一种新型透水混凝土透水系数测试装置及方法与流程

本发明涉及材料测试技术领域，特别是涉及一种新型透水混凝土透水系数测试装置及方法。

背景技术：

近年来，我国城镇化水平发展加快，城市规模、人口不断扩张，城市建设用地急剧增加，商业区、住宅小区、广场和道路建设规模巨大，导致城市地表硬化程度高、不透水面积比例急剧增大、雨水下渗量减少、地表径流增加，大大加重了市政排水系统的负荷。海绵城市将透水混凝土作为铺装材料应用于人行道、广场、公园小径以及轻荷载的道路，今后亦可扩展到普通公路路面及其它荷载相对较大的场所。透水混凝土由特定级配的粗骨料(少或无细骨料)、水泥、水，同时还可掺入外加剂和掺合料拌合而成，兼具多孔材料高透水性(透水系数1-20mm/s)和混凝土材料相应的力学性能，成为海绵城市中重要的海绵体。研究开发新型高透水性、高强度的透水混凝土成为事关海绵城市建设效果的关键因素之一。

透水混凝土作为一种生态环保的温凝土,可以満足轻型路面的要求。透水水泥混凝土要求满足抗压、抗折和透水性能的要求，其中，透水性能是透水混凝土的重要指标。

在《透水水泥混凝土路面技术规程》中，全文没提及在试件底部没有支座的情况下如何将试件固定在预定位置。没有测压管，不能准确反应试件上下表面压力差。

在大孔隙材料渗透系数的室内测定_吉青克文中，采用下进上出的经水方式。减小了上端进水初速度对水压的影响。能够很好的固定住试件，也方便安装试件。但在试件下方的网格，减小了透水面积。管壁内的透水面积小于试件的横截面积。因此利用透水系数公式计算出来的透水系数会有误差。

在排水性沥青混合料渗透系数测试研究_徐皓文中，仪器采用了未脱模的马歇尔试件测试透水系数。采用该试件的优点在于不会面临侧壁连通孔侧漏的问题。若试件侧壁密封不好，在侧壁之间形成大的连通孔，会使得实验数据比真实数据偏大。在试件的进出水两端装有测压管，可通过测压管水位高度可以计算出试件两端的压力差。但缺点在于该装置不能调整水头差。

在一种测定塑性混凝土渗透系数的试验装置_张禾文中，透水装置适合测试透水系数比较小的试件，若测试透水系数大的试件，测出透过水的体积较大，无论测体积还是测量重量都不方便。同时也存在试件上下的网格会减小透水截面。在文中指出用密封材料堵住试件侧壁，但没有具体提到何种材料，且不方便安装试件。

授权公告号为：cn202562833u的大孔混凝土试件渗透仪，该装置特别之处在于采用水流水平的经过试件，巧妙地避免了试件腾空增加支撑而减小透水截面的问题。但也存在同样的缺点，如试件侧壁密封问题、试件安装不方便等问题。

技术实现要素：

为了解决上述存在的问题，本发明提供一种新型透水混凝土透水系数测试装置及方法，能够有效避免了大部分透水系数测量仪器的通病，如侧壁漏水，形成连通孔；不改变透水上下横截面积，更加准确的测量透水系数。本装置测试数据准确，试件安装连接快捷。数据记录方便，当水流稳定时，按下测试按钮，系统便自动测试试件的透水系数，并储存结果。为达此目的，本发明提供一种新型透水混凝土透水系数测试装置，包括计算单元、下部管、中部管、上部管、恒压水箱和总水箱，所述下部管、中部管和上部管之间用法兰连接成一个整体，所述计算单元有触屏显示器、打印出口和测试开始按钮，所述下部管底部有进水管和排水管，所述进水管端部有进水管阀，所述排水管端部有排水管阀，所述排水管底部为底板，所述中部管外侧有测压支管一、测压支管二和测压支管三，所述测压支管一通过螺纹方式与测压管一相连，所述测压支管二通过螺纹方式与测压管二相连，所述测压支管三通过螺纹方式与测压管三相连，所述测压管一、测压管二和测压管三外端向上弯曲，所述上部管上设置有环状溢水面，所述环状溢水面上为集水区，所述集水区与集水管相连，所述集水管下端放置有计算单元，所述计算单元上部为收集水箱，所述进水管接恒压水箱的恒压区支管，所述恒压水箱放置在支架上，所述恒压水箱内有溢水面，所述恒压水箱另一侧有溢水区支管，所述溢水区支管接回流管，所述排水管接总水箱，所述总水箱内有抽水泵和温度传感器，所述抽水泵接上水管，所述上水管的上口对准恒压水箱。

本发明的进一步改进，所述下部管外侧有竖向加强筋，所述竖向加强筋等角度绕下部管中心线一周；

所述中部管中部有中部管环形加强筋，所述中部管由两个半圆管通过竖直法兰相连而成，所述中部管的竖直法兰有一排竖向法兰耳板加强筋；

所述环状溢水面下部的上部管外侧有上部管竖向加强筋，所述上部管竖向加强筋等角度绕上部管中心线一周，为了提高整体管道强度设置有相应的加强筋。

本发明的进一步改进，所述中部管内部有一层柔性压缩层或中部管内部的试件外套有柔性压缩层，试件与中部管侧壁之间填充防水材料，试件外侧与中间管内测中有一层可压缩材料，保证试件侧壁不形成连通孔，提高数据准确度，并可在试件下方不设隔板，不减小透水断面，提高数据准确度，设置防水材料可以达到隔水的目的，这样用一套系统能够测试多种尺寸的试件，效率更高。

本发明的进一步改进，所述支架为可调高度三脚架，可调节高度三脚架架设恒压水箱，可以轻松改变水箱水面和上部管溢水面高度差，方便测试同一试件在不同的水压下的透水系数。

本发明的进一步改进，所述总水箱内有滤网，所述滤网在回流管下部,所述测试装置中水为循环水，上部水箱从溢水区流出的水经过回流管流回到总水箱经过滤网过滤后循环使用，本发明采用循环水设计，并在回水管出水口增设滤网，过滤杂质，避免杂质循环后经过试件堵住试件连通孔影响透水系数，并且水循环使用，可以节约水源、绿色环保。

本发明的进一步改进，所述下部管长300mm.，进水管流入下部管后，有一个比较长的缓冲区，能够将原先的紊流，在经过试件之前变成层流，这样在穿过中部管时，水流更加稳定，能够减小实验误差。

本发明的进一步改进，所述测试装置的试件规格为φ150*300mm、φ100*200mm、以及100mm*100mm*100mm等外接圆直径小于等于150mm，高度小于等于300mm的试件(如φ100mm*200mm、100mm*100mm*100mm)。对装置进行适当改进可适用更广的尺寸范围。

本发明的进一步改进，所述测试装置测试透水系数时采用常水头测透水系数或变水头测试透水系数，该系统测试透水系数时，不仅能够采用常水头测透水系数，还能够采用变水头测试透水系数，在系统通水稳定后，关闭抽水泵电源，同时系统开始计时，到产生固定高程的水头差结束计时。实现一机多用的目的，节约资源；在测试完常水头下的透水系数后，关闭抽水泵电源就能够测试变水头透水系数，能够减少试件的安装过程，提高测试效率。

本发明的进一步改进，所述集水管的出水位置装有水流检测仪，系统供水稳定后，通过测试渗透水的水流大小，调节抽水泵的功率，减少能源消耗，同时减小水流大小对透水系数的影响。

本发明一种新型透水混凝土透水系数测试装置常水头的测试方法，具体步骤如下，其特征在于：

步骤一：安装试件；

先将试件侧面包裹一圈柔性材料，将准备好的中部管平放在桌面上将试件放入其内，在中部法兰耳板安放防水硅胶片，再将另一半中部管安放并将竖向法兰螺栓孔对齐后，用燕尾螺栓连接，夹紧试件；

步骤二：连接仪器；

将中部管法兰耳板与下部管法兰耳板通过螺栓连接，上部管法兰耳板与中部管法兰耳板连接，测压管一与测压支管三通过螺纹连接，测压管二与测压支管二测压管三测压支管一之间采用同样的方式连接，测压管用于测实验时某指定过水断面的水压及流速；

步骤三：通水；

抽水泵浸没在总水箱中，抽水泵抽出的水经过上水管流入到上部水箱；当恒压区充满水时，多余的水经过溢水面流出到溢水区，再经过与溢水区支管连接的回流管回流至总水箱中。恒压区支管与进水管联通将恒压区的水引入至下部管，恒压水由下至上通过中部管、上部管试件，到达环状溢水面，从溢水面流出后到集水区经过集水管收集到收集水箱；

步骤四：计算透水系数；

在触屏显示器上输入所测试件的长度，直径，实验水头差，时长等实验所需数据，待流出的水达到实验要求的稳定状态后，点击计算单元开始，计算单元开始称重并计时，同时温度传感器将温度数据上传至计算单元，计算单元计时一定时间，并且称重计算出该段时间内透过水的重量，通过公式计算透水系数；并从打印出口输出结果；

在常水头透水试验中,水力坡度i，即试件两端的水头差保持不变；

q/t＝k*i*a＝k*(δh/l)*a；(1)

式中，q为时间t秒内的渗出水量，cm3；t为渗透时间，s；δh为恒压区中所含水的上表面与环状溢水面溢水的高度差，cm；l为试件长度，cm；a为水流通过试件断面的面积，cm²；

则透水系数可由下式求出；

k＝q/(a*t)＝q*l/(a*t*δh)；(2)

若测试不同水头高度差的透水系数，则改变支架的高度，调节水头差高度，重复步骤四操作，测得不同水头差的透水系数；

水的粘度与水温密切相关,因此测定的透水系数与水温也密切相关，把在不同水温下测定的透水系数换算成标准透水系数；

以15℃水温为标准温度，标准温度下的透水系数应按下式计算：

kt＝k15×ηt/η15(3)

式中:

k15—标准温度时试样的透水系数(mm/s)；

ηt—t℃时水的动力黏滞系数(kpa·s)；

η15—15℃时水的动力黏滞系数(kpa·s)；

ηt/η15—水的动力黏滞系数比；

步骤五：复原；

第一个试件测试完毕后，进水管阀关闭，排水管阀门打开，残留在透水区里的水排出至液面下降至下部管管口以下，关闭排水管阀；

按照从上到下，后装先拆的原则，将试件取出，仪器复原以便下次试验；

实验结束；

重复上述步骤一二三四便可测试其他试件，如果是标准立方体试件，则先将试件侧壁套上外圆内方形柱体泡沫块，后续操作同上。

本发明一种新型透水混凝土透水系数测试装置变水头的测试方法，具体步骤如下，其特征在于：

步骤一：安装试件；

先将试件侧面包裹一圈柔性材料，将准备好的中部管平放在桌面上将试件放入其内，在中部法兰耳板安放防水硅胶片，再将另一半中部管安放并将竖向法兰螺栓孔对齐后，用燕尾螺栓连接，夹紧试件；

步骤二：连接仪器；

将中部管法兰耳板与下部管法兰耳板通过螺栓连接，上部管法兰耳板与中部管法兰耳板连接，测压管一与测压支管三通过螺纹连接，测压管二与测压支管二测压管三测压支管一之间采用同样的方式连接，测压管用于测实验时某指定过水断面的水压及流速；

步骤三：通水；

抽水泵浸没在总水箱中，抽水泵抽出的水经过上水管流入到上部水箱；当恒压区充满水时，多余的水经过溢水面流出到溢水区，再经过与溢水区支管连接的回流管回流至总水箱中。恒压区支管与进水管联通将恒压区的水引入至下部管，恒压水由下至上通过中部管、上部管试件，到达环状溢水面，从溢水面流出后到集水区经过集水管收集到收集水箱；

步骤四：计算透水系数；

在触屏显示器上输入所测试件的长度，直径，恒压区的横截面积，恒压区内水面下降高度等实验所需数据，待流出的水达到实验要求的稳定状态后，关闭抽水泵，停止供水，点击计算单元开始，计算单元开始计时，待收集水箱内增加的水重量达到实验设定值时停止计时，同时温度传感器将温度数据上传至计算单元，计算单元通过公式计算透水系数；并从打印出口输出结果；

在变水头渗透实验中，水力坡度，即试件两端的水头差变化，但渗流长度没有变化，这时式子可以写作：

dq＝k*(h/l)*adt(4)

式中，dq为时间dt秒内的出水量，cm³；h为某时刻的水头，cm；

设变化时间从t0到t1，水头变化段恒压区的水位从h0下降到h1，经过变换和积分。渗透系数可由下式求出：

其中a是下部管的截面面积；

水的粘度与水温密切相关,因此测定的透水系数与水温也密切相关，把在不同水温下测定的透水系数换算成标准透水系数，对于大孔混凝土,规定标准温度和换算成标准透水系数是必要的；

以15℃水温为标准温度，标准温度下的透水系数应按下式计算：

kt＝k15*ηt/η15；(3)

式中:

k15—标准温度时试样的透水系数(mm/s)；

ηt—t℃时水的动力黏滞系数(kpa.s)；

η15—15℃时水的动力黏滞系数(kpa.s)；

ηt/η15—水的动力黏滞系数比；

步骤五：复原；

第一个试件测试完毕后，进水管阀关闭，排水管阀门打开，残留在透水区里的水排出至液面下降至下部管管口以下，关闭排水管阀；

按照从上到下，后装先拆的原则，将试件取出，仪器复原以便下次试验；

实验结束；

重复上述步骤一二三四便可测试其他试件，如果是标准立方体试件，则先将试件侧壁套上外圆内方形柱体泡沫块，后续操作同上。

本发明一种新型透水混凝土透水系数测试装置及方法，其成功的解决了侧壁漏水形成连通孔导致测试数据不准确；不减小过水截面的横截面积，提高数据准确度；可调节液面高差，针对同一试件可测试不同高度水压对透水系数的影响；循环水采用过滤设计，有效避免了因试件残渣堵住连通孔的误差；采用大口径设计，可测试d＝150mm以下的圆柱形试件、标准立方体试件。

附图说明

图1为本发明整体示意图；

图2为本发明下部管道及部件示意图；

图3为本发明中部管道及部件示意图；

图4为本发明测压管示意图；

图5为本发明上部管道及部件示意图；

图6为本发明水箱示意图；

图示说明:

100、计算单元；101、收集水箱；102、触屏显示器；103、打印出口；104、测试开始按钮；200、下部管；201、排水管；202、竖向加强筋；203、进水管阀；204、排水管阀；205、底板；206、下部管法兰耳板；207、下部管法兰螺栓孔；300、中部管；301、测压管一；302、测压管二；303、测压管三；304、中部管环形加强筋；305、竖向法兰螺栓孔；306、中部管法兰耳板；307、中部管法兰螺栓；308、测压支管一；309、测压支管二；310、竖向法兰耳板加强筋；311、测压支管三；400、上部管；401、集水管；402、环状溢水面；403、集水区；404、上部管竖向加强筋；405、上部管法兰螺栓孔；406、上部管法兰耳板；500、恒压水箱；501、进水管；502、溢水区支管；503、溢水区；504、恒压区支管；505、恒压区；506、溢水面；507、回流管；600、总水箱；601、抽水泵；602、温度传感器；603、滤网；604、上水管；700、可调高度三脚架。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述：

本发明提供一种新型透水混凝土透水系数测试装置及方法，能够有效避免了大部分仪器的通病，如侧壁漏水，形成连通孔；不改变透水上下横截面积，影响透水系数的真实测定。本装置测试数据准确，试件安装连接方便。数据记录方便，当水流稳定时，按下测试按钮，系统便自动测试试件的透水系数，并储存结果。

各部分主要结构参阅图1、图2、图3、图4、图5、和图6，本发明实施例包括：一种新型透水混凝土透水系数测试装置及方法，包括：本发明主要解决的技术问题是提供一种新型透水混凝土透水系数测试装置及方法，能够有效避免了大部分仪器的通病，如侧壁漏水，形成连通孔；不改变透水上下横截面积，影响透水系数的真实测定。本装置测试数据准确，试件安装连接方便。数据记录方便，当水流稳定时，按下测试按钮，系统便自动测试试件的透水系数，并储存结果。本发明一共由三部分组成，恒压水区、透水区、渗透水收集及数据处理区。安装试件时，先将试件侧壁包裹一圈柔性材料，将准备好的中部管300平放在桌面上将试件放入其内，在中部法兰耳板306安放防水硅胶片，再将另一半中部管安放并将竖向法兰螺栓孔305对齐后，用燕尾螺栓连接固定。将中部管法兰耳板306与下部管法兰耳板206通过螺栓连接，上部管法兰耳板406与中部管法兰耳板306连接。测压管一301与测压支管三311通过螺纹连接，测压管二302与测压支管二309，测压管三303与测压支管一308之间采用同样的方式连接，测压管用于测实验时某指定过水断面的水压及流速。如图1所示，抽水泵601浸没在总水箱600中，抽水泵601抽出的水经过上水管604流入到恒压水箱500；当恒压区505充满水是，多余的水经过溢水面506流出到溢水区503，再经过与溢水区支管502连接的回流管507回流至总水箱600中。恒压区支管504与进水管501联通将恒压区505的水引入至下部管200，恒压水由下至上通过中部管300、上部管400试件，到达环状溢水面402，从环状溢水面402流出后到集水区403经过集水管401收集到收集水箱101。常水头法测试试件时，在触屏显示器102上输入所测试件的长度，直径，实验水头差，时长等实验所需数据，待流出的水达到实验要求的稳定状态后，点击计算单元100开始，计算单元开始称重并计时，同时温度传感器602将温度数据上传至计算单元100，计算单元计时一定时间，并且称重计算出该段时间内透过水的重量，通过公式计算透水系数；并从打印出口103输出结果；残留在透水区里的水排出至液面下降至下部管管口以下，关闭排水管阀204，将三节管上部管和中部管取下。变水头法测试试件时，在触屏显示器102上输入所测试件的长度，直径，恒压区505的横截面积，恒压区505内水面下降高度等实验所需数据，待流出的水达到实验要求的稳定状态后，关闭抽水泵601，停止供水，点击计算单元100开始，计算单元开始计时，待收集水箱101内增加的水重量达到实验设定值时停止计时，同时温度传感器602将温度数据上传至计算单元100，计算单元通过公式计算透水系数；并从打印出口103输出结果；残留在透水区里的水排出至液面下降至下部管管口以下，关闭排水管阀204，将三节管上部管和中部管取下。重复上述操作便可测试其他试件。如果是标准立方体试件，则先将试件侧壁套上外圆内方形柱体泡沫块，后续操作同上。

采用公式计算透水系数

在常水头渗透试验中,水力坡度i，即试件两端的水头差保持不变；

q/t＝k*i*a＝k*(δh/l)*a；(1)

式中，q为时间t秒内的渗出水量，cm3；t为渗透时间，s；δh为恒压区(505)中所含水的上表面与环状溢水面(402)溢水的高度差，cm；l为试件长度，cm；a为水流通过试件断面的面积，cm²；

则渗透系数可由下式求出；

k＝q/(a*t)＝q*l/(a*t*δh)；(2)

若测试不同水头高度差的透水系数，则改变支架的高度，调节水头差高度，重复步骤四操作，测得不同水头差的透水系数；

在变水头渗透实验中，水力坡度，即试件两端的水头差变化，但渗流长度没有变化，这时式子可以写作：

dq＝k*(h/l)*adt(4)

式中，dq为时间dt秒内的出水量，cm³；h为某时刻的水头，cm；

设变化时间从t0到t1，水头变化段恒压区505的水位从h0下降到h1，经过变换和积分。渗透系数可由下式求出：

其中a是下部管200的截面面积

水的粘度与水温密切相关,因此测定的透水系数与水温也密切相关，把在不同水温下测定的透水系数换算成标准透水系数，对于大孔混凝土,规定标准温度和换算成标准透水系数是必要的；

以15℃水温为标准温度，标准温度下的透水系数应按下式计算：

kt＝k15*ηt/η15；(3)

式中:

k15—标准温度时试样的透水系数(mm/s)；

ηt—t℃时水的动力黏滞系数(kpa.s)；

η15—15℃时水的动力黏滞系数(kpa.s)；

ηt/η15—水的动力黏滞系数比；

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作任何其他形式的限制，而依据本发明的技术实质所作的任何修改或等同变化，仍属于本发明所要求保护的范围。