一种混凝土透水系数测定装置及测量方法与流程

本发明涉及一种透水系数测定装置，尤其涉及一种混凝土透水系数测定装置及测量方法。

背景技术：

目前城市居民的主要生活场所(城市广场、人行道、商业街、停车场等)的地面主要采用花岗岩、大理石、柏油、水泥等不透水的硬化材料铺设，与自然的土壤相比，普通硬化材料地面缺乏呼吸性，雨水渗透和热量吸收能力较差，随之也带来了一系列的问题。下雨时，由于硬化材料地面透水性差，地面容易产生积水，给人们的生活带来诸多不便；宝贵的水资源随地下排水管道流失，加重了城市排水系统的负担；同时，地表水分不能得到很好地补给，严重影响城市植被的健康，增加了市政绿化负担。透水混凝土是具有连续孔隙结构的混凝土，具有良好的透水性，已日益得到人们的关注。因此，大力推广透水地面和透水路面对于恢复城市地表环境，减轻排水设施压力，减轻市政绿化负担等方面具有重要的意义。

在透水混凝土的结构设计中，透水系数是一个重要技术指标，透水系数的大小直接影响透水混凝土的质量。然而，目前关于透水混凝土的透水系数的测试却存在实践应用的技术瓶颈问题。虽然在实践中有一些透水系数测定的技术和方法，例如，中国专利文献CN104266953A、CN105203443A、CN201368839Y、CN202814846U等，分别公开了不同的透水系数测量设备，但这些设备中都将试件置于一个较大的带溢水口的水槽内，测量时透过试件的水会进入该溢水槽，通过测量溢水槽中被透过水所挤压溢出槽的水量来推算试件的透水系数。但这类设备和方法都不够成熟，水槽深度不一样，挤压压力不一样，水槽宽度不一样，挤压溢出槽的水量不稳定，存在结构复杂、操作繁琐、测量误差较大、浪费水资源，不环保以及应用场合限制等问题。因此，在工程应用中急需开发一种结构简单，节水环保，测量精度高，测量方法快速便捷，且适用于任何场合的混凝土透水系数测定的装置和方法。

技术实现要素：

本发明为克服上述现有技术存在不足，提供了一种混凝土透水系数测定装置及测量方法，该测定装置结构简单，测量精度高，测量方法快速便捷，适用于任何场合的混凝土透水系数测定。

本发明所采用的技术方案为：

首先，本发明提供一种混凝土透水系数测定装置，包括注水单元、试件固定单元和透过水收集测量单元；

所述的注水单元至少设有注水腔、进水管、溢流管和蓄水容器；所述的注水腔为竖直设置的上下开放的筒，所述筒侧壁上开有进水口和溢水口；所述的进水口与所述的进水管一端相通，所述的溢水口与所述的溢流管一端相通，所述的进水管和溢流管另一端均通入低位设置的同一个蓄水容器，所述的注水单元还设置水泵，用于将所述蓄水容器中的水通过所述进水管泵入所述的注水腔；

所述的试件固定单元自上而下设有上环形托、下环形托、支撑框架和升降机构；所述的上环形托与下环形托不相连接但两环面在空间上垂直对齐；所述的支撑框架为至少顶面和侧面开口的刚性框架，所述的支撑框架分别与其上方的下环形托和下方的升降机构固定连接；所述的上环形托，上表面与所述的注水腔下缘固定连接，内孔与所述注水腔下端口相配合，下表面围绕其内孔设有密封垫；所述下环形托，下表面与所述的支撑框架上端固定连接，内孔与所述的支撑框架顶面开口相配合，上表面围绕其内孔设有密封垫；所述的升降机构带动其上方的支撑框架和下环形托做垂直升降运动；

所述的透过水收集测量单元包括透过水收集漏斗、透过水导流管、称量容器和智能测量系统；所述的透过水收集漏斗，设置在所述的支撑框架内部，其上缘与框架顶部固定连接，其底部通过所述的透过水导流管与所述的称量容器连通；所述的智能测量系统至少设有称量装置、计时装置和计算芯片；所述的称量装置上放置所述的称量容器；所述的智能测量系统根据测量时间及相应透过水的质量按照既定公式计算试件透水系数。

本发明所述的测定装置打破了传统的测量装置的常规，不再设置溢水槽，也不再将试件置于溢水槽中，而是设置了开放式的试件固定装置，通过上、下环形托及其内置的密封垫将试件上下固定，同时通过升降机构与下环形托的联动实现对试件的压紧密封和放松。这种设计有效地简化了透水系数测量装置，显著地降低了试验操作的复杂性，减少了可能影响测量精度的环节和因素。特别是本发明装置中通过升降机构实现了试件的快速拆装及快速密封，显著提高了测量操作的速度，对于实际生产中的实地检测具有重要意义。此外，本发明的装置不再测量溢水槽挤出水的量，而是通过所述的透过水收集漏斗直接收集从试件下表面流出的水，进而通过导流管送至测量装置测量，这样保证了所测量的透过水量的真实性和有效性，避免了传统设备中溢水槽挤出水所受到的槽内压力或溢流口形状等因素的影响。

为了避免测试中注入的水以柱状直接冲击试件表面局部而改变试件局部的透水性能，本发明优选的方案中，所述的注水管与注水腔之间进一步设置注水缓冲腔，且所述的注水腔与溢流管之间进一步设置溢流缓冲腔；所述的注水缓冲腔与溢流缓冲腔之间不直接相通；所述的注水缓冲腔通过所述的进水口与所述的注水腔相通；所述的溢流缓冲腔与所述的注水腔通过所述的溢水口相通；所述的进水口和溢水口均为水平设置的扁长方孔或连续多孔。在该优选方案中，来自注水管的柱状水流首先进入注水缓冲腔，稍作积蓄后通过扁长方形的进水口漫入注水腔，在注水腔中累积到一定高度后，多余的水通过扁长方形的溢水口漫入溢流缓冲腔中，进而通过与溢流缓冲腔连接的溢流管回流到蓄水容器中。此过程中，所述的注水缓冲腔可对水的注入起到合理的缓冲作用，扁长方形或连续多孔形式的进水口可以降低出水压力，由此避免了柱状水流从高处直接冲击试件局部；同时，扁长方形或连续多孔形式的溢水口更易使多余的水溢出注水腔，使水的注入和溢出快速达到稳定和平衡。

在混凝土透水系数测量中，不同的试件透水性可能差别很大，为了尽可能扩大测量设备的适用范围，本发明优选的方案中，所述的透过水收集测量单元的透过水导流管管径设置为所述注水单元的进水管管径的1.2倍以上，在试件透水率很高的情况下，这一结构特征可以避免因透过水收集漏斗中积满水而阻碍其上方的试件进一步透水的情况发生。

本发明优选的方案中，所述的注水单元进一步设置排水管，所述的注水腔侧壁上靠近其下缘位置进一步设置排水口；所述的排水管一端连接所述的排水口并设有排水开关，另一端通入所述的蓄水容器。设置排水系统的目的在于，待测量实验完成后，打开所述排水开关，将所述注水腔内的水通过排水口和排水管排出至蓄水容器，防止拆下试件后，注水腔内的水洒落。

本发明装置中的升降机构，可以是现有的多种可实现升降的设备，至少包括一平台、在平台下方支撑平台的升降机构、以及控制升降机构的部件，对所述的升降机构的控制，既可以是手动控制，也可以是电动控制。本发明优选的一种升降机构是手动升降机构，包括上平板、下平板；上、下平板相对的面上设有4组上下垂直相对且平行等距的固定铰接头；每组固定铰接头之间铰接安装一组剪叉臂；每组剪叉臂由两根等长的短杆于末端相互铰接构成；短杆铰接轴可以处于同一直线上的两组剪叉臂，分别在其短杆铰接点连接同一横轴；沿垂直两根横轴的方向设置一长螺杆，所述的长螺杆与其中一根所述的横轴形成以长螺杆为轴的止推轴承式连接，所述的长螺杆与另一根所述的横轴构成螺旋副；所述的长螺杆靠近止推轴承的一端设置摇把或轮盘。使用时，可通过手动旋转摇把或轮盘带动长螺杆旋转，与长螺杆形成止推轴承的横轴可以阻止长螺杆的相对轴向移动，同时与长螺杆形成螺旋副的横轴可在长螺杆旋转中沿长螺杆轴向移动，由此改变两个横轴间距，进而带动剪叉臂开合运动，最终实现上平板的升降。

本发明更优选的方案中，所述的升降机构进一步设置防护装置，所述的防护装置包括设置在上平板外的罩和设置在下平板外的壳；所述的罩，中空且底面开放，顶部内表面与上平板固定连接，所述的壳，中空且顶面开放，底部内表面与下平板固定连接；所述的罩内部尺寸大于所述的壳外部尺寸，随着所述上平板的降和升，所述的壳相应地会嵌入和抽离所述的罩。所述的防护装置可以防止测试中溅出的水进入所述的升降机构内部，减少了升降机构受损的影响因素。

本发明更进一步优选的方案中，所述的防护装置的罩与壳衔接处可以进一步设置位移测量装置，用于测量压紧不同试件时罩与壳之间发生的相对位移变化，从而可以更快速、准确地确定试件厚度。

本发明的装置中，所述的注水腔形状没有特别限制，既可以是圆筒状，也可以是方筒状；所述的上、下环形托的外形、内孔及其组合形式也没有特别限制，所述的上、下环形托既可以是标准的圆环或方形环，也可以是圆形开方内孔的环，还可以是方形开圆内孔的环；所述的支撑框架顶面及侧面的开口形状和大小没有特别限制，既可以是圆形开口，也可以是方形开口。但是，所述上环形托与所述注水腔下缘固定连接后，上环形托的内孔必须处于注水腔下缘以内；所述下环形托与所述的支撑框架固定连接后，下环形托的内孔必须处于支撑框架顶部开口以内。

为了进一步保证试件侧面的密封效果，本发明优选的方案中，所述的上环形托的外沿设有垂直向下的突出部，使其环体纵剖面呈倒”L”形；所述的下环形托的外沿设有垂直向上的突出部，使其环体纵剖面呈“L”形。

本发明所述的测定装置中，所述的注水单元的注水腔可以根据实际需要借助适当的固定装置予以固定，所述的固定装置形式没有特别限制，例如可以是利用螺栓将注水腔固定在立板上，也可以是利用刚性箍将注水腔绑定在立柱上，等等。与所述的注水腔配套使用的其他组件，也可以按照实际需要被设置、布放在合适的位置或辅助装置上。

在此基础上，本发明还提供一种混凝土透水系数测定方法，利用本发明所述的混凝土透水系数测定装置，包括以下步骤：

1)取块状混凝土试件，选择试件的两个平行平面作为测试面，将测试面以外的试件表面进行蜡封或薄膜绕包的密封处理；测量并记录试件厚度L

2)将步骤1)处理后的混凝土试件以两个测试面为上、下面安装在所述测定装置的上、下环形托之间，确保上、下测试面分别被上、下环形托完全覆盖，并通过所述的升降机构抬升下环形托，压紧密封上、下环形托及其中间的试件块；

3)开启所述的测定装置中的水泵，向所述的注水腔内注水，调节水泵的注水量以使流入注水腔的水量和溢出注水腔的水量达到平衡状态，从而使注水腔内的液面高度保持在一个固定值H；

4)向所述测定装置的智能测量系统输入以下参数：步骤1)测得的混凝土试件的厚度L、步骤3)获得的液面高度H、测定装置注水腔的下端口面积(即试件表面的过水断面面积)W；启动测量后，智能测量系统的计时装置记录时间T，称量装置记录所述称量容器在时间T内增加的水量Q，计算芯片基于常规公式计算得到试件的透水系数。

现有技术中，所述的常规公式可以是运用所述参数的不同公式，测试人员可以根据需要选择合适的公式进行计算。

本发明优选的混凝土透水系数测定方法中，步骤4)中启动测量后连续测量计算得到3个以上的透水系数值，最终计算所有透水系数值的平均值，作为所述的混凝土试件的透水系数。

与现有技术相比，本发明的混凝土透水系数测定方法，由于采用了本发明所述的测定装置而具有多方面的有益效果，主要体现在：

1、安装测试过程简单便捷、省时省力，测量精度高，数据存储、记录非常方便。

2、测试结束后，将透过水收集桶内的水倒入到蓄水桶内，待下次测试时循环使用，节水、环保。

3、本发明设计合理，安全可靠，结构简单，使用方便，易于维护，省时省力，具有很好的推广使用价值。

附图说明

图1为本发明实施例1中混凝土透水系数测定装置的整体结构示意图。

图2为本发明实施例1中的注水腔、上环形托、试件、下环形托、支撑框架、透过水收集漏斗和透过水导流管之间的结构分解图。

图3、图4和图5分别为实施例1中注水腔的A-A剖视图、后视图和立体图。

图6、图7和图8为实施例1中所述的手动升降机构内部结构示意图，其中图6为抬升状态侧视图，图7为正面视图，图8为下降状态侧视图。

所有图中标号说明如下：

1-蓄水桶，

2-管道系统，201-排水管，202-溢流管，203-进水管，204-排水开关，

3-升降压紧机构，301-上护板，302-轮盘，303-下护板，304-支脚，305-上平板，306-固定铰接头，307剪叉臂，308-长螺杆，309-短杆，310-下平板，311-上平板固定螺孔，312-定横轴，313-动横轴，314-止推轴承，315-伸缩支撑杆，

4-试件支撑机构，401-支撑架，402-透过水收集漏斗，403-透过水导流管，5-透水支座，501-支座立柱，502-支座底部平台，

6-定水头注水装置，601-注水缓冲腔，602-定水头注水腔，603-固定板，604-进水口，605-溢水口，606-溢流孔，607-溢流缓冲腔，608-进水孔，609-排水孔，

7-密封托，701-下密封托，702-上密封托，703-混凝土试件，704-密封垫，

8-智能测量系统，801-触屏式微电脑，802-打印机，803-透过水收集桶，804-电子秤，

9-底座。

具体实施方式

本发明的混凝土透水系数测定装置，可以根据需要设置一个用于布放所述构件的底座，所述底座包括上部平台和下部平台；所述底座下部平台设置所述智能测量系统，所述智能测量系统可自行测量计算试件透水系数；所述底座上部平台顶部设置一个透水支座，所述透水支座包括用于固定所述注水单元的透水支座立柱和用于固定放置所述升降机构的支座底部平台，所述透水支座立柱内部排布包括所述进水管、溢流管和排水管在内的管道系统，所述透水支座立柱外侧可通过螺栓固定安装一个定水头注水装置(即所述的注水腔)，所述定水头注水装置下缘固定连接上密封托(即所述上环形托)，所述支座底部平台上固定放置所述的升降压紧机构(即所述的升降机构)，所述升降压紧机构上方固定连接试件支撑机构(即所述的支撑框架)，所述试件支撑机构上部固定连接下密封托(即所述的下环形托)，所述上密封托与所述下密封托垂直对齐，待测试混凝土试件置于上、下密封托之间，所述试件支撑机构内设置有透过水收集漏斗，透过水收集漏斗底部连接透过水导流管，起到支撑混凝土试件和收集试件透水的作用。

下面结合附图和具体的实施例对本发明作进一步的详细说明，但本发明并不限于这些实施例。

实施例1

一种混凝土透水系数测定装置，如图1所示，包括置于底部的蓄水桶1和底座9，所述底座9包括上部平台和下部平台；所述底座9下部平台设置有智能测量系统8，所述智能测量系统8可自行测量计算试件透水系数；所述底座9上部平台顶部设置有透水支座5，所述透水支座5包括透水支座立柱和支座底部平台，所述透水支座立柱内部设置有管道系统2，定水头注水装置6安装于所述透水支座5的上部前侧，所述定水头注水装置6下部设置有上密封托702，所述支座底部平台上部设置有升降压紧机构3，所述升降压紧机构3上部设置有试件支撑机构4，所述试件支撑机构4上部设置有下密封托701，升降压紧机构3下方由支脚304支撑，如图2所示，所述上密封托702与所述下密封托701垂直对齐，测试混凝土样品置于上、下密封托之间，所述试件支撑机构4设置有透过水收集漏斗402、透过水导流管403等，起到支撑混凝土试件703和收集试件透水的作用。

如图1所示，所述管道系统2包括进水管203、溢流管202和排水管201等。所述进水管203的管径小于溢流管202的管径，以使水位保持恒定；所述排水管201上设置有排水开关204，待测量实验完成后，打开所述排水开关204，将所述定水头注水装置6内的水排出，防止拆下试件后，定水头注水装置6内的水洒落；依据管径大小、水流速度或者通过试验的方法选择合适的定量泵或变量泵，以防止水位过低或溢出。所述透水支座5的背侧还可以设置有盖板，所述盖板可开启，以方便对管道系统进行必要的维护。

如图3、图4、图5所示，所述定水头注水装置6包括注水缓冲腔601、溢流缓冲腔607、定水头注水腔602、进水口604、溢水口605、进水孔608、排水孔609、溢流孔606。所述注水缓冲腔601通过进水孔608与进水管203相连，所述溢流缓冲腔607通过溢流孔606与溢流管202相连，所述排水孔609与排水管201相连，所述排水孔609位于所述定水头注水腔602最底部；所述注水缓冲腔601通过所述进水口604与定水头注水腔602相连，所述溢流缓冲腔607通过所述溢水口605与定水头注水腔602相连；所述进水口604、溢水口605的形状可根据具体实施情况任意改变，可为方形孔、槽型孔等多种情况，但是槽口大小要满足流量要求；所述注水缓冲腔601有减缓水流、减小水流冲击的作用。所述进水口604的水流量等于所述溢水口605水流量与透过混凝土的水流量之和。

如图2所示，所述密封托7包括上密封托702、下密封托701以及密封垫704。所述上密封托上端面与所述定水头注水装置6下端口相配合，两者的连接方式为焊接并密封，防止焊接处透水，保证密封效果；所述下密封托下端面与所述试件支撑机构4上端口相配合，两者的连接方式为焊接并密封，防止焊接处透水，保证密封效果；所述密封垫704分别嵌入到上密封托下端口和下密封托上端口内，所述上密封托702和下密封托701与所述密封垫704配合使用；所述上密封托702和所述下密封托701内部开口形状可为圆形也可为方形；所述密封垫704呈扁平状，内部带有开口，所述密封垫704的外形与所述上密封托下端口和所述下密封托上端口的形状相同，所述密封垫704的内部开口形状与所述上密封托702和所述下密封托701的内部开口形状相同；所述密封垫704厚度小于上、下密封托端口高度，所述密封垫704制作材料为橡胶；所述混凝土试件703置于所述上密封托702和下密封托701的两个密封垫704之间，所述混凝土试件703外表面采用蜡封或薄膜缠绕，以防止水分流失；所述密封垫704的主要作用是当密封垫上截面和密封垫下截面被升降压紧机构压紧后，可防止水从混凝土试件703的侧面流出。

如图2所示，所述试件支撑机构4嵌套在所述下密封托701下部，所述试件支撑机构4包括支撑架401、收集漏斗402、引流管403等。所述支撑架401为一顶部和侧面均开口的六面体刚性框架，所述支撑架401内部设置有收集漏斗402，所述支撑架401与所述收集漏斗402的连接方式为焊接；所述收集漏斗402进水口与所述密封垫704相配合，且两者内孔大小和形状相同；所述收集漏斗402下部连接有引流管403，所述引流管403将从混凝土试件中透过的水收集到所述透过水收集桶803中。

如图1所示，所述升降压紧机构3包括上护板301、下护板303和内部升降调整机构，所述内部升降调整机构置于所述上护板301和所述下护板303内部，所述上护板301通过固定螺孔311与内部升降调整机构的上平板305固定连接，所述下护板303嵌套在上护板301内，所述下护板303的外部尺寸略小于上护板301的内部尺寸，所述下护板303与上护板301之间有一定的间隙，两者互不干涉；上护板301可防止流出的水进入升降压紧机构3内部，对内部构件起到保护作用；述内部升降调整机构可实现所述上护板301、下护板303之间距离的调节，以压紧或放松混凝土试件；

如图6、图7和图8所示，内部升降调整机构包括上平板305、下平板310；上、下平板相对的面上设有4组上下垂直相对且平行等距的固定铰接头306；每组固定铰接头306之间铰接安装一组剪叉臂307；4组剪叉臂307都由两根等长的短杆309于末端相互铰接构成；短杆铰接轴可以处于同一直线上的两组剪叉臂在其短杆铰接点连接同一横轴，得到定横轴312和动横轴313；沿垂直两根横轴的方向设有长螺杆308，长螺杆308与定横轴312形成以长螺杆308为轴的止推轴承314，长螺杆308与动横轴313构成螺旋副；长螺杆308靠近止推轴承的一端设置轮盘302，上平板305与下平板310之间还设有伸缩支撑杆315。使用时，可通过手动旋转轮盘302带动长螺杆308旋转，与长螺杆308形成止推轴承的定横轴312可以阻止长螺杆308的相对轴向移动，同时与长螺杆308形成螺旋副的动横轴313可在长螺杆308旋转中沿长螺杆308的轴向移动，由此改变两个横轴间距，进而带动4组剪叉臂307开合运动，最终实现上平板305的升降。

如图1所示，所述智能测量系统8包括透过水收集桶803、电子秤804、打印机802、触屏式微电脑801以及相关电路等。所述透过水收集桶803用于收集从混凝土中透出的水；所述电子秤804可实时显示透过水收集桶803内水的质量，并将水的质量反馈到触屏式微电脑801；触屏式微电脑801内置数据处理芯片，根据初始输入值、测定时间以及水的质量，通过相关公式计算得到被测试件的透水系数，并将数值呈现于屏幕上；通过触屏式微电脑801，工作人员可对测试数据进行存储、复制、删除等操作。

实施例2

一种混凝土透水系数测定方法，使用实施例1所述的混凝土透水系数测定装置，具体方法包括如下步骤：

1)取块状混凝土试件，选择试件的两个平行平面作为测试面，将测试面以外的试件表面进行蜡封或薄膜绕包的密封处理；测量并记录试件厚度L；

2)操纵所述内部升降调整机构302，将所述升降压紧机构3的上护板301调节到最低位置，将固化后、密封好的试件以两个测试面为上、下面放置于所述上密封托702和下密封托701的密封垫704上，确保上、下测试面分别被上、下密封托完全覆盖，操纵所述内部升降调整机构，手动转动轮盘302，通过长螺杆308的旋动使两个横轴之间距离增加，进而推动两组剪叉臂307张开，从而向上抬升上平板305，上平板305带动上护板301、支撑架401、透过水收集漏斗402以及下密封托701一起向上运动，压紧上、下环形托及其中间的试件块；保证试件周围无漏水；

3)开启所述的测定装置中的水泵，定水头注水装置6内注水，不断调节水泵的注水量，使从所述注水口604注入的水量和从所述溢水口605溢流的水量达到平衡状态，此时所述定水头注水腔602内的液面高度为H；

4)向所述测定装置的智能测量系统8的触屏式微电脑801输入以下参数：步骤1)测得的混凝土试件的厚度、步骤3)获得的液面高度H、定水头注水腔602的下端口面积(即试件表面的过水断面面积)W，设定测量次数n(不少于三次)；每次启动测量后，智能测量系统8的计时装置记录时间T，电子秤804记录所述透过水收集桶803在时间T内增加的水量Q，触屏式微电脑801的数据处理芯片基于常规公式计算得到试件的透水系数值，即得到所述的混凝土试件的透水系数，连续测量n次得到若干透水系数值，最终计算所有透水系数值的平均值，作为所述的混凝土试件的透水系数；

5)测试过程完毕后，关闭电源，打开排水开关204，待定水头注水装置6内的水全部排出后，调节内部升降调整机构302，使所述升降压紧机构3的上护板301缓慢下降，到达合适位置时，取下试件。

6)重复步骤2)，换上新的混凝土试件进行下次测量工作，重复步骤3)至步骤4)，得到新试件的透水系数。

7)将透过水收集桶803内的水倒入到蓄水桶1内，待下次测试时循环使用，节水、环保。

本发明中未述及的部分采用或借鉴已有技术即可实现。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“背”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明的精神所作的举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。