专利名称：一种水工混凝土破坏试验系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种水工混凝土破坏试验系统，用于模拟潮位-温度耦合作用下水工混凝土破坏过程。
背景技术：
水工结构混凝土由于受物理、化学及力学等方面的影响使得其耐久性问题十分复杂，这些影响因素主要包括冻融循环、碳化、碱集料反应、化学腐蚀、温度变化、潮位变化等多种因素。特别对于混凝土的潮差带部位，由于受到水的周期润湿，经常处于干湿交替的状态，加上环境温度差异造成的循环作用，使得码头桩基在荷载、温度、湿度等多因素共同作用下产生破坏，直接影响着水工结构的稳定与安全。目前研究影响水工结构混凝土破坏各因素之间相互作用及其耦合问题已成为岩土工程界、港口工程学界最前沿的研究方向之
O对于潮位变化、温度循环等单一因素作用下的混凝土耐久性问题，国内外已经开展了大量的研究工作，其中的许多结论和经验公式已经在学术界达成共识，并且在工程实际中得到了广泛应用和验证。目前的研究认为实际工程中的水工混凝土结构并不是处于单一因素作用下工作的，而是同时经受多种因素的复合作用。如温度差异造成桩基混凝土结构强度降低，使用过程中长期承受各种荷载和氯离子及其它盐类侵蚀的共同作用，加上桩表面由于受到水的周期润湿，经常处于干湿交替破坏等。水工混凝土结构在经受多种因素的共同作用时，其破坏并非各个单一因素作用的简单叠加，而是各种因素的交互耦合作用。正如吴中伟院士曾指出“耐久性研究本身存在缺点，如习惯单一破坏因素的研究试验，与实际工程中多因素的联合作用脱节；采用不正确的简化、外推、归纳甚至夸大的方法”。这样的耐久性对于实际多种环境及多重因素综合作用的情形必然有很大的偏差，这就是我们为什么经常看到许多按照规范设计的可服役30-50年的混凝土工程在不到几年或十几年就出现较大问题的重要原因。因此建成一种模拟潮位-温度耦合作用下水工混凝土破坏试验系统，对于研究水工混凝土在多因素作用下的破坏过程，提高水工混凝土结构使用寿命，具有非常重要的实际意义
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术不足，提供一种水工混凝土破坏试验系统，能够模拟潮位变化、温度共同作用下水工混凝土的破坏过程，为研究水工混凝土在多因素作用下的破坏过程，提高水工混凝土结构使用寿命提供实验依据。本发明具体采用以下技术方案解决上述技术问题
一种水工混凝土破坏试验系统，用于模拟潮位-温度耦合作用下水工混凝土破坏过程，包括
反应室，用于盛放水及水工混凝土待测试样；
反应室水位控制系统，用于对反应室中盛放的水的水位进行控制；反应室温度控制系统，用于对反应室内的温度进行控制。优选地，所述反应室水位控制系统包括进水槽、排水槽、水泵、水位监测模块、水位控制模块；所述进水槽、排水槽分别通过进水阀、排水阀与反应室连通，且排水槽顶面高程低于反应室地面高程，进水槽地面高程高于反应室设计最高水位的高程；所述水泵的进水端与排水槽连通，出水端与进水槽连通；进水阀、出水阀、水泵以及水位监测模块分别与水位控制模块信号连接。所述水位监测模块包括分别与所述水位控制模块信号连接的高水位电子式水位开关、低水位电子式水位开关；高水位电子式水位开关、低水位电子式水位开关分别固定于一刻度尺上，并可沿刻度尺上下滑动。优选地，所述反应室温度控制系统包括继电器控制系统及与其电连接的一组白炽灯，继电器控制系统可控制白炽灯定时开启、关闭。与现有技术相比，本发明具有如下优点
本发明能自动周期性控制水位与温度的变化，有效的模拟潮位变化与温度变化同时对水工混凝土的影响，研究水工混凝土在这两种因素作用下的破坏过程，且结构简单、控制精确、自动化程度高，具有较强的适用性。
图I为本发明的水工混凝土破坏试验系统的结构示意 图2为本发明的水工混凝土破坏试验系统中水位监测模块的结构示意图 图中标号含义如下
I、白炽灯组，2、继电器控制系统，3、电子式水位控制器，4、交流接触器，5、水泵，6、高水位电子式水位开关，7、低水位电子式水位开关，8、钢尺，9、进水开关，10、排水电磁阀，11、排水槽，12、进水槽，13、排水开关，14、进水电磁阀，15、反应室水位，16、反应室，17、电缆，18、电缆,19、进水软管，20、排水软管，21、输水软管，22、电缆，23、电缆，24、电缆，25、电缆。
具体实施例方式下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明
本发明的思路是将待测水工混凝土试件置于一盛有水的反应室中，通过反应室水位控制系统周期性调整反应室中的水位，以模拟实际使用环境中潮位的变化；同时通过反应室温度控制系统调整反应室内的温度，以模拟实际使用环境中温度的变化。通过试验期间对待测水工混凝土试件的观察和测量，来研究实际使用环境中水工混凝土在潮位变化与温度变化同时作用下的破坏过程。本发明的水工混凝土破坏试验系统包括
反应室，用于盛放水及水工混凝土待测试样；
反应室水位控制系统，用于对反应室中盛放的水的水位进行控制；
反应室温度控制系统，用于对反应室内的温度进行控制。上述技术方案中，反应室水位控制系统可采用现有的各种水位控制系统，为了循环利用水资源，降低系统建设成本，本发明优选采用以下方案所述反应室水位控制系统包括进水槽、排水槽、水泵、水位监测模块、水位控制模块；所述进水槽、排水槽分别通过进水阀、排水阀与反应室连通，且排水槽顶面高程低于反应室地面高程，进水槽地面高程高于反应室设计最高水位的高程；所述水泵的进水端与排水槽连通，出水端与进水槽连通；进水阀、出水阀、水泵以及水位监测模块分别与水位控制模块信号连接。采用上述方案，可使水在重力作用下流动并循环使用，且仅需使用一台水泵，降低了系统成本。所述水位监测模块可采用现有的各种技术，例如超声波水位监测装置，但考虑到实验仅需要监测水位在实际环境中最高潮位与最低潮位之间变化的情况，因此可采用成本较低的简易水位监测模块，本发明优选以下方案所述水位监测模块包括分别与所述水位控制模块信号连接的高水位电子式水位开关、低水位电子式水位开关；高水位电子式水位开关、低水位电子式水位开关分别固定于一刻度尺上，并可沿刻度尺上下滑动。当反应室内水位上升到高水位电子式水位开关处，高水位电子式水位开关闭合，通过水位控制模块关闭进水阀，打开排水阀，反应室开始排水至排水槽中，反应室水位降低；同时水位控制模块启动水泵，将排水槽中水输送至进水槽中。当反应室水位降低至低水位电子式开关处,低水位电子式开关闭合，通过水位控制模块打开进水阀，同时关闭排水阀与水泵，停止排水槽·与进水槽间输水，反应室水位上升，直至水位到达高水位电子式水位开关处，则再次重复上述过程，如此自动周期性的控制反应室水位高度。本发明的反应室温度控制系统可采用现有各种温度控制系统，例如空调等。为了更真实地模拟实际环境下的温度变化并降低系统成本，本发明的反应室温度控制系统优选以下方案所述反应室温度控制系统包括继电器控制系统及与其电连接的一组白炽灯，继电器控制系统可控制白炽灯定时开启、关闭。继电器控制系统自动控制白炽灯，通过白炽灯放射热量使得反应室升温，白炽灯周期性开启与关闭，从而控制反应室内温度的周期性变化。为了便于公众进一步了解本发明技术方案，下面以一个具体实施例来对本发明技术方案进行说明。本具体实施例的系统结构如图I所示，包括白炽灯组I、继电器控制系统2、电子式水位控制器3、交流接触器4、水泵5、高水位电子式水位开关6、低水位电子式水位开关7、钢尺8、进水开关9、排水电磁阀10、排水槽11、进水槽12、排水开关13、进水电磁阀14、反应室水位15、反应室16、电缆17、18、22、23、24、25，进水软管19、排水软管20、输水软管21。高、低水位电子式水位开关6、7固定在标有刻度的钢尺8上，分别通过电缆17、电缆18与电子式水位控制器3相连。水泵5通过电缆24与交流接触器4相连，交流接触器4通过电缆23与水位控制器3相连。进水开关9在试验过程中一直处于开启状态，电子式水位控制器3通过电缆22控制进水电子阀14，进水电子阀14打开时，进水槽12中的水通过进水软管19注入反应室16中，反应室水位15上升。排水槽11的顶面高程低于反应室16的地面高程，进水槽12的地面高程高于高水位电子式水位开关6的高程，使水能在重力作用下流动。继电器控制系统2可根据预设的时间间隔控制白炽灯周期性开启与关闭，通过白炽灯组I放射热量使得反应室16升温，模拟水工混凝土实际使用环境中的昼夜温差变化。当反应室16内水位上升到高水位电子式水位开关6处，高水位电子式水位开关6闭合，电子式水位控制器3关闭进水电子阀14，打开排水电磁阀10，反应室16开始排水至排水槽11中，反应室水位15降低；同时电子式水位控制器3通过交流接触器4启动水泵5，将排水槽11中的水输送至进水槽12中。当反应室水位15降低至低水位电子式开关7处，低水位电子式开关7闭合，电子式水位控制器3打开进水电磁阀14同时关闭排水电磁阀10与水泵5，停止排水槽11与进水槽12间输水，反应室水位15上升，直至水位到达高水位电子式水位开关6处，则再次重复上述过程，如此自动周期性的控制反应室水位15高度。使用上述实验系统时，需要预先设置水位变化范围、水位变化周期以及温度变化周期。其中水位变化范围设置方法如下如图2所示，调节高水位电子式水位开关6与低水位电子式水位开关7在钢尺8上的位置，使得两者距离等于水工混凝土所处实际环境中最高潮位与最低潮位之差值。水位变化周期设置方法如下调整进水开关9、排水开关13的开合程度，使其单位时间流量为 ，《可根据下式计算
m = SI / ￡
式中，^为反应室16的底面积'I为闻水位电子式水位开关6与低水位电子式水位开关7之间的距离't为所模拟实际环境中潮位的变化周期。设置好上述参数后，该系统可自动运行，置于其中的水工混凝土试件的强度在反应室内逐渐弱化与破坏，对试件进行持续观测，即可了解潮位变化、温度共同作用下水工混凝土的破坏过程。为了验证本发明的效果，利用上述系统进行了以下验证试验
模拟某港口一高桩梁板式码头混凝土桩基在长期使用过程中强度降低逐渐破坏过程。现场实测资料显示该港口平均最高潮位7. 4m，平均最低潮位6. 3m，变化周期为12小时，温度变化周期为半天12小时，桩基混凝土等级为C40，截面尺寸为O. 4mX O. 4m的方桩，试验反应室底面积4m2。根据现场资料计算出潮位差h=7. 4-6. 3=1. lm，在试验室内预制长度为2m，材料与截面尺寸与实际码头桩基相同，截面尺寸O. 4mX O. 4m,混凝土强度C40，预制桩达到28天强度后，竖直置于反应室内16，用于模拟现场混凝土桩基破坏过程。调整反应室内高水位电子式水位开关6与低水位电子式水位开关7在钢尺上的位置，固定好水位开关，使得两者间距等于潮位差I. lm。反应室面积尺寸4m2，潮位差为I. lm，变化周期为12小时，则调节进水开关9与排水开关13，使得单位时间流量m=(l. I X 4)/12=0. 37m3/h。开启继电器控制系统2与白炽灯组1，使得白炽灯的开启与闭合周期为12小时。开启电子式水位控制器13，自动控制反应室内水位15在高水位电子式水位开关6与低水位电子式水位开关7周期变化当反应室16内水位上升到高水位电子式水位开关6处，高水位电子式水位开关6闭合，电子式水位控制器3关闭进水电子阀14，打开排水电磁阀10，反应室16开始排水至排水槽11中，反应室水位15降低；同时电子式水位控制器3通过交流接触器4启动水泵5，将排水槽11中的水输送至进水槽12中。当反应室水位15降低至低水位电子式开关7处，低水位电子式开关7闭合，电子式水位控制器3打开进水电磁阀14同时关闭排水电磁阀10与水泵5，停止排水槽11与进水槽12间输水，反应室水位15上升，直至水位到达高水位电子式水位开关6处，重复上述过程，如此自动周期性的改变反应室水位15的高度，模拟实际潮位变化，期间可定期观察记录桩基的破坏过程。
权利要求
1.一种水工混凝土破坏试验系统，用于模拟潮位-温度耦合作用下水工混凝土破坏过程，其特征在于，包括 反应室，用于盛放水及水工混凝土待测试样； 反应室水位控制系统，用于对反应室中盛放的水的水位进行控制； 反应室温度控制系统，用于对反应室内的温度进行控制。
2.如权利要求I所述水工混凝土破坏试验系统，其特征在于，所述反应室水位控制系统包括进水槽、排水槽、水泵、水位监测模块、水位控制模块；所述进水槽、排水槽分别通过进水阀、排水阀与反应室连通，且排水槽顶面高程低于反应室地面高程，进水槽地面高程高于反应室设计最高水位的高程；所述水泵的进水端与排水槽连通，出水端与进水槽连通；进水阀、出水阀、水泵以及水位监测模块分别与水位控制模块信号连接。
3.如权利要求2所述水工混凝土破坏试验系统，其特征在于，所述水位监测模块包括分别与所述水位控制模块信号连接的高水位电子式水位开关、低水位电子式水位开关；高水位电子式水位开关、低水位电子式水位开关分别固定于一刻度尺上，并可沿刻度尺上下滑动。
4.如权利要求I所述水工混凝土破坏试验系统，其特征在于，所述反应室温度控制系统包括继电器控制系统及与其电连接的一组白炽灯，继电器控制系统可控制白炽灯定时开启、关闭。
全文摘要
本发明公开了一种水工混凝土破坏试验系统，用于模拟潮位-温度耦合作用下水工混凝土破坏过程。该系统包括反应室、反应室水位控制系统、反应室温度控制系统。所述反应室水位控制系统包括进水槽、排水槽、水泵、水位监测模块、水位控制模块；进水槽、排水槽分别通过进水阀、排水阀与反应室连通，且排水槽顶面高程低于反应室地面高程，进水槽地面高程高于反应室设计最高水位的高程；水泵的进水端与排水槽连通，出水端与进水槽连通；进水阀、出水阀、水泵以及水位监测模块分别与水位控制模块信号连接。本发明能有效模拟潮位变化与温度变化同时对水工混凝土的影响，且结构简单、控制精确、自动化程度高，具有较强的适用性。
文档编号G01N33/38GK102944669SQ20121045807
公开日2013年2月27日 申请日期2012年11月15日 优先权日2012年11月15日
发明者庄宁, 王松, 何良德, 陈达, 许超 申请人:河海大学