一种混凝土抗冲磨性能试验装置以及试验方法与流程

本申请涉及混凝土性能测试设备，尤其涉及一种混凝土抗冲磨性能试验装置以及试验方法。

背景技术：

含砂高速水流对水工建筑物过流面混凝土的冲刷磨损和空蚀破坏，是水工泄流建筑物如溢流坝、泄洪洞(槽)、泄水闸等常见的病害。尤其是当流速较高且水流中又夹带着悬移质和推移质时，混凝土遭受的冲磨空蚀就更为严重。

随着我国大型水利水电工程和超高水头水坝的兴建，水工建筑物中含砂水流的流速越来越高，对抗冲磨材料提出了更高要求。现行的标准《水工混凝土试验规程》(dl/t5150-2001)中，混凝土抗冲磨试验的方法主要有三种：圆环法、水下钢球阀、风砂枪法。

圆环法是将利用电机旋转带动含砂水流，冲刷圆环形混凝土试模内壁，通过实测混凝土的失重磨损得到其抗冲磨强度。圆环法在标准中对应10米水头的含砂水流冲磨试验，虽然有试验研究提高对圆环法的流速，但是对于超高水头的冲磨试验，其无法模拟，同时对机器设备的磨损十分严重，难以长时间运行。

水下钢球法是利用研磨钢球模拟水流中的流动介质，通过电机转动带动水流旋转从而冲磨混凝土试件表面，水下钢球法利用钢球代替水流中的砂，主要模拟推移质的冲磨试验。

风砂枪法利用空气压缩机喷出稳定高速的气流，并在喷头处设置加砂孔，模拟高速的含砂气流冲刷在混凝土试件表面上，从而测得其抗冲磨强度，但是风砂枪法与实际水流的流态有较大出入，不能很好的模拟实际水流的冲磨状况。

目前的标准规范并没有给出较为成熟的高速冲磨试验方案。为了使试件破坏情况与实际工程中的情况更为相似、试验设备更为稳定，以适应高速及超高速含砂水流的冲磨试验，本申请对此进行改进。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种模拟高水头的水工建筑物混凝土实际受冲磨情况的试验装置。此外，还提供基于该装置的试验方法。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下方案实现：

一种混凝土抗冲磨性能试验装置，用于测试混凝土试件，包括用于制造高速水流的射流装置，与射流装置连接的可将高速水流喷射出的喷枪，固定喷枪且可将喷枪进行循环移动的喷枪行走装置，与喷枪相对的可放置混凝土试件的试件架，所述喷枪还与加砂装置连接，使得高速水流与砂混合后射出。

所述喷枪行走装置包括喷枪固定单元以及与喷枪固定单元连接的使得喷枪固定单元实现水平往复运动的喷枪动力单元；所述喷枪动力单元包括滑槽、传动螺杆以及电机，所述传动螺杆置于滑槽内且其一端与滑槽的端部可转动连接，另一端与电机的动力输出轴固定连接；所述喷枪固定单元包括套设在传动螺杆上的且与滑槽空间相匹配的滑块以及固定在滑块上的喷枪固定夹。

所述电机的传动轴贯穿滑槽的端部与传动螺杆的另一端连接。

所述喷枪固定夹包括相互固定的第一固定块和第二固定块，所述第一固定块和第二固定块之间形成可夹紧喷枪的通孔，所述第二固定块与滑块固定。

所述喷枪行走装置的一侧设有遮挡单元，所述遮挡单元上设有长度与喷枪行走路径一致的窗口，使得喷枪固定在喷枪行走装置后其喷嘴可通过窗口露出。

所述遮挡单元的截面呈现上宽下窄，所述喷枪行走装置置于遮挡单元的斜下方。

所述试件架包括可放置试件的试件槽，所述试件槽的两侧分别设有压紧板，所述压紧板上固定有螺杆，所述螺杆贯穿试件槽设置。

所述试件架还包括与试件槽连接的支腿，所述试件槽的两侧设有连接板，所述支腿设有与试件槽的连接板相对应的安装板，所述连接板与安装板活动连接使得试件槽于支腿上可转动设置；所述连接板上设有弧形孔，与弧形孔对应的安装板上设有螺纹压紧件，用以压紧固定连接板和固定板。

所述加砂装置包括加砂漏斗和空气压缩机，所述加砂漏斗、射流装置通过三通阀与喷枪连接，所述空气压缩机连接至加砂漏斗与三通阀之间的管路上。

一种混凝土抗冲磨性能试验方法，基于上述试验装置，包括如下步骤：

s1：将待冲磨混凝土试件进行饱水处理，取出饱水混凝土试件，抹干混凝土试件表面，按预定冲角调整好试件架，排放混凝土试件于试件架上；

s2：称量一定质量磨料砂至加砂装置中，漏砂速度稳定后，启动射流装置，调整水压至预定值，且试验过程中维持水压不变，启动喷枪行走装置，混凝土试件逐块被冲磨；当磨料砂全部打完，关闭射流装置和试件行走装置；

s3：重复步骤s1～s2，记录每次试验后混凝土试件的质量损失量、消耗砂量和冲磨历时、冲磨面积；每次试验的冲磨次数≥4次；其中抗冲磨性能指标如下计算：

累计磨损率：

式中：(g1-g2)i为第i次试验的试件冲磨损失量，kg；mi为第i次试验的磨料砂消耗量，kg；g1为冲磨前混凝土试件擦干后的重量，g2为冲磨后混凝土试件清洗擦干后的重量，kg；

抗冲磨强度：

式中：fa，抗冲磨强度，即磨损1cm深所需小时数，h/cm；t，平均冲磨历时，h；ρc混凝土密度，g/cm³；a，试件受冲磨面积，cm²；m，平均冲磨砂量，kg；l0(α)，累计磨损率，g/kg。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：本申请利用高速及超高速含砂水流，模拟高水头的水工建筑物混凝土的实际受冲磨情况，具有完善的试验方法试验混凝土的抗冲磨性能；本申请采用的是喷枪移动的方法，可以降低移动装置的承重要求；采用喷枪移动的方法同时设置遮挡单元，防止被冲刷的磨砂粉料对装置造成破坏。

附图说明

图1为试验装置结构示意图；

图2为试件行走装置结构示意图；

图3为试件架局部结构示意图；

图4为试件槽角度变化示意图；

图5为试件槽结构示意图。

具体实施方式

为了让本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明作进一步阐述。

实施例

如图1～5所示，一种混凝土抗冲磨性能试验装置，用于测试混凝土试件，包括用于制造高速水流的射流装置100，与射流装置100连接的可将高速水流喷射出的喷枪300，固定喷枪300且可将喷枪300进行循环移动的喷枪行走装置200，与喷枪300相对的可放置混凝土试件的试件架600，所述喷枪300还与加砂装置500连接，使得高速水流与砂混合后射出。射流装置与加砂装置的配合，喷射出的水流具有实际水流的流态，模拟高水头的水工建筑物混凝土的实际受冲磨情况，从而为准确测得混凝土试件抗冲磨强度提供保证。射流装置的出水口处可设置水压表，可检测出实际的水压，由于水流与气流不一样，通过调节水压从而调节冲磨水流的速度，使得喷枪的喷嘴砂粒磨损度小，无需经常更换，降低对试验设备的损耗。

所述喷枪行走装置200包括喷枪固定单元以及与喷枪固定单元连接的使得喷枪固定单元实现水平往复运动的喷枪力单元。所述喷枪动力单元包括滑槽220、传动螺杆230以及电机240，所述传动螺杆230置于滑槽220内且其一端与滑槽的端部可转动连接(通过轴承可转动连接)，另一端与电机240的动力输出轴固定连接(通过联轴器260固定连接)；所述喷枪固定单元包括套设在传动螺杆230上的且与滑槽220空间相匹配的滑块270以及固定在滑块270上的喷枪固定夹280。通过电机的正转或反转，传动螺杆可在滑槽内正转或反转，套设在其上的滑块(滑块的具有与传动螺杆的外螺纹相啮合的内螺纹)能在传动螺杆上实现往复移动(由于滑块与滑槽空间相配合，即当传动螺杆转动时，滑槽空间对滑块进行限位，滑块只能通过螺纹沿着传动螺杆进行移动)，从而带动喷枪往复移动。本实施例中通过控制器250控制电机的正转或反转。本实施例中，采用喷枪移动的方法对试件进行冲磨而不是试件移动的方法，除了能降低移动装置的承重要求外，还降低了装置的机械复杂度。混凝土在冲磨过程中会产生大量含有粉尘的水，由于采用的是喷枪移动的方法，含有粉尘的水不会对试件架的设备造成损伤。要实现对混凝土试件的抗冲磨性能的测试，则要控制一切可变的因素，尽量降低误差，本申请采用传动螺杆的正转或反转来控制喷枪的往复移动，喷枪的运动路径也就是沿传动螺杆的长度方向，由于传动螺杆的刚性较大，喷枪往复运动的相对位置不容易发生变化，使得运行更为稳定，对混凝土试件的测试也更为准确。

所述电机240的传动轴贯穿滑槽220的端部与传动螺杆230的另一端连接。将电机置于滑槽外，避免滑槽的体积过大，而由于滑槽需要对滑块进行限位，缩小滑槽的提及能防止套设在传动螺杆上的滑块体积过大而造成的耗能过大的问题。

所述喷枪固定夹280包括相互固定的第一固定块281和第二固定块282，所述第一固定块281和第二固定块282之间形成可夹紧喷枪的通孔，所述第二固定块282与滑块270固定。只需分离第一固定块281和第二固定块282即可对喷枪的喷嘴进行夹紧，方便快捷。第二固定块282可与滑块270之间焊接固定，防止出现松动。优选的，所述第一固定块281和第二固定块282之间通过螺纹紧固件连接(如螺栓、螺钉等)，或第一固定块281的一侧和第二固定块282的一侧铰接，两者的另一侧通过螺纹紧固件283固定，这样不必在每次分离第一固定块281和第二固定块282后，都需要对第一固定块281进行放置，防止丢失。第一固定块281呈半圆柱状，第二固定块282呈半圆柱状，两者结合形成的通孔的轴向与传动螺杆的轴向相互垂直，使得当喷枪往复移动时，防止喷枪出现松动，固定效果更好。

所属喷枪行走装置的一侧设有遮挡单元400，所述遮挡单元400上设有长度与喷枪300行走路径一致的窗口(途中未画出)，使得喷枪固定在喷枪行走装置后期出口可通过窗口露出。遮挡单元的设置能防止水、砂进入喷枪行走装置中对其中的设备造成损伤。所述遮挡但元400和喷枪行走装置200固定在底座210上。

所述遮挡单元400的截面呈现上宽下窄，所述喷枪行走装置200置于遮挡单元的斜下方。首先，遮挡单元的截面呈现上款下窄，使得其顶部可便于放置其他设备，使得整个试验装置更为紧凑。其次，由于混凝土试件在测试过程中，会溅出大量的水和砂，为了防止这些水和砂进入到喷枪行走装置，通过设置遮挡单元，但是，遮挡单元需要设置通孔以使得喷枪的喷嘴露出，为了防止喷枪移动受阻，遮挡单元的通孔要稍微做大，但是做大后的通孔会使得水和砂进入。本申请中，通过截面呈现上宽下窄的设计，使得形成的窗口(即使得喷枪喷嘴露出的通孔)具有一定的横向宽度，当水和砂通过窗口进入时，由于此时的水和砂属于无序飘动的状态，容易粘附到窗口的内壁上，防止进入到喷枪移动装置中损害设备。

所述试件架600包括可放置混凝土试件的试件槽630，所述试件槽630的两侧分别设有压紧板631，所述压紧板631上固定有螺杆632，所述螺杆632贯穿试件槽630设置。混凝土试件放置在试件槽630中，转动螺杆632即可通过压紧板631对混凝土试件进行压紧。

所述试件架600还包括与试件槽630连接的支腿620，所述试件槽630的两侧设有连接板633，所述支腿620设有与试件槽的连接板相对应的安装板621，所述连接板633与安装板621活动连接使得试件槽630于支腿上可转动设置(通过螺柱601实现连接板633和安装版621可转动连接)；所述连接板633上设有弧形孔634，与弧形孔634对应的安装板上设有螺纹压紧件602(螺纹压紧件包括固定在安装板上的螺栓以及设置在螺栓上的螺母)，用以压紧固定连接板和固定板。所述支腿620固定在底座610上。

所述加砂装置500包括加砂漏斗510和空气压缩机520，所述加砂漏斗510、射流装置100通过三通阀与喷枪300连接，所述空气压缩机520连接至加砂漏斗与三通阀之间的管路上，防止堵塞。在堵塞的时候可通过空气压缩机520实现疏通。

一种混凝土抗冲磨性能试验方法，基于上述试验装置，包括如下步骤：

s1：将待冲磨混凝土试件进行饱水处理，取出饱水混凝土试件，抹干混凝土试件表面，按预定冲角调整好试件架，排放混凝土试件于试件架上；

s2：称量一定质量磨料砂至加砂装置中，漏砂速度稳定后，启动射流装置，调整水压至预定值，且试验过程中维持水压不变，启动喷枪行走装置，混凝土试件逐块被冲磨；当磨料砂全部打完，关闭射流装置和试件行走装置；

s3：重复步骤s1～s2，记录每次试验后混凝土试件的质量损失量、消耗砂量和冲磨历时、冲磨面积；每次试验的冲磨次数5次，每组试件的平均值为试验结果；其中抗冲磨性能指标如下计算：

累计磨损率：

式中：(g1-g2)i为第i次试验的试件冲磨损失量，kg；mi为第i次试验的磨料砂消耗量，kg；g1为冲磨前混凝土试件擦干后的重量，g2为冲磨后混凝土试件清洗擦干后的重量，kg；

抗冲磨强度：

式中：fa，抗冲磨强度，即磨损1cm深所需小时数，h/cm；t，平均冲磨历时，h；ρc混凝土密度，g/cm³；a，试件受冲磨面积，cm²；m，平均冲磨砂量，kg；l0(α)，累计磨损率，g/kg。

上述实施例仅为本发明的其中具体实现方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些显而易见的替换形式均属于本发明的保护范围。