一种参数可调的喷射混凝土射流测试装置及方法与流程

本发明涉及混凝土喷浆测试装置技术领域，尤其是一种用于实验室的参数可调的喷射混凝土射流测试装置以及利用该装置进行试验的方法。

背景技术：

目前，为研究混凝土喷浆过程的各项参数，需要在混凝土喷浆机上设置监测仪器，但是由于混凝土喷浆机的机身大并且笨重，导致监测设备设置困难，另外混凝土喷浆机启动一次需要的用料多，不适用于实验室喷浆试验的研究，尤其是需要定量研究的试验中使用现有的设备和方法进行监测难度较大。另外普通的混凝土喷浆机的喷浆参数是出厂设计所确定的，只能进行设定参数的试验，在研究混凝土喷射、粘附和回弹的过程中，需要进行混凝土定量试验，同时试验过程中需要对各个参数进行调整，为了方便调整并监测混凝土喷浆过程中试验参数，定量确定混凝土喷射过程中的各项参数，需要设计一种用于实验室的参数可调的喷射混凝土射流测试装置。

技术实现要素：

为解决混凝土喷射时参数调节和测量不方便的技术问题，本发明提供了一种参数可调的喷射混凝土射流测试装置及方法，具体技术方案如下。

一种参数可调的喷射混凝土射流测试装置，包括液压系统、泵送系统、喷射系统和监测系统；液压系统包括液压泵站和液压缸；泵送系统包括集料管，喷射系统包括送风机、稀薄流管、进风口、透明管和喷嘴；监测系统包括工业相机、压力变送器、冲击力传感器和重力感应器；液压泵站和液压缸相连，液压缸与集料管相连；稀薄流管一端连接集料管，另一端连接喷嘴；稀薄流管上设置有进风口和压力变送器，喷嘴的前方设置受喷面；受喷面的背面设置有冲击力传感器，受喷面和下部的滑块之间设置有重力感应器。

优选的是，受喷面竖直布置，喷嘴沿水平方向喷射，受喷面的下部设置有滑块，滑块和受喷面之间设置有重力感应器；滑块设置在导轨上沿导轨滑动；导轨设置在固定支架上。

优选的是，液压泵站和液压缸相连，液压缸在集料管内伸缩推送混凝土；送风机连接进风口，通过稀薄流管上的进风口对稀薄流管送风。

优选的是，进风口和稀薄流管上均设置有压力变送器或涡街流量计；工业相机设置在透明管的上方，摄像头对准透明管。

优选的是，工业相机、压力变送器、冲击力传感器和重力感应器均与控制器相连，控制器连接有显示屏。

优选的是，受喷面和滑块之间利用卡槽和螺母固定，受喷面呈矩形，受喷面的正面和喷嘴的出口相对，受喷面的背面连接在固定支架上。

进一步优选的是，集料管的直径为50～89mm，液压泵站调节液压缸的泵送速度范围为0.2m/s～2m/s；集料管的给料速度在0～2m/s的范围内渐进调节；透明管的长度为300mm。

进一步优选的是，液压缸和机身之间设置有支撑座，集料管和机身之间设置有支撑座；液压缸、集料管、稀薄流管和喷嘴同轴布置；支撑座调节液压缸和集料管的倾角从而调整喷嘴的喷射角度。

一种参数可调的喷射混凝土射流测试方法，利用上述的一种参数可调的喷射混凝土射流测试装置，具体步骤包括：首先，安装受喷面，调整受喷面和喷嘴口之间的距离，以及受喷面和喷嘴喷射方向的角度；然后，启动液压系统、泵送系统和喷射系统，通过喷嘴喷射混凝土，混凝土喷射的同时工业相机、压力变送器、冲击力传感器和重力感应器将监测数据传输至控制器；最后，控制器根据监测系统的反馈调整液压泵的泵送速度和送风机的送风风量，调节混凝土喷射的喷射力和流量。

本发明的有益效果包括：

(1)本发明提供的实验室用参数可调的喷射混凝土射流测试装置，通过液压系统、泵送系统、喷射系统和监测系统的组合，实现了混凝土喷射过程中的送料速度、喷射方向和喷射力的灵活调节，并且设备用料少，方便使用不同配比的混凝土来进行喷射试验，从而提高了试验效率，为更好的研究混凝土喷射的性能提供理论依据。

(2)监测系统的工业相机、压力变送器、冲击力传感器和重力感应器对混凝土喷射的各项数据进行监测，设置显示屏实现了混凝土喷射过程中各项监测数据可视化监测，工业相机对透明管的混合情况实时监测，压力变送器能够实现对喷射气流的监测，并且可以监测稀薄流管的压降，冲击力传感器监测喷射力，重力感应器监测受喷面上粘附的物料质量。

(3)该装置通过在受喷面下部设置滑块和滑轨，从而调整受喷面和喷嘴之间的距离；另外通过控制送风机的送风调整喷射的速度和压力，从而方便调节喷浆参数；进一步将液压缸、集料管、稀薄流管和喷嘴同轴布置，通过设置不同管径的集料管保证送料的稳定，并保证泵送速度在控制范围内实现直线式渐进调节，设置透明管配合工业相机，实现混凝土送料的可视化监测。

另外，本装置和混凝土粘附力测量装置结合可以监测混凝土喷射的回弹系数，本装置还具有结构紧凑，操作灵活，定量调节，使用方便等优点。

附图说明

图1是参数可调的喷射混凝土射流测试装置结构示意图；

图2是喷射混凝土时变粘附力测量装置正视图；

图3是喷射混凝土时变粘附力测量装置侧视图；

图4是测量法向粘附力的试件运行方向示意图；

图5是测量切向粘附力的试件运行方向示意图；

图6是法向粘附力和切向粘附力随时间变化规律的曲线；

图7是边墙回弹系数和拱顶回弹系数随时间变化规律的曲线；

图中：1-液压系统；11-液压泵站；12-液压缸；2泵送系统；21-集料管；3-喷射系统；31-送风机；32-稀薄流管；33-进风口；34-透明管；35-喷嘴；36-受喷面；37-导轨；38-滑块；39-固定支架；4-监测系统；41-工业相机；42-压力变送器；43-冲击力传感器；44-重力感应器；45-控制器；46-显示屏；5-粘附力测量装置；51-机座；52-混凝土托盘；53-固定立柱；54-固定横梁；55-水平滑块；56-拉力测力计；57-试件夹具；58-主机；59-试件。

具体实施方式

结合图1至图7所示，本发明提供的一种参数可调的喷射混凝土射流测试装置及方法的具体结构及使用方式如下。

实施例1

一种参数可调的喷射混凝土射流测试装置具体结构包括液压系统1、泵送系统2、喷射系统3和监测系统4，液压系统1包括液压泵站11和液压缸12，用于提供液压缸所需的高压油液，控制液压缸工作；泵送系统2包括集料管21，集料管21用于提供混凝土；喷射系统3包括送风机31、稀薄流管32、进风口33、透明管34和喷嘴35，喷射系统3为混凝土喷射提供动力并控制混凝土的喷射速度；监测系统4包括工业相机41、压力变送器42、冲击力传感器43和重力感应器44，监测系统4监测混凝土喷射过程中的各项参数，从而更好的调节喷射参数进行混凝土喷射定量试验。本装置实现了混凝土喷射过程中的送料速度、喷射方向和喷射力的灵活调节，并且设备用料少，方便使用不同配比的混凝土来进行喷射试验，从而提高了试验效率，为更好的研究混凝土喷射的性能提供理论依据。

液压泵站11和液压缸12相连，液压缸12与集料管21相连推送集料管内的混凝土，稀薄流管32的一端连接集料管21，另一端连接喷嘴35，稀薄流管32上设置有进风口33和压力变送器42，压力变送器42监测进风口33和稀薄流管32内的。喷嘴35的前方设置受喷面36，受喷面36的背面设置有冲击力传感器43用于监测混凝土的喷射力，受喷面36和下部的滑块之间设置有重力感应器44，用于监测粘附在受喷面36上的混凝土质量。液压缸12、集料管21、稀薄流管32和喷嘴同轴布置，液压缸12和机身之间设置有支撑座，集料管21和机身之间设置有支撑座，支撑座调节液压缸和集料管的倾角从而调整喷嘴的喷射角度。集料管21的直径为50～89mm，从而方便更换不同的混凝土进行试验，液压泵站11调节液压缸12的泵送速度范围为0.2m/s～2m/s，集料管21的给料速度在0～2m/s的范围内渐进调节，在该范围内进行混凝土喷射试验能够满足大部分是试验要求，透明管34的长度为300mm，方便工业相机可视化监测。

受喷面36和滑块38之间利用卡槽和螺母固定，从而可以更换和移动受喷面36，受喷面36呈矩形，受喷面36的正面和喷嘴的出口相对，受喷面36的背面连接在固定支架39上。受喷面竖直布置，喷嘴35沿水平方向喷射，受喷面的下部设置有滑块，滑块和受喷面之间设置有重力感应器44；滑块38设置在导轨上沿导轨37滑动，导轨37设置在固定支架39上，固定支架39可以固定设置也可以设置为可移动的钢结构。

液压泵站11和液压缸12相连，液压缸12在集料管21内伸缩推送混凝土，混凝土进入稀薄流管32后，送风机31连接进风口33，通过稀薄流管32上的进风口对稀薄流管32送风。进风口33和稀薄流管32上均设置有压力变送器或涡街流量计，测量管内流量。工业相机41设置在透明管的上方，摄像头对准透明管，监测混凝土的实际流动情况。工业相机41、压力变送器42、冲击力传感器43和重力感应器44均与控制器相连，控制器45连接有显示屏46。

利用参数可调的喷射混凝土射流装置进行测试的方法，利用上述的一种参数可调的喷射混凝土射流测试装置进行试验，试验的具体步骤包括：首先，安装受喷面36，调整受喷面36和喷嘴口之间的距离，以及受喷面36和喷嘴35喷射方向的角度。然后，启动液压系统1、泵送系统2和喷射系统3，通过喷嘴35喷射混凝土，混凝土喷射的同时工业相机41、压力变送器42、冲击力传感器43和重力感应器44将监测数据传输至控制器。最后，控制器45根据监测系统4的反馈调整液压泵的泵送速度和送风机的送风风量，调节混凝土喷射的喷射力和流量。其中喷射力的计算公式为p＝fl/(πr²)；其中fl为冲击力传感器的监测值，r为混凝土在受喷面的沉积半径。

实施例2

为进一步的说明参数可调的喷射混凝土射流测试装置的有益效果和使用方法，对测量混凝土喷射回弹系数的方法做详细的说明，利用参数可调的喷射混凝土射流测试装置能够在实验室内测量不同混凝土的喷射力，结合一种喷射混凝土时变粘附力测量装置测量混凝土的法向粘附力和切向粘附力，从而可以计算混凝土喷射的拱顶回弹系数和墙面回弹系数，为混凝土喷浆的理论研究提供依据。

一种测量混凝土喷射回弹系数的方法，具体是利用实施例1中的参数可调的喷射混凝土射流测试装置测量混凝土的喷射力，并利用一种喷射混凝土时变粘附力测量装置测量混凝土的时变粘附力。

其中喷射混凝土时变粘附力测量装置具体结构包括机座51、混凝土托盘52、固定立柱53、固定横梁54、水平滑块55、拉力测力计56、试件夹具57和主机58，装置整体结构简单，操作方便。混凝土托盘52设置在机座51上方，固定立柱53固定设置在机座51上，机座51水平设置并且在底部设置调平支脚，保证装置整体的稳定性，固定立柱53竖直设置并且和机座51保持垂直。固定横梁54的两端连接在固定立柱53的上，与固定横梁54相连的固定立柱53上设置有丝杠机构，固定横梁54上设置有定位锁紧轮。固定横梁54上设置水平滑块55，水平滑块55下方设置有拉力测力计56。拉力测力计56的下端设置有试件夹具57，拉力测力计56将测量数据传输至主机58。

主机58设置在机座51内，丝杠机构的电机固定在机座51上，主机58控制丝杠机构工作，主机58上还连接有打印机、数据接口和显示器，主机接收拉力测力计的测量数据，并对监测数据进行处理，得到测量结果，打印机和主机相连用于打印、记录监测结果，显示器显示测量数据和操作提示。拉力测力计56具体可以使用拉力传感器，用于测量水平和竖直方向的拉力。水平滑块55和固定横梁54上的丝杠相连，固定横梁54沿固定立柱53匀速移动，水平滑块55沿固定横梁54匀速移动。使用丝杠连接能精确的保证试件做匀速运动，当固定横梁54或水平滑块55做匀速运动时，拉力测力计56的测量值即试件59壁面上混凝土的粘附力。

试件夹具57包括水平固定夹和竖直固定夹，水平固定夹可以选用固定三角楔块和滑动三角楔块，滑动三角楔块在螺栓的连接作用下调整与固定三角楔块的距离，从而固定不同尺寸的试件，使用三角楔块便于夹紧试件，另外三角楔块的厚度尺寸和试件的厚度尺寸相差不大，因此可以保证试件壁面和混凝土完全接触，竖直固定夹包括螺杆和螺母托盘，托盘沿螺杆旋转移动从而改变螺母托盘和试件夹具顶部的距离，从而固定试件。试件夹具57包括水平固定夹和竖直固定夹，水平固定夹还可以采用固定竖板、连接螺杆和螺母固定板，竖直固定夹包括螺杆和螺母托盘，均通过螺母托盘和螺杆的连接来控制夹紧不同尺寸的试件。使用试件夹具固定试件后，需要利用设置在固定横梁54和固定立柱53上的激光定位装置，用于调平试件壁面，或者调整试件壁面的角度。

利用上述的喷射混凝土时变粘附力测量装置测量时变粘附力的方法具体步骤包括：

a.将测试试件用试件夹具57夹紧，试件59壁面水平或竖直放置，测量并计算试件壁面能够与喷射混凝土接触的面积s，将试件壁面面积输入到主机中并保存记录。

b.调整试件59至合适的高度位置，方便固定横梁54和水平滑块55的移动，通过定位锁紧轮将固定横梁的高度固定。

c.开启主机并连接显示器和打印机，进行拉力测力计的调零，打开定位锁紧轮。

d.制备混凝土，正对试件壁面喷射混凝土，当混凝土覆盖整个试件壁面后使用刮板刮平。

e.启动丝杠机构的电机使试件水平或竖直匀速移动，同时记录拉力测力计的测量数据。

f.拉力测力计测量水平方向的拉力fv和竖直方向的拉力fh。

g.计算得到法向粘附力为fv/s，切向的粘附力为fh/s。

利用实施例1中参数可调的喷射混凝土射流测试装置测量混凝土的喷射力的方法具体步骤包括：首先，安装受喷面36，调整受喷面36和喷嘴35口之间的距离，并测量喷嘴到受喷面之间的距离，以及受喷面36和喷嘴35喷射方向的角度。然后，启动液压系统1、泵送系统2和喷射系统3，通过喷嘴35喷射混凝土，混凝土喷射的同时工业相机41、压力变送器42、冲击力传感器43和重力感应器44将监测数据传输至控制器45，这个过程中可以通过滑块38调节受喷面和喷嘴之间的距离。最后，控制器45根据监测系统4的反馈调整液压泵的泵送速度和送风机的送风风量，调节混凝土喷射的喷射力p和流量。读取和控制器45相连的显示屏46的显示的监测数据，得到不同泵送速度和送风风量调节下的喷射力，以及喷射力随时间的变化规律。其中喷射力的计算公式为p＝fl/(πr²)；其中fl为冲击力传感器的监测值，r为混凝土在受喷面的沉积半径。

回弹系数测量试验中，先利用喷射混凝土射流测试装置测量混凝土的喷射力，再将喷射混凝土射流测试装置的喷嘴对准喷射混凝土时变粘附力测量装置，进一步根据测量结果计算回弹系数，其中：

拱顶回弹系数k1＝(p-f1)/p*100％；

边墙回弹系数k2＝(p-f2)/p*100％；

式中k1，k2分别指拱顶和边墙处的回弹系数，表征在此的回弹倾向；p为单位喷射力，单位pa，f1为法向粘附力，f2为切向的粘附力。

根据计算得到混凝土喷浆的回弹系数，测量回弹系数的方法为进一步研究混凝土配比和喷射参数提供理论依据，并依此改进混凝土喷浆技术。

实施例3

在实施例1和实施例2的基础上，以砂岩制作的试件为例，制作水灰比为0.5的喷射混凝土，测量在三个不同拌合时间的壁面法向粘附力和切向粘附力，从而研究粘附力的时变规律，并结合喷射力随时间变化的测量，进一步的计算拱顶回弹系数和边墙回弹系数。在此基础上进行现场的喷射以及时变粘附试验，可以计算巷道不同部位处基于时变参数的回弹系数。

利用参数可调的喷射混凝土射流测试装置测量喷射力，测量步骤具体包括：

步骤1.安装调试设备，使设备的泵送和气送工况与实际喷射混凝土的工况相同，具体为调整液压缸12泵送速度为1.2m/s，送风机送风速度为25m/s。

步骤2.安装受喷面36，并调整受喷面36与喷嘴35之间的距离和角度，具体为喷嘴35距离1.2m，喷嘴35与受喷面垂直90°喷射。

步骤3.按照实际的参数配比喷射混凝土物料，具体为配比水灰比为0.5，水泥：细骨料：粗骨料的比例为1：1.5：2.25，充分拌合好后装填物料到集料管21。

步骤4.打开工业相机41、压力变送器42、冲击力传感器43和重力传感器44等传感器。然后首先启动喷射系统3，等待出气口的压力变送器数据平稳之后，打开液压系统1和泵送系统2进行物料喷射，同时壁面处的冲击力传感器记录冲击力的峰值曲线fl。喷射完成后使用游标卡尺量出喷射物料在受喷面的沉积半径r。

步骤5.取峰值冲击力进行单位喷射力p的计算，计算公式为p＝fl/(πr²)，本实施例中喷射力p经三次测量取平均值，计算结果为p＝552pa。

利用一种喷射混凝土时变粘附力测量装置5测量混凝土粘附力随时间的变化规律的试验步骤包括：

步骤a.岩石试件取自在正在进行巷道喷浆作业的岩石，使用切割机把试件切割为尺寸3cm*3cm*1cm的正方体板状试件，试件壁面不进行任何处理以准确表征开挖后岩石最初的状态，切割后试件水洗、晾干和覆膜直至试验进行。

步骤b.测试开始时，首先校准仪器水平，然后使用主机调整试件夹具57左右前后移动，把试件59水平放置在试件夹具57上，拧紧定位螺丝，同时开启主机并在主机界面输入接触壁面的面积参数。

步骤c.打开定位锁紧轮并进行拉力测量计的调零。

步骤d.按照现场的配比，进行混凝土的拌合，从拌合开始在主机记录时间，把拌合5分钟，10分钟，15分钟三个时间间隔用来研究粘附力的时变规律。

步骤e.充分拌合后的物料，三个时间间隔分别垂直壁面喷射混凝土，喷满后使用刮板沿壁面边框刮平混凝土。其中使用一种参数可调的喷射混凝土射流测试装置进行混凝土的喷射。

步骤f.使用喷射混凝土时变粘附力测量装置调整使得岩石壁面与喷射混凝土的喷射面充分接触，启动丝杠机构的电机使试件水平或竖直匀速0.0005m/s移动，同时分别记录拉力测力计的测量数据。

其中试件垂直运动时的拉力与面积的比值为界面的法向粘附力，试件水平运动时的拉力与面积的比值为界面切向粘附力，粘附力的值在面板上显示，并在打印机上打印。

粘附力的计算公式：

式中：f1—法向粘附力；f2—法向粘附力，pa；

fv—水平方向的拉力；fh—竖直方向的拉力，n；

s—壁面接触面积。

时变粘附力试验的结果如图6所示，得到混凝土在不同拌和时间时粘附力随时间的变化规律。进一步根据测量结果计算回弹系数，

拱顶回弹系数k1＝(p-f1)/p*100％；

边墙回弹系数k2＝(p-f2)/p*100％；

式中k1，k2分别指拱顶和边墙处的回弹系数，表征在此的回弹倾向；p为单位喷射力，单位pa，f1为法向粘附力，f2为切向的粘附力。

得到回弹系数与时间的关系曲线如图7所示。

当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。