一种黏土矿物水化膨胀率测试装置

1.本实用新型属于膨胀率测量技术领域，更具体地，涉及一种黏土矿物水化膨胀率测试装置。


背景技术：

2.离子型稀土矿是在1969年在我国江西首次发现的一种新型外生稀土矿。该矿因为含有大量的中、重稀土而被人所知。在此矿种中，稀土以水合阳离子或羟基水合阳离子的形式吸附在黏土矿物上。正是因为稀土离子此种特殊的吸附状态，决定了工业上采用原地浸取-离子交换的形式来对其中的稀土离子进行开采提取。在离子型稀土矿原地浸取过程中，当黏土矿物与水相物质接触时，黏土矿物表面带有的负电荷和交换性离子发生水化作用。此种水化作用会导致黏土矿物的表面形成一层定向水膜。与普通的水分子相比，定向水膜中的水有着更大的黏度和密度，这些水分子在很大程度上会影响黏土矿物的动力学性质。对其影响主要表现为两方面：一是黏土的水化膨胀的现象；二是在定向水膜的影响下，黏土颗粒会发生分散、运移或者出现沉淀现象堵塞孔喉，对黏土的渗透性造成巨大影响。其中黏土的水化膨胀指的是黏土矿物在水膜的影响下吸附了水分子后自身体积发生一定程度的膨胀这种现象。黏土矿物与水溶液接触后的膨胀可分为表面水化和渗透水化两个阶段。
3.1.表面水化，是黏土矿物膨胀的开始阶段。在黏土矿物与水相接触后，在氢键以及黏土矿物表面负电荷与交换性阳离子的相互作用下，水分子进入黏土矿物的晶层间，持续吸附水分子，并将黏土矿物表面的颗粒推开，持续性的发生水化作用。这种将矿物表面晶层推开的力被称为晶层间斥力。在开始阶段，水膜产生的吸附力为这个阶段的主要推动力。
4.2.渗透水化指的是在双电层的排斥下使得黏土矿物表面的颗粒或者晶层进一步被推开。这一阶段常常会导致更大体积变化的膨胀。对于渗透水化而言,主要的推动力来源于渗透压力，当浸取液进入矿体时，由于黏土矿物表面的离子浓度高于注入液的浓度，水分子由于浓度差的影响从浸取液被吸附至矿体表面，形成黏土矿物表面的定向水膜。定向水膜的形成加大了双电子层的斥力。这种斥力把黏土表面的颗粒持续性的推开，导致更多的水分子被吸附，形成新的定向水膜，致使黏土矿物的体积不断增大，膨胀继续加剧。
5.黏土的膨胀导致土体的稠度发生了变化，从而降低了土体的强度。再加上定向水膜的作用，使得土体之间的摩擦力减小，土体之间产生相对运动的概率大大增加。除此之外，土体的膨胀也对于山体上植被的生长有着巨大的影响。植物有着防风固沙的作用，没有了植被的保护再加上本身土体的膨胀就会导致山体滑坡这种自然灾害的出现的风险大大增加。所以在用浸取剂原地浸取稀土时，很有必要在浸取剂中适当加入筛选出来合适的抑膨剂，尽量做到在保证高浸出稀土的同时，减少被浸出的矿体的膨胀，避免山体滑坡的发生。因此非常有必要在筛选合适的抑膨剂时选用准确且合适的矿体水化膨胀膨胀率测量装置。
6.黏土的水化膨胀可以通过测量其膨胀率来进行定量描述。目前应用最广泛的自由膨胀仪装置主要是由支架、量土杯和漏斗所组成，用来测定黏土颗粒松散无结构堆积的膨
胀特性。对于传统的自由膨胀装置而言，数据的收集来源于千分表的读数，导致其测量精度较低，对于黏土较为细致的膨胀无法做到较为准确地捕捉。同时，传统的膨胀仪一次实验只能进行一种自变量参数的实验进行，实验无法高效的进行。


技术实现要素：

7.针对现有技术的缺陷，本实用新型提供了一种黏土矿物水化膨胀率测试装置，解决了现有技术黏土矿物水化膨胀率测试装置测量精度低、效率低等的技术问题。
8.为实现上述目的，本实用新型提供了一种黏土矿物水化膨胀率测试装置，包括黏土矿物承载单元、传感器测试单元和数据采集单元，其中：
9.所述黏土矿物承载单元包括抑膨溶液储存容器和置于该抑膨溶液储存容器内部的黏土矿物承载模具，所述黏土矿物承载模具为敞口容器，其内部用于放置压紧后的黏土矿物，所述黏土矿物承载模具侧壁设置若干个小孔，所述小孔用于供储存在所述抑膨溶液储存容器内的抑膨溶液穿过并渗透进入所述黏土矿物承载模具内部压紧后的黏土矿物中，使所述黏土矿物发生水化膨胀；
10.所述传感器测试单元包括激光测距传感器和用于固定所述激光测距传感器的夹具，所述激光测距传感器位于所述黏土矿物承载模具的正上方，且使用时所述激光测距传感器的激光束对准所述压紧后的黏土矿物上表面；
11.所述数据采集单元包括数据采集模块、电源模块和计算机，所述激光测距传感器的信号输出端与所述数据采集模块的信号输入端相连接，所述数据采集模块的信号输出端与所述计算机的信号输入端相连接，所述电源模块用于为所述数据采集模块和所述计算机提供电源。
12.优选地，所述黏土矿物承载模具侧壁四周均匀布置若干个所述小孔，所述小孔直径为1-5mm。
13.优选地，该测试装置还包括与所述黏土矿物承载模具相匹配的压块；所述压块包含两个相对设置且互相平行的端面；进一步优选地，所述压块的外部轮廓与所述黏土矿物承载模具的内部轮廓相同。
14.优选地，该测试装置还包括液压机，所述液压机用于通过所述压块对所述黏土矿物承载模具内部的黏土矿物进行施压，使其压紧。
15.优选地，所述激光测距传感器为精度0.01mm开关激光测距传感器。
16.优选地，所述夹具包括水平底座、竖直支杆和水平吊杆；所述水平吊杆上设置有所述激光测距传感器，所述竖直支杆一端与所述水平底座相连接，另一端与所述水平吊杆相连接，且所述水平吊杆在所述竖直支杆上的位置上下可调；使用时，所述黏土矿物承载单元置于所述水平底座上，且所述黏土矿物承载单元位于所述激光测距传感器的正下方。
17.进一步优选地，所述水平吊杆远离所述竖直支杆的一端通过可拆卸锁紧部件固定设置有所述激光测距传感器。
18.优选地，所述数据采集模块为多通道数据采集模块。
19.优选地，所述电源模块包括精密净化交流稳压电源。
20.优选地，所述黏土矿物承载模具内部放置的压紧后的黏土矿物的上表面与所述黏土矿物承载模具的顶部之间的距离为5-30mm；所述激光测距传感器与所述黏土矿物承载模
具内部放置的压紧后的黏土矿物的上表面之间的距离为5-70mm。
21.总体而言，通过本实用新型所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：
22.(1)本实用新型提供的一种黏土矿物水化膨胀率测试装置，包括黏土矿物承载单元、传感器测试单元和数据采集单元，黏土矿物承载单元包括抑膨溶液储存容器和置于该抑膨溶液储存容器内部的黏土矿物承载模具，黏土矿物承载模具为敞口容器，其内部用于放置压紧后的黏土矿物，黏土矿物承载模具侧壁设置若干个小孔，用于供所述抑膨溶液穿过并渗透进入所述压紧后的黏土矿物，使所述黏土矿物发生水化膨胀。压紧后的黏土矿物置于标准化制作的承载模具中，能够克服实验装置精度不够带来的实验误差，确保实验结果的准确性。
23.(2)本实用新型黏土矿物水化膨胀率测试装置采用激光测距传感器，优选实施例中采用精度0.01mm开关激光测距传感器，通过精密测试黏土矿物水化膨胀过程中表面的高度变化，获取膨胀率测试数据。该装置能在测量过程中实时监控，全自动电脑数据采集，电子示数仪器可以大大提高数据的准确性。与此同时，对于黏土任何细微的膨胀也能够做到及时且准确地记录和储存，解决了传统测量装置测量仪器的简单化和测量方法的简单化等问题。
24.(3)本实用新型测试装置数据采集实现全自动化采集，减少了人工读数的误差；同时，可以通过设置多套黏土矿物承载单元和传感器测试单元的组合，同时检测多个黏土矿物样品的膨胀率，实现多通道实验的可能性，一次操作可以同时进行多组不同自变量实验，检测效率高。
25.(4)本实用新型提供的黏土矿物水化膨胀率测试装置结构合理且实用，设计的黏土矿物承载模具易于清洗，且解决了传统仪器设备中压片后样品散开无法测试的难题。
26.(5)本实用新型黏土矿物水化膨胀率测试装置可以适用于各种黏土矿物水化开采的水化膨胀率测试实验模拟研究，尤其对于离子型稀土矿的原地浸出开采，借助于本实用新型装置，能够高精度模拟离子型稀土矿原地浸出时的膨胀过程，测试得出的不同抑膨剂种类或其他原地浸出实验参数的测试考察结果，对于离子型稀土矿的实地浸出开采具有良好的指导和借鉴意义。
附图说明
27.图1为本实用新型黏土矿物水化膨胀测试装置示意图。
28.图2为本实用新型黏土矿物水化膨胀测试装置中黏土矿物承载单元和传感器测试单元的结构示意图。
29.图3为本实用新型黏土矿物水化膨胀测试装置中黏土矿物承载单元和传感器测试单元的结构剖视图。
30.在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：
31.1-抑膨溶液储存容器；2-黏土矿物承载模具；3-小孔；4-激光测距传感器；5-夹具；51-水平底座；52-竖直支杆；53-水平吊杆；6-数据采集模块；7-电源模块；8-计算机。
具体实施方式
32.为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
33.本实用新型涉及真实和模拟实际矿石堆积环境下黏土矿物发生水化膨胀时其膨胀率测量技术领域。特别涉及离子型稀土矿定向水化膨胀时膨胀率测量装置。本实用新型提供的一种黏土矿物水化膨胀率测试装置，如图1所示，包括黏土矿物承载单元、传感器测试单元和数据采集单元，其中：
34.所述黏土矿物承载单元包括抑膨溶液储存容器1和置于该抑膨溶液储存容器1内部的黏土矿物承载模具2，所述黏土矿物承载模具2为敞口容器，其内部设置有压紧后的黏土矿物，侧壁设置若干个小孔3，用于供所述抑膨溶液穿过并渗透进入所述压紧后的黏土矿物，使所述黏土矿物水化发生膨胀。
35.所述传感器测试单元包括激光测距传感器4和用于固定所述激光测距传感器4的夹具5，所述激光测距传感器4位于所述黏土矿物承载模具2的正上方，且使用时所述激光测距传感器4的激光束对准所述压紧后的黏土矿物上表面。
36.所述数据采集单元包括数据采集模块6、电源模块7和计算机8，激光测距传感器4与数据采集模块6、电源模块7和计算机8电连接，所述激光测距传感器4的信号输出端与所述数据采集模块6的信号输入端相连接，所述数据采集模块6的输出端与所述计算机8的输入端相连接，所述电源模块7用于为所述数据采集模块6和所述计算机8提供电源。
37.本实用新型测试装置可以准确并及时的测量离子型稀土矿水化膨胀的膨胀率。在基于传统测量仪器测量黏土膨胀率精确度较低以及测量效率太低的缺点上，本实用新型进行了良好的改进，对于数据的采集实现全自动化计算机采集，减少了人工读数的误差；同时，采用多通道进行实验，可以做到同时进行多组不同自变量实验，大大提高了膨胀率测定实验的效率，真正达到高效且精确的实验目的，以此能更有效地评估黏土矿物的膨胀行为，有效预防原地浸出开采过程中的山体滑坡等灾害。
38.采用上述装置测试黏土矿物水化膨胀率之前，需要首先对黏土矿物进行压紧，以模拟实际矿体的硬度和强度。比如测试不同抑膨剂对离子型稀土矿的水化膨胀率的影响时，首先采用液压机对盛放于黏土矿物承载模具内的黏土矿物进行压紧，采用液压机对黏土矿物进行压实压紧时，一些实施例中，将与黏土矿物承载模具相匹配的压块置于模具内黏土矿物上方，压块包含两个相对设置且互相平行的端面，所述压块的外部轮廓与所述黏土矿物承载模具的内部轮廓相同。液压机通过压块上部端面向下对置于模具内的黏土矿物施压，使其压紧。一些实施例中，黏土矿物承载模具为敞口且有底的圆柱体，对应匹配设置的压块也为圆柱体，压块圆柱体的外径与黏土矿物承载模具圆柱体的内径相同。测试过程中含有抑膨剂的抑膨溶液通过黏土矿物承载模具侧面设置的小孔3渗透进入黏土矿物承载模具2内压紧后的黏土矿物3中，通过激光测距测试膨胀过程中黏土矿物表面某一点上的高度变化，从而测试得出该抑膨剂条件下的膨胀率。一些实施例中，所述黏土矿物承载模具2侧壁四周均匀布置若干个小孔3，比如相对的两个侧壁上各设置3个小孔，小孔直径为1-5mm，较佳为2-3mm。盛放于抑膨溶液储存容器1内的含有抑膨剂的抑膨溶液通过这些小孔3进入所述黏土矿物承载模具2内，进一步进入所述压紧后的黏土矿物中，该黏土矿物与水发
生水化膨胀。
39.为了实现高精度测距，一些实施例中，所述激光测距传感器4为精度0.01mm开关激光测距传感器。
40.一些实施例中，如图2和图3所示，用于固定所述激光测距传感器4的夹具5包括水平底座51、竖直支杆52和水平吊杆53；所述水平吊杆53上固定设置有所述激光测距传感器4，所述竖直支杆52一端与所述水平底座51相连接，另一端与所述水平吊杆53相连接，且所述水平吊杆(53)在所述竖直支杆(52)上的位置上下可调；使用时，所述黏土矿物承载单元置于所述水平底座51上，且所述黏土矿物承载单元位于所述激光测距传感器4的正下方。
41.一些实施例中，所述水平吊杆53远离所述竖直支杆52的一端通过可调节锁紧部件，固定设置有所述激光测距传感器4。所述竖直支杆52与所述水平吊杆53也通过可调节锁紧部件实现连接。可调节锁紧部件可以为任意可调节松紧的锁紧装置，比如可调节螺栓等。
42.为了实现多种抑膨剂对应的抑膨溶液膨胀率的同时测试，该测试装置中采用同一组数据采集单元，可同时匹配一组或多组黏土矿物承载单元和传感器测试单元，匹配多组黏土矿物承载单元和传感器测试单元时，所述数据采集模块6采用多通道数据采集模块，可以同时采集多个传感器测试单元采集到的多组数据。
43.采用本实用新型测试装置测试黏土矿物水化膨胀率，一般测试时间不短于60小时，一些实施例中，所述电源模块7包括精密净化交流稳压电源，以确保电压稳定。
44.一些实施例中，为了避免激光在黏土矿物承载模具里多次折射导致实验误差，所述黏土矿物承载模具2内部放置的压紧后的黏土矿物的上表面与所述黏土矿物承载模具2的顶部之间的距离为5-30mm；所述激光测距传感器4与所述黏土矿物承载模具2内部放置的压紧后的黏土矿物的上表面之间的距离为5-70mm。
45.在一个实施例中，对赋存有离子型稀土矿的黏土矿物测试其定向水化膨胀率，黏土矿物承载单元中抑膨溶液储存容器1为烧杯，置于该抑膨溶液储存容器1内部的黏土矿物承载模具2为敞开有底的圆柱体，由柱体和底座焊接而成。与该黏土矿物承载模具2相匹配设置有一个圆柱体压块，该圆柱体压块的外径与黏土矿物承载模具2圆柱体的内径相同，用于液压机通过该压块向置于黏土矿物承载模具内的黏土矿物粉体施加压力，使其压紧。黏土矿物承载模具2相对的侧壁上各设置3个开孔尺寸为3mm的小孔，且抑膨溶液没过小孔所在的位置。
46.工作时，首先向黏土矿物承载模具2中放入一定质量的待测黏土矿物，将压块置于待测黏土矿物表面，然后将黏土矿物承载模具2和压块整体放入液压机上，使液压机恰好抵住压块上表面。调节液压机压力参数至1mpa，使黏土矿物整体在1mpa的压力下被压紧十分钟。十分钟后取出粘土载体模具以及压块整体，抽出压块。此时黏土矿物承载模具2内部压紧后的黏土矿物的上表面与黏土矿物承载模具2的顶部之间的距离为20mm；激光测距传感器4与黏土矿物承载模具2内部压紧后的黏土矿物的上表面之间的距离为50mm。
47.本实用新型测试装置中可以采用现有技术中常规的电源、激光测距传感器和数据采集模块。本实施例中使用的电源模块7为精密净化交流稳压电源(型号为jjw
3-1000va)，该精密净化交流稳压电源为整套装置输送电源。激光测距传感器4为精度0.01mm开关激光测距传感器(型号bl-100nmz)，数据采集模块6采用ieee-488总线型，该数据采集模块为100通路型，能同时采集100个样。装置工作时，开启该精密净化交流稳压电源，打开数据采集模
块6、精度0.01mm开关激光测距传感器和计算机操作端，将被压紧后的黏土矿物连同外部的黏土矿物承载模具2一同放置于抑膨溶液储存容器1中，抑膨溶液储存容器1为烧杯，该烧杯内盛有用于水化膨胀黏土矿物的抑膨溶液，将盛有抑膨溶液的烧杯、盛有压紧后的黏土矿物的圆柱体承载模具整体置于精度0.01mm开关激光测距传感器下方。采用夹具5固定该精度0.01mm开关激光测距传感器，其中夹具5包括水平底座51、竖直支杆52和水平吊杆53；水平吊杆53远离竖直支杆一端通过可调节螺栓固定设置精度0.01mm开关激光测距传感器，竖直支杆52一端与所述水平底座51通过螺栓固定连接，另一端与所述水平吊杆53通过可调节螺栓固定连接，用于根据需要调控精度0.01mm开关激光测距传感器在竖直支杆上的高度。通过精度0.01mm开关激光测距传感器测得黏土高度信号，其信号被输送至数据采集单元转化为位移数据信号，再传输至计算机，在计算机上作为特定时间的一个黏土柱高度数值，经计算，得到该条件下的膨胀率。
48.使用时，黏土矿物承载单元整体置于水平底座51上，且黏土矿物承载单元整体位于精度0.01mm开关激光测距传感器的正下方，使其激光对准被压实的黏土矿物上表面正中心一点。烧杯中的抑膨溶液通过黏土矿物承载模具2侧边的小孔向其中渗透，随着渗透的进行被压实的黏土矿物慢慢开始膨胀，也就导致激光测距的距离示数越来越小。在把激光对准之后立即打开计算机上膨胀系数测量程序，开始实时采集激光测距探头与黏土矿物上表面的距离。程序设定1秒读一次示数，并在计算机上记录。通过观察计算机显示器上距离随着时间变化的曲线走势，判断其膨胀是否达到平衡，当达到平衡时即可终止试验。
49.计算方法：黏土水化膨胀作用可用膨胀率来描述，即
[0050][0051]
式中，δ为黏土吸水膨胀率，δh为黏土矿物吸水后上升膨胀的高度，mm。h0为黏土矿物在1mpa的压力下、被压紧十分钟后整个矿体的高度，mm。
[0052]
本实用新型很好地解决了传统自由膨胀率测量实验测量效率低、测量精度低的问题。采用多个激光测距传感器同时测量可以有效地解决传统工艺测量效率低的问题，同时，高精度的激光测距传感器与计算机全自动采集并记录数据避免了测量精度不够、难以及时捕捉微小的膨胀高度变化的问题，克服了传统自由膨胀率试验仪器水平和测量方法的局限性。
[0053]
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

技术特征：
1.一种黏土矿物水化膨胀率测试装置，其特征在于，包括黏土矿物承载单元、传感器测试单元和数据采集单元，其中：所述黏土矿物承载单元包括抑膨溶液储存容器(1)和置于该抑膨溶液储存容器(1)内部的黏土矿物承载模具(2)，所述黏土矿物承载模具(2)为敞口容器，其内部用于放置压紧后的黏土矿物，所述黏土矿物承载模具(2)侧壁设置若干个小孔(3)，所述小孔(3)用于供储存在所述抑膨溶液储存容器(1)内的抑膨溶液穿过并渗透进入所述黏土矿物承载模具(2)内部压紧后的黏土矿物中，使所述黏土矿物发生水化膨胀；所述传感器测试单元包括激光测距传感器(4)和用于固定所述激光测距传感器(4)的夹具(5)，所述激光测距传感器(4)位于所述黏土矿物承载模具(2)的正上方，且使用时所述激光测距传感器(4)的激光束对准所述压紧后的黏土矿物上表面；所述数据采集单元包括数据采集模块(6)、电源模块(7)和计算机(8)，所述激光测距传感器(4)的信号输出端与所述数据采集模块(6)的信号输入端相连接，所述数据采集模块(6)的信号输出端与所述计算机(8)的信号输入端相连接，所述电源模块(7)用于为所述数据采集模块(6)和所述计算机(8)提供电源。2.如权利要求1所述的测试装置，其特征在于，所述黏土矿物承载模具(2)侧壁四周均匀布置若干个所述小孔(3)，所述小孔直径为1-5mm。3.如权利要求1所述的测试装置，其特征在于，该测试装置还包括与所述黏土矿物承载模具(2)相匹配的压块；所述压块包含两个相对设置且互相平行的端面。4.如权利要求3所述的测试装置，其特征在于，该测试装置还包括液压机，所述液压机用于通过所述压块对所述黏土矿物承载模具(2)内部的黏土矿物进行施压，使其压紧。5.如权利要求1所述的测试装置，其特征在于，所述激光测距传感器(4)为精度0.01mm开关激光测距传感器。6.如权利要求1所述的测试装置，其特征在于，所述夹具(5)包括水平底座(51)、竖直支杆(52)和水平吊杆(53)；所述水平吊杆(53)上设置有所述激光测距传感器(4)，所述竖直支杆(52)一端与所述水平底座(51)相连接，另一端与所述水平吊杆(53)相连接，且所述水平吊杆(53)在所述竖直支杆(52)上的位置上下可调；使用时，所述黏土矿物承载单元置于所述水平底座(51)上，且所述黏土矿物承载单元位于所述激光测距传感器(4)的正下方。7.如权利要求6所述的测试装置，其特征在于，所述水平吊杆(53)远离所述竖直支杆(52)的一端通过可拆卸锁紧部件固定设置有所述激光测距传感器(4)。8.如权利要求1所述的测试装置，其特征在于，所述数据采集模块(6)为多通道数据采集模块。9.如权利要求1所述的测试装置，其特征在于，所述电源模块(7)包括精密净化交流稳压电源。10.如权利要求1所述的测试装置，其特征在于，所述黏土矿物承载模具(2)内部放置的压紧后的黏土矿物的上表面与所述黏土矿物承载模具(2)的顶部之间的距离为5-30mm；所述激光测距传感器(4)与所述黏土矿物承载模具(2)内部放置的压紧后的黏土矿物的上表面之间的距离为5-70mm。

技术总结
本实用新型属于膨胀率测量技术领域，更具体地，涉及一种黏土矿物水化膨胀率测试装置。该测试装置包括黏土矿物承载单元、传感器测试单元和数据采集单元，黏土矿物承载单元包括抑膨溶液储存容器和置于该抑膨溶液储存容器内部的黏土矿物承载模具，黏土矿物承载模具内部用于放置压紧后的黏土矿物，其侧壁设置若干个小孔，用于供抑膨溶液穿过并渗透进入压紧后的黏土矿物中，使黏土矿物发生水化膨胀。压紧后的黏土矿物置于标准化制作的承载模具中，能够克服实验装置带来的实验误差，确保实验结果的准确性。数据采集实现全自动化采集，减少了人工读数的误差；同时，实现多通道实验的可能性，一次操作可以同时进行多组不同自变量实验，检测效率高。测效率高。测效率高。


技术研发人员：徐源来 胡琦 邓祥意 胡诗敏 徐佳莹
受保护的技术使用者：武汉工程大学
技术研发日：2022.10.09
技术公布日：2023/9/1