плотностью 2,1-2,3 г/см³; кубиковый лед получают путем раздавливания целого блока льда с диаметром частиц 0,1-0,5 мм; бесцветная поровая жидкость представлена водой, предпочтительно, очищенной водой; частицы фторсодержащего полимера диаметром больше 0,25 мм и меньше 0,5 мм составляют 10-50%, частицы диаметром больше 0,5 мм и меньше 1,0 мм составляют 10-50%, частицы диаметром больше 1,0 мм и меньше 1,5 мм составляют 10-50%, частицы диаметром больше 1,5 мм и меньше 2,0 мм составляют 10-50%, а в сумме по массе выходит 100%.

(2) смешивание: сначала фторсодержащий полимер и кубиковый лед равномерно перемешивают в криогенной лаборатории при температуре от -6,0°С до -8,0°С, загружают в форму по 2-3 партии для приготовления пробы и утрамбовывают слой за слоем; затем в форму добавляют воду и она заполняет промежутки между частицами фторсодержащего полимера и кубиковым льдом;

(3) вакуумирование: устройство вакуумирования используется для удаления остаточных пузырьков в пробе, чтобы она достигла полностью насыщенного состояния; и

(4) замораживание: проба загружается в криогенный бокс при температуре -20°С и замораживается на 48 часов, чтобы получить прозрачный мерзлый грунт, имитируя насыщенный мерзлый песчаный грунт, физические свойства которого следующие: плотность - 1,53-2,0 г/см³, удельная масса - 15-20 кН/м³ и компактность - 20-80%; а механические свойства следующие: угол внутреннего трения - 30-31°, модуль упругости - 8-61 МПа и коэффициент Пуассона - 0,2-0,4.

Для применения прозрачного мерзлого грунта в имитировании мерзлой глины фторсодержащий полимер с размером частиц ≤ 0,074 мм может также использоваться для получения прозрачного мерзлого грунта, причем его частицы имеют неправильную форму, и является тефлоном AF 1600 производства компании American DuPont Company с коэффициентом преломления 1,31 и плотностью 2,1-2,3 г/см³, а прозрачный мерзлый грунт, полученный из фторсодержащего полимера с данным диаметром частиц, может использоваться для имитирования мерзлого песчаного грунта.

В частности, способ получения прозрачной мерзлой глины из указанного фторсодержащего полимера включает следующие этапы:

(1) приготовление материалов: количество фторсодержащего полимера, кубикового льда и бесцветной поровой жидкости рассчитывается согласно условиям испытаний и размерам проб; фторсодержащий полимер представлен частицами диаметром ≤ 0,074 мм, подвергается очистке от примесей, сушится в сушильном шкафу, причем его частицы имеют неправильную форму, и является тефлоном AF 1600 производства American DuPont Company с коэффициентом преломления 1,31 и плотностью 2,1-2,3 г/см³; кубиковый лед получают путем раздавливания целого блока льда с диаметром частиц ≤ 0,074 мм; бесцветная поровая жидкость представлена водой;

(2) смешивание: сначала фторсодержащий полимер и кубиковый лед равномерно перемешивают в криогенной лаборатории при температуре от -6,0°С до -8,0°С, загружают в форму по 2-3 партии для приготовления пробы и утрамбовывают слой за слоем; затем в форму добавляют воду, и она заполняет промежутки между частицами фторсодержащего полимера и кубиковым льдом;

(3) вакуумирование: устройство вакуумирования используется для удаления остаточных пузырьков в пробе, чтобы она достигла полностью насыщенного состояния;

(4) затвердевание: проба помещается в плотномер со значением степени переуплотнения (СП) 0,8-3; и

(5) замораживание: проба загружается в криогенный бокс при температуре -20°С и замораживается на 48 часов, чтобы получить прозрачный мерзлый грунт, имитируя насыщенный мерзлый песчаный грунт, физические свойства которого следующие: плотность - 1,63-2,1 г/см³, удельная масса - 16-21 кН/м³ и значение степени переуплотнения - 0,8-3; а механические свойства следующие: угол внутреннего трения - 19-22°, связность - 1-3 кПа, модуль упругости - 5-9 МПа и коэффициент Пуассона - 0,2-0,3.

Когда фторсодержащий полимер по настоящему изобретению используется в качестве прозрачного твердого материала для получения прозрачного мерзлого грунта, полученный прозрачный мерзлый грунт обладает высокой прозрачностью, низкозатратен, нетоксичен и не вреден, по своим свойствам подобен естественному мерзлому грунтовому массиву; может по большей части заменять естественный прозрачный мерзлый грунт; применяется для имитирования сложных геологических условий и эффективно используется в модельных испытаниях в инженерной геологии.

Особые варианты осуществления изобретения

Пример 1

Применение фторсодержащего полимера в получении прозрачного мерзлого грунта: он используется в качестве прозрачного твердого материала в получении прозрачного мерзлого грунта и имеет вид частиц диаметром 0,25-2,0 мм с неправильной формой и представлен тефлоном AF 1600 производства компании American DuPont Company с коэффициентом преломления 1,31 и плотностью 2,1-2,3 г/см³.

Способ получения прозрачного мерзлого грунта из вышеуказанного фторсодержащего полимера включает следующие этапы:

(1) приготовление материалов: количество фторсодержащего полимера, кубикового льда и бесцветной поровой жидкости рассчитывается согласно условиям испытаний и размерам проб; фторсодержащий полимер представлен частицами диаметром ≤ 0,074 мм, подвергается очистке от примесей, сушится в сушильном шкафу, причем его частицы имеют неправильную форму, и является тефлоном AF 1600 производства American DuPont Company с коэффициентом преломления 1,31 и плотностью 2,1-2,3 г/см³; частицы фторсодержащего полимера диаметром больше 0,25 мм и меньше 0,5 мм составляют 10-50%, частицы диаметром больше 0,5 мм и меньше 1,0 мм составляют 10-50%, частицы диаметром больше 1,0 мм и меньше 1,5 мм составляют 10-50%, частицы диаметром больше 1,5 мм и меньше 2,0 мм составляют 10-50%, а в сумме по массе выходит 100%; кубиковый лед получают путем раздавливания целого блока льда с диаметром частиц 0,1-0,5 мм; бесцветная поровая жидкость представлена водой, а для того, чтобы сохранить коэффициент преломления, эта вода представлена очищенной водой;

количество фторсодержащего полимера, частиц льда и бесцветной поровой жидкости рассчитывается согласно условиям испытаний и размерам проб;

проба по данному примеру обладает содержанием воды 100%, плотностью в сухом состоянии 0,55 г/см³ и размером пробы: высота 125,0 мм и диаметр 61,8 мм, температура в криогенной лаборатории составляет -6,0°С, масса частиц фторсодержащего полимера (масса частиц = плотность в сухом состоянии × объем пробы), необходимая для приготовления пробы, по расчетам составляет 206,0 г, а общее количество воды (содержание воды 100,0%, масса общего количества воды равна массе частиц) составляет 206,0 г; так как песчаный грунт обладает содержанием незамороженной воды примерно 15% при температуре -6,0°С, масса очищенной воды, добавленной в процессе приготовления пробы, должна составлять 30,9 г, а масса кубикового льда - 175,1 г;

(2) смешивание: сначала частицы фторсодержащего полимера и частицы льда, определенные на этапе (1), равномерно перемешивают в криогенной лаборатории при температуре -6,0°С, загружают в форму по 2-3 партии для приготовления пробы и утрамбовывают слой за слоем до 70% расчетной компактности; затем в форму добавляют воду и она заполняет промежутки между частицами фторсодержащего полимера и кубиковым льдом;

(3) вакуумирование: устройство вакуумирования используется для удаления остаточных пузырьков в пробе, чтобы она достигла полностью насыщенного состояния; и

(4) замораживание: проба загружается в криогенный бокс при температуре -20°С и замораживается на 48 часов, чтобы получить прозрачный мерзлый грунт, имитируя насыщенную мерзлую глину, физические свойства которой следующие: плотность - 1,9 г/см³, удельная масса - 19 кН/м³ и компактность - 70%; а механические свойства следующие: угол внутреннего трения - 20°, связность - 3 кПа, модуль упругости - 40 МПа и коэффициент Пуассона - 0,3.

Прозрачный мерзлый грунт по данному примеру может использоваться для имитирования насыщенного мерзлого песчаного грунта.

Пример 2

Этапы приготовления подобны этапам в примере 1, но разница заключается в том, что на этапе (1) выбраны частицы фторсодержащего полимера плотностью 2,1 г/см³, частицы фторсодержащего полимера диаметром больше 0,25 мм и меньше 0,5 мм составляют 20%, частицы диаметром больше 0,5 мм и меньше 1,0 мм составляют 30%, частицы диаметром больше 1,0 мм и меньше 1,5 мм составляют 30%, частицы диаметром больше 1,5 мм и меньше 2,0 мм составляют 20%, а в сумме по массе выходит 100%, и они равномерно смешиваются.

На этапе (2) компактность контролируется на уровне 30%; физические свойства прозрачного мерзлого грунта, полученного в данном примере, следующие: плотность - 1,82 г/см³, удельная масса - 18 кН/м³ и компактность - 30%; а механические свойства следующие: угол внутреннего трения - 30°, модуль упругости - 10 МПа и коэффициент Пуассона - 0,35.

Прозрачный мерзлый грунт по данному примеру может использоваться для имитирования насыщенного мерзлого песчаного грунта.

Пример 3

Применение фторсодержащего полимера в получении прозрачного мерзлого грунта: он используется в качестве прозрачного твердого материала в получении прозрачного мерзлого грунта, получение прозрачного мерзлого грунта включает следующие этапы:

(1) приготовление материалов: количество фторсодержащего полимера, кубикового льда и бесцветной поровой жидкости рассчитывается согласно условиям испытаний и размерам проб; фторсодержащий полимер представлен частицами диаметром ≤ 0,074 мм, подвергается очистке от примесей, сушится в сушильном шкафу, причем его частицы имеют неправильную форму, и является тефлоном AF 1600 производства American DuPont Company с коэффициентом преломления 1,31 и плотностью 2,1-2,3 г/см³; кубиковый лед получают путем раздавливания целого блока льда с диаметром частиц ≤ 0,074 мм; бесцветная поровая жидкость представлена водой, а для того, чтобы сохранить коэффициент преломления, эта вода представлена очищенной водой.

Условия испытаний, размер пробы и способ расчета по данному примеру аналогичны условиям испытаний, размеру пробы и способу расчета в примере 1.

По примеру количество частиц фторсодержащего полимера, кубикового льда и очищенной воды составляет 206,0 г, 175,1 г и 30,9 г соответственно.

(2) смешивание: сначала частицы фторсодержащего полимера и частицы льда, определенные на этапе (1), равномерно перемешивают в криогенной лаборатории при температуре -6,0°С, загружают в форму по 2-3 партии для приготовления пробы и утрамбовывают слой за слоем до расчетной компактности; затем в форму добавляют воду и она заполняет промежутки между частицами фторсодержащего полимера и кубиковым льдом;

(3) вакуумирование: устройство вакуумирования используется для удаления остаточных пузырьков в пробе, чтобы она достигла полностью насыщенного состояния; и

(4) затвердевание: проба помещается в плотномер со значением степени переуплотнения 1,5; и

(5) замораживание: проба загружается в криогенный бокс при температуре -20°С и замораживается на 48 часов, чтобы получить прозрачный мерзлый грунт, имитируя насыщенную мерзлую глину, физические свойства которой следующие: плотность - 1,93 г/см³ и удельная масса - 19,1 кН/м³; а механические свойства следующие: угол внутреннего трения - 20°, связность - 3 кПа, модуль упругости - 9 МПа и коэффициент Пуассона - 0,3. Прозрачный мерзлый грунт по данному примеру может использоваться для имитирования насыщенного мерзлого песчаного грунта.

Пример 4

Этапы приготовления подобны этапам в примере 3, но разница заключается в следующем:

на этапе (1) выбраны частицы фторсодержащего полимера плотностью 2,1 г/см³;

на этапе (4) значение степени переуплотнения составляет 0,8; и

физические свойства прозрачного мерзлого грунта, полученного по данному примеру, следующие: плотность - 1,83 г/см³ и удельная масса - 18 кН/м³; а механические свойства следующие: угол внутреннего трения - 19°, связность - 1 кПа, модуль упругости - 5,2 МПа и коэффициент Пуассона - 0,22. Прозрачный мерзлый грунт по данному примеру может использоваться для имитирования насыщенной мерзлой глины.

Когда фторсодержащий полимер по данному изобретению используется как прозрачный твердый материал для получения прозрачного мерзлого грунта, полученный прозрачный мерзлый грунт обладает высокой прозрачностью, низкозатратен, нетоксичен и не вреден, и по своим свойствам подобен естественному мерзлому грунтовому массиву; может по большей части заменять естественный прозрачный мерзлый грунт; применяется для имитирования сложных геологических условий и эффективно используется в модельных испытаниях в инженерной геологии.

В изобретении раскрыто применение фторсодержащего полимера в получении прозрачного мерзлого грунта, который используется в качестве прозрачного твердого материала при получении прозрачного мерзлого грунта, причем фторсодержащий полимер представлен тефлоном AF 1600 с коэффициентом преломления 1,31 и плотностью 2,1-2,3 г/см³ и имеет вид частиц диаметром 0,25-2,0 мм или частиц диаметром ≤ 0,074 мм с неправильной формой. Когда указанный фторсодержащий полимер используется как прозрачный твердый материал для получения прозрачного мерзлого грунта, полученный грунт обладает высокой прозрачностью, низкозатратен, нетоксичен и не вреден и по своим свойствам подобен естественному мерзлому грунтовому массиву. 2 н.п. ф-лы, 4 пр.

1. Применение фторсодержащего полимера для получения искусственного прозрачного мерзлого грунта, при котором фторсодержащий полимер имеет вид частиц диаметром 0,25-2,0 мм неправильной формы из тефлона AF 1600 с коэффициентом преломления 1,31 и плотностью 2,1-2,3 г/см³.

2. Применение фторсодержащего полимера для получения искусственного прозрачного мерзлого грунта, при котором фторсодержащий полимер имеет вид частиц диаметром ≤0,074 мм неправильной формы из тефлона AF 1600 с коэффициентом преломления 1,31 и плотностью 2,1-2,3 г/см³.