一种机制砂石用隧道洞渣性能快速综合评价方法与装置

摘要

本发明涉及一种机制砂石用隧道洞渣性能快速综合评价方法与装置，包括以下步骤：1）试样制作：采用振动装置（1）、温控装置（3）、称量装置（10）快速获取烘干及饱和面干试样。2）表观密度和吸水率测试：测出已知质量饱和面干试样排出水的质量，并加热得到烘干试样的质量。3）压碎指标及软化系数测试：分别对烘干、饱和面干试样加压、自动筛分和称量。4）坚固性测试：基于温控、自动筛分和称量实现对坚固性的快速测试。5）数据自动采集处理：自动采集处理上述数据。本发明提出的评价方法与装置可同时快速测试洞渣物理力学和耐久性能，解决了洞渣性能测试周期长、检测结果单一等问题，适用于洞渣、卵石/砾石等机制砂石母岩的快速评价。

说明书

技术领域

本发明涉及建筑材料技术领域，尤其是涉及一种机制砂石用隧道洞渣性能快速综合评价方法与装置。

背景技术

当前，我国交通工程建设正向中西部转移，受地形条件的影响，中西部交通工程选线过程中常采用隧道方案穿山越岭，在山峦起伏地区常出现大量隧道群，其所占线路总长度的比例越来越大。例如，建设中的郑万铁路重庆段隧道比例高达 92%，建设中的川藏铁路（雅安-林芝段）隧道比例约为 84%，即将开工建设的西康高铁隧道比例高达 82%。隧道施工中不可避免地要产生大量洞渣，处理这些洞渣，不仅需要大量征用永久用地，而且运输和后期维护需要巨额费用，且潜在污染环境和溃坝的风险。如将隧道洞渣加以利用，不但可减少弃渣场和弃渣数量，降低对环境的危害，还可以变废为宝，降低工程造价，产生巨大的社会效益和经济效益。然而与母岩矿山不同，性能波动大是隧道洞渣作为母岩制备机制砂石的显著特征之一，也是造成制约其推广应用的主要原因。因此，为了保证机制砂品质的可靠性，必须对隧道洞渣母岩性能进行综合评价。

《建设用碎石、卵石》（GB/T 14685-2011）提出了碎石饱和抗压强度测试、表观密度、吸水率和坚固性等测试，然而这些方法测试周期长，不适用于现场检测，因此亟需提出机制砂石用隧道洞渣性能快速综合评价方法与装置。发明专利CN111596030A《一种适用于制备机制骨料隧道洞渣性能快速评价方法》使用摔碎指标评价相同势能范围内隧道洞渣的力学性能，但测试精度较低；发明专利CN111596029A《一种适用于机制骨料卵石母岩性能快速评价方法》提出对于不同粒径范围的卵石使用特定的力学性能快速评价方法，对于粒径大于100mm的卵石使用超声波速测试，大于粒径介于9.5mm~19mm的卵石使用压碎指标进行测试；发明专利CN111650092A《一种机制砂吸水速率测试方法与装置》提出使用吸水速率测试装置测试不同时间段机制砂的吸水速率，可以根据吸水速率的变化快速评定机制砂的吸水率。发明专利CN110736675A《一种砂石骨料饱和面干吸水率测定装置及方法》基于温湿度调控和质量自动采集等装置，能够准确确定砂子饱和面干状态，自动化程度高，不受操作人员影响，测试结果精确度高。实用新型专利《用于粗集料密度及吸水率试验的容器》CN206756623U公开了一种用于粗集料密度及吸水率试验的容器，旨在提供一种用于粗集料密度及吸水率试验的容器，具有在集料浸泡水后减小水在倾倒过程中集料随水倒出的优点，其技术方案要点是容器浅盘底部开设有阻挡粗集料排出同时利于水排出的网孔。实用新型专利《一种石子压碎指标值测定试样制备装置》CN208140453U公开了一种石子压碎指标值测定试样制备装置，它解决了石子压碎指标值测定试样制备容易导致结果出现误差的问题，其试样制备精确程度更好，而且工作效率高。实用新型专利CN 206974840 U《一种稳定控温自动测定砂石坚固性的试验装置》公开的试验装置按照坚固性试验流程，通过自动控制程序，更方便准确地测定砂石骨料的坚固性。通过程序自动控制，期间无须人为操作，可实现仅依靠设备即可完成砂石坚固性试验周期，避免因为试验过程不连续对结果造成影响。

虽然上述专利提出了表观密度、吸水率、母岩摔碎指标、超声波速、压碎指标和坚固性等评价方法和装置，然而这些评价方法和装置存在测试周期长、评价结果单一和现场测试难等问题，无法快速反应洞渣作为机制砂石母岩的综合性能。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种方法简单快速、自动化程度高、性能测试综合、准确率高、适用于现场等优点的机制砂石用隧道洞渣性能快速综合评价方法与装置。

一种机制砂石用隧道洞渣性能快速综合评价方法与装置，包括以下步骤：1）试样制作：采用振动装置（1）、温控装置（3）、称量装置（10）快速获取烘干及饱和面干试样。2）表观密度和吸水率测试：测出已知质量饱和面干试样排出水的质量，并加热得到烘干试样的质量。3）压碎指标及软化系数测试：分别对烘干、饱和面干试样加压、自动筛分和称量。4）坚固性测试：基于温控、自动筛分和称量实现对坚固性的快速测试。5）数据自动采集处理：自动采集处理上述数据。本发明提出的评价方法与装置可同时快速测试洞渣物理力学和耐久性能，解决了洞渣性能测试周期长、检测结果单一等问题，适用于洞渣、卵石/砾石等机制砂石母岩的快速评价。

一种机制砂石用隧道洞渣性能快速综合评价方法与装置，所述的步骤1）试样制作具体包括以下步骤：

将试样放入圆模（5）中，使用温控装置（3）和称量装置（10）等自动化系统将试样烘干至恒重，实现试样快速烘干。另取一份试样放入圆模（5）中，向圆模（5）中加入水，水面至少高出试样50mm，然后开启温控装置（3），加热过程中圆模（5）内水面应始终保持高于试样面，采用温控装置（3）沸煮试样6h，沸煮后使用可更换衬板（4）中的过滤网衬板排出容器中的水，并经振动装置（1）振动脱水以实现试样快速饱和面干。将制作的饱和面干和烘干试样分别放入仪器中的恒温恒湿和干燥试样储物柜（12）中，以备后续测试使用。

步骤1）中采用的可更换衬板包括过滤网衬板、实心衬板和方孔筛衬板，其中，过滤网衬板主要起到圆模（5）排水或溶液时将小颗粒试样流出的作用，实心衬板主要用于试样压碎指标试验，方孔筛衬板主要用于颗粒自动筛分试验，方孔筛衬板的孔径可为2.36mm，4.75mm，9.5mm，16.0mm，19.0mm，26.5mm和31.5mm中的一种或几种。

一种机制砂石用隧道洞渣性能快速综合评价方法与装置，所述的步骤1）中温控装置（3）主要由加热电阻丝和温度传感器组成，称量装置（10）主要由电子天平组成，振动装置（1）振幅可为1mm，2mm，3mm，4mm，5mm中的一种或几种，温控装置（3）、称量装置（10）和振动装置（1）均与自动采集处理装置相连，并受自动采集处理装置控制。

一种机制砂石用隧道洞渣性能快速综合评价方法与装置，所述的步骤2）表观密度和吸水率测试具体包括以下步骤：

将一定已知质量的饱和面干试样装入注满水的圆模（5）中，使用排水法和称量装置（10）获取饱和面干试样质量，然后采用温控装置（3）和称量装置（10）对试样进行快速烘干，通过称量装置（10）获取烘干试样质量。

一种机制砂石用隧道洞渣性能快速综合评价方法与装置，所述的步骤3）压碎指标测试具体包括以下步骤：

分别将相同质量的烘干、饱和面干试样放入圆模（5）中，将可更换衬板（4）换为实心衬板，然后使用振动装置（1）进行振动以保证试样处于紧密堆积状态，平整试样表面，盖上加压头（8）进行加压至200kN，并对加压后的试样进行自动筛分和称量。

其中，加压头（8）直径为150mm，圆模（5）直径为152mm，自动筛分是通过将可更换衬板（4）替换为2.36mm的方孔筛衬板，并通过振动装置（1）振动实现的。

一种机制砂石用隧道洞渣性能快速综合评价方法与装置，所述的步骤3）软化系数主要为饱和面干试样的压碎指标与烘干试验的压碎指标之比，具体计算公式如下：

R=(Qb

其中，R为隧道洞渣软化系数，Qb

一种机制砂石用隧道洞渣性能快速综合评价方法与装置，所述的步骤4）坚固性测试具体包括以下步骤：

将一定量烘干试样和饱和硫酸钠溶液置于圆模（5）中，基于温度调控加速硫酸盐溶液对试样的破坏，加热过程中温度控制为60±5℃，持续加热10h，并应加水保证试验过程中硫酸钠液面始终浸没试样，加热完成后回收硫酸钠溶液，并开始采用温度调控加热烘干试样，加热烘干时间为4h，再按上述方法进行第二次循环。从第二次循环开始，加热浸泡时间为2h，加热烘干时间为4h，共循环5次，实现试样快速浸泡和烘干。最后通过自动筛分和自动称量获取试样损失的质量。

一种机制砂石用隧道洞渣性能快速综合评价方法与装置，所述的步骤5）数据自动采集处理具体包括以下步骤：

使用自动采集处理装置（11）自动控制温控装置（3）、称量装置（10）和振动装置（1），并自动读取和处理试样的表观密度、吸水率、压碎指标、软化系数、坚固性等指标的质量参数，自动采集并按内置公式计算上述数据。

一种机制砂石用隧道洞渣性能快速综合评价方法与装置，所述的步骤1）~4）中使用的挡板（9）厚度可为1mm，2mm，3mm，4mm中的一种或几种，挡板材质可为铜、铝、铁和钢中的一种或几种，主要作用为承受圆模（5）中样品重量，且不可发生明显变形，同时防止更换衬板时样品漏下和试验过程中圆模（5）中的水分或液体流出。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、可综合反映隧道洞渣物理力学和耐久性能：所提出的方法与装置可同时快速测试表观密度、吸水率、压碎指标、软化系数和坚固性等五项指标，可以综合反映隧道洞渣的物理力学性能和耐久性能指标，攻克了测试性能指标单一的难题。

2、基于概率统计评价方法降低洞渣性能波动：采用多个样品组成洞渣试样的集合体，基于概率统计评价方法可实现对洞渣波动性能的均一化处理，从而确保了洞渣测试和评价结果的真实性和可靠性。

3、测试过程快速便捷、自动化程度高：通过智能温控、自动筛分、自动计量以及数据自动采集和计算，测试过程简单、便捷、快速，与常规方法相比，可以节约3d以上时间。此外，基于自动采集处理装置、温控装置、称量装置和振动装置，实现评价方法与装置的自动化和一体化，减少操作过程人为误差的影响。

4、适用于隧道洞渣出渣后的现场即时评价：本方法可以在隧道洞渣出渣后在现场进行即时评价，适用于现场的即时评价，对洞渣快速分拣、洞渣出渣量与混凝土需求量良好匹配和保障工程质量提供了很好的支撑和指导。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单介绍。

图1为本发明一个实施例的结构示意图。图中：1-振动装置、2-实心基座、3-温控装置、4-可更换衬板、5-圆模、6-固定机架、7-把手、8-加压头、9-挡板、10-称量装置、11-自动采集处理装置、12-试样储物柜。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案做进一步的具体说明。

实施例：分别获取4.75mm~19mm的花岗岩、石灰岩、石英岩、玄武岩、凝灰岩、片麻岩和白云岩洞渣粗骨料各42kg，按如下步骤开展洞渣吸水率、表观密度、压碎指标、软化系数和坚固性测试：

1）试样制作：采用振动装置1、温控装置3、称量装置10快速获取烘干及饱和面干试样。具体步骤如下：

推入挡板9，取6kg粗骨料装入圆模5内，使用温控装置3对圆模5中的试样进行加热，并通过称量装置10观察试样质量变化，当试样质量无变化时停止加热，重复上述操作，快速获取18kg烘干试样；再取6kg粗骨料装入圆模5内，向圆模5中加入水，然后开启温控装置3，加热过程中圆模5内水面应始终保持高于试样面，煮沸6h以上冷却至室温后，推入挡板9，将衬板更换为过滤网衬板4，推出挡板9，将圆模5中的水放出，此时开启振动装置1，保证圆模5中的试样表面为饱和面干状态，重复上述操作，获取24kg的饱和面干试样；饱和面干和烘干试样分别放入仪器中的恒温恒湿和干燥试样储物柜12中，以备后续测试使用。

2）表观密度和吸水率测试：将一定已知质量的饱和面干试样装入注满水的圆模5中，使用排水法和称量装置10获取饱和面干试样质量，然后采用温控装置3和称量装置10对试样进行快速烘干，通过称量装置10获取烘干试样质量。具体步骤如下：

向圆模5中注满水，称量装置10自动称量水的质量，然后将2kg颗粒级配4.75mm~16mm饱和面干试样全部装入注满水的圆模5中，再次用称量装置10自动称量排出水后圆模5中水和试样的总质量，并测量水的温度，然后推出挡板9，将圆模5中的水经过滤网衬板4放出后并推入挡板9，开启温控装置3对圆模5加热，进而获取烘干试样质量，通过自动采集处理装置获取试样表观密度和吸水率结果，重复上述操作，取两次试验结果的平均值作为最终值。

3）压碎指标及软化系数测试：分别对烘干、饱和面干试样加压、自动筛分和称量。具体步骤如下：

将可更换衬板4更换为实心衬板，将3kg颗粒级配9.5mm~19mm烘干试样将入圆模5中，推出挡板9，启动振动装置1，使圆模5中的骨料堆积紧密，平整圆模5内试样表面，盖上加压头8，按1kN/s速度均匀加荷至200kN并稳荷5s，然后卸荷。取下加压头8，推入挡板9，将实心衬板4换为2.36mm的方孔筛衬板，开启振动装置1，筛除小于2.36mm的颗粒，使用称量装置10称出留在筛上的试样质量，此时可以得出烘干试样的压碎指标。再重复上述操作两次，取三次结果的平均值作为最终烘干试样压碎指标。重复上述整个操作，测试饱和面干试样压碎指标，将饱和面干试样压碎指标与烘干试样压碎指标作商，进而求得试样的软化系数。

4）坚固性测试：基于温控、自动筛分和称量实现对坚固性的快速测试。具体步骤如下：

推入圆模5下的挡板9，并将500g颗粒级配4.75mm~9.5mm试样和配制好的饱和硫酸钠溶液加入圆模中5，液面高出为试样表面约50mm，然后开启低振幅的振动装置1，以排除试样的气泡，开启温控装置3，对圆模5中的试样和溶液开始加热，加热温度控制在60±5℃，并持续加热10h，加热过程中应加水保证硫酸钠液面始终浸没试样，加热结束后回收硫酸钠溶液，并基于温度调控加热烘干试样，持续加热烘干试样4h，再按上述方法进行第二次循环。从第二次循环开始，加热浸泡时间为2h，加热烘干时间为4h，共循环5次，实现试样快速浸泡和烘干。最后一次循环后，用清洁的温水淋洗试样，直至淋洗试样后的水加入少量氯化钡溶液不出现白色浑浊为止，对洗过的试样加热至恒重，冷却至室温后，将底板更换为4.75mm的方孔筛衬板4，启动振动装置1，筛除小于4.75mm的颗粒，并用称量装置10自动称量圆模5中试样的质量，进而可以得出试样的坚固性。

5）数据自动采集处理：自动采集处理上述数据。具体步骤如下：

使用自动采集处理装置11自动控制温控装置3、称量装置10和振动装置1，并自动读取和处理试样的表观密度、吸水率、压碎指标、软化系数、坚固性等指标的质量参数，自动采集并按内置公式计算上述数据。

按照上述步骤进行操作和计算，分别得到了不同岩性洞渣吸水率、表观密度、压碎指标、软化系数和坚固性等综合性能测试结果，如表1所示：

表1 不同岩性洞渣综合性能测试结果

由表1可以看出，不同岩性洞渣吸水率、表观密度、压碎指标、软化系数和坚固性均满足标准要求，可以作为母岩生产机制砂石骨料。但同时可以看出，其中石灰岩、凝灰岩和片麻岩洞渣吸水率或压碎指标或软化系数或坚固性较大，因此使用时应注意其是否满足不同混凝土结构的要求。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能够理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。