对接室内岩土力学试验机的泡沫混凝土样制备装置及方法

摘要

本发明公开了一种对接室内岩土力学试验机的泡沫混凝土样制备装置及方法，包括多个原料放置管，原料放置管的进口端固定在试验台上，出口端与一个搅拌室连通；搅拌室侧壁的上端和下端分别与上流体泵和下流体泵相连，且上流体泵与制样室相连，制样室上设置有出浆口；所述的下流体泵与量筒下端相连，量筒上端又与发泡机连通，发泡机上端设有吸气口，下端设有吸液管，吸液管伸入储液罐靠近底部位，储液罐上端设有注液口；在搅拌室内完成混凝土浆体的制备，在发泡机和储液罐内完成泡沫制备，泡沫制备好后进入搅拌室进一步的搅拌，搅拌后的浆体进入制样室，经脱模养护后完成制样。本发明大大地提高了试验效率。

说明书

技术领域

本发明涉及地下工程减震材料协同研发技术领域，具体涉及一种对接室内岩土力学试验机的泡沫混凝土样制备装置及方法。

背景技术

近年来，我国基础设施建设发展快速，一大批交通隧道、水工隧洞、大型地下建筑(群)等工程相继建成并投入使用。这其中，修建在高烈度地区的隧道或大型地下构筑物，常常会受到地震的威胁，遭遇地震事件。一系列最新震害报告表明，在强震作用下，地下结构并不能确保始终处于安全状态，不同类型、不同程度的结构破坏会时有发生，以隧道震害为例，包括洞门开裂、端墙破损、崩落土砂；洞身路基底鼓、开裂、衬砌移动、附属物破坏、渗水等等。因此，对于高烈度地区上的每一个地下工程，都有必要对其做减震设计。地下工程减震设计主要表现为在隧道衬砌之间设置减震层或在地下构筑物周围施作减震填充，使用到的材料主要为泡沫混凝土。泡沫混凝土质量轻、弹模低、吸水率低，具有相当的柔性及延性，减震及缓冲击性能出色，对地震动载荷具有良好的吸收和分散作用。

泡沫混凝土作为岩土材料的一种，其相关物理、力学特性参数均能在岩土科学实验室中的各类岩土力学试验机上获得，试验结果的科学性广受认可。不过也应该注意到一个问题，即市面上主流的室内岩土力学试验机，所需试样必须是标准尺寸，标准试样通常被要求加工成尺寸为(代表圆柱体试样的底面直径)的圆柱体。通常来讲，对于一般的岩石材料，比如花岗岩、片麻岩、灰岩等，它们强度较大，能经得住水钻打孔取芯、柱面抛光、端部打磨等一系列后处理工序，所以不难在大块试料中成功截取出标准试样。但对于泡沫混凝土，这种用机械方法将泡沫剂水溶液制备成泡沫，再将泡沫加入含硅质原料、钙质原料、水及各种外加剂组成的浆体中，经混合搅拌、浇注成型、养护而成的人工多孔材料，强度太低，单轴压缩强度大概只有几兆帕到十几兆帕；而且其内部结构十分松散脆弱，经不住设备的打孔扰动以及打磨抛光，按常规取样方法强行处理极有可能对材料造成不可逆转的伤害。然而令人遗憾的是，通过对已有文献和专利的检索查阅，发现现有的成熟的泡沫混凝土制备方法及相关装置大多用于生产大体积试料，在这些大体积试料上截取标准圆柱体，将极大程度地损伤试样材料，影响试样的物理、力学特性参数，这些影响是任何现有技术所不可估量的。虽然在已有文献和专利中，也曾提到过一些能制备任意尺寸泡沫混凝土样的方法，但与之配套的成熟自动化装置很少，即使存在，也远不能实现与各类室内岩土力学试验机的技术对接。另外还有两个问题也值得注意，其一是传统方法制备的大体积泡沫混凝土料参数精确性令人担忧，大体积试料的物理、力学特性往往只能做到整体把控，相关参数相应的也只能被视为整体参数，至于其内部材料是否均匀、性质是否统一等，这些都不得而知。其二是传统泡沫混凝土样制备装置，尺寸单位多为“米”级，显然不能与标准试样“毫米”级的尺寸单位相匹配。

解决以上各个问题，最好的途径就是避开对试样的动力扰动，比如钻取、打磨、抛光等等，重新研究并设计与标准试样尺寸量级相匹配的泡沫混凝土样制备装置，从全流程全环节对制备过程进行操控，全面准确控制试样物理、力学特性参数及其变化，同时保证其材料均匀，整体与局部特性参数相协调；另外，要求装置本身自动化程度高，手工误差小，最终，从技术和材料两方面与室内岩土力学试验机实现全面对接；然而，目前该领域还没有相关设备，如何设计一种满足上述要求的装置成了一个急需解决的问题。

发明内容

本发明的目的是为服役于岩土科学实验室的各类岩土力学试验机快速准确地提供尺寸标准(尺寸为的圆柱体)、性质均一可靠(整体与局部特性参数相协调)、全参数可控的泡沫混凝土试样，协同其一起，共同进行泡沫混凝土材料优化改进及其物理、力学特性研究。本发明制样全程摆脱传统的人工操作，提供了一套集混凝土浆体制备、泡沫制备、泡浆混合搅拌、浇筑成型、数据收集与集中处理等多流程为一体的自动化试验装置。

为了实现本发明的目的，采用如下技术方案：

一种对接室内岩土力学试验机的泡沫混凝土样制备装置，包括多个原料放置管，所述的原料放置管的进口端固定在试验台上，出口端与一个搅拌室连通；搅拌室侧壁的上端和下端分别与上流体泵和下流体泵相连，且所述的上流体泵与制样室相连，制样室上设置有出浆口；所述的下流体泵与量筒下端相连，量筒上端又与发泡机连通，发泡机上端设有吸气口，下端设有吸液管，吸液管伸入储液罐靠近底部位置，储液罐上端设有注液口。

在所述的搅拌室内完成混凝土浆体的制备，在所述的发泡机和储液罐内完成泡沫制备，泡沫制备好后进入搅拌室进一步搅拌，搅拌后的浆体进入制样室，经脱模养护后完成制样。

进一步的，所述的多个原料放置管上各设置一个控制其开断的第一阀门。

进一步的，所述的搅拌室与上流体泵、下流体泵连接的管路上设有第二阀门。

进一步的，所述的搅拌室与下流体泵相连的管路上设有流速调节器和压力传感器。

进一步的，所述的上流体泵与制样室相连的管路上设有注浆调节器。

进一步的，所述的下流体泵与量筒下端相连的管路上设有第三阀门。

进一步的，所述的量筒上端与发泡机相连的管路上设有第四阀门。

进一步的，所述的搅拌室的底部设置有称重元件。

进一步的，所述的流速调节器、压力传感器、注浆调节器、搅拌室的搅拌装置和称重元件均与一个数据采集器相连，所述的数据采集器将数据传送给终端设备；所述的终端设备既能集中处理采集到的数据，又能调节流速调节器、注浆调节器、搅拌室的搅拌装置。

进一步的，所述的原料放置管包括并列设置的水泥放置管、土粒放置管和注水管。

利用上述装置进行试样制备的方法，包括混凝土浆体的制备、泡沫的制备、泡浆混合搅拌和浇筑成型，具体如下：

混凝土浆体的制备方法如下：

水泥、土粒以及水分别通过原料放置管进入搅拌室，打开搅拌室的搅拌装置，使其内的各种原料充分混合；

泡沫的制备方法如下：

将发泡液原液稀释至一定浓度，然后注入储液罐；打开发泡机，进行发泡；发泡完成，使泡沫进入量筒，直至达到预期体积，然后打开下流体泵，使泡沫注入到搅拌室，待泡沫注完后，关闭下流体泵；泡浆混合搅拌；

泡浆混合搅拌方法如下：

将胶体水泥浆与泡沫充分搅拌，直到浆面看不到一层漂浮的泡沫为止；

浇筑成型方法如下：

打开上流体泵，使浆料通过注浆管注入制样室，待浆料充满整个制样室后，多余的会从出浆口溢出，此时依次关闭上流体泵、搅拌室的上阀门，然后去除溢出的浆料，待制样室中的浆体形成一定强度时，将其取出制样室，再养护数小时，制成泡沫混凝土试样。

本发明的有益效果如下：

本发明制样全程摆脱传统的人工操作，创新性地提供了一套集混凝土浆体制备、泡沫制备、泡浆混合搅拌、浇筑成型、数据收集与集中处理等多流程为一体的自动化试验装置。试样制备全程可对多个环节参数进行准确控制，包括原料种类和级配、水料比、发泡液浓度、气液比、泡沫量、泡沫注入速度、搅拌速度与时长、浇筑速度等等，从而能够在短时间内高效地制备出符合试验方案预期的，尺寸为(代表圆柱体试样的底面直径)的标准圆柱体泡沫混凝土试样。制备完成的试样可与各类室内岩土力学试验机对接，直接用于各种物理指标的实验室测定试验，测得密度、含水率、土粒比重三项基本物理指标，再通过公式换算得出孔隙率、孔隙比、饱和度等更多物理指标；制备完成的试样还可直接用于各种力学参数实验室测定试验，如单轴压缩、三轴压缩、直剪、劈裂、渗透和抗冲击试验等等，测得相应的多种力学指标。装置尺寸量级与标准试样相匹配，有利于保证试样内部性质的均一性。

附图说明

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，下面将对实施例或现有技术描述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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为一种对接室内岩土力学试验机的泡沫混凝土样制备装置图。

图中：1—水泥放置管，2—水泥放置管阀门，3—土粒放置管，4—土粒放置管阀门，5—注水管，6—注水管阀门，7—搅拌室，8—电动搅拌机，9—称重元件，10—注液口，11—储液罐，12—发泡机，13—吸气口，14—吸液管，15—量筒上阀门，16—量筒，17—量筒下阀门，18—下流体泵，19—搅拌室下阀门，20—流速调节器，21—压力传感器，22—搅拌室上阀门，23—上流体泵，24—注浆管，25—注浆调节器，26—制样室，27—出浆口，28—数据采集器，29—终端设备，30—试验台。

具体实施方式

下面结合附图和实施示例对本发明进一步说明。

本发明的目的是为服役于岩土科学实验室的各类岩土力学试验机快速准确地提供尺寸标准、性质均一可靠、全参数可控的泡沫混凝土试样，并协同其一起，共同进行泡沫混凝土材料优化改进及其物理、力学特性研究。

本发明公开的对接室内岩土力学试验机的泡沫混凝土样制备装置，包括多个原料放置管，所述的原料放置管的进口端固定在试验台上，出口端与一个搅拌室连通；搅拌室侧壁的上端和下端分别与上流体泵和下流体泵相连，且上流体泵与制样室相连，制样室上设置有出浆口；所述的下流体泵与量筒下端相连，量筒上端又与发泡机连通，发泡机上端设有吸气口，下端设有吸液管，吸液管伸入储液罐靠近底部位，储液罐上端设有注液口；在搅拌室内完成混凝土浆体的制备，在所述的发泡机和储液罐内完成泡沫制备，泡沫制备好后进入搅拌室进一步的搅拌，搅拌后的浆体进入制样室，经脱模养护后完成制样，具体如下：

如图1所示，对接室内岩土力学试验机的泡沫混凝土样制备装置，包括水泥放置管1、水泥放置管阀门2、土粒放置管3、土粒放置管阀门4、注水管5、注水管阀门6、搅拌室7、电动搅拌机8、称重元件9、注液口10、储液罐11、发泡机12、吸气口13、吸液管14、量筒上阀门15、量筒16、量筒下阀门17、下流体泵18、搅拌室下阀门19、流速调节器20、压力传感器21、搅拌室上阀门22、上流体泵23、注浆管24、注浆调节器25、制样室26、出浆口27、数据采集器28、终端设备29、试验台30及若干线路。

它们的连接关系是：水泥放置管1、土粒放置管3和注水管5的进口端固定在试验台30上，另一端分别连通搅拌室7，各管上分别设有水泥放置管阀门2、土粒放置管阀门4和注水管阀门6；搅拌室7下设有称重元件9，上方悬挂电动搅拌机8，电动搅拌机8上方固定在试验台30台面下方，其扇叶伸入搅拌室7靠近底部位置；搅拌室7上端和下端分别与上流体泵23和下流体泵18相连，中间各设有搅拌室上阀门22和搅拌室下阀门19，分别控制它们的连通或断开，其中，搅拌室7和下流体泵18之间设有流速调节器20和压力传感器21；下流体泵18与量筒16下端连通，中间设有量筒下阀门17，量筒16上端又与发泡机12连通，中间设有量筒上阀门15；发泡机12上端设有吸气口13，下端设有吸液管14，吸液管14伸入储液罐11靠近底部位置；储液罐11上端设有注液口10；上流体泵23通过注浆管24与制样室26相连，注浆管24上设有注浆调节器25，制样室26放置于试验台30之上，顶端设有出浆口27；另外，电动搅拌机8、称重元件9、流速调节器20、压力传感器21、注浆调节器25分别通过数据采集器28与终端设备29相连。

进一步的，水泥放置管1、土粒放置管3、注水管5均是由硬橡胶材料制成圆管，内径均为10mm，壁厚1.5mm，长50mm，管内壁分别涂有薄凡士林层，防止水泥、土粒、水粘结内壁，造成质量损失，影响参数准确性。

进一步的，搅拌室7由透明有机树脂材料制成，内容积尺寸为壁厚3mm，顶部不封盖，搅拌室7内壁涂有薄凡士林层，防止水泥浆体粘结内壁。

进一步的，电动搅拌机8采用市场上常见的型号，具有调速功能，调速范围为20—150r/min，扇叶在搅拌室7内无搅拌死角，同时扇叶竖向高低位置可以在搅拌过程中做一定调整，对水泥浆起到下压和上翻的搅拌功能。

进一步的，称重元件9采用市场上常见的型号，量程范围为0—5kg，最小可感知0.01kg的质量变化。

进一步的，储液罐11由透明有机树脂材料制成，内容积尺寸为200×200×50mm，进一步的，在其右上端位置设有注液口10，注液口10为圆形，直径为10mm。

进一步的，发泡机12为高压发泡机，采用市场上常见的型号，利用压力从吸气口13引入气体，利用压力从吸液管14引入发泡液；吸气口13是直径为10mm的圆孔，吸液管14是直径为10mm的圆管，长度为45mm。

进一步的，量筒16由透明有机树脂材料制成，量程为60毫升，壁厚1mm。

进一步的，下流体泵18和上流体泵23采用市场上常见的型号，可以提供0—1MPa的压力，最小压力变化精度为0.001MPa。

进一步的，注浆管24是由硬橡胶材料制成圆管，内径为10mm，壁厚1.5mm，长80mm。

进一步的，制样室26由透明有机树脂材料制成，内容积尺寸为内壁涂有薄凡士林层，防止脱模时与泡沫混凝土试样表面粘连，损坏试样；进一步的，制样室26顶部正中央设有出浆口27，出浆口27是直径为10mm的圆孔。

进一步的，流速调节器20和注浆调节器25能够调节各自所控制管内的浆液流速大小，调节范围为0—800ml/s。

进一步的，压力传感器21用于测量所控制管内液体流压的大小，其最小可感知0.001MPa的流压变化。

进一步的，水泥放置管阀门2、土粒放置管阀门4、注水管阀门6、量筒上阀门15、量筒下阀门17、搅拌室下阀门19、搅拌室上阀门22均为机械阀门，通过阀门的打开和关闭，控制各自管内固体或液体的流动和阻隔。

进一步的，数据采集器28选用美国Omega CL3001传感器，可以采集并记录来自电动搅拌机8、称重元件9、流速调节器20、压力传感器21、注浆调节器25五个装置传来的数据信息。

进一步的，终端设备29主要是指终端计算机以及与之相连的若干线路。终端计算机采用市场上主流的计算机型号，操作系统为windows7，软件为Labview。终端设备29可以集中处理数据采集器28传来的信息，而且自带计时功能，可以记录制样过程中每一个环节的起止时间；并且可以对电动搅拌机8的转速、流速调节器20和注浆调节器25的流速进行自动化控制。

进一步的，试验台30由精钢材料制成，内高200mm，内宽400mm，台面后20mm。

利用上述设备进行泡沫混凝土试样制备方法，其步骤是：

混凝土浆体制备：

1)选取一定种类的水泥粉，筛取出预期粒径范围后，称取一定质量；随后将其放入水泥放置管1，打开水泥放置管阀门2，使水泥粉进入搅拌室7，然后关闭水泥放置管阀门2；

2)选取一定种类的土粒，筛取出预期粒径范围后，称取一定质量；随后将其放入土粒放置管3，打开土粒放置管阀门4，使土粒进入搅拌室7，然后关闭土粒放置管阀门4；

3)称取一定质量的水，掺入一定的外加剂，将其放入注水管5，打开注水管阀门6，使水进入搅拌室7，然后关闭注水管阀门6；

4)打开电动搅拌机8，通过终端设备29调整其扇叶转速，并使其在一次制样过程中保持恒定，注意到搅拌室7中水泥浆料渐渐呈胶体状；过程中浆料质量的变化被称重元件9感知，具体质量信息被数据采集器28采集并反馈于终端设备29之上，实验人员应随时对其记录和保存。

泡沫制备：

5)将发泡液原液稀释至一定浓度，然后从注液口10注入储液罐11，发泡液具体体积没有限制，能满足当次制样所需即可；

6)打开发泡机12，调节空气和发泡液的吸入量，控制气液比例，进行发泡；

7)打开量筒上阀门15，使泡沫进入量筒16，直至达到预期体积，然后关闭量筒上阀门15；

泡浆混合搅拌：

8)打开量筒下阀门17，打开下流体泵18，打开搅拌室下阀门19，使泡沫注入到搅拌室7，过程中通过流速调节器20调节泡沫流入搅拌室7的速度，具体流速信息以及压力传感器21的流压信息被数据采集器28采集并反馈于终端设备29之上，实验人员应随时对它们记录和保存；待泡沫注完后，依次关闭搅拌室下阀门19、下流体泵18、量筒下阀门17；

泡浆混合搅拌：

9)切换电动搅拌机8的扇叶转速，并在切换后保持恒定，将胶体水泥浆与泡沫充分搅拌，直到浆面看不到一层漂浮的泡沫为止；

浇筑成型：

10)打开搅拌室上阀门22，打开上流体泵23，使浆料通过注浆管24注入制样室26，过程中通过注浆调节器25调节注浆速度和注浆量，具体流速和流量信息被数据采集器28采集并反馈于终端设备29之上，实验人员应随时对它们记录和保存；

11)待浆料充满整个制样室26后，多余的浆料会从出浆口27溢出，此时依次关闭上流体泵23、搅拌室上阀门22，然后去除溢出的浆料，待制样室中浆体形成一定强度时，将其取出制样室26，再养护数小时，制成泡沫混凝土试样。

此外，本发明中发明内容部分描述的第一阀门指代的是：水泥放置管阀门2、土粒放置管阀门4、注水管阀门6。

本发明中发明内容部分描述的第二阀门指代的是：搅拌室下阀门19和搅拌室上阀门22。

本发明中发明内容部分描述的第三阀门指代的是量筒下阀门17。

本发明中发明内容部分描述的第四阀门指代的是量筒上阀门15。

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。