一种可考虑水流影响的冻融循环实验装置的制作方法

本发明专利涉及一种可考虑水流影响的冻融循环实验装置。

背景技术：

在寒区，由于季节更替，环境温度发生周期性的变化，岩土和结构物承受冻融循环的作用。随着寒区各类工程建设的快速发展，寒区冻融灾害防治已成为关键的科学问题。目前，实验室中研究材料由冻融循环引起的变化通常采用以下方法：首先，将试件放入低温试验箱中进行冷冻，待到达设定时间后，再将试件拿出，放入恒温水浴箱中融化，到达设定时间后再拿出，如此为一个冻融循环。

在实际的工程地质条件下，处在河边或处于地下水流动附近的岩石或混凝土材料，受冷冻结后，当温度回升融化时，材料并非处于静止的水浴环境中，而是处于周围水流不断流动的环境中，而在水流作用下材料的冻融损伤必将与静止的水浴不同，因此，在设计冻融循环试验机时需要考虑水流作用的影响，才能更符合工程实际。

技术实现要素：

本发明专利提供了一种可考虑水流影响的冻融循环实验装置。这种装置能够在冻融循环实验中，在材料水浴融化过程中，考虑水流作用的影响。

实现上述目的的技术解决方案如下：

一种可考虑水流影响的冻融循环实验装置，包括出水阀门、进水阀门、出水泵、进水泵、出水流量计、进水流量计、温度传感器、液氮循环系统、储水容器、进水管、出水管、实验箱主体、实验箱盖、试样架、温度控制系统、流量控制系统、导线、液氮、进水管孔、出水管孔、液氮循环孔、导线孔、试样和盛水容器组成。其中，出水阀门、出水泵和出水流量计安装在位于实验箱主体和储水容器之间的出水管上；进水阀门、进水泵和进水流量计安装在位于实验箱主体和储水容器之间的进水管上；实验箱主体内部放置温度传感器；实验箱主体开设有进水管孔、出水管孔、液氮循环孔和导线孔；液氮循环系统通过液氮循环孔与实验箱主体相连接；温度传感器和液氮循环系统通过导线与温度控制系统相连；出水流量计和进水流量计通过导线与流量控制系统相连；试样放置在试样架上；试样架放置在实验箱主体内部；实验箱盖放置实验箱主体上方；液氮能够在液氮循环系统内部循环。在上述各部分中，实验箱主体和实验箱盖由耐低温钢制材料组成，温度传感器、进水管和出水管由耐低温材料组成。

作为本发明专利的一种优选，所述一种可考虑水流影响的冻融循环实验装置，还包括盛水容器，由于水流作用会引起试样内部结构材料(如岩石中的矿物颗粒)损失，通过设置两个能储水的容器，使进水管和出水管各自组成独立的水流体系，从而能够收集到包含试样内部结构材料(如岩石中的矿物颗粒)的水，再通过后续实验定量计算出由于水流作用造成试样内部组分损失量的目的。

本发明相对于现有技术的有益效果为：通过出水阀门、出水泵、出水流量计和出水管组成的出水系统与进水阀门、进水泵、进水流量计和进水管组成的进水系统的配合能够在试样周围形成稳定的水流流过，从而实现在试样融化过程中考虑水流作用的目的，通过控制出水流量计和进水流量计的流量不同，能够实现控制水流速度的目的。

附图说明

图1是本发明的可考虑水流影响的冻融循环实验装置结构示意图。

图2是本发明的实验箱主体结构示意图。

图3是本发明的可考虑水流影响的冻融循环实验装置第二种实施方式结构示意图

图中标号说明：1-出水阀门，2-进水阀门，3-出水泵，4-进水泵，5-出水流量计，6-进水流量计，7-温度传感器，8-液氮循环系统，9-储水容器，10-进水管，11-出水管，12-实验箱主体，13-实验箱盖，14-试样架，15-温度控制系统，16-流量控制系统，17-导线，18-液氮，19-进水管孔，20-出水管孔，21-液氮循环孔，22-导线孔，23-试样，24-盛水容器。

具体实施方式

以下将结合附图和具体实施例对本发明专利做进一步的详细说明：

实施例1：

如图1～图2所示的一种可考虑水流影响的冻融循环实验装置，是由出水阀门1、进水阀门2、出水泵3、进水泵4、出水流量计5、进水流量计6、温度传感器7、液氮循环系统8、储水容器9、进水管10、出水管11、实验箱主体12、实验箱盖13、试样架14、温度控制系统15、流量控制系统16、导线17、液氮18、进水管孔19、出水管孔20、液氮循环孔21、导线孔22和试样23组成。

具体操作步骤如下：

(a)准备步骤：打开实验箱盖13，将试样架14放入实验箱主体12中，然后将试样23放置在试样架14上，盖上实验箱盖13，将进水管10沿着进水管孔19插入实验箱主体12内部，将出水管11沿着出水管孔20插入实验箱主体12内部，检查液氮循环系统8、温度控制系统15和流量控制系统16是否正常工作，若正常，则准备开始实验；

(b)冻结步骤：关闭出水阀门1和进水阀门2，打开液氮循环系统8，使液氮18在液氮循环系统8内部循环，此时实验箱主体12内部开始降温，通过温度传感器7可测的实验箱主体12内的温度，温度传感器7能够给予温度控制系统15实时反馈，若实验箱主体12内的温度高于所需温度，则温度控制系统15命令液氮循环系统8继续工作，若实验箱主体12内的温度低于所需温度，则温度控制系统15命令液氮循环系统8停止工作，当到达所需冻结时间后，关闭液氮循环系统8，准备融化过程；

(c)融化步骤：打开实验箱盖13以提高实验箱主体12内部的温度，通过温度传感器7可测的实验箱主体12内的温度，待实验箱主体12内部的温度高于0℃后，盖上实验箱盖13，打开进水阀门2，开动进水泵4，使储水容器9内的水溶液沿着进水管10流到实验箱主体12内部，位于进水管10上的进水流量计6能够显示进水流量，由于出水阀门1依然处于关闭状态，实验箱主体12内部水位将持续升高，待水位漫过试样23后，打开出水阀门1和出水泵3，位于出水管11上的出水流量计5能够显示出水流量，通过调节出水泵3和进水泵4，使进水流量计6和出水流量计5的数值相同，由于进水管10和出水管11处在同一个储水容器9中，且实验箱主体12内部的进出水流量相同，这样就会在实验箱主体12内形成稳定的水流循环，从而实现试样在融化过程中考虑水流作用的目的；若想要考虑水流速度对试样融化时的影响，只需调节出水泵3和进水泵4的压力大小，就能够实现融化时不同水流速度的目的，当到达所需融化时间后，关闭进水阀门2，继续保持出水阀门1的打开状态，实验箱主体12内部水位将持续下降，直至不再出水，此时，一个冻融循环过程结束；

(d)若需要进行下一个冻融循环，只需重复步骤(b)～(c)。

实施例2：

如图2～3所示的一种可考虑水流影响的冻融循环实验装置，是由出水阀门1、进水阀门2、出水泵3、进水泵4、出水流量计5、进水流量计6、温度传感器7、液氮循环系统8、储水容器9、进水管10、出水管11、实验箱主体12、实验箱盖13、试样架14、温度控制系统15、流量控制系统16、导线17、液氮18、进水管孔19、出水管孔20、液氮循环孔21、导线孔22、试样23和盛水容器24组成。

具体操作步骤如下：

准备步骤(a)和冻结步骤(b)与实施例1中相同，在此不再陈述，下面具体描述融化步骤：

(c)融化步骤：将出水管11的一端开口放置在盛水容器24内部，将进水管10的一端开口放置在储水容器9内部。打开实验箱盖13以提高实验箱主体12内部的温度，通过温度传感器7可测的实验箱主体12内的温度，待实验箱主体12内部的温度高于0℃后，盖上实验箱盖13，打开进水阀门2，开动进水泵4，使储水容器9内的水溶液沿着进水管10流到实验箱主体12内部，位于进水管10上的进水流量计6能够显示进水流量，由于出水阀门1依然处于关闭状态，实验箱主体12内部水位将持续升高，待水位漫过试样23后，打开出水阀门1和出水泵3，位于出水管11上的出水流量计5能够显示出水流量，通过调节出水泵3和进水泵4，使进水流量计6和出水流量计5的数值相同。此时，就会在实验箱主体12内形成稳定的水流循环，从而实现试样在融化过程中考虑水流作用的目的，但与实施例1不同的是，此时从出水管11中流出的水溶液将流入到盛水容器24中，由于试样在水流作用下会导致其内部成分(如岩样内部的矿物颗粒)流失，此时，带有试样内部成分(如岩样内部的矿物颗粒)的水溶液将全部流入到盛水容器24中，通过分析盛水容器24内部水溶液成分，就能够实现计算由于水流作用引起的试样内部成分(如岩样内部的矿物颗粒)损失量的目的。若想要考虑水流速度对试样融化时的影响，只需调节出水泵3和进水泵4的压力大小，就能够实现融化时不同水流速度的目的，当到达所需融化时间后，关闭进水阀门2，继续保持出水阀门1的打开状态，实验箱主体12内部水位将持续下降，直至不再出水，此时，一个冻融循环过程结束；

(d)若需要进行下一个冻融循环，只需重复步骤(b)～(c)。