一种模拟混凝土冻融与冲蚀耦合作用的试验装置的制作方法

1.本实用新型涉及水利水电工程专业的混凝土抵抗磨蚀冲蚀能力技术领域，特别是涉及一种模拟混凝土冻融与冲蚀耦合作用的试验装置。


背景技术：

2.关于混凝土抵抗磨蚀冲蚀的能力，很多情况下人们还秉持着混凝土抗压强度达到50mpa以上无需考虑磨蚀冲蚀的旧观念。然而，日趋严酷的服役环境，使得机械力与物理化学效应更多地以耦合的方式作用于混凝土结构，从而导致混凝土结构严重损坏的案例不断出现，而且世界范围内越来越严酷的服役环境使得从单一因素考虑混凝土磨损磨蚀已不现实，在我国北方地区，水工混凝土在使用过程中会长期受到潮湿等环境因素的影响，会很大程度上减少结构的使用寿命。在这些环境因素中，冻融侵蚀与水沙的冲磨作用是对水工混凝土耐久性影响比较重要的因素。尤其对北方水域中的混凝土结构，两者之间还存在着耦合作用，加速了结构耐久性的退化。
3.目前已有的标准养护箱，环境试验箱等设备，均只能控制单一因素下的环境因素，且不能有效地模拟高速水流磨蚀冲蚀及冻融对混凝土耐久性的影响，因此无法准确模拟混凝土在冻融与冲蚀耦合作用下的实际的耐久性。


技术实现要素：

4.本实用新型的目的是提供一种模拟混凝土冻融与冲蚀耦合作用的试验装置，以解决上述现有技术存在的问题，可以准确地模拟冻融环境下高速水流对混凝土磨蚀冲蚀的损伤破坏，为正确设计抗冲耐磨材料提供了有力的试验支持。
5.为实现上述目的，本实用新型提供了如下方案：本实用新型提供一种模拟混凝土冻融与冲蚀耦合作用的试验装置，包括试验箱、环境控制系统、液位控制系统、磨蚀冲蚀系统及液氮循环系统；
6.所述试验箱包括箱体、称重试验台和箱盖，所述称重试验台位于所述箱体内，所述试验箱的底部设置有出水口和出水阀门；
7.所述环境控制系统包括温度传感器、温度控制调节装置、液位传感器及液位控制调节装置，所述温度传感器和液位传感器安装在所述试验箱内，所述温度控制调节装置和液位控制调节装置均与电脑控制系统电联接；
8.所述液位控制系统包括液位控制水箱和注水管，所述注水管的一端与液位控制水箱连通，另一端伸入所述试验箱内；所述磨蚀冲蚀系统包括旋转喷头、压力水箱和压力水管，所述压力水管的一端与压力水箱连通，另一端伸入所述试验箱内并安装有所述旋转喷头，所述旋转喷头用于磨蚀冲蚀混凝土试件；
9.所述液氮循环系统包括液氮容器、循环管路和液氮调节阀门，所述循环管路的一端与液氮容器中的液氮源连接，另一端从试验箱盖的右端穿入试验箱后再从试验箱盖的左端穿出并与液氮源和液氮调节阀门连通。
10.优选地，所述注水管上设置有注水管阀门和注水管水流流量计。
11.优选地，所述压力水管上设置有压力水管阀门和压力调节阀。
12.优选地，所述试验箱由耐低温钢制材料制成。
13.优选地，设定试验箱内的温度为-10-0℃。
14.优选地，所述旋转喷头的数量为多个，多个旋转喷头在同一个平面内呈圆形分布，多个旋转喷头组合的圆形尺寸小于混凝土试件尺寸。
15.优选地，所述温度传感器安装高度低于混凝土试件的上表面，所述液位传感器安装高度与混凝土试件的上表面齐平。
16.优选地，所述旋转喷头的冲磨速率分为小速率、中速率和大速率三种模式，其中小速率为0-10m/s的范围内渐变、中速率为10-20m/s的范围内渐变、大速率为20-30m/s的范围内渐变。
17.优选地，还包括试件位置调节系统，所述试件位置调节系统设置于试验箱内，所述试件位置调节系统包括传送带和传送带遥控器，所述传送带为可双向移动的传送带，所述传送带遥控器用于控制所述传送带的启停及运动方向。
18.本实用新型相对于现有技术取得了以下有益技术效果：
19.本实用新型装置能进一步明确在多因素耦合条件下现代混凝土磨蚀冲蚀的破坏机理，为设计并制备出更多耐久安全的新型抗冲耐磨混凝土材料提供一定的技术支撑。
附图说明
20.为了更清楚地说明本实用新型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实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
21.图1为本实用新型的结构示意图；
22.图2为试验箱侧视图；
23.图3为试验箱盖俯视图；
24.图中标号说明：1-试验箱，2-箱盖，3-称重试验台，4-试件，5-双向传送带，6-压力水箱，7-压力水箱注水口，8-压力调节设备，9-压力水管，10-压力水管阀门，11-旋转喷头，12-液位控制水箱，13-注水管阀门，14-注水管水流流量计，15-注水管，16-液氮容器，17-液氮调节阀门，18-循环管路，19-温度传感器，20-温度控制调节装置，21-液位调节控制装置，22-液位传感器，23-计算机，24-出水管阀门，25-出水管，26-传送带遥控器，27-压力水管进口，28-注水管进口，29-温度传感器接口，30-液氮循环管路进口，31-液氮循环管路出口。
具体实施方式
25.下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。
26.本实用新型的目的是提供一种模拟混凝土冻融与冲蚀耦合作用的试验装置，以解
决上述现有技术存在的问题，可以准确地模拟冻融环境下高速水流对混凝土磨蚀冲蚀的损伤破坏，为正确设计抗冲耐磨材料提供了有力的试验支持。
27.为使本实用新型的上述目的、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实用新型作进一步详细的说明。
28.如图1-3所示，本实用新型提供一种模拟混凝土冻融与冲蚀耦合作用的试验装置，试验装置包括试验箱1、环境控制系统、液位控制系统、磨蚀冲蚀系统及液氮循环系统。
29.具体地，试验箱1包括箱体、称重试验台3和箱盖2，称重试验台3位于箱体内，环境控制系统包括温度传感器19、温度控制调节装置20、液位传感器22及液位控制调节装置18，实时监测试验箱1内温度和水位。液位控制系统包括液压控制水箱12、注水管阀门13、注水管水流流量计14和注水管15，由注水管水流流量计14控制水流流量进入试验箱1。
30.试验箱1上部设置有进水口和进水阀门，水箱通过水管与试验箱1上部的进水口连通，进水阀门位于水管上，由阀门控制水流进入水箱。于本实施例中，水管包括上述的注水管15，还包括压力水管9。
31.磨蚀冲蚀系统包括旋转喷头11、压力水管9、压力水箱6、压力水管阀门7和压力调节阀6，压力调节阀6可对水压进行调节。
32.液氮循环系统包括液氮容器16、循环管路18和液氮调节阀门17，由液氮调节阀门17控制液氮循环系统的启闭，液氮循环系统均与电脑控制系统电联接。循环管路18的一端与液氮容器16中的液氮源连接，另一端从试验箱盖的右端穿入试验箱1后再从试验箱盖的左端穿出并与液氮源连通，由循环管路18传递温度给试验箱1。
33.进一步地，温度传感器19和液位传感器22安装在试验箱1内，温度传感器19和液氮循环系统均与温度控制调节装置20电信号联接，液位传感器22和液位控制调节装置18均与液位控制调节装置18电信号联接，温度控制调节装置20和液位控制调节装置18均与电脑控制系统电联接。
34.试验箱1的底部设置有出水管25和出水管阀门24；试验箱1由耐低温钢制材料制成。
35.模拟混凝土冻融与冲蚀耦合作用的试验装置的试验方法，包括以下步骤：
36.(1)采用圆型不锈钢模具制作混凝土试件，填筑前在模具的内壁上均匀的涂抹一层润滑油，完成后按照实际工程所用的配合比制作混凝土，将得到的混凝土装入涂油处理后的模具中；
37.(2)完成步骤(1)后，将装好混凝土的模具放到振动台进行振捣，振动时模具不得有任何跳动，持续到混凝土表面出浆为止，使用橡胶锤锤击，使混凝土密实，表面平整，混凝土试件成型24h后脱模，放入标准养护箱养护28d，备用；
38.(3)在混凝土养护好之前设定试验箱1中相应的环境参数，接通电源，开启温度传感器19、液氮循环系统及温度控制调节装置21，设定试验箱1内的温度-20-0℃，通过温度传感器19来实时监测试验箱1内温度的高低；
39.(4)待步骤(2)的修补砂浆试件成型24h后脱模，完成步骤(3)后，将养护好的混凝土放入试验箱1内，混凝土试件置于称重试验台3上，记录试件4的质量；
40.(5)待步骤(4)完成后，关闭出水管阀门24，向液位控制水箱12中加水，打开注水管阀门13向试验箱1内注水，当水面与混凝土试件上表面齐平时关闭水泵；
41.(6)完成步骤(5)后，水箱内水面结冰后关闭液氮循环系统，提高试验箱内温度使得冰面融化，这一步骤是为了模拟混凝土冻融循环过程；
42.(7)完成步骤(6)后，利用传送带遥控器26遥控双向传送带5并调整旋转喷头11的喷射角度来控制混凝土试件的冲磨角度，打开压力水箱注水口7并注水，水箱液位高度达到距水箱顶部2-3cm后停止注水并关闭压力水箱注水口7，开启压力水管阀门10，通过压力调节设备8控制水压对混凝土进行冲磨；其中，冲磨速率可通过压力调节装置精确控制，冲磨速率可以在0-30m/s调节；
43.(8)完成步骤(7)后，根据试验需要可以调节混凝土受冻次数，冲磨速率等，试验结束后开启注水管15对试件4进行清洗，同时开启出水管阀门24，清洗过程中可利用传送带遥控器26控制双向传送带5使试件4左右移动，以便将试件4清洗干净，清洗结束后记录试件4质量，与试验前混凝土试件重量对比即可得到质量损失。
44.磨蚀冲蚀系统的旋转喷头11的数量为多个，多个旋转喷头11组合成圆形，圆形尺寸略小于混凝土试件尺寸，旋转喷头11能准确地模拟不同流速下水流对混凝土的磨蚀冲蚀作用，冲磨速率可通过压力阀精确控制，冲磨速率可以在0-30m/s调节。
45.具体地，温度传感器19安装高度低于试件4上表面，用于实时监测试验,1内温度，传输电信号给温度控制调节装置20；液位传感器22安装高度与试件4上表面齐平，用于实时监测液面高度，传输电信号给液位控制调节装置18。
46.旋转喷头11的冲磨速率，也分为小速率中速率大速率三种模式。小速率为0-10m/s的范围内渐变、中速率为10-20m/s的范围内渐变、大速率为20-30m/s的范围内渐变。
47.实施例一
48.(1)采用圆型不锈钢模具制作混凝土试件，试件尺寸为φ300*100mm，混凝土配合比见表1，填筑前在模具的内壁上均匀的涂抹一层润滑油，完成后按照实际工程所用的配合比制作混凝土，将得到的混凝土装入涂油处理后的模具中；
49.(2)完成步骤(1)后，将装好混凝土的模具放到振动台进行振捣，振动时模具不得有任何跳动，持续到混凝土表面出浆为止，使用橡胶锤锤击，使混凝土密实，表面平整，混凝土试件成型24h后脱模，放入标准养护箱养护28d，备用；
50.(3)在混凝土养护好之前设定试验箱1中相应的环境参数，接通电源，开启温度传感器19、液氮循环系统及温度控制调节装置20，设定试验箱1内的温度0℃，通过温度传感器19来实时监测试验箱1内温度的高低；
51.(4)待步骤(2)的修补砂浆试件成型24h后脱模，完成步骤(3)后，将养护好的混凝土放入试验箱1内，混凝土试件置于称重试验台3上，记录试件4的质量；
52.(5)待步骤(4)完成后，关闭出水管阀门24，向水箱中加水，打开注水管阀门13向试验箱1内注水，当水面与混凝土试件上表面齐平时关闭水泵；
53.(6)完成步骤(5)后，水箱内水面结冰后关闭液氮循环系统，提高试验箱内温度使得冰面融化，这一步骤是为了模拟混凝土冻融循环过程；
54.(7)完成步骤(6)后，利用传送带遥控器26遥控双向传送带5并调整旋转喷头11的喷射角度来控制混凝土试件的冲磨角度，打开压力水箱注水口7并注水，水箱液位高度达到距水箱顶部3cm后停止注水并关闭压力水箱注水口7，开启压力水管阀门10，通过压力调节设备8控制水压对混凝土进行冲磨；其中，冲磨速率可通过压力调节装置精确控制，冲磨速
率可以在0-10m/s调节；
55.(8)完成步骤(7)后，根据试验需要可以调节混凝土受冻次数，冲磨速率等，试验结束后开启注水管15对试件4进行清洗，同时开启出水管阀门24，清洗过程中可利用传送带遥控器26控制双向传送带5使试件4左右移动，以便将试件4清洗干净，清洗结束后记录试件4质量，与试验前混凝土试件重量对比即可得到质量损失。
56.表1混凝土配合比
[0057][0058]
实施例二
[0059]
(1)采用圆型不锈钢模具制作混凝土试件，试件尺寸为φ300*100mm，混凝土配合比见表1，填筑前在模具的内壁上均匀的涂抹一层润滑油，完成后按照实际工程所用的配合比制作混凝土，将得到的混凝土装入涂油处理后的模具中；
[0060]
(2)完成步骤(1)后，将装好混凝土的模具放到振动台进行振捣，振动时模具不得有任何跳动，持续到混凝土表面出浆为止，使用橡胶锤锤击，使混凝土密实，表面平整，混凝土试件成型24h后脱模，放入标准养护箱养护28d，备用；
[0061]
(3)在混凝土养护好之前设定试验箱1中相应的环境参数，接通电源，开启温度传感器19、液氮循环系统及温度控制调节装置20，设定试验箱1内的温度-10℃，通过温度传感器19来实时监测试验箱1内温度的高低；
[0062]
(4)待步骤(2)的修补砂浆试件成型24h后脱模，完成步骤(3)后，将养护好的混凝土放入试验箱1内，混凝土试件置于称重试验台3上，记录试件4的质量；
[0063]
(5)待步骤(4)完成后，关闭出水管阀门24，向水箱中加水，打开注水管阀门13向试验箱1内注水，当水面与混凝土试件上表面齐平时关闭水泵；
[0064]
(6)完成步骤(5)后，水箱内水面结冰后关闭液氮循环系统，提高试验箱内温度使得冰面融化，这一步骤是为了模拟混凝土冻融循环过程；
[0065]
(7)完成步骤(6)后，利用传送带遥控器26遥控双向传送带5并调整旋转喷头11的喷射角度来控制混凝土试件的冲磨角度，打开压力水箱注水口7并注水，水箱液位高度达到距水箱顶部3cm后停止注水并关闭压力水箱注水口7，开启压力水管阀门10，通过压力调节设备8控制水压对混凝土进行冲磨；其中，冲磨速率可通过压力调节装置精确控制，冲磨速率可以在0-20m/s调节；
[0066]
(8)完成步骤(7)后，根据试验需要可以调节混凝土受冻次数，冲磨速率等，试验结束后开启注水管15对试件4进行清洗，同时开启出水管阀门24，清洗过程中可利用传送带遥控器26控制双向传送带5使试件4左右移动，以便将试件4清洗干净，清洗结束后记录试件4质量，与试验前混凝土试件重量对比即可得到质量损失。
[0067]
实施例三
[0068]
(1)采用圆型不锈钢模具制作混凝土试件，试件尺寸为φ300*100mm，混凝土配合比见表1，填筑前在模具的内壁上均匀的涂抹一层润滑油，完成后按照实际工程所用的配合比制作混凝土，将得到的混凝土装入涂油处理后的模具中；
[0069]
(2)完成步骤(1)后，将装好混凝土的模具放到振动台进行振捣，振动时模具不得有任何跳动，持续到混凝土表面出浆为止，使用橡胶锤锤击，使混凝土密实，表面平整，混凝土试件成型24h后脱模，放入标准养护箱养护28d，备用；
[0070]
(3)在混凝土养护好之前设定试验箱1中相应的环境参数，接通电源，开启温度传感器19、液氮循环系统及温度控制调节装置20，设定试验箱1内的温度-20℃，通过温度传感器19来实时监测试验箱1内温度的高低；
[0071]
(4)待步骤(2)的修补砂浆试件成型24h后脱模，完成步骤(3)后，将养护好的混凝土放入试验箱1内，混凝土试件置于称重试验台3上，记录试件4的质量；
[0072]
(5)待步骤(4)完成后，关闭出水管阀门24，向水箱中加水，打开注水管阀门13向试验箱1内注水，当水面与混凝土试件上表面齐平时关闭水泵；
[0073]
(6)完成步骤(5)后，水箱内水面结冰后关闭液氮循环系统，提高试验箱内温度使得冰面融化，这一步骤是为了模拟混凝土冻融循环过程；
[0074]
(7)完成步骤(6)后，利用传送带遥控器26遥控双向传送带5并调整旋转喷头11的喷射角度来控制混凝土试件的冲磨角度，打开压力水箱注水口7并注水，水箱液位高度达到距水箱顶部2cm后停止注水并关闭压力水箱注水口7，开启压力水管阀门10，通过压力调节设备8控制水压对混凝土进行冲磨；其中，冲磨速率可通过压力调节装置精确控制，冲磨速率可以在0-30m/s调节；
[0075]
(8)完成步骤(7)后，根据试验需要可以调节混凝土受冻次数，冲磨速率等，试验结束后开启注水管15对试件4进行清洗，同时开启出水管阀门24，清洗过程中可利用传送带遥控器26控制双向传送带5使试件4左右移动，以便将试件4清洗干净，清洗结束后记录试件4质量，与试验前混凝土试件重量对比即可得到质量损失。
[0076]
表2混凝土质量损失
[0077][0078]
由表2数据可得出实施例一的质量损失较小，实施例三的质量损失最大。由此可见，随着温度的降低及冲磨速率的增大，混凝土的质量损失越大，且冻融循环作促进了冲磨作用，冻融循环使得混凝土内部结构疏松，在冲磨作用下更易剥落。整个试验在试验箱1中进行，对试件4没有人为损坏，试验质量试验结果准确。
[0079]
需要说明的是，对于本领域技术人员而言，显然本实用新型不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本实用新型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实用新型。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，本实用新型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实用新型内，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。
[0080]
本实用新型中应用了具体个例对本实用新型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实用新型的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本实用新型的思想，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实用新型的限制。