一种大孔隙混凝土荷载与渗流耦合的试验装置及试验方法

1.本发明涉及一种大孔隙混凝土荷载与渗流耦合的试验装置及试验方法，属于大孔隙混凝土实验技术领域。


背景技术：

2.混凝土在荷载作用下发生变形，固体骨架结构发生变化引起孔隙率减小，进而影响其渗流性；混凝土在渗流过程中由于溶蚀作用会带走部分可溶性的物质，使固体骨架结构发生变化引起孔隙率增大，进而影响其荷载分布。对于大孔隙混凝土而言，荷载和渗流共同作用对其力学性能的影响更为突出。
3.目前，大孔隙混凝土的应用领域主要为人行道、观光旅游道和非机动车道等轻交通路面，所承受的荷载作用相对其他机动车道交通路面要小很多，也因此现有技术对大孔隙混凝土的研究仅限于渗流作用对其的单一影响。但随着对大孔隙混凝土研究的深入进行，其应用领域不断扩大，逐渐应用于较大荷载的工况，为确保大孔隙混凝土的耐久性符合工程需要，亟需对其进行荷载与渗流耦合作用下的渗透性进行研究。


技术实现要素：

4.针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种大孔隙混凝土荷载与渗流耦合的试验装置及试验方法，该装置和方法能对大孔隙混凝土在不同轴向荷载和水压下的渗透性进行测试，得到荷载和渗流耦合作用下大孔隙混凝土的渗流性，为其更为广泛的应用提供理论基础和数据支撑。
5.为了实现上述目的，本发明提供一种大孔隙混凝土荷载与渗流耦合的试验装置，包括压力机，在压力机上部压头与下部工作台之间设有用于放置大孔隙混凝土试块的缸筒，所述缸筒为上下端面贯通的空心套筒，其底部通过外圆周设置的连接耳板固定于出水底座上，所述出水底座固定于工作台上；
6.缸筒内壁敷设周向分布的密封材料，在密封材料所形成的筒状空间内放置大孔隙混凝土试块，所述大孔隙混凝土试块与筒状空间相适配，其外圆周与筒状空间内圆周紧密贴合；
7.缸筒上部设有上透水板，所述上透水板与大孔隙混凝土试块同轴滑动安装于大孔隙混凝土试块上方的缸筒内壁上，其圆形端面上开设多个透水通孔一；
8.缸筒底端设有下透水板，所述下透水板固定于大孔隙混凝土试块下方的缸筒筒壁上，其圆形端面上开设多个透水通孔二；
9.在下透水板下方的出水底座内开设储水空腔和出水通道，储水空腔的下部出水口与出水通道一端连通，出水通道的另一端与出水管路一端连接，出水管路上在远离出水通道的方向上依次设有球形阀、下流量计和下压力表，出水管路另一端连通储水池；
10.上透水板的上方为同轴设置的注水活塞，所述注水活塞通过进水管路与双向液压缸的下部无杆腔一端连通，注水活塞底部设有与上透水板连通的水流通道；所述进水管路
上在远离注水活塞的方向上依次设有上流量计和上压力表；双向液压缸的上部有杆腔通过换向阀与液压控制系统连接；
11.双向液压缸的无杆腔另一端通过水回路与储水池连通，在水回路上设有抽水泵；
12.注水活塞上端设有压力传感器，压力传感器上端为压力机上部压头；
13.所述下压力表、上压力表和压力传感器均与无纸记录仪连接。
14.进一步地，所述球形阀旋转范围为0至90度。
15.进一步地，所述注水活塞下部位于上透水板上方的缸筒内部，其外圆周与缸筒内壁滑动配合。
16.进一步地，所述注水活塞与上透水板之间同轴设置有钢垫圈。
17.与现有技术相比，该试验装置通过在压力机上部压头与下部工作台之间设置用于放置大孔隙混凝土试块的缸筒，缸筒底部与出水底座进行固定连接，在大孔隙混凝土试块上端和下端分别设有上透水板和下透水板，同时在上透水板的上方设注水活塞，注水活塞一方面用于传递其上方压力机压头施加的轴向荷载，另一方面用于接收来自双向液压缸输送的压力水，并将该压力水下送至大孔隙混凝土试块，水流经大孔隙混凝土试块间隙向下流至出水底座，实现了对大孔隙混凝土试块轴向荷载和渗流压力耦合下的渗流性研究，且水流、水压及荷载可分别通过球形阀、液压控制系统及压力机进行调节，数据均输送至无纸记录仪进行记录，为满足多种情形下的耦合试验提供了可能性，装置整体易于操作，可靠性高，为大孔隙混凝土试块更为广泛的应用提供了研究基础和数据支撑。
18.本发明还提供了一种大孔隙混凝土荷载与渗流耦合的试验方法，包括如下步骤：
19.s1：将大孔隙混凝土试块置于缸筒内，在大孔隙混凝土试块与缸筒内壁之间的间隙内填充密封材料，直至大孔隙混凝土试块内壁与密封材料、密封材料与缸筒内壁之间完全密封，将上透水板同轴置于大孔隙混凝土试块上端，将注水活塞同轴放置于上透水板上；将缸筒底部通过螺栓固定在出水底座上，将出水底座固定于压力机下部工作台上；将进水管路、出水管路和水回路以及下流量计、下压力表、上流量计、上压力表、压力传感器和液压控制系统连接到位；
20.s2：将换向阀调节至油液回流至液压控制系统的方向，打开抽水泵向双向液压缸的下部无杆腔内进行注水，待注水完成后，关闭抽水泵并将换向阀调节至供油方向；调节球形阀至开启状态，打开无纸记录仪；
21.s3：启动压力机对注水活塞加压，注水活塞在压力机压头的轴向荷载作用下向下位移至压紧上透水板，上透水板向下位移至压紧并将轴向荷载传递至大孔隙混凝土试块上端，当压力升至设定值后保持压力不变；同时，启动液压控制系统，双向液压缸上部活塞杆体下移，下部无杆腔在油压作用下水压增加，增压后的水进入注水活塞内，经注水活塞底部开设的水流通道进入大孔隙混凝土试块，再经大孔隙混凝土试块内部的间隙从上至下经下透水板排入出水底座内开设的储水空腔，最后通过出水通道排入储水池；与此同时，上流量计和下流量计分别对进水口的水流量数据和出水口的水流量数据进行测量和显示,上压力表、下压力表和压力传感器分别将采集到的进水口的水压力数据信号、出水口的水压力数据信号和大孔隙混凝土试块所承受的轴向压力数据信号发送至无纸记录仪进行数据保存；
22.s4：经步骤s1至s3完成装置调试后，进行渗透率测试：
23.a.保持轴向荷载不变，通过改变渗流压力得到不同渗流压力下大孔隙混凝土试块
的渗透率：
24.1)压力机对注水活塞施加荷载至f1后，保持荷载不变，通过调节球形阀的开启角度，直至上流量计和下流量计在相同时间内所显示的增量相等，记录δt1时间内通过大孔隙混凝土试块的水的流量为q1，此时上压力表的读数为p
1上
，下压力表的读数为p
1下
，得到在荷载为f1时，大孔隙混凝土试块两端的压力梯度为：
25.δp1＝(p
1上
—p
1下
)/h；
26.渗流速度为：
[0027]v1
＝4
×
q1/(δt1×
π
×
d2)；
[0028]
渗透率为：
[0029]
k1＝μ
×4×
q1×
h/[(δt1×
π
×
d2)(p
1上
—p
1下
)]；
[0030]
式中，μ为水的动力粘度，为一常数；h为大孔隙混凝土试块的高度；d为大孔隙混凝土试块的直径；
[0031]
2)保持压力机对注水活塞施加的荷载至f1不变，保持上流量计和下流量计在相同时间内所显示的增量相等不变，通过液压控制系统改变油压来改变渗流压力，记录δt2时间内通过大孔隙混凝土试块的水的流量为q2，此时上压力表的读数为p
2上
，下压力表的读数为p
2下
，荷载为f1时，大孔隙混凝土试块两端的压力梯度为：
[0032]
δp2＝(p
2上
—p
2下
)/h；
[0033]
渗透率为：
[0034]
k2＝μ
×4×
q2×
h/[(δt2×
π
×
d2)(p
2上
—p
2下
)]；
[0035]
以此类推，通过保持荷载不变，改变渗流压力能得到多组压力梯度和渗透率：
[0036]
δpi＝(p
i上
—p
i下
)/h；
[0037]ki
＝μ
×4×
qi×
h/[(δti×
π
×
d2)(p
i上
—p
i下
)]；
[0038]
式中，i为自然数，表示试验次序；
[0039]
b.保持渗透压力不变，通过改变轴向荷载得到不同荷载作用下大孔隙混凝土试块的渗透率：
[0040]
1)通过调节液压控制系统将进水口的水压调至p
4上
，压力机对注水活塞施加荷载至f1，通过调节球形阀的转动将出水口的水压调至p
4下
，记录δt
’1时间内通过混凝土试样的水的流量为q
’1，得到在荷载为f1时，渗透率为：
[0041]k’1＝μ
×4×q’1×
h/[(δt
’1×
π
×
d2)(p
4上
—p
4下
)]；
[0042]
式中，μ为水的动力粘度，为一常数；h为大孔隙混凝土试块的高度；d为大孔隙混凝土试块的直径；
[0043]
2)保持进水口和出水口的水压不变，通过压力机压力改变将轴向荷载调节至f2，记录δt
’2时间内通过混凝土试样的水的流量为q
’2，此时上压力表的读数为p
2上
，下压力表的读数为p
2下
，得到在荷载为f2时，渗透率为：
[0044]k’2＝μ
×4×q’2×
h/[(δt
’2×
π
×
d2)(p
4上
—p
4下
)]；
[0045]
以此类推，保持进水口和出水口的水压不变，通过压力机改变轴向荷载能得到多组渗透率：
[0046]
k’i
＝μ
×4×
q’i
×
h/[(δt’i
×
π
×
d2)(p
4上
—p
4下
)]；
[0047]
式中，i为自然数，表示试验次序；
[0048]
s5：对步骤s4中得到的渗透率随轴向荷载和渗流压力变化的数据经cline-renka三角剖分算法进行矩阵化后作图，得到大孔隙混凝土试块渗透率与轴向荷载和渗流压力的耦合关系。
[0049]
该方法实现了对大孔隙混凝土试块轴向荷载和渗流压力耦合下的渗流性研究，便于定量分析轴向荷载和渗流压力共同作用下对大孔隙混凝土试块渗透性的影响，得到大孔隙混凝土试块在受到轴向荷载和渗流压力共同作用时实际的渗透率，为工程实例提供了研究方法。
附图说明
[0050]
图1是本发明的结构示意图
[0051]
图2是渗透率随渗流压力梯度变化图；
[0052]
图3是渗透率随轴向荷载变化图；
[0053]
图4是渗透率与轴向荷载和渗流压力的耦合关系图。
[0054]
图中：1、压力机，2、压头，3、工作台，4、大孔隙混凝土试块，5、缸筒，6、出水底座，7、上透水板，8、透水通孔一，9、下透水板，10、透水通孔二，11、储水空腔，12、出水通道，13、出水管路，14、球形阀，15、下流量计，16、下压力表，17、储水池，18、注水活塞，19、进水管路，20、双向液压缸，21、上流量计，22、上压力表，23、换向阀，24、液压控制系统，25、水回路，26、抽水泵，27、压力传感器，28、无纸记录仪，29、钢垫圈。
具体实施方式
[0055]
下面结合附图对本发明作进一步说明。
[0056]
如图1所示，一种大孔隙混凝土荷载与渗流耦合的试验装置，包括压力机1，在压力机上部压头2与下部工作台3之间设有用于放置大孔隙混凝土试块4的缸筒5，所述缸筒5为上下端面贯通的空心套筒，其底部通过外圆周设置的连接耳板固定于出水底座6上，所述出水底座6固定于工作台3上；
[0057]
缸筒5内壁敷设周向分布的密封材料，在密封材料所形成的筒状空间内放置大孔隙混凝土试块4，所述大孔隙混凝土试块4与筒状空间相适配，其外圆周与筒状空间内圆周紧密贴合；
[0058]
缸筒上部设有上透水板7，所述上透水板7与大孔隙混凝土试块4同轴滑动安装于大孔隙混凝土试块上方的缸筒内壁上，其圆形端面上开设多个透水通孔一8；
[0059]
缸筒底端设有下透水板9，所述下透水板9固定于大孔隙混凝土试块下方的缸筒筒壁上，其圆形端面上开设多个透水通孔二10；
[0060]
在下透水板9下方的出水底座6内开设储水空腔11和出水通道12，储水空腔11的下部出水口与出水通道12一端连通，出水通道12的另一端与出水管路13一端连接，出水管路13上在远离出水通道12的方向上依次设有球形阀14、下流量计15和下压力表16，出水管路13另一端连通储水池17；
[0061]
上透水板7的上方为同轴设置的注水活塞18，所述注水活塞18通过进水管路19与双向液压缸20的下部无杆腔一端连通，注水活塞18底部设有与上透水板7连通的水流通道；所述进水管路19上在远离注水活塞18的方向上依次设有上流量计21和上压力表22；双向液
压缸20的上部有杆腔通过换向阀23与液压控制系统24连接；
[0062]
无杆腔另一端通过水回路25与储水池17连通，在水回路25上设有抽水泵26；
[0063]
注水活塞18上端设有压力传感器27，压力传感器27上端为压力机压头2；
[0064]
所述下压力表16、上压力表22和压力传感器27均与无纸记录仪28连接。
[0065]
为了实现对出水通道12出水量的调节，所述球形阀14旋转范围为0至90度。
[0066]
为了提高注水活塞18轴向传递荷载的稳定性，所述注水活塞18下部位于上透水板7上方的缸筒内部，其外圆周与缸筒内壁滑动配合。
[0067]
为了让水流更均匀的通过大孔隙混凝土试块，所述注水活塞18与上透水板7之间同轴设置有钢垫圈29。
[0068]
本发明还提供了一种大孔隙混凝土荷载与渗流耦合的试验方法，包括如下步骤：
[0069]
s1：将大孔隙混凝土试块置于缸筒内，在大孔隙混凝土试块与缸筒内壁之间的间隙内填充密封材料，直至大孔隙混凝土试块内壁与密封材料、密封材料与缸筒内壁之间完全密封，将上透水板同轴置于大孔隙混凝土试块上端，将注水活塞同轴放置于上透水板上；将缸筒底部通过螺栓固定在出水底座上，将出水底座固定于压力机下部工作台上；将进水管路、出水管路和水回路以及下流量计、下压力表、上流量计、上压力表、压力传感器和液压控制系统连接到位；
[0070]
s2：将换向阀调节至油液回流至液压控制系统的方向，打开抽水泵向双向液压缸的下部无杆腔内进行注水，待注水完成后，关闭抽水泵并将换向阀调节至供油方向；调节球形阀至开启状态，打开无纸记录仪；
[0071]
s3：启动压力机对注水活塞加压，注水活塞在压力机压头的轴向荷载作用下向下位移至压紧上透水板，上透水板向下位移至压紧并将轴向荷载传递至大孔隙混凝土试块上端，当压力升至设定值后保持压力不变；同时，启动液压控制系统，双向液压缸上部活塞杆体下移，下部无杆腔在油压作用下水压增加，增压后的水进入注水活塞内，经注水活塞底部开设的水流通道进入大孔隙混凝土试块，再经大孔隙混凝土试块内部的间隙从上至下经下透水板排入出水底座内开设的储水空腔，最后通过出水通道排入储水池；与此同时，上流量计和下流量计分别对进水口的水流量数据和出水口的水流量数据进行测量和显示,上压力表、下压力表和压力传感器分别将采集到的进水口的水压力数据信号、出水口的水压力数据信号和大孔隙混凝土试块所承受的轴向压力数据信号发送至无纸记录仪进行数据保存；
[0072]
s4：经步骤s1至s3完成装置调试后，进行渗透率测试：
[0073]
a.保持轴向荷载不变，通过改变渗流压力得到不同渗流压力下大孔隙混凝土试块的渗透率，如图2所示：
[0074]
1)压力机对注水活塞施加荷载至f1后，保持荷载不变，通过调节球形阀的开启角度，直至上流量计和下流量计在相同时间内所显示的增量相等，记录δt1时间内通过大孔隙混凝土试块的水流量为q1，此时上压力表的读数为p
1上
，下压力表的读数为p
1下
，得到在荷载为f1时，大孔隙混凝土试块两端的压力梯度为：
[0075]
δp1＝(p
1上
—p
1下
)/h；
[0076]
渗流速度为：
[0077]v1
＝4
×
q1/(δt1×
π
×
d2)；
[0078]
渗透率为：
[0079]
k1＝μ
×4×
q1×
h/[(δt1×
π
×
d2)(p
1上
—p
1下
)]；
[0080]
式中，μ为水的动力粘度，为一常数，单位为pa
·
s；h为大孔隙混凝土试块的高度，单位为mm；d为大孔隙混凝土试块的直径，单位为mm；q1为通过大孔隙混凝土试块的水流量，单位为l；p
1上
和p
1下
的单位均为mpa；
[0081]
2)保持压力机对注水活塞施加的荷载至f1不变，保持上流量计和下流量计在相同时间内所显示的增量相等不变，通过液压控制系统改变油压来改变渗流压力，记录δt2时间内通过大孔隙混凝土试块的水的流量为q2，此时上压力表的读数为p
2上
，下压力表的读数为p
2下
，荷载为f1时，大孔隙混凝土试块两端的压力梯度为：
[0082]
δp2＝(p
2上
—p
2下
)/h；
[0083]
渗透率为：
[0084]
k2＝μ
×4×
q2×
h/[(δt2×
π
×
d2)(p
2上
—p
2下
)]；
[0085]
以此类推，通过保持荷载不变，改变渗流压力能得到多组压力梯度和渗透率：
[0086]
δpi＝(p
i上
—p
i下
)/h；
[0087]ki
＝μ
×4×
qi×
h/[(δti×
π
×
d2)(p
i上
—p
i下
)]；
[0088]
式中，i为自然数，表示试验次序；
[0089]
b.保持渗透压力不变，通过改变轴向荷载得到不同荷载作用下大孔隙混凝土试块的渗透率，如图3所示：
[0090]
1)通过调节液压控制系统将进水口的水压调至p
4上
，压力机对注水活塞施加荷载至f1，通过调节球形阀的转动将出水口的水压调至p
4下
，记录δt
’1时间内通过混凝土试样的水的流量为q
’1，得到在荷载为f1时，渗透率为：
[0091]k’1＝μ
×4×q’1×
h/[(δt
’1×
π
×
d2)(p
4上
—p
4下
)]；
[0092]
式中，μ为水的动力粘度，为一常数，单位为pa
·
s；h为大孔隙混凝土试块的高度，单位为mm；d为大孔隙混凝土试块的直径，单位为mm；q
’1为通过大孔隙混凝土试块的水流量，单位为l；p
4上
和p
4下
的单位均为mpa；
[0093]
2)保持进水口和出水口的水压不变，通过压力机压力改变将轴向荷载调节至f2，记录δt
’2时间内通过混凝土试样的水的流量为q
’2，此时上压力表的读数为p
2上
，下压力表的读数为p
2下
，得到在荷载为f2时，渗透率为：
[0094]k’2＝μ
×4×q’2×
h/[(δt
’2×
π
×
d2)(p
4上
—p
4下
)]；
[0095]
以此类推，保持进水口和出水口的水压不变，通过压力机改变轴向荷载能得到多组渗透率：
[0096]
k’i
＝μ
×4×
q’i
×
h/[(δt’i
×
π
×
d2)(p
4上
—p
4下
)]；
[0097]
式中，i为自然数，表示试验次序；
[0098]
s5：对步骤s4中得到的渗透率随轴向荷载和渗流压力变化的数据经cline-renka三角剖分算法进行矩阵化后作图，得到大孔隙混凝土试块渗透率与轴向荷载和渗流压力的耦合关系，如图4所示。
[0099]
通过本发明，实现了对轴向荷载和渗流压力共同作用下对大孔隙混凝土试块渗透性影响的定量分析，得到了大孔隙混凝土试块在受到轴向荷载和渗流压力共同作用时实际的渗透率，为工程实例提供了研究方法。