一种早龄期混凝土受扰动影响试验装置及方法

1.本发明涉及土木工程试验技术领域，具体涉及一种早龄期混凝土受扰动影响试验装置及方法。


背景技术：

2.这里的陈述仅提供与本发明相关的背景技术，而不必然地构成现有技术。
3.目前土木建筑领域随着施工速度的要求越来越高、场地距离越来越近，混凝土在养护期间常常受到外界的各种振动如爆破、强夯、车辆振动等的扰动影响。大量研究表明，早龄期混凝土强度相对较低，对外界扰动比较敏感，其内部胶体和晶体尚处在迅速发展的过程中，早期受扰动对其后期性能影响巨大，特别是与爆破作业同步或穿插进行的混凝土支护结构，距离爆源很近，爆破施工不可避免地会在早龄期混凝土结构中产生累积损伤，进而影响支护结构的长期强度，因此非常有必要对早龄期混凝土受扰动后造成的强度损失进行研究，而现有的试验装置通常采用振动台施加三角形荷载或通过霍普金森压杆装置进行研究，发明人发现，将冲击简化为按照设定值线性增大或减小的三角形荷载，与实际荷载作用形式差别较明显，同时无法体现爆炸冲击的叠加、干涉等特性因此荷载性质和爆炸冲击并不完全相符，后者设备较复杂昂贵且只能研究单一冲击源的影响。


技术实现要素：

4.本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种早龄期混凝土受扰动影响试验装置，荷载性质与爆炸冲击相符，且制作成本低，能研究多个冲击源的叠加影响。
5.为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
6.第一方面，本发明的实施例提供了一种早龄期混凝土受扰动影响试验装置，包括岩土体介质模拟块，岩土体介质模拟块内部设有试样放置腔，岩土体介质模拟块外周面包裹有振动传递层，振动传递层外周面包裹有振动消耗层；
7.还包括至少一个振动发生机构，振动发生机构包括气管，气管的一端与气源连接，另一端作为与振动传递层接触的端部并且设置有振动膜。
8.可选的，还包括检测机构，检测机构包括用于固定在试样块一端的超声波换能器和用于固定在试样块另一端的超声波探头，超声波换能器与超声波发生器连接。
9.可选的，超声波探头及超声波换能器外周包裹有橡胶减振层。
10.可选的，所述振动传递层包括在岩土体介质模拟块外周面的振动调整介质层及包括在振动调整介质层外周面的振动传递介质层。
11.可选的，所述振动消耗层包括包裹在振动传递层外周的柔性材料层及包括在柔性材料层外周的松砂层。
12.可选的，所述柔性材料层采用橡胶层。
13.可选的，气管为锥形管，面积较大的端部固定有振动膜，面积较小的端部与气源连接。
14.可选的，气管内设置有阀门。
15.可选的，气管的外周设有护筒，护筒与气管固定连接，且护筒的底端与气管安装振动膜的端部相平齐。
16.第二方面，本发明的实施例提供了一种早龄期混凝土受扰动影响试验装置的工作方法，将试样块置入岩土体介质模拟块的试样放置腔中，将至少一个振动发生机构放置在振动传递层上端面的设定位置，且振动膜与振动传递层的上端面接触，气源在设定时间间隔内向气管通入设定压力气体，模拟爆炸冲击，对振动传递层产生振动冲击，振动传递层对振动进行传递，通过土介质模拟层将振动冲击施加到试样块，对试样块施加多次振动冲击，直至达到实验要求，取出试样块。
17.上述本发明的有益效果如下：
18.1.本发明的试验装置，振动发生机构的气管一端设置有振动膜，另一端与气源连接，能够利用气源产生的气体对振动膜进行冲击，从而利用振动膜对振动传递层产生振动冲击，模拟混凝土所受的爆炸冲击振动，与传统的三角型荷载相比，气体产生的振动冲击更加符合爆炸冲击，试验结果更加准确。
19.2.本发明的试验装置，设置有至少一个振动发生机构，可根据实际需要将多个振动发生机构放置在振动传递层的设定位置，能简单高效地实现多个振动冲击源对试样的影响，降低了科学研究的成本，促进了相关领域的技术发展。
20.3.本发明的试验装置，气管外周设有护筒，起到了压重的作用，防止锥形的气管在气体作用下脱离介质传递层。
21.4.本发明的试验装置，具有振动消耗层，放射发散的振动能量能够在振动消耗层的作用下被吸收耗散，避免了在边界出现振动回传的现象。
附图说明
22.构成本技术的一部分的说明书附图用来提供对本技术的进一步理解，本技术的示意性实施例及其说明用于解释本技术，并不构成对本技术的限定。
23.图1是本发明实施例1整体结构示意图；
24.图2是本发明实施例1整体结构俯视图；
25.图3是本发明实施例1振动发生机构结构示意图；
26.其中，1.混凝土试样块，2.岩土体介质模拟块，3.振动传递介质层，4.振动调整介质层，5.振动发生机构，5-1.气管，5-2.金属膜，5-3.电控阀门。
具体实施方式
27.实施例1
28.本实施例提供了一种早龄期混凝土受扰动影响试验装置，如图1-图2所示，包括岩土体介质模拟块2，岩土体介质模拟块2为由土体按照试验要求的配比制成的圆柱型块，用于模拟工程混凝土外周的土体。
29.岩土体介质模拟块2设置有试样块放置腔，试样块放置腔用于放入混凝土试样块1，本实施例中，试样块放置腔设置在岩土体介质模拟块2的中心部位，且试样块放置腔贯穿岩土体介质模拟块的上、下端面，试样块放置腔的形状与混凝土试样块1的形状相匹配，当
混凝土试样块1为立方体块时，试样块放置腔为立方体结构的腔，当混凝土试样块1为圆柱型块时，试样块放置腔为圆柱型腔。
30.岩土体介质模拟块2的外圆周面包裹有振动传递层，振动传递层包括包裹在岩土体介质模拟块外圆周面的振动调整介质层4，振动调整介质层4的外圆周面包裹有振动传递介质层3。
31.振动传递介质层3的上端面用于放置振动发生机构5，振动发生机构5能够对振动传递介质层3产生振动冲击，振动传递介质层3能够将振动传递给振动调整介质层4，振动调整介质层4对振动进行调整后将振动通过岩土体介质模拟块2后传递给混凝土试样块1。
32.本实施例中，振动调整介质层4根据振动发生机构5产生的冲击波特征与模拟试验所需的冲击波特征的差别，对冲击波进行调整，采用各种细度模数的砂、水泥、粘性土、机油和橡胶颗粒按照设定的配比混合而成，设定配比根据实际需要进行设置，主要作用是通过填充不同性质的介质来调整振动发生机构5产生的冲击振动的强度和振动特性，使其更符合试验要求。
33.振动传递介质层3的材料根据相似原理对实际工程项目的场地土体竖向进行换算得到，常用的材料为重晶石粉、粘性土、石英砂、滑石粉、粉煤灰、陶瓷颗粒按照设定的配比混合而成，模拟场地土体分层特性还可以使用塑料膜、光面纸、云母片按照设定的要求混合而成。本区域的主要作用为模拟场地土体受冲击波影响时的动力响应特性。
34.振动传递介质层3的外圆周面包裹有振动消耗层，放射发散的振动能量能够在振动消耗层的作用下被吸收耗散，避免了在边界出现振动回传的现象。
35.振动消耗层包括包裹在振动传递介质层外圆周面的柔性材料层，本实施例中，柔性材料层采用橡胶层6，柔性材料层的外圆周面包裹有松砂层7，本实施例中的松砂层7由自然休止角大于45
°
的砂料制成，放射发散的振动能量经过橡胶层6的削弱后传入松砂层7被吸收耗散，避免在边界出现振动回传现象。
36.试验装置还包括振动发生机构5，如图3所示，振动发生机构包括气管5-1，气管5-1的一端设置有振动膜，本实施例中的振动膜采用金属膜5-2。气管5-1的另一端连接气源，本实施例中，气源为空气压缩机。
37.金属膜5-2的面积大于空气压缩机的出气管的截面面积，因此气管5-1采用锥形管，锥形管面积较大的端部连接金属膜5-2，面积较小的端部与空气压缩机的出气管连接。
38.本实施例中，气管5-1安装有阀门，阀门为电控阀门5-3，电控阀门5-3与控制系统连接，控制系统能够控制电控阀门5-3的开闭，电控阀门5-3打开后，设定时间间隔后关闭，能够使得空气压缩机向电控阀门5-3后方输出设定量的气体，冲击金属膜5-2，使得金属膜5-2振动，并向振动传递介质层3传递振动。
39.本实施例的试验装置能够利用空气压缩机产生的气体对振动膜进行冲击，从而利用振动膜对振动传递层3产生振动冲击，模拟混凝土所受的冲击振动(包括但不限于爆炸、强夯、车辆运行等)，与传统的施加三角型荷载模拟冲击振动相比，气体产生的振动冲击更加符合爆炸冲击，试验结果更加准确。金属膜5-2产生的冲击强度和类型可以通过调整气体压力、气管直径、金属膜刚度等进行调整。
40.所述试验装置还包括检测机构，检测机构包括配合使用的超声波换能器和超声波探头，超声波换能器用于固定在混凝土试样块的一端，超声波探头用于固定在混凝土试样
块的另一端，超声波换能器与超声波发生器连接。
41.超声波探头能够在振动间隙通过记录超声波波速，从而反应早龄期混凝土的强度变化。
42.本实施例中，超声波换能器和超声波探头外表面除去与混凝土试样块1接触的部分外，其余部分均包裹有橡胶减振层，避免冲击振动带来的影响。
43.本实施例的装置，结构简单，制作成本低，能够用较低的成本模拟更符合实际的振动冲击荷载，而且振动发生机构能够在振动传递介质层的上端面根据需要放置多个，能简单高效地实现多个振动冲击源对试样的影响，降低了科学研究的成本，促进了相关领域的技术发展。
44.实施例2：
45.本实施例提供了一种实施例1所述的早龄期混凝土受扰动影响试验装置的工作方法，包括以下步骤：
46.s1：将早龄期的混凝土试样块1顶部和底部用超声耦合剂处理，分别粘贴上超声换能器和超声波探头(两者外侧均用橡胶包裹来避免冲击振动影响)。
47.s2：将早龄期的混凝土试样块1埋置在按照试验要求配比好的土模拟介质块2的试样块放置腔中，岩土体介质模拟块2和振动传递介质层3被振动调整介质层4分隔，振动调整区介质层4中的介质性质可以根据试验要求进行调整。
48.s3：安装完毕后，启动冲击振动发生机构5即启动空气压缩机，可调节的电控阀门5-3根据控制系统的指令控制气管放出一定量的设定压力的气体，冲击金属膜5-2，在振动传递介质层3中产生冲击振动，经过振动调整介质层4调整后传入岩土体介质模拟块2，随后作用到早龄期的混凝土试样块1上；放射发散的振动能量经过弹性的橡胶层6的削弱后传入松砂层被吸收耗散，避免在模型边界出现振动回传现象。
49.s4：当振动停止后启动超声波发生器，记录试验时间和混凝土试样块内的超声波波速，完成一次测试，随即回到s3，重复循环直到获取的数据达到试验要求。
50.s5：将早龄期混凝土试样块1取出后，进行电镜扫描、三轴压缩等进一步的实验室试验研究。
51.本实施例中，可以方便地在任意位置设置多个振动发生机构5，模拟早龄期混凝土受到多组振动源冲击叠加的影响。
52.上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。