本发明涉及水膜张力作用测试，尤其是涉及一种针管推压颗粒介质的水膜张力作用测试方法及应用。
背景技术：
1、颗粒介质由固相颗粒及其围限而成的孔隙组成，孔隙内部填充水相、气相或水气复合流体时，分别对应颗粒介质的饱和、干燥或非饱和状态。由于颗粒介质对其内部的水或气的围限作用强烈依赖颗粒的粒径尺度、几何形态、表面形貌等细观特性，孔隙内部水或气的存在会对颗粒介质的力学特性产生控制性影响。对颗粒介质而言，不论是渗透特性(尤其是非饱和渗透问题)，还是水或水气复合流体与固相颗粒之间的界面作用，明晰其内部固水界面的力学行为皆是一个至关重要的问题。
2、颗粒介质的力学行为不仅涉及细观颗粒之间自组织作用形成的非连续变形，也受固水界面力学作用的控制。尤其是，当颗粒介质内部固相颗粒的粒径尺度足够小时，如粉粒、粘粒等，固水界面的水膜张力对颗粒介质的宏观强度特性具有控制性影响。与固水界面作用关联的水膜张力对其力学行为的影响更加不能忽视。在几何尺度上，颗粒介质内部的界面结构具有多元特性，因此其内部界面上存在的固水力学作用属于复杂界面的作用行为。虽然这一力学行为与颗粒之间的水膜张力(在某些较为简化的情形下，可近似于表面张力)有关。但是，如何获取复杂界面条件下的水膜张力影响作用的定量数据，比单纯测试液体的表面张力复杂很多。
3、现有技术中，在强调特殊液体介质、特殊应用条件的同时，并未针对诸如颗粒介质内部的复杂界面情形的水膜张力测试方法或装置开展相应的研发工作，尚无针对颗粒介质内部复杂接触界面的水膜张力影响作用的测试方法。
技术实现思路
1、本发明的目的是提供一种针管推压颗粒介质的水膜张力作用测试方法及应用，针对颗粒介质的粒径主要在粉粒、粘粒的尺度范围内，具有简便易行、对测试装置依赖性低的优点。
2、为实现上述目的，本发明提供了一种针管推压颗粒介质的水膜张力作用测试方法，包括以下步骤：
3、s1、按比例将颗粒介质与水混合均匀，得到试样；
4、s2、采用针管装置，将步骤s1得到的试样分若干次填装于针筒内，进行振实或手动压实，直至外部观察到针筒内部无明显裂痕和空隙，记录体积刻度，称取针管装填颗粒介质的质量；
5、s3、缓慢匀速推动推手，将针筒内部颗粒介质推出，直至其断裂，测量得到颗粒介质的掉落部分重量和断裂部分横截面积，计算单位面积拉力；
6、s4、定义两个单位颗粒介质之间存在的弯液面，基于弯液面湿润角的大小和young-laplace方程，通过单位面积弯液面的作用力大小来刻画水膜张力作用带来的影响。
7、优选的，步骤s2中，所述针管装置包括针筒和设置于针筒内的活塞，所述针筒的内壁均匀设置有润滑涂层，所述活塞的外侧壁通过所述润滑涂层与所述针筒相贴合且滑动连接，所述活塞的一端设置有推手，所述活塞的另一端用于放置试样，所述针筒的外壁设置有刻度线。
8、优选的，所述润滑涂层的制备方法如下：
9、在活塞侧壁涂抹凡士林，反复拉动推手，使活塞在针筒内滑动，针筒内壁形成润滑涂层。
10、优选的，步骤s4中，所述两个单位颗粒介质包括两个固相颗粒和固相颗粒表面的水膜，固相颗粒接触使水膜形成弯液面，以球形颗粒的二维接触情况为例，所述弯液面固相颗粒接触间的孔隙占有面积sv为：
11、
12、式中，rs为固相颗粒的等效平均半径，其中，gi为级配，ri为级配对应的颗粒半径；
13、假设固相颗粒接触间的水膜占有面积si和孔隙占有面积sv之比与试样实际饱和度和理想状态下完全饱和时的饱和度之比相等：
14、si/sv＝srw/srmax
15、则：
16、
17、式中，ω为含水量，gs为固相颗粒比重，干密度为ρd，ρw为4℃水的密度；
18、则固相颗粒接触间的剩余面积st，即孔隙占有面积与水膜占有面积之差st为：
19、
20、弯液面形成气-水-固交界面的液桥，需满足young-laplace方程，即：
21、
22、式中，δp＝μa-μw为基质吸力，μa和μw分别为气相和液相的压力；γ为液体的表面张力；r1和r2分别为液桥的两个主曲率半径；
23、应用虚功原理，得到主曲率表达式为：
24、
25、式中：y(x)表示弯液面气-水交界面的几何曲线形态，y'2(x)表示y(x)一阶导数的平方值，y”(x)表示y(x)的二阶导数；
26、定义弯液面有一个曲率，根据几何关系得到弯液面方程：
27、
28、优选的，步骤s4中，所述湿润角θ非定值，假设用直径d＝2rs与两颗粒介质交界面的垂直高度hθ1的乘积表示上述剩余面积st，且湿润角θ等于45°减去三角形的角θ1，
29、即：
30、st＝hθ1rs
31、又解得：
32、
33、但是，在空间中,两个固相颗粒之间接触的情况不具有普遍性，还存在三个或者四个固相颗粒叠加在一起的情况，所以引入填充角β＝45°，得到弯液面在空间中的表面积sw:
34、
35、式中，a＝rs(1-cosβ)。
36、优选的，步骤s4中，所述单位面积弯液面的作用力δσ为：
37、假设针管横截面积上有个弯液面，由此可将颗粒介质内部水膜张力作用表征为单位面积弯液面的作用力δσ：
38、
39、式中，sz表示针筒的横截面积，m为掉落质量，g为重力加速度。
40、为实现上述目的，本发明还提供了一种针管推压颗粒介质的水膜张力作用测试方法在新材料固水界面的力学行为测试中的应用。
41、因此，本发明采用上述一种针管推压颗粒介质的水膜张力作用测试方法及应用，针对颗粒介质的粒径主要在粉粒、粘粒的尺度范围内，具有简便易行、对测试装置依赖性低的优点。
1.一种针管推压颗粒介质的水膜张力作用测试方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种针管推压颗粒介质的水膜张力作用测试方法，其特征在于，步骤s2中，所述针管装置包括针筒和设置于针筒内的活塞，所述针筒的内壁均匀设置有润滑涂层，所述活塞的外侧壁通过所述润滑涂层与所述针筒相贴合且滑动连接，所述活塞的一端设置有推手，所述活塞的另一端用于放置试样，所述针筒的外壁设置有刻度线。
3.根据权利要求2所述的一种针管推压颗粒介质的水膜张力作用测试方法，其特征在于，所述润滑涂层的制备方法如下：
4.根据权利要求1所述的一种针管推压颗粒介质的水膜张力作用测试方法，其特征在于：步骤s4中，所述两个单位颗粒介质包括两个固相颗粒和固相颗粒表面的水膜，固相颗粒接触使水膜形成弯液面，以球形颗粒的二维接触情况为例，所述弯液面固相颗粒接触间的孔隙占有面积sv为：
5.根据权利要求4所述的一种针管推压颗粒介质的水膜张力作用测试方法，其特征在于：步骤s4中，所述湿润角θ非定值，假设用直径d＝2rs与两颗粒介质交界面的垂直高度hθ1的乘积表示剩余面积st，且湿润角θ等于45°减去三角形的角θ1，即：
6.根据权利要求5所述的一种针管推压颗粒介质的水膜张力作用测试方法，其特征在于，步骤s4中，所述单位面积弯液面的作用力δσ为：
7.一种如权利要求1-6所述的针管推压颗粒介质的水膜张力作用测试方法在新材料固水界面的力学行为测试中的应用。
