一种室内超声检测气泡混合轻质土强度的装置及方法与流程

本发明涉及轻质土强度检测技术领域，特别是一种室内气泡混合轻质土的快速制样与超声检测的方法及装置。

背景技术：

目前，实验室中气泡混合轻质土的强度测试方法主要为试样法，试样法即室内浇筑相同配合比的试样，试样固化后测试28天的抗压强度。该方法虽然简单易行，但由于试样的成型条件、养护条件和受力状态都不能完全等同于工程实际，因此测试结果不一定准确，不能完全反映实际工程中气泡混合轻质土的强度，只能认为是特定条件下气泡混合轻质土的性能反映。另外，通车运营过程中，若需要测试某段道路路基上的气泡混合轻质土强度，则需在原位钻取轻质土试块进行测试，该方法会对路基造成一定的损伤。

工程建设中还有一种静压取芯方法(专利号:zl201410183350.6)用来测试气泡混合轻质土强度。静压取芯法是在原有的钻芯法装置上进行了相关改进，使其可以用来测试路堤不同深度气泡混合轻质土的强度。虽然该方法对路基造成的损伤很小，属于微损测试，但是测试设备沉重，不便搬运，在实际工程中使用时多有不便之处。

气泡混合轻质土的无损检测方法尚未形成系统的体系，可参考混凝土的无损检测方法。混凝土强度的无损检测方法主要以下几种：

半破损法是不影响构件的承载力为前提，在构件上直接进行局部破坏试验，或直接钻取芯样进行破坏性试验。属于这类方法的有钻芯法、拔出法、射击法等。这类方法的特点是以局部破坏性试验获得混凝土强度，因而较为直观可靠。缺点是造成结构物的局部破坏，需进行修补，因而不宜用于大面积检测。

非破损法以混凝土强度与某些物理量之间的相关性为基础，检测时在不影响混凝土任何性能的前提下，测试这些物理量，然后根据相关关系推算被检测混凝土的强度。属于这类方法的有回弹法、超声波法、超声波脉冲法、射线吸收与散射法、成熟法等。这些方法的特点是测试简便、费用低廉，但测试结果的可靠性不高，主要取决于混凝土强度与所测试物理量之间的相关性。

目前气泡混合轻质土的制备及检测操作是分开的，即先制备气泡混合轻质土试样，脱模后再通过其它手段进行检测。这种常规的制备及检测方式只能检测已经脱模的试样成品，多数检测方法都使试样有所损伤，且制备试样的过程中由于大部分为手动操作，无法保证试样质量，使得检测结果的准确性较低，并且耗时耗力，实验效率低下。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明的目的是提供一种室内集气泡混合轻质土的快速制样与超声检测为一体的装置及检测方法，解决现有制样与检测分开进行，造成的耗时耗力、噪声等问题，及检测方法大多对被测试样有损伤，影响检测结果准确性的技术问题。

本发明通过以下技术方案实现：

一种室内气泡混合轻质土试样的制样装置，包括一制样机构，所述制样机构包括一个底座，底座相对的两侧各设置有一个侧面板，两个侧面板位于底座的同一侧，两个侧面板之间间隔设置有多个隔板，每个隔板均同时垂直于底座和两个侧面板，每个隔板的底端设置于底座上，每个隔板与两个侧面板之间接触连接，隔板、底座与侧面板之间形成用于容纳试样的腔室；底座上位于隔板的外侧各设置有一个用于连接换能器的支架；底座上位于两个支架之间设置有导轨，导轨与两侧的侧面板平行设置，且其中一个支架能够在该导轨上滑动，另一个支架与底座固定连接；其中一个侧面板上设置有用于记录龄期的计时器。

优选地，制样机构的两个侧面板和底座上开设有用于连接隔板的卡槽。

优选地，所述隔板为有机玻璃材质，隔板与两个侧面板及底座的连接处粘贴有止水带。

所述的一种室内气泡混合轻质土试样的制样装置，还包括分体式连接的造泡罐和混合罐，造泡罐和混合罐通过减震底座设置于一个托架上，托架下方设置制样机构；

造泡罐顶部设置有盖体，盖体上连接有伸入造泡罐内的造泡罐搅拌器，造泡罐搅拌器的搅拌轴上连接有球形搅拌叶片；混合罐顶部也设置有盖体，盖体上连接有伸入混合罐内的混合罐搅拌器，混合罐搅拌器的搅拌轴上连接有桨式搅拌叶片；造泡罐和混合罐的盖体上均开设有排气孔；

造泡罐和混合罐通过管道连接，该管道上设置有泵机，泵机将造泡罐内的泡沫通过管道输送至混合罐内；混合罐的出料口连通至分流板上，分流板设置于制样机构上，混合罐中的物料经分流板输送至制样机构中。

一种室内超声检测气泡混合轻质土试样强度的方法，包括：

步骤一，用制样机构制备多个不同配合比的标准试样，标准试样为长宽高100mm*100mm*100mm的立方体结构，标准试样拆模后至少静置24h，气泡混合轻质土的配合比m＝mc:mw:vs，其中m为气泡混合轻质土的配合比；mc为所需水泥的质量；mw为所需水的质量；vs为所需气泡群体积；

步骤二，对不同龄期、不同配合比的标准试样进行分批次检测；检测时，将上述标准试样分别放置于制样机构的装样腔室中，将换能器安装在制样机构的两个支架上，在换能器上均匀涂抹耦合剂，缓慢移动支架在导轨上滑动，直至两个换能器将标准试样卡紧，而后启动超声仪主机，读取超声仪的超声声速，即vkz,j，再采用无侧限抗压强度试验测得这些标准试样的抗压强度值，即

步骤三，重复上述步骤，最终得到多组不同配合比标准试样在不同龄期时的超声声速vkz,j和抗压强度值

步骤四，将步骤三中的多组超声声速vkz,j和抗压强度值代入以下公式中，从而确定回归方程回归系数a，b，c，d的具体数值：

公式中：a，b，c，d为回归方程回归系数；vkz,j为第j个气泡混合轻质土试样的超声声速；j为气泡混合轻质土试样的个数，j大于等于1；为第j个气泡混合轻质土标准试样的抗压强度值；

步骤五，用制样机构制备不同配合比的待检测试样，待检测试样的尺寸规格为100mm*100mm*100mm，待检测试样拆模24h后，对相应龄期的待检测试样进行强度检测；将待检测试样放置于制样机构的装样腔室中，根据步骤二中的方法测得超声声速vkz,j，将该超声声速vkz,j的数值、步骤四中得到的回归方程回归系数的数值代入步骤四的公式中，计算得到待检测试样的抗压强度值，即

当标准试样的实际条件与实验室条件差距较大时，在此时测定标准试样的强度，需对超声声速进行修正，先后顺序为：先进行温度修正，再进行含水率修正。实验室条件下气泡混合轻质土的温度为20±2℃，含水率为8％～15％；

温度修正公式为：

含水率修正公式为：

修正后的强度测定计算公式为：

上述公式中：fkz,j为第j个气泡混合轻质土标准试样经温度和含水率修正后的抗压强度值；rt为温度修正系数；a、b为含水率修正系数；为进行温度修正后的超声声速；为进行温度修正和含水率修正后的超声声速；vkz,j为未进行温度修正和含水率修正的超声声速。

一种室内超声检测气泡混合轻质土强度的方法，包括步骤：

步骤一，制样；制备不同配合比的待检测试样，待检测试样的尺寸规格为100mm*100mm*100mm，具体包括：

步骤a，根据所需气泡群体积和气泡群密度计算发泡剂及水的质量，将发泡剂与水按比例在造泡罐内混合，造泡罐搅拌器通过高速转动球形搅拌叶片在造泡罐内进行发泡；

步骤b，根据所需气泡混合轻质土强度的配合比配置水泥和水，将水泥与水在混合罐内混合，混合罐搅拌器通过低速转动桨式搅拌叶片在混合罐内进行混合搅拌；待发泡完成后，开启泵机，将造泡罐内的气泡送入混合罐内，再用混合罐搅拌器将水泥与气泡搅拌均匀；搅拌均匀后关闭混合罐搅拌器，将混合罐内得到的混合料输送到制样机构中，待混合料装满制样室后启动计时器；

步骤c，拆模时，拆除制样机构的两侧面板及隔板，取出试样，将试样至少静置24h；准备进行超声检测时，将两块侧面板重新装回底座后，将试样移动至第一支架处；先暂停计时器，记录计时器数据即试样的龄期；

步骤二，检测；先将超声检测机的第一换能器安装在制样机构的第一支架上，再将第二换能器安装在第二支架上；在两个换能器上抹上耦合剂，缓慢移动第二支架，直至第二换能器与第一换能器将试样卡紧，而后启动超声仪主机，记录超声声速vkz,j，将该超声声速vkz,j的数值代入公式中，计算得到fkz,j，即待检测试样的抗压强度值。

本发明采用上述技术方案后具有的有益效果：

本明所述的一种气泡混合轻质土的制样机构，能够实现试样制备与超声检测的一体化，计时器可以自动记录龄期，并且换能器固定安装在两个支架上，无需手持，提高了实验精度。

本发明所述的一种室内超声检测气泡混合轻质土试样强度的方法，使用无侧限抗压强度试验测得标准试样的抗压强度值，再用超声检测测得的超声声速与标准试样的抗压强度值建立强度测定计算公式，在其他标准试样的强度检测中，只需使用超声设备测得超声声速，代入强度测定计算公式，计算得到该试样的抗压强度值。这种超声检测方法对所测试样没有任何损伤，且测试过程简单易行。

本发明所述的一种室内集气泡混合轻质土的快速制样与超声检测为一体的装置及检测方法，集制样与强度检测为一体，拆模完成24小时后即可进行强度检测，缩短了实验周期，并且自动化程度高，大大提高了实验数据的准确性。本方法对所测试样无任何损伤，可以检测试样在不同龄期的强度。

附图说明

图1为本发明所述集制样与超声检测为一体的装置的结构示意图。

图2为分流板的结构示意图。

图3为制样机构的正视结构示意图。

图4为制样机构的俯视结构示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明所述的一种室内集气泡混合轻质土的制样与超声检测为一体的装置，包括分体式连接的造泡罐1和混合罐2，造泡罐1和混合罐2通过管道3连接，该管道上设置有泵机4，泵机将造泡罐内的泡沫通过管道输送至混合罐内；混合罐的出料口5连通至分流板6上，分流板设置于制样机构上，混合罐中的物料经分流板输送至制样结构中。

造泡罐顶部设置有盖体，盖体上连接有伸入造泡罐内的造泡罐搅拌器7，造泡罐搅拌器的搅拌轴上连接有球形搅拌叶片8；混合罐顶部设置有盖体，盖体上连接有伸入混合罐内的混合罐搅拌器9，混合罐搅拌器的搅拌轴上连接有桨式搅拌叶片10。

造泡罐和混合罐底部均通过减震底座11设置于一个托架12上，托架上开设有用于将混合罐出料口中的物料输送至分流板的物料通道。

造泡罐和混合罐工作过程中会产生震动，混合罐、造泡罐与减震底座连接处设置有橡胶垫，橡胶垫起到固定罐体及吸收震动用于减震的作用。

还可以在所述造泡罐的罐壁上设置有刻度线，将造泡罐材料设计成无色透明塑料，可以观察造泡罐内产生的气泡量。

造泡罐和混合罐的盖体上均开设有排气孔，用于平衡气压。

如图2所示分流板中间有一沟槽，沟槽两侧及中间开有通孔，用于使浆体可以流入制样机构的三个制样室中。

如图3、4所示，本发明所述的制样机构，包括一个长方形的底座13，底座13相对的两侧各设置有一个长方形的侧面板，分别为左侧面板19和右侧面板20，左侧面板19和右侧面板20位于底座13的同一侧，左侧面板19和右侧面板20上开设有用于连接隔板的卡槽。

底座13上开设有用于连接隔板的凹槽，四条凹槽对应安插四块有机玻璃材质的隔板，每个隔板均同时垂直于底座13和两个侧面板，每个隔板的底端设置于底座13上，每个隔板与两个侧面板之间接触连接，且隔板与两个侧面板及底座13的连接处粘贴有止水带。

底座13上位于隔板的外侧各设置有一个用于连接换能器的支架，分别为第一支架17和第二支架18；底座13上位于第一支架17和第二支架18之间设置有导轨13，导轨13与左侧面板2和右侧面板3平行设置，且第二支架18能够在该导轨13上滑动，第一支架17与底座13固定连接。

在右侧面板上设置有用于记录龄期的计时器16，所述计时器的计量单位为日、时、分。

在第一支架和第二支架内环附有橡胶圈和可调节松紧程度的卡口，用于紧固及保护换能器。

底座沿长向安装刻度导轨15，底座固定连接，第一支架的固定位置在第一凹槽外侧，导轨滑动连接第二支架18，第一支架连接第一换能器14，第二支架连接第二换能器，第一换能器和第二换能器对应配合，刻度导轨与第一换能器和第二换能器对应配合；右侧面板装有计时器16；在模具的外侧设有与第一换能器和第二换能器连接的超声仪主机。

如图4所示，每两块隔板的间距可以相等，也可以不等。在本发明所述的一种室内超声检测气泡混合轻质土试样强度的方法的强度测定计算公式中，采用的是长宽高为100mm*100mm*100mm的标准试样。但制样机构在进行制样时，还可以通过在凹槽内进行隔板的安插，改变试样的长度。

一种室内气泡混合轻质土的制样与超声检测的方法，将发泡剂与水按比例在造泡罐内混合，造泡罐搅拌器通过高速转动在造泡罐内进行发泡。其中，所需发泡剂与水的混合质量＝所需气泡群密度×所需气泡群体积，“所需气泡群密度”根据规范《cjjt177-2012气泡混合轻质土填筑工程技术规程》为50kg/m³。将水泥与水按比例在混合罐内混合，水泥及水的比例按所需气泡混合轻质土强度分配，混合罐搅拌器通过高速转动在混合罐内进行混合搅拌，开启泵机，将造泡罐内的气泡送入混合罐内，再用混合罐搅拌器将水泥与气泡搅拌均匀后，将混合罐内得到的混合料输送到制样机构中，待混合料装满制样室后启动计时器。拆模时，拆除左右两侧面板及隔板，取出试样，将两块侧面板重新装回底座上，将试样移动至第一支。由于试样刚拆模时，试样内部含水量较大，对超声检测有一定影响，需要将试样静置至少24小时，试样内大部分水分蒸发后再进行检测。进行检测时，先暂停计时器，记录计时器数据即试样的龄期。将第一换能器安装在固定的第一支架上，再将第二换能器安装在第二支架上，抹上耦合剂，缓慢移动第二支架，直至第二换能器与第一换能器将试样卡紧，而后启动超声仪主机，读取超声声速。

超声检测仪为现有技术，本发明中采用现有的超声检测机即可，该现有的超声检测仪具有两个换能器、主机等本发明用到的主要功能件。本实施例中超声检测仪采用的是北京智博联公司生产的zbl-520非金属超声检测仪，该超声检测仪的发射脉宽为0.04ms，采样周期为0.40μs，采样长度为512cm。

本发明利用超声检测方法得到气泡混合轻质土试样强度的原理包括：气泡混合轻质土不同抗压强度值对应的配合比m＝mc:mw:vs不同。其中m为气泡混合轻质土的配合比，mc为所需水泥的质量(g)，mw为所需水的质量(g)，vs为所需气泡群体积(ml)，一种配合比对应一种气泡混合轻质土的强度。本实施例中，标准试样抗压强度值为0.8mpa，对应的配合比m＝1:0.6:1.9。

一种室内超声检测气泡混合轻质土试样强度的方法，具体步骤包括：

步骤一，用制样机构制备多个不同配合比的标准试样，标准试样为长宽高100mm*100mm*100mm的立方体结构，标准试样拆模后至少静置24h；

步骤二，对不同的龄期、不同配合比的标准试样进行分批次检测。检测时，将上述标准试样分别放置于制样机构的装样腔室中，将换能器14安装在制样机构的两个支架上，在换能器14上均匀涂抹耦合剂，缓慢移动支架在导轨15上滑动，直至两个换能器14将标准试样卡紧，而后启动超声仪主机，读取超声仪的超声声速，即vkz,j，再采用无侧限抗压强度试验测得这些标准试样的抗压强度值，即

步骤三，重复上述步骤，最终得到多组不同配合比标准试样在不同龄期时的超声声速vkz,j和抗压强度值

步骤四，将步骤三中的多组超声声速vkz,j和抗压强度值代入以下公式中，从而确定回归方程回归系数a，b，c，d的具体数值：

强度测定计算公式：

公式中：a，b，c，d为回归方程回归系数；vkz,j为第j个气泡混合轻质土试样的超声声速；为第j个气泡混合轻质土标准试样的抗压强度值；

由于气泡混合轻质土内部存在大量气泡，与混凝土有很大差异，已有的强度测定计算公式：和在处理实验数据时产生的误差较大，并不适用于气泡混合轻质土。因此，本发明在已有的公式上进行修正，本发明建立的强度测定计算公式形式为：

本发明建立的强度测定计算公式在测定标准试样的抗压强度值时误差可控制在5％以内。

步骤五，用制样机构制备不同配合比的待检测试样，待检测试样采用长宽高为100mm*100mm*100mm的标准试样，待检测试样拆模24h后便可在任意时间，对相应龄期的待检测试样进行强度检测。将待检测试样放置于制样机构的装样腔室中，根据步骤二中的方法测得超声声速vkz,j，将该超声声速vkz,j的数值、步骤四中得到的回归方程回归系数的数值代入步骤四的公式中，计算得到待检测试样的抗压强度值，即无需破坏试样，通过超声检测参数就可以得到试样的抗压强度值。

本发明所述的强度测定计算公式与试样的尺寸有关，本发明中的标准试样采用长宽高为100mm*100mm*100mm的立方体结构。因试样的尺寸效应，使用本强度测定计算公式测定其他尺寸试样的抗压强度值时还需要进行相应修正。

本实施例中使用南京中联水泥厂生产的po42.5水泥制作标准试样时，建立的强度测定计算公式为：

本实施例中使用镇江水泥厂生产的海螺牌po42.5水泥制作标准试样时，建立的强度测定计算公式为：

当标准试样的实际条件与实验室条件差距较大时，在此时测定标准试样的强度，需对超声声速进行修正，先后顺序为：先进行温度修正，再进行含水率修正。实验室条件下气泡混合轻质土的温度为20±2℃，含水率为8％～15％。标准试样的实际条件是指：当气泡混合轻质土标准试样处于室外环境或者进行相关试验等不同情况时，标准试样的温度和含水率。

温度修正公式为：

含水率修正公式为：

修正后的强度测定计算公式为：

上述公式中：fkz,j为第j个气泡混合轻质土标准试样经温度和含水率修正后的抗压强度值；rt为温度修正系数；a、b为含水率修正系数；为进行温度修正后的超声声速；为进行温度修正和含水率修正后的超声声速；vkz,j为未进行温度修正和含水率修正的超声声速。

温度修正系数rt根据超声检测时试样的温度范围进行选择，如下表所示，其中：t为当前气泡混合轻质土的温度。含水率修正系数a、b的具体数值由水泥本身的属性决定，可以通过试验测得。

本实施例中镇江水泥厂生产的海螺牌po42.5水泥与南京中联水泥厂生产的po42.5水泥的温度修正系数rt均取1.00，则温度修正公式为：

本实施例中上述两种水泥的含水率修正系数a、b的具体数值均在标准试样的水饱和状态下测得。

当使用南京中联水泥厂生产的po42.5水泥制备的气泡混合轻质土标准试样处于水饱和状态时，含水率修正公式为：

当使用镇江水泥厂生产的海螺牌po42.5水泥制备的气泡混合轻质土标准试样处于水饱和状态时，含水率修正公式为：

本实施例中制作的标准试样使用镇江水泥厂生产的海螺牌po42.5水泥时，经温度和含水率修正后的强度测定计算公式为：

本实施例中制作的标准试样使用南京中联水泥厂生产的po42.5水泥时，经温度和含水率修正后的强度测定计算公式为：

本发明中涉及的未说明部分与现有技术相同或采用现有技术加以实现。