适用于室内的混凝土冰磨蚀测试装置的制作方法

1.本实用新型涉及适用于室内的混凝土冰磨蚀测试装置，属于混凝土领域。


背景技术：

2.混凝土是大型水工构筑物的主要建筑材料，其耐磨性需要达到规定标准。而在实际应用情况下水工混凝土除了会受到河川流水的冲刷作用外，在一定时期还会遭受冰块的摩擦损耗，尤其是在北方等寒冷地区。混凝土与冰长时间的接触摩擦作用会使得混凝土表面出现磨损、麻面露石等病害问题，严重危害到水工建筑的安全性及耐久性。然而，由于混凝土表面的不均匀性，冰
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混凝土的相互作用比许多其他常用的研究材料更具挑战性。目前，很少有仪器能测量混凝土因长期冰接触而产生的磨损。因此，有必要发展标准化的实验室测试环境和仪器，以精确模拟、监测和测量长时间真实的冰
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混凝土摩擦相互作用，以此更好地理解冰对水工混凝土持续磨损作用。


技术实现要素：

3.实用新型目的：为了克服现有技术中存在的不足，本实用新型提供一种适用于室内的混凝土冰磨蚀测试装置，利用三维扫描仪对试验过程中的混凝土表面进行扫面拍摄获取表面损耗的实时状况，并利用试验中所得的数据对每一时刻的混凝土表面进行三维构建，从而计算出此时刻混凝土表面的粗糙度系数以表征混凝土遭受冰柱磨损的程度大小，操作简便，模拟精确度高。
4.技术方案：为解决上述技术问题，本实用新型的一种适用于室内的混凝土冰磨蚀测试装置，包括保温箱体和与冰柱连接的支架，在保温箱体内通过轴承安装有试件固定装置，混凝土试件位于试件固定装置上，试件固定装置与垂直电机连接，通过垂直电机带动试件固定装置旋转；所述保温箱体内设有了冷却装置，在保温箱体内设有三维激光扫描装置。
5.作为优选，所述垂直电机通过垂直传动轴与试件固定装置连接，所述试件固定装置包含旋转台和试件固定板，试件固定板安装在旋转台上，混凝土试件的底部与试件固定板连接，旋转台通过轴承安装在保温箱体的底部，混凝土试件的顶部设有顶压支撑架，顶压支撑架固定在保温箱体上。
6.作为优选，垂直电机的输出轴上套有第一锥齿轮，第一锥齿轮与第二锥齿轮啮合，第二锥齿轮通过轴承座安装在保温箱体下方的隔板上，在隔板上安装有传动轴支撑架，传动轴支撑架上安装有水平传动轴，第二锥齿轮套在水平传动轴的一端上，水平传动轴的另一端安装有偏心轮，偏心轮上铰接有连杆，在保温箱体上安装有垂直运动槽，垂直运动槽上安装有活塞传动块，活塞传动块与连杆铰接，活塞传动块上安装有双向液压活塞，双向液压活塞与支架连接。
7.作为优选，双向液压活塞与冰柱之间安装有压力传感器。
8.作为优选，冷却装置包含压缩电机和冷凝管，所述压缩电机与冷凝管连接，通过冷凝管降低保温箱体内的温度。
9.作为优选，试件固定板的侧面设有螺纹孔，螺纹孔内安装有锁紧螺栓，锁紧螺栓的头部顶住混凝土试件。
10.作为优选，保温箱体的底部开设有排水的孔洞，在孔洞上安装有排水阀。
11.一种上述的适用于室内的混凝土冰磨蚀测试装置的测试方法，包括以下步骤：
12.步骤1：试件准备，本试验的混凝土试件为圆柱状，两端面需打磨平整，并在混凝土试件的底部端面均匀涂抹结构胶与试件固定板粘结，胶体固化后在干燥情况下测得试件干重；
13.步骤2：试验环境温度调整，开启冷却装置，使装置保温箱体内部环境处于目标设定0~5℃的温度范围内；
14.步骤3：安装试件，将粘结于试件底部的试件固定板通过螺栓与旋转台连接，检查混凝土试件的轴线与旋转台轴线重合，并拧紧试件顶压支撑架使得试件完全固定在旋转台上绕轴线旋转；
15.步骤4：安装冰柱，将一定长度的圆柱形冰柱放置于冰柱支撑架的套筒中，并使得圆柱形冰柱靠近混凝土试件的一端与混凝土表面完全贴合，随后将冰柱支撑架两侧通过四个螺栓连接使得冰柱固定在冰柱支撑架的套筒内，然后控制双向液压活塞的压力装置使得压杆端面向冰柱端面靠近，直至压力传感器的示数不为零；
16.步骤5：检查整个装置的接触是否良好及装置安装是否正确，关闭保温箱体的舱门，打开排水阀，控制双向液压活塞装置使得冰柱施加到混凝土试件表面的压力达到预设值，并打开三维激光扫描仪，调整摄影角度及光圈使试件表面成像清晰；
17.步骤6：打开电机电源，调节电动机的转速为设定值大小，使得混凝土试件保持一定的角速度转动，冰柱也跟随活塞传动块在垂直运动槽中一定频率的上下往复运动，冰柱与混凝土侧面产生相对运动，此时随着冰柱的摩擦损耗通过双向液压活塞能够保证在试验过程中冰柱与混凝土试件间的压力保持不变；
18.步骤7：在试验过程中，可以通过透明有机玻璃构成的观察窗观察冰样的消耗情况，当冰样快消耗完全时可关闭电机停止试验，并且重复4~6步骤更换冰样进行试验；
19.步骤8：试验结束后，关闭电机及制冷系统，控制双向液压活塞使得冰柱脱离混凝土试块表面，拧松试件顶压支撑架取出混凝土试件；
20.步骤9：将取出的试件进行干燥处理，称得磨损后混凝土的质量，并利用初始混凝土质量与磨损后混凝土质量的差值与初始质量的比值定义为混凝土磨损率，由此判断混凝土试件与冰柱摩擦耦合作用下的磨损情况；
21.步骤10：导出三维激光扫描数据，建立混凝土表面的三维模型，通过计算每时刻所对应混凝土试件表面的粗糙度系数，将其与时间建立函数关系，由此研究混凝土磨损程度与时间的关系。
22.在本实用新型中，仪器支撑框架的形式为上下两层结构，下部四个角部安装有万向轮以方面装置的移动。第一层主要安装有动力装置及压缩机，动力装置包括变频调速电动机、水平传动轴、垂直传动轴及传动轴支撑架，水平传动轴的右端装有偏心轮以带动活塞传动块在垂直运动槽中做垂直方向的往复运动，从而在整体效果上实现混凝土试件与冰柱能够产生垂直和水平两个方向上的相对摩擦运动。压缩机是装置制冷系统的主要结构部件，实现试验过程中的环境温度控制。
23.第二层为试验操作区域，包括各测量观测仪器及试件试验器材，区域主要安装有三维激光扫描仪、旋转台、双向液压活塞、冰柱支撑架、垂直运动槽等。所用的混凝土试件通过试件固定板被夹持固定在旋转台与试件顶压支撑架之间，并且同步电机通过垂直传动轴带动旋转台绕轴线做圆周转动，由此固定在旋转台上的混凝土试件表面能够与冰柱产生相对摩擦运动。
24.试验所用的冰柱通过冰柱支撑架固定在双向液压活塞的端部，冰柱的直径与活塞压杆相吻合，在活塞压杆与冰柱端部间安装有压力传感器以监测冰柱与混凝土试件表面间的压力大小。并且通过压力传感器能够控制双向液压活塞液体压力大小，从而实现冰柱与混凝土试件间的压力大小在试验过程中能够稳定控制。
25.为了实现试验中环境温度的控制，同时保证冰柱的完整性，装置安装了一整套制冷系统。制冷系统由压缩机和冷凝管组成，冷凝管均匀分布于第二层箱体的背部侧面箱壁上，使得整个箱体空间的温度稳定在适宜的范围内。于此同时，为了保证箱体的冷空气不向外界环境扩散，需要在试验空间的外围结构布置保温构造措施，本装置采用安装双层空心保温隔板对整个试验空间进行围护。但为了试验中较为便捷的安装混凝土试件和冰柱，在保温箱体正侧面设有可开闭的舱门，舱门上设置把手。并且为了试验人员在外部能够时刻观测试验过程中冰柱及混凝土试件的状态，在舱门的中间位置进行开孔设计，将保温隔板换成双层透明有机玻璃隔板材料。同时在装置二层底板上开设空洞，并安装排水阀，方便排除冰柱磨损融化过程中在箱体中产生的水。
26.三维激光扫描仪是装置中的测量仪器，安装于试验装置箱体内部的右侧，仪器正对着混凝土试件的测表面，主要用于测量试验过程中混凝土与冰柱相对运动中的磨损程度。其主要原理是利用三维扫描仪对试验过程中的混凝土表面进行扫面拍摄获取表面损耗的实时状况，并利用试验中所得的数据对每一时刻的混凝土表面进行三维构建，从而计算出此时刻混凝土表面的粗糙度系数以表征混凝土遭受冰柱磨损的程度大小。
27.本实用新型中，混凝土试件为圆柱形试件，通过在试件底部涂抹结构胶与试件固定板粘结为一个整体，结构胶固化后的抗剪性能需满足试验施加的剪力条件。试件固定板为圆柱形钢板，表面平整，直径略大于混凝土试件直径，并且圆心位置开设有直径为2厘米的带螺纹圆槽孔。变频调速电动机通过垂直传动轴将动力输送至旋转台带动其发生转动，变频调速电机能够实现多种转动速度大小的调节。旋转台底部设有轴承与装置框架连接，能够进行平滑的转动，并且其上表面圆心处留有直径为2厘米的螺母，使得试件固定板能够与旋转台通过螺栓作用紧密连接从而带动试件转动。设置在试件上表面上方的试件顶压支撑架通过下部的圆形钢板与试件上表面接触，通过外部的转轴能够使得圆形钢板上下垂直移动使得两者压实固定，其作用为固定支撑试件，避免试件在高速旋转过程中发生脱落及偏斜的情况。水平传动轴一端与变频调速电机相接，中部搭接在传动轴支撑架上，两者之间设有轴承。水平传动轴的另一端结构偏心轮，偏心轮通过支撑杆连接滑动快，当偏心轮转动时能够带动滑动块在垂直运动槽中上下移动。滑动块与双向液压活塞模块刚接，使得双向液压活塞实现垂直方向的运动模式。并且滑动块与垂直运动槽之间设有四个滑轮组相接。活动槽内外侧面上均封装有可折叠的橡胶皮套筒，以起到保温箱体的密封保温效果。压缩机与分布于箱体后侧面的冷凝管相接，用于控制保温箱体内的温度控制在较低温度值。
28.本实用新型中，保温箱体的四周由保温隔板进行围护，并且在前侧开设有方便试
件安装放置的舱门，在舱门中部进行开洞处理，利用双层透明有机玻璃材料进行封填，便于从装置外部观察试件及冰柱情况。双向液压活塞通过液压装置能够实现活塞压杆的双向运动，并且能够稳定控制压力大小。活塞压杆通过施加作用力控制冰柱与混凝土试件表面接触，活塞压杆与冰柱之间安装有压力传感器，能够实时记录压力值大小。冰柱支撑架的作用为固定支撑冰柱与双向液压活塞的压杆相接，整体为空心筒状结构，沿轴线分为独立的两部分通过两端的四个螺栓连接。冰柱支撑架靠近混凝土试件的前半部分采用镂空设计，方便观测冰柱在试验过程中的磨损情况，便于及时更换。三维激光扫描仪安装在保温箱体的右侧面正对混凝土试件表面，其精度能够有效观测到混凝土表面的磨损情况，并设有灯光模块使得混凝土在弱光条件下成像清晰。装置保温箱体底部开设有排水的孔洞，并设有排水阀，便于试验过程中冰水的排放。
29.有益效果：本实用新型的针对寒冷环境地区对水工混凝土抗冰磨蚀性能的要求，提出了一种适用于室内的混凝土冰磨蚀测试装置，该装置利用同步调速电机为动力源，实现了混凝土试件表面与冰柱能够发生二维相对移动，并且利用制冷系统及保温箱体实现了试验环境温度的稳定，较为真实地模拟了实际情况。通过调节电机转速及双向液压活塞能够改变混凝土试件与冰柱的相对运动速度及接触力大小，丰富了试验变量，装置功能多样化。本实用新型还根据实际实验效果利用高精度三维扫描仪量化了混凝土表面冰蚀程度的评价体系，提出了利用各时刻的混凝土表面粗糙度及最终试件质量损失等数值指标量化磨损程度。本实用新型实现了真实情况下混凝土受冰磨蚀作用的室内试验模拟，装置整体为半自动化控制，试验方法简单便捷，有效解决了难以精确模拟、监测和测量长时间真实冰
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混凝土摩擦相互作用的难题。
附图说明
30.图1为本实用新型的结构示意图。
31.图2为本实用新型不包含壳体的结构示意图。
32.图3为本实用新型保温箱体内部结构示意图。
33.图4为本实用新型内部正视结构示意图。
34.图5为本实用新型的正视结构示意图。
35.图中：仪器支撑框架1、保温箱体2、垂直传动轴5、电机6、安装座7、冷凝管8、三维激光扫描仪9、旋转台10、凹槽11、试件顶压支撑架12、双向液压活塞13、冰柱支撑架14、活塞传动块15、垂直运动槽16、压力传感器17、保温隔板18。
具体实施方式
36.下面结合附图对本实用新型作更进一步的说明。
37.如图1至图5所示，本实用新型的一种适用于室内的混凝土冰磨蚀测试装置，包括保温箱体2和与冰柱连接的支架，在保温箱体2内通过轴承安装有试件固定装置，混凝土试件位于试件固定装置上，试件固定装置与垂直电机连接，垂直电机优选为变频电机，通过垂直电机带动试件固定装置旋转；所述保温箱体2内设有了冷却装置，在保温箱体内设有三维激光扫描装置9。保温箱体2位于仪器支撑框架1上，仪器支撑框架1的形式为上下两层结构，下部四个角部安装有万向轮以方便装置的移动。第一层主要安装有动力装置及压缩机，动
力装置包括电机6、活塞传动块15、垂直传动轴5，的右端装有偏心轮以带动活塞传动块在垂直运动槽中做垂直方向的往复运动，从而在整体效果上实现混凝土试件与冰柱能够产生垂直和水平两个方向上的相对摩擦运动。压缩机是装置制冷系统的主要结构部件，实现试验过程中的环境温度控制。
38.第二层为试验操作区域，包括各测量观测仪器及试件试验器材，区域主要安装有三维激光扫描仪9、旋转台10、双向液压活塞13、冰柱支撑架14、垂直运动槽16等。所用的混凝土试件通过试件固定板被夹持固定在旋转台10与试件顶压支撑架12之间，并且同步电机6通过垂直传动轴5带动旋转台10绕轴线做圆周转动，由此固定在旋转台10上的混凝土试件表面能够与冰柱产生相对摩擦运动。
39.试验所用的冰柱通过冰柱支撑架14固定在双向液压活塞13的端部，冰柱的直径与活塞压杆相吻合，在活塞压杆与冰柱端部间安装有压力传感器17以监测冰柱与混凝土试件表面间的压力大小。并且通过压力传感器17能够控制双向液压活塞13液体压力大小，从而实现冰柱与混凝土试件间的压力大小在试验过程中能够稳定控制。
40.为了实现试验中环境温度的控制，同时保证冰柱的完整性，装置安装了一整套制冷系统。制冷系统由压缩机和冷凝管8组成，冷凝管8均匀分布于第二层箱体2的背部侧面箱壁上，使得整个箱体空间的温度稳定在适宜的范围内。于此同时，为了保证箱体2的冷空气不向外界环境扩散，需要在试验空间的外围结构布置保温构造措施，本装置采用安装双层空心保温隔板18对整个试验空间进行围护。但为了试验中较为便捷的安装混凝土试件和冰柱，在保温箱体2正侧面设有可开闭的舱门，舱门上设置把手。并且为了试验人员在外部能够时刻观测试验过程中冰柱及混凝土试件的状态，在舱门的中间位置进行开孔设计，将保温隔板换成双层透明有机玻璃隔板材料。同时在装置二层底板上开设空洞，并安装排水阀19，方便排除冰柱磨损融化过程中在箱体中产生的水。
41.三维激光扫描仪9是装置中的测量仪器，安装于试验装置箱体2内部的右侧，仪器正对着混凝土试件的测表面，主要用于测量试验过程中混凝土与冰柱相对运动中的磨损程度。其主要原理是利用三维扫描仪对试验过程中的混凝土表面进行扫面拍摄获取表面损耗的实时状况，并利用试验中所得的数据对每一时刻的混凝土表面进行三维构建，从而计算出此时刻混凝土表面的粗糙度系数以表征混凝土遭受冰柱磨损的程度大小。
42.为了进一步更好的使用该适用于室内的混凝土冰磨损测试装置的功能及方法，本实用新型还阐述此装置的测定方法，包括如下步骤：
43.步骤1：试件准备，本试验的混凝土试件为圆柱状，两端面需打磨平整，并在混凝土试件的底部端面均匀涂抹结构胶与试件固定板粘结，胶体固化后在干燥情况下测得试件干重；
44.步骤2：试验环境温度调整，开启制冷装置，使装置保温箱体内部环境处于目标设定0~5℃的温度范围内；
45.步骤3：安装试件，将粘结于试件底部的试件固定板通过螺栓与旋转台10连接，检查混凝土试件的轴线与旋转台轴线重合，并拧紧试件顶压支撑架12使得试件完全固定在旋转台10上绕轴线旋转；
46.步骤4：安装冰柱，将一定长度的圆柱形冰柱放置于冰柱支撑架14的套筒中，并使得圆柱形冰柱靠近混凝土试件的一端与混凝土表面完全贴合，随后将冰柱支撑架两侧通过
四个螺栓连接使得冰柱固定在冰柱支撑架的套筒内。然后控制双向液压活塞13的压力装置使得压杆端面向冰柱端面靠近，直至压力传感器17的示数不为零。
47.步骤5：检查整个装置的接触是否良好及装置安装是否正确，关闭保温箱体2的舱门，打开排水阀19，控制双向液压活塞装置13使得冰柱施加到混凝土试件表面的压力达到预设值，并打开三维激光扫描仪9，调整摄影角度及光圈使试件表面成像清晰；
48.步骤6：打开电机6电源，调节电动机的转速为设定值大小，使得混凝土试件保持一定的角速度转动，冰柱也跟随活塞传动块15在垂直运动槽16中一定频率的上下往复运动，冰柱与混凝土侧面产生相对运动，此时随着冰柱的摩擦损耗通过双向液压活塞13能够保证在试验过程中冰柱与混凝土试件间的压力保持不变；
49.步骤7：在试验过程中，可以通过透明有机玻璃构成的观察窗观察冰样的消耗情况，当冰样快消耗完全时可关闭变频调速电机6停止试验，并且重复4~6步骤更换冰样进行试验；
50.步骤8：试验结束后，关闭变频调速电机6及制冷系统，控制双向液压活塞13使得冰柱脱离混凝土试块表面，拧松试件顶压支撑架12取出混凝土试件；
51.步骤9：将取出的试件进行干燥处理，称得磨损后混凝土的质量，并利用初始混凝土质量与磨损后混凝土质量的差值与初始质量的比值定义为混凝土磨损率，由此判断混凝土试件与冰柱摩擦耦合作用下的磨损情况；
52.步骤10：导出三维激光扫描数据，建立混凝土表面的三维模型，通过计算每时刻所对应混凝土试件表面的粗糙度系数，将其与时间建立函数关系，由此研究混凝土磨损程度与时间的关系。
53.以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。