一种测量沥青浆液流变参数的装置及其测量方法与流程

1.本发明涉及测量装备领域，特别是涉及一种测量沥青浆液流变参数的装置及其测量方法。


背景技术：

2.随着水电资源的不断开发利用及交通市政等基础设施的大规模建设，遇到的工程地质条件越来越复杂，施工过程中遇到涌水问题越来越多。沥青浆液具有不被水稀释而流失的特点，因而适合于流量大、流速高的坝基或隧洞等涌水灌浆处理。专利文件cn210604273u公开了一种沥青粘度测试仪，搅拌桨设置在盛样桶内,盛样桶安转在水浴锅的中部且盛样桶贯穿水浴锅的底部,盛样桶的底部设置有溢液管,溢液管上设置有电磁阀,水浴锅内设置有温度传感器盛样桶内设置有温度传感、液体密度传感器。专利文件cn203732400u公开了一种沥青粘度测试仪,该专利主要用于在造路工程中测定热沥青的粘度；主要包括恒温套、固定设置在恒温套上的支架、安装在支架上的粘度计；该装置提供一种在检测沥青粘度的同时能够控制其温度的测试仪；可直接测量沥青的温度，并将温度信息传递给温度比较单元，根据测得实际温度与恒温控制器对比，可测量设定温度下的沥青粘度，从而保证沥青粘度测试温度的准确性和可靠性。专利文件cn212410365u公开了一种沥青粘度测试仪,设计了相对更加密封的测试腔室，提供了功能更加强大的控温组件，使得检测结果更加精确可靠。但是上述三个专利文件公开技术的测沥青流变参数的装置，是采用旋转法检测原理，但对于灌浆用沥青浆液(包括乳化沥青)，由于浆液中添加有水泥等填料，浆液比较黏稠，旋转粘度计旋转时容易出现“打滑”和“离析”现象，不可避免的会造成测得的数据不准确。


技术实现要素：

3.本发明的目的是提供一种测量沥青浆液流变参数的装置及其测量方法，以解决上述现有技术存在的问题，通过毛细管将沥青浆液由试样盒导入接料瓶6内，毛细管的内壁呈为用于阻止外周侧沥青滑动的毛面，使得外周侧的沥青附着在内壁上保持不动，那么毛细管中间位置的沥青则形成与外周侧沥青的相对运动，解决了现有技术中旋转粘度计测得的数据不准确的问题。
4.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种测量沥青浆液流变参数的装置，包括处于负压状态的接料瓶、用于存储待测沥青的试样盒，所述接料瓶连通有用于将沥青由所述试样盒处负压导入瓶内的毛细管，所述毛细管的内壁为用于阻止外周侧沥青滑动的毛面，且所述接料瓶设置在用于测量其导入沥青后的整体重量的称重器上。
5.优选的，所述毛面呈便于沥青附着的磨砂状结构。
6.优选的，所述接料瓶连通有用于将其瓶内产生不同负压环境的真空泵，所述真空泵与所述密封接料瓶之间连接有压力缓冲瓶。
7.优选的，所述压力缓冲瓶中盛放有用于平衡所述接料瓶6内负压的浆液，连通所述
接料瓶6的管路的管口没入所述浆液中，连通所述真空泵的管路的管口位于所述浆液的液面上方。
8.优选的，所述接料瓶6沿竖直方向设置在所述试样盒的上方。
9.优选的，所述称重器的称重部上设有支架，所述接料瓶可拆卸连接在所述支架上。
10.优选的，所述试样盒放置在恒温水槽中，所述试样盒处设有用于检测沥青温度的温度传感器。
11.优选的，所述恒温水槽外侧设有用于将其内部水流加热至所需温度的加热设备。
12.还提供一种用于沥青浆液流变参数的测量方法，包括如下步骤：
13.真空引流前准备：将支架安装在称重器的称重部上，将接料瓶安装在支架上，制备试样盒，并装入待测沥青浆液，设置毛细管并连接在所述接料瓶和所述试样盒之间，并将所述接料瓶连接真空泵；
14.开启中真空引流：开启真空泵，调节所述真空泵至相应功率，进而将所述接料瓶内调节至相应的负压环境，并将沥青浆液引流至所述接料瓶中，且利用所述称重器实时测量所述接料瓶的重量；
15.计算沥青浆液的屈服强度和粘度：实时记录各项数据，并将各项数据带入公式(1)和公式(2)中分别得到沥青的屈服强度和粘度，公式(1)和公式(2)如下所示：
[0016][0017][0018]
其中，q1为毛细管中沥青在压力p1下的流量；q2为毛细管中沥青在压力p2下的流量；d为毛细管的直径；l为毛细管的长度；p
c
为p
‑
q曲线与p曲线的交点坐标；λ为沥青的比重。
[0019]
优选的，在真空引流前准备的步骤中，将所述试样盒放置在恒温水槽中，并通过加热设备将所述试样盒内的沥青调节至所需温度。
[0020]
本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：
[0021]
第一，接料瓶连通有用于将沥青由试样盒处负压导入瓶内的毛细管，毛细管的内壁为用于阻止外周侧沥青滑动的毛面，且接料瓶设置在用于测量其导入沥青后的整体重量的称重器上，一方面，沥青在一定压力差作用下，沿着毛细管流通通道流动，最终到达接料瓶中，以通过测得的接料瓶的重量变化，得到沥青的流量，另一方面，由于毛细管的内壁呈为用于阻止外周侧沥青滑动的毛面，使得外周侧的沥青附着在内壁上保持不动，那么毛细管中间位置的沥青则形成与外周侧沥青的相对运动。相较于旋转法，本发明最终达到接料瓶内的沥青完全是经过与外周侧摩擦后的中间位置处的沥青，此检测方法直观准确，进一步贴合流变参数的基本定义，解决了现有技术中旋转粘度计测得的数据不准确的问题。
[0022]
第二，接料瓶连通有用于将其瓶内产生不同负压环境的真空泵，沥青浆液试样在真空泵提供的不同负压下，沿毛细管流通通道进入接料瓶中，通过测定在不同负压下接料瓶的重量变化，分析可得沥青浆液在流动过程中的流变参数，真空泵与密封接料瓶之间连接有压力缓冲瓶，以利用压力缓冲瓶保持接料瓶负压的稳定。
[0023]
第三，压力缓冲瓶中盛放有用于平衡接料瓶6内负压的液体，连通接料瓶6的管路的管口没入浆液中，连通真空泵的管路的管口位于浆液的液面上方，如果真空泵产生的压力不稳定，造成对接料瓶内的压力的不稳定，那么通过将连通接料瓶6的管路的管口没入液体中，进而通过液体流入连通接料瓶6的管路内的两，来平衡接料瓶6内的压力变化，保证接料瓶6内压力的稳定性。
[0024]
第四，接料瓶6沿竖直方向设置在试样盒的上方，使得沥青浆液能够沿竖直方向流入接料瓶6中，而且保证竖直流动的过程中，由于真空泵产生的负压远大于沥青浆液位于毛细管同一截面上的沥青自身的重力，进而能够最大程度上的保证沥青浆液是完全在负压的作用下流入接料瓶6中，避免在其自身重力加持的作用下进入接料瓶6，保证测得数据的准确性。
[0025]
第五，试样盒放置在恒温水槽中，试样盒处设有用于检测沥青浆液温度的温度传感器，采用恒温水槽结合温度传感器控制并获取沥青浆液的实时温度数据，同时利用真空减压毛细管装置，测定实时温度沥青浆液的流变参数，得到沥青浆液流变参数随温度的变化曲线，为沥青浆液的灌浆应用提供试验基础。
附图说明
[0026]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0027]
图1为本发明整体结构连接示意图；
[0028]
图2为本发明宾汉流体流动速度分布；
[0029]
图3为装有沥青且竖直放置的毛细管上的一段；
[0030]
其中，1
‑
真空泵、2
‑
压力缓冲瓶、3
‑
真空压力表、4
‑
试样盒、5
‑
毛细管、6
‑
接料瓶、7
‑
称重器、8
‑
恒温水槽、9
‑
加热设备、10
‑
温度传感器、11
‑
计算机数据采集装置。
具体实施方式
[0031]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0032]
本发明的目的是提供一种测量沥青浆液流变参数的装置及其测量方法，以解决上述现有技术存在的问题，通过毛细管将沥青浆液由试样盒导入接料瓶6内，毛细管的内壁呈为用于阻止外周侧沥青滑动的毛面，使得外周侧的沥青附着在内壁上保持不动，那么毛细管中间位置的沥青则形成与外周侧沥青的相对运动，解决了现有技术中旋转粘度计测得的数据不准确的问题。
[0033]
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
[0034]
如图1至3所示，本实施例提供一种测量沥青浆液流变参数的装置，沥青浆液的流
变参数指的是屈服强度和粘度，整个装置包括处于负压状态的接料瓶6、用于存储待测沥青浆液的试样盒4，其中，试样盒4为敞口，压力为大气压，尺寸为15cm
×
15cm
×
30cm，接料瓶6连通有用于将沥青浆液由试样盒4处负压导入瓶内的毛细管5，优选的毛细管5呈透明状结构，以方便观察沥青浆液的流动状态，且毛细管5为有机玻璃管，外径20mm，长度1m，毛细管5的内壁为用于阻止外周侧沥青浆液滑动的毛面，且毛面均磨粗糙，优选的在试验中为将毛细管5的内壁加工成毛面，对毛细管5的内壁进行打磨处理，毛细管5一端插入材料试样盒4中，不接触试样盒4底部，另一端与接料瓶6相连接，沥青浆液在一定压力差作用下，沿着毛细管5向上流动，最终到达接料瓶6中，且接料瓶6设置在用于测量其导入沥青浆液后的整体重量的称重器7上，例如采用电子秤等称重机构，也就是说，试样盒4是盛放沥青浆液试样的容器，毛细管5是沥青浆液试样的流动通道，接料瓶6是沥青浆液试样流动的终点，称重器7可实时监测接料瓶6的重量变化，那么一方面，沥青浆液在一定压力差作用下，沿着毛细管5流通通道流动，最终到达接料瓶6中，以通过测得的接料瓶6的重量变化，得到沥青浆液的流量变化，进而辅助后续对沥青浆液流变参数的计算，另一方面，由于毛细管5的内壁呈为用于阻止外周侧沥青滑动的毛面，即毛细管5的内壁可以挂的住外周侧的沥青浆液，使得外周侧的沥青浆液附着在内壁上保持不动，换句话说是防止沥青浆液在与毛细管5接触的位置处打滑，那么毛细管5中间位置的沥青浆液则形成与外周侧沥青浆液的相对运动。相较于旋转法，本发明最终达到接料瓶6内的沥青浆液完全是经过与外周侧摩擦后的中间位置处的沥青，也就是说，这样沥青浆液流动时所受到的内摩擦力才是沥青浆液内部之间的摩擦力，使检测方法直观准确，进一步贴合流变参数的基本定义，解决了现有技术中旋转粘度计测得的数据不准确的问题。其中，称重器7测量的重量包括接料瓶6和毛细管5的重量，因此实验过程中保持毛细管5内是满管流，管的重量保持不变，最终试验是通过测定某一段沥青浆液稳定流动期间，即在满管流之后，一定时间内的接料瓶6的重量变化，后续代入公式，得到流变参数的，当然称重器7测得的直观数据是去除接料瓶6和满管流的毛细管5的重量后测得的数据。
[0035]
其中，毛面呈便于沥青附着的磨砂状结构，由于磨砂状结构具有密集分布的凸点或凹点，以能够将沥青稳定的附着，且保证沥青在毛细管5内壁附着的均匀性。
[0036]
进一步的，接料瓶6连通有用于将其瓶内产生不同负压环境的真空泵1，真空泵1提供的压力为
‑
1～0mpa，沥青浆液试样在真空泵1提供的不同负压下，沿毛细管5流通通道进入接料瓶6中，通过测定在不同负压下接料瓶6的重量变化，分析可得沥青浆液在流动过程中的流变参数，真空泵1与密封接料瓶6之间连接有压力缓冲瓶2，以利用压力缓冲瓶2保持接料瓶6负压的稳定，压力缓冲瓶2采用适配实验装置结构的直接接触式缓冲罐、隔膜式缓冲罐、隔膜式缓冲罐等，优选的设置若干个真空压力表3，真空压力表3可分别测量接料瓶6和压力缓冲瓶2的压力，根据真空表测得的数据实现对真空泵1的实时调节，优选的，压力缓冲瓶2为1000ml的细口瓶，内部盛放400ml的水，用来稳定真空泵1提供的压力，然后把压力通过硅胶管传递到接料瓶6中。
[0037]
作为优选的，压力缓冲瓶2中盛放有用于平衡接料瓶6内负压的液体，液体为不容易被压缩的流体，例如水等，连通接料瓶6的管路的管口没入液体中，连通真空泵1的管路的管口位于液体的液面上方，如果真空泵1产生的压力不稳定，造成对接料瓶6内的压力的不稳定，那么通过将连通接料瓶6的管路的管口没入液体中，进而通过液体流入连通接料瓶6
的管路内的量，来平衡接料瓶6内的压力变化，保证接料瓶6内压力的稳定性。且优选的压力缓冲瓶2的瓶口用橡胶塞密封，橡胶塞上分布有3个连接孔，分别连接真空泵1、真空压力表3和接料瓶6，真空压力表3用来测量压力缓冲瓶2内的压力数值，接料瓶6为1000ml的细口瓶，瓶口用橡胶塞密封，橡胶塞上分布有3个连接孔，分别连接真空压力表3、毛细管5和压力缓冲瓶2，真空压力表3用来测量接料瓶6中的压力数值，优选的为避免负压作用时，被负压吸引过来的沥青堵塞与压力缓冲瓶2的管路，可以将毛细管插入的量减少，最优的为靠近瓶口处，而将与压力缓冲瓶2连接的管路插入量增加，最优的为靠近瓶底，以保证负压的通畅性。
[0038]
作为本发明优选的实施方式，接料瓶6可以与试样盒4沿水平方向设置，还可以呈角度设置，以保证沥青浆液能够稳定沿毛细管5流入接料瓶6中即可，优选的接料瓶6沿竖直方向设置在试样盒4的上方，使得沥青浆液能够沿竖直方向流入接料瓶6中，而且保证竖直流动的过程中，由于真空泵1产生的负压远大于沥青浆液位于毛细管5同一截面上的沥青自身的重力，进而能够最大程度上的保证沥青浆液是完全在负压的作用下流入接料瓶6中，避免在其自身重力和负压的加持的作用下进入接料瓶6，保证测得数据的准确性。
[0039]
其中，称重器7的称重部上设有支架，接料瓶6可拆卸连接在支架上，以保持接料瓶6的状态，这样称重器7就可以实时监测接料瓶6的重量变化。
[0040]
优选的，试样盒4放置在恒温水槽8中，恒温水槽8是一个敞口的盛放热水的容器，一定时间内可以保持试样盒4中材料的热量不散失，试样盒4处设有用于检测沥青浆液温度的温度传感器10，采用恒温水槽8结合温度传感器10控制并获取沥青的实时温度数据，同时利用真空泵1抽负压，利用真空减压毛细管5装置，测定在不同压力下沥青被吸入接料瓶6的重量变化，根据公式推导计算沥青浆液的流变参数，更重要的是利用上述装置以能够在沥青浆液流动过程中测定流变参数，进而在通过对试样盒4内的沥青进行保温作用，保证了在同一温度下的实验，避免受外界温度变化较大的干扰，造成测试结果受温度影响不准确，优选试样盒4采用热传导性能较好的材料制备而成。
[0041]
进一步的，恒温水槽8外侧设有用于将其内部水流加热至所需温度的加热设备9，在实际测量过程中，采用恒温水槽8和加热设备9控制沥青材料试件的温度在一定范围内变化，把温度传感器10插入沥青浆液试件中，用计算机数据采集装置11记录沥青浆液试件的实时温度数据，并利用计算机数据采集装置11对加热设备9进行温度反馈，以控制沥青浆液试件的温度在小范围内波动，沥青浆液温度的测量精度可达0.1℃，也就是说，采用恒温水槽8、加热设备9、温度传感器10以及计算机数据采集系统相结合的方式控制并获取沥青浆液的实时温度数据，同时利用真空减压毛细管5装置，测定实时温度沥青的流变参数，可真实反映沥青浆液流变参数随温度的变化规律，得到沥青流变参数随温度的变化曲线，为沥青的工程应用提供试验基础。
[0042]
进一步的，还提供一种用于沥青浆液流变参数的测量方法，包括如下步骤：
[0043]
真空引流前准备：将支架安装在称重器7的称重部上，将接料瓶6安装在支架上，制备试样盒4，并装入待测沥青，设置毛细管5并连接在接料瓶6和试样盒4之间，并将接料瓶6连接真空泵1，具体的，将毛细管5插入试样盒4内的沥青材料试件中，在稳定负压的作用下，沥青材料沿毛细管5流动通道进入接料瓶6中，称重器7实时监测接料瓶6的重量变化；
[0044]
开启中真空引流：开启真空泵1，调节真空泵1至相应功率，进而将接料瓶6内调节至相应的负压环境，具体的，真空泵1连接压力缓冲瓶2，压力缓冲瓶2连接接料瓶6，施加稳
定的负压，记录接料瓶6处压力表的读数，并将沥青引流至接料瓶6中，且利用称重器7实时测量接料瓶6的重量；
[0045]
计算沥青浆液的屈服强度和粘度：实时记录各项数据，并将各项数据带入公式(1)和公式(2)中分别得到沥青浆液的屈服强度和粘度，公式(1)和公式(2)如下所示：
[0046][0047][0048]
其中，q1为毛细管5中沥青在压力p1下的流量；q2为毛细管5中沥青在压力p2下的流量；d为毛细管5的直径；l为毛细管5的长度；p
c
为p
‑
q曲线与p曲线的交点坐标；λ为沥青的比重。具体的推导过程如下：
[0049]
流变特性：灌浆用的沥青浆液符合典型的宾汉流体，宾汉姆流体是典型的塑性流体，其流变曲线是不通过原点的直线；流体具有这种性质是由于流体含有一定的颗粒浓度，在静止状态下形成颗粒间的内部结构；在外部施加的剪应力很小时，浆液只会产生类似于固体的弹性；当剪切力达到破坏结构后(超过内聚力)，浆液才会发生类似与牛顿流体的流动；浆液的这种性质称为塑性；近似沥青浆液为宾汉流体，宾汉流体是非牛顿流体的一种，通常是一种粘塑性材料，在低应力下，它表现为刚性，但在高应力下，它会像粘性流体一样流动，且其流动性为线性，宾汉体的流变特性可以用公式(3)表示：
[0050][0051]
式中，τ
b
(t)、η(t)分别为宾汉流体的内聚强度(即剪应力)、塑性粘滞系数(即运动粘性)，为剪应力速度。
[0052]
如果沥青浆液位于管中或槽中并与容器壁面接触，则最大切应力首先发生在与容器壁面相邻的浆液中，同时在稍离开容器壁面远一些的距离处应力已减小。这使得浆液开始流动的瞬间，壁面处的切应力τ＝τ
b
，并且该液体将整个如固体一样，沿近容器壁层滑动。这种流动形式叫做结构流动。设在半径为r的液体圆筒面上，其切应力与屈服应力τ
b
相等，则在半径r以内的部分，因τ＜τ
b
而不流动(固体状)，形成如图2的速度分布，称为塞流。流核的尺寸为液体圆筒面上切应力等于τ
b
处的半径r
b
。
[0053]
如图3所示，装有沥青浆液的毛细管5上的一段，截面ⅰ及ⅱ间的距离为为l，在管内划出半径为r的圆柱，剪切应力随着径向半径r呈线性变化，由毛细管5外壁的最大值至毛细管5中心的最小值，此关系对牛顿流体及非牛顿流体都成立，故有公式式(4)：
[0054]
τ/τ
max
＝r/r
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0055]
在稳定流动情况下，圆柱表面上的切应力、圆柱截面上的压力和浆液的重力的满足公式(5)的条件平衡式：
[0056]
2πrτ
max
l＝pπr2‑
πr2λl
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)
[0057]
由公式(5)得：
[0058][0059]
由上述塞流定义可知，在τ＝τ
b
的表面上，发生液体的流动。
[0060]
流核的尺寸：
[0061]
把公式(6)带入公式(3)中得：
[0062][0063]
分离常数并积分，得流速的表达式：
[0064][0065]
当r＝r时，u＝0,这完全符合实际情况；当r＝r
b
时，则u＝v
b
；式中v
b
‑
流核流速，液流中心部分所有点都以此流速流动；沿管的液体流量，应视为流核的流量q
b
及其由r到r
b
的环形空间中流量q1的总和。即：
[0066]
q＝q
b
q1(10)
[0067]
由于流核中心部分所有点都以v
b
流速流动，圆管壁上点的流速为零，由r到r
b
的环形空间内流速在不断的变化，所以流核周围环形空间的流量：
[0068][0069]
流核流量：
[0070][0071]
因此得出：
[0072][0073]
把u和v
b
值代入公式(13)积分，并用公式(7)代替r
b
，用p
b
表示当浆液在管中以半径r开始流动时的压力：
[0074][0075]
得出公式：
[0076][0077]
‑
p
b
表示当浆液在管中以半径r开始流动时的压力
[0078]
根据实验可以得到在不同压力下的浆液流量，画出p
‑
q曲线，就可以计算出液体的未知常数η和τ
b
,根据公式(15)，p
‑
q曲线与p曲线的交点
[0079][0080]
进而可推导出τ
b
(t)和η(t)的计算公式(1)、(2)。
[0081]
在真空引流前准备的步骤中，将试样盒4放置在恒温水槽8中，并通过加热设备9将试样盒4内的沥青浆液调节至所需温度，其中具体的，把温度传感器10插入沥青浆液试件中，用计算机数据采集装置11记录沥青浆液试件的实时温度数据，可精确测定实时温度沥青浆液的流变参数，得到其流变参数随温度的变化曲线，为沥青浆液的工程应用提供试验基础。
[0082]
本发明中采用真空减压毛细管5测粘度装置，测试了典型配比材料的流变特性。试验结果见表1(典型配比沥青浆液的流变特性)：
[0083][0084]
表1
[0085]
由表1可知，随着温度的降低，材料的粘度逐渐增加；掺加水泥比例增加时，材料的粘度逐渐增加；采用水泥和聚氨酯共同破乳比仅用水泥破乳形成的材料粘度略大。
[0086]
根据实际需求而进行的适应性改变均在本发明的保护范围内。
[0087]
需要说明的是，对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
[0088]
本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。