一种微波养护石膏胶结相似模拟材料模型的智能装置

1.本实用新型涉及岩土工程的科学研究领域，特别涉及一种通过微波辐照缩短石膏胶结相似模拟材料模型养护时间的智能装置。


背景技术：

2.相似物理实验是岩土工程中尤其是在煤炭开采方面普遍使用的重要研究方法。很多学者采用该方法取得了诸多研究成果，例如，采煤对边坡稳定性的影响，构造应力与与采煤底面塌陷的关系，煤炭开采后上覆岩层移动破断特征、煤矿开采中应力响应特征和裂隙发育模式，煤与瓦斯突出等。
3.相似模拟材料模型模型是用水泥、石膏等胶结物掺杂砂子、铁粉等骨料和水搅拌制作而来，用来模拟真实岩层的模型。在各种相似材料中，石膏胶结相似材料的应用最为广泛，但由于石膏胶结相似材料一般需要养护20天以上才能达到试验所设计的稳定强度，导致完成一次相似模拟实验需要一次较长的时间，且由于各个地方的养护环境不同，造成模型的精度控制差，可重复性差等缺点，所以找出一种物理或者化学方法来缩短相似模拟实验的时间以及提高实验的精度和可重复性显得尤为重要；但是关于缩短相似模拟材料硬化时间的研究尚未见到，所以探寻出一种通过可控的物理化学手段来提高胶结材料的硬化速率显得非常重要。
4.微波的加热原理为：在微波场的辐照下，介质材料通常都不同程度地吸收微波能，介质材料与微波电磁场相互耦合，会形成各种功率耗散从而达到能量转化的目的；能量转化的方式有许多种，如离子传导、偶极子转动、界面极化、磁滞、压电现象、电致伸缩、核磁共振、铁磁共振等，其中离子传导及偶极子转动是微波加热的主要原理；不难发现，近些年来，由于微波加热速度快，节能高效，加热均匀，占地面积少等优点，被广泛的用于各行各业中，如:食品烹饪,有机合成，环境工程，煤干燥，岩石增透等，所以尝试将微波用于养护石膏胶结材料来提高材料的硬化速率是一个比较可行的思路。
5.微波养护石膏胶结相似模拟材料模型的原理为：该种材料养护过程中的强度的增加主要就由半水石膏水化生成二水石膏来提供的，微波辐照下，材料中的极性水分子在不断变化的电磁场的作用下做往复运动，产生了大量的热量，使材料的温度快速上升，达到石膏水化反应的最佳温度（40℃-60℃），且温度升高，材料中的水分的蒸发速率加快，材料的含水率快速降低，从而较快速的提高材料的强度。


技术实现要素：

6.技术问题：本实用新型针对石膏胶结相似模拟材料模型养护时间过长且精度低的问题，提出了一种微波养护石膏胶结相似模拟材料模型的智能装置，主要用于在进行石膏胶结相似模拟实验时，利用微波养护加快石膏胶结材料的硬化速率，缩短实验耗时和提高实验精度。
7.本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：一种微波养护石膏胶结相似模
拟材料模型的智能装置，包括总控制器、湿温度监测系统和移动式微波辐照系统；所述湿温度监测系统包括一台湿温信号处理器和若干湿温敏元件，所述移动式微波辐照系统包括一个底座、两根竖直滑槽、一根水平滑槽、一块载物滑块、一台位移驱动器、一台微波发生器、一台微波控制器、一台微波适配电源。
8.所述两根竖直滑槽下端固定在所述底座上，所述水平滑槽两端嵌套在所述两根竖直滑槽内，所述载物滑块嵌套在所述水平滑槽内，所述微波发生器固定在所述载物滑块上；所述载物滑块和所述水平滑槽都用导线与所述位移驱动器连接，所述位移驱动器可控制所述载物滑块和所述水平滑槽沿着水平和竖直方向滑动；所述微波发生器用导线与所述微波控制器连接，所述微波控制器用导线与所述微波适配电源连接；所述总控制器分别用导线与所述湿温传感器、所述位移驱动器和所述微波控制器连接。
9.进一步设置：所述总控制器能够随时接收所述湿温监测系统传递的湿度和温度的信息，并根据此信息通过所述位移驱动器和所述微波控制器对所述微波辐照系统的辐照方式做出指示。
10.进一步设置，所述总控制器对所述微波辐照系统的指示原则为：相似材料养护开始时，所述微波发生器在所在平面内匀速运动，对材料模型各处进行均匀辐照；当相似材料模型某点的温度高于温度上限值时，所述微波发生器的运动路线改变，暂停对该处进行辐照，其它各处继续进行微波辐照，当该点温度降至所设温度下限值时，又恢复对该点进行辐照；养护到某点含水率降至所设含水率下限时，从此停止对该点辐照，以此类推，当各处湿度降至所设湿度下限值时，停止微波养护。
11.本实用新型的优点在于把原本20天的养护时间减少为500分钟，且能够使石膏胶结相似材料达到与自然养护20天相同的强度，很大程度的缩短了实验耗时且提高了实验精度，且在养护全程都是全自动养护，不需要人工干预，节省实验的人工成本和时间成本。
附图说明
12.为了更加清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要的附图做一简单的介绍。
13.图1为实施例提供的所述微波养护石膏胶结相似材料的智能装置结构示意图；图中，1、总控制器；2、湿温监测系统；3、移动式微波辐照系统；201、湿温信号处理器；202、湿温敏感元件；301、底座；302、竖直滑槽；303、水平滑槽；304、载物滑块；305位移驱动器；306、微波发生器；307、微波控制器；308、微波适配电源。
具体实施方式
14.为了能够更清楚地理解本实用新型的上述目的、特征和优点，下面结合附图和实施例对本实用新型做进一步说明。
15.在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本实用新型，但是，本实用新型还可以采用不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本实用新型并不限于下面公开说明书的具体实施例的限制。
16.实施例，如图所示，本实用新型提供的微波养护石膏胶结相似模拟材料模型的智能装置，包括总控制器1、湿温度监测系统2，移动式微波辐照系统3。湿温度监测系统2包括
一台湿温信号处理器201和若干湿温敏元件202；移动式微波辐照系统3包括一个底座301、两根竖直滑槽302、一根水平滑槽303、一块载物滑块304、一台位移驱动器305、一台微波发生器306、一台微波控制器307、一台微波适配电源308。其中，湿温度监测系统的监测技术、微波控制器对微波发生器的控制技术、位移驱动器对水平滑槽和载物滑块的位移的控制技术现都有成熟技术，本实施例在此不再赘述。
17.具体地，在铺设模型时将若干湿温敏元件202均匀埋置于拟养护模型中并与湿温信号处理器201通过导线相连，组成湿温度监测系统2。移动式微波加热系统3的连接方式如下：两根竖直滑槽302下端固定在底座301上，水平滑槽303两端的滑轮嵌套在两根竖直滑槽302的滑槽内，且水平滑槽303可沿着两根竖直滑槽302上下滑动，载物滑块304的滑轮嵌套在所述水平滑槽303的滑槽内，且载物滑块304可沿着水平滑槽303水平滑动，微波发生器306固定在载物滑块304上，可随着载物滑块一起移动；载物滑块304和水平滑槽303都用导线与位移驱动器305连接，位移驱动器305可控制载物滑块304和水平滑槽303沿着水平和竖直方向滑动，从而控制微波发生器306的位置；微波发生器306用导线与微波控制器307连接，微波控制器307用导线与所述微波适配电源308连接，微波控制器307可以控制微波发生器306的微波辐照状态。总控制器1分别用导线与湿温传感器201、微波控制器307及位移驱动器305连接。总控制器1能够接收湿温度监测系统2传递的湿度和温度信号，并根据信号通过位移驱动器305调整微波发生器306的竖直和水平位移，通过微波控制器307调整微波辐照状态。
18.进一步地，在铺设石膏胶结相似模拟材料模型时，根据需要把若干湿温敏元件202均匀埋置于模型厚度方向的正中心，并与湿温信号处理器201通过导线相连组成湿温度监测系统2。微波养护开始时，微波发生器306在载物滑块304的带动下在竖直滑槽302和水平滑槽303构成的平面内匀速运动且以大功率发射微波对石膏胶结相似材料模型进行辐照；当湿温度监测系统2监测到相似材料模型某处的温度高于设定的温度上限值60℃时，总控制器1就会通过位移控制器305调整微波发生器306的运行路线，使其暂停对该点处进行微波辐照，其它各处的微波辐照继续进行，当该处温度降至所设温度下限值40℃时，总控制器1的控制下微波发生器306又恢复对该点进行微波辐照，以此类推，循环往复辐照；养护到湿温度监测系统2监测到某处含水率降至所设含水率下限值时，总控制器1就会通过位移控制器305调整微波发生器306的运行路线，使其停止对该点处进行微波辐照，以此类推，一直到各处湿度降至所设湿度下限值1%时，总控制器控制湿温度监测系统2和移动式微波辐照系统3停止工作，微波养护结束。
19.所设定的温度上下限值和湿度的下限值都是由实验来确定，温度的上下限值代表材料最佳养护温度的上下和下限，石膏胶结材料的上限和下限和石膏的水化反应最佳温度的上限和下限一致，上限为60℃，下限为40℃；不同配比的材料湿度下限值不同，当湿度下降到该值时，材料的强度将基本稳定，本实施例采用的石膏胶结材料配比为：（半水石膏：重钙粉：砂子：水）=（9.5 : 8.1 : 72.4 : 10 ），其湿度下限值为1%。