混凝土抗冰磨损试验装置及试验方法与流程
本发明涉及混凝土试验技术领域，特别是涉及一种混凝土抗冰摩损性能试验装置及试验方法。
背景技术
流凌指的是在河流封冻前，冰块和河水一起流动的现象。全球寒冷区域范围内，冬季伴随而来的流凌问题不可避免。海冰会可以作用于海洋工程中的桥梁、码头、灯塔和石油平台，淡水冰可以撞击水库、运河、河流桥墩的混凝土坝上游面。流冰漂浮在水面上会产生动能，对水工建筑物产生撞击、摩擦，从而使得混凝土表面出现磨损，长期累积冰磨擦损伤会造成水工建筑物结构退化，降低水工建筑物的耐久性和安全性。因此，为了保证严寒区水利工程的服役性能和使用寿命，需要评估对混凝土抗冰摩损性能进行测试和评估。
目前，已有一些针对抗冰磨损耗试验装置，主要分为两类，一种是美国和日本分别发明带有转盘的冰磨机，将冰块接触到旋转的混凝土试样进行试验，该装置易造成试样不均匀荷载且试验装置过大，造价高。另一种是根据土力学实验设计的用剪切箱装置进行冰-混凝土的滑动试验，该装置虽然简易，但是操作过程由以下缺点：(1)需要将实验室内温度模拟真实混凝土结构的暴露条件，对实验室要求较高，试验成本过高；(2)为了在试验期间避免混凝土表面的冰生长，需要将混凝土进行部分加热，易造成冰块硬度发生变化，影响冰磨耗的结果。各个国家试验是在不同的试验设备下进行的，并且着重于不同的参数(磨损方法、接触压力、温度、冰漂流速度)，来自不同研究的测试结果并不好关联，研究成果无法进行参考。
技术实现要素：
本发明的目的是提供一种混凝土抗冰摩损性能试验装置及试验方法，以解决上述现有技术存在的问题，通过改变试验温度及冰块动能研究了不同气候条件、水流流速下混凝土抗冰摩损性能。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
本发明公开一种混凝土抗冰摩损性能试验装置，包括主体底板、往复机、往复机调速开关、往机固定支架、试块固定支座、冰槽滑动支架以及环形低温冰槽、低温恒温水浴，所述往复机包括变速电机、偏心杆、推拉杆、往复杆，所述变速电机、电机调速开关、电机固定支架均固定设置于所述主体底板上，所述变速电机端盖固定在电机固定支架预留孔内部，变速电机的转动轴穿过预留孔依次连接偏心杆、推拉杆、往复杆；往复杆通过往复杆固定支架滑动固定于往复机固定支架上；所述试块固定支座固定设置于所述主体支座上并用于固定混凝土试块，所诉试块固定支座表面平铺温控板用以维持混凝土试块上表面不结冰；所诉环形低温冰槽滑动固定于冰槽滑动支架上并能约束冰块滑动，摩擦混凝土试块；所述砝码放置于主体底板上，试验时将砝码放置于环形低温冰槽内冰块上方，通过改变接触压力大小调整冰块与混凝土试块间摩擦力；所诉低温恒温水浴与所诉环形低温冰槽的冷却液循环夹层连通以控制冰块周围的温度。
优选的，所述往复机配有往复机调速开关以测试不同摩擦速度下混凝土的抗冰摩损性能。
优选的所述往复机采用变速电机，通过往复机调速开关调节电机转动速度，即调节冰块与混凝土试块摩擦的速度。测试不同摩擦速度下冰块对水工混凝土的损伤程度。
优选的，所述变速电机轴承与所述偏心杆固定连接，所述偏心杆与所述推拉杆铰连接，所述推拉杆与所述往复杆铰连接。
优选的，所述冰槽滑动支架辅助固定混凝土试块同时限制环形低温冰槽的高度及滑动方向。所述冰槽滑动支架包括竖杆和横杆，竖杆紧邻试块固定支座两侧焊接在所述主体底板上以起到辅助固定试块的作用，横杆为滑道，限制限制环形低温冰槽的高度及滑动方向。
优选的，所述往复机包含电机调速开关以测试不同摩擦速度下混凝土的抗冰摩损性能。
优选的，所述变速电机轴承与所述偏心杆固定连接，所述偏心杆与所述推拉杆铰连接，所述推拉杆与所述往复杆铰连接。
优选的，所述冰槽滑动支架辅助固定混凝土试块同时限制环形低温冰槽的高度及滑动方向。所述冰槽滑动支架包括竖杆和横杆，竖杆紧邻试块固定支座两侧焊接在所述主体底板上以起到辅助固定试块的作用，横杆为滑道，限制限制环形低温冰槽的高度及滑动方向。
优选的，所述环形低温水槽由外槽体、内槽体组成，内外槽体间形成冷却液循环夹层，且环形低温水槽高度大于冰块和砝码的叠合高度。所述环形低温水槽由不锈钢制成以传递低温。
优选的，所述试块固定支座均包括固定底座和两个固定角钢支撑，各所述固定角钢支撑均固定连接于所述主体底座上，一个所述固定角钢支撑上穿设有一螺母，所述螺母内螺纹连接有一顶压螺栓。
优选的，所述低温恒温水浴最低制冷温度为零下30度，控制精达到为±0.1度，可以根据不同模拟地区的气候情况设置温度，严格控制了试验变量，增加了试验结果的准确性，同时减小了试块温度以及摩擦产生的热能对冰块硬度带来的影响。
优选的，所述砝码由25mm钢板制成，每块重量1kg，设备配置有多块砝码。试验时可以向所述环形低温冰槽内冰块上方放置不同数目的砝码调整冰块与试块的接触压力，从而调整冰块与试块之间摩擦力大小。
本发明还提供一种应用如上所述的试验装置测试混凝土抗冰摩损性能的试验方法，包括以下步骤：
步骤一：将养护好的混凝土试块取出后，进行外观观察，记录混凝土试块质量m1，并测定混凝土试块动厚度h1，对混凝土试块进行超景深三维扫描得到图像t1；
步骤二：将混凝土试块固定于所述试块固定支座上，将冰块，砝码依次重叠放入所述环形低温冰槽内并记录冰块g1、砝码质量g2；
步骤三，启动所述电机调速开关和所述低温恒温水浴，向所述冷却液循环夹层内通入冷却液，使用所述低温恒温水浴对冷却液持续制冷以使所述冷却液循环夹层中的冷却液保持稳定的低温状态；冰块在所诉往复机的带动下在混凝土试块上往复运动，摩擦；
步骤四：达到冲蚀路径后，关闭所诉电机调速开关，结束试验，取出混凝土试块，擦除混凝土试块表面水分称重记录重量m2，并测定混凝土试块的厚度h2，对混凝土试块再次进行超景深三维扫描得到图像t2；
步骤五：试验数据处理：质量损失率δw＝(m1-m2)/m1×100％，相对厚度损失率δh＝(h1-h2)×100％，任意时刻摩擦力f＝μ(g1+g2)，其中
本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：(本发明创造与现有技术相比，所具有的优点和积极效果.)
本发明中的混凝土抗冰摩损性能试验装置，往复机的往复杆移动长度为15cm-20cm，试块长度采用40cm，冰块与试块的有效摩擦长度小于试块长度，可以有效的对比摩擦对试块的损伤；试块固定支座表面铺盖硅胶电热板恒温加热板，试验时对试块下表面恒温加热，通过温度传递使冰摩擦试块上表面融化的水不会结冰；将混凝土试块固定于试块固定支座上，将冰块放入环形低温冰槽内，冰块底端与试块上表面接触，环形低温冰槽与低温恒温水浴连通，调节环境温度；通过调节低温恒温水浴的制冷温度能够调节环形低温水槽内制冷液的温度，即调节冰块周围环境的温度，通过调节往复机运行速度改变冰块与试块摩擦速度，通过调节砝码质量改变冰块与试块间的接触压力并以此调节摩擦力大小，更加准确的模拟不同温度、不同速度、不同动能下的冰对水工混凝土的摩擦破坏；进一步的，本发明提供的评价混凝土抗冰摩损性能的试验装置及试验方法，为凌汛期间混凝土在实际工程中遭到流冰摩擦破坏程度提供了有效的数据支持。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明提供的混凝土抗冰摩损性能试验装置的轴测图；
图2为本发明提供的混凝土抗冰摩损性能试验装置的试件固定支座的结构示意图；
图中：1-主体底板；2-变速电机；3-往复机机调速开关；4-冰槽滑动支架；5-环形低温冰槽；6-管道；7-低温恒温水浴；8-往复机机固定支架；9-偏心杆；10-推拉杆；11-往复杆固定架；12-试块固定支座；13-往复杆；14-试块；15-往复机；16-砝码；17-固定底座；18-固定角钢支撑；19-螺母；20-顶压螺栓
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种混凝土抗冰摩损性能试验装置及试验方法，以解决上述现有技术存在的问题，更加真实地模拟寒冷地区江河流凌对水工混凝土的摩擦情况，对混凝土进行冰-混凝土试验，准确测试混凝土抗冰摩损蚀性能。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
本发明提供一种混凝土抗冰摩损性能试验装置，于本发明一具体的实施例中，如图1所示，该混凝土抗冰摩损性能试验装置包括主体底板1、往复机15、试块固定支座12、冰槽滑动支架4以及环形低温冰槽5、低温恒温水浴7，所述主体底板1上设置有：往复机15，所述往复机包括变速电机2、往复机调速开关3、往复机固定支架8、偏心杆9、推拉杆10、往复杆13，所述变速电机2、往复机调速开关3、往复机固定支架8均固定设置于所述主体底板1上，所述变速电机端盖固定在电机固定支架预留孔内部，变速电机的轴承穿过预留孔依次连接偏心杆9、推拉杆10、往复杆13，往复杆通过往复杆固定支架11滑动固定于往复机固定支架8上；所述试块固定支座12固定设置于所述主体支座1右侧并用于固定混凝土试块14，所诉试块固定支座12表面平铺温控板13用以维持混凝土试块14上表面不结冰；所诉环形低温冰槽5滑动固定于冰槽滑动支架4上并能约束冰块滑动摩擦试块；所诉低温恒温水浴7与所诉环形低温冰槽5的冷却液循环夹层连通以控制冰块周围的温度。
使用上述实施例中的混凝土抗冰磨损性能试验装置测试混凝土抗冰磨损性能的试验方法，包括以下步骤：
步骤一：将养护好的混凝土试块取出后，进行外观观察，记录混凝土试块质量m1，并测定混凝土试块动厚度h1，对混凝土试块进行超景深三维扫描得到图像t1；
步骤二：将混凝土试块固定于所述试块固定支座上，将冰块，砝码依次重叠放入所述环形低温冰槽内并记录冰块g1、砝码质量g2；
步骤三，启动所述电机调速开关和所述低温恒温水浴，向所述冷却液循环夹层内通入冷却液，使用所述低温恒温水浴对冷却液持续制冷以使所述冷却液循环夹层中的冷却液保持稳定的低温状态；冰块在所诉往复机的带动下在混凝土试块上往复运动，摩擦；
步骤四：达到冲蚀路径后，关闭所诉电机调速开关，结束试验，取出混凝土试块，擦除混凝土试块表面水分称重记录重量m2，并测定混凝土试块的厚度h2，对混凝土试块再次进行超景深三维扫描得到图像t2；
步骤五：试验数据处理：质量损失率δw＝(m1-m2)/m1×100％，相对厚度损失率δh＝(h1-h2)×100％，任意时刻摩擦力f＝μ(g1+g2)，其中
本发明中的混凝土抗冰摩损性能试验装置，往复机15采用变速电机2，可以改变摩擦速率，进行不同摩擦速率下的冰-混凝土摩擦实验；换用不同质量的砝码可以改变摩擦力，进行不同摩擦力下的冰-混凝土摩擦试验；低温恒温水浴7可以调整制冷温度并保持恒温，最低可以将冷却液温度降到零下30度，为在环形冲蚀水槽内进行的不同温度下的冰-混凝土摩擦实验提供了温度保障。往复机的往复杆移动长度为15cm-20cm，试块长度采用40cm，冰块与试块的有效摩擦长度小于试块长度，可以有效的对比摩擦对试块的损伤；试块固定支座表面铺盖硅胶电热板恒温加热板，试验时对试块下表面恒温加热，通过温度传递使冰摩擦试块上表面融化的水不会结冰；将混凝土试块固定于试块固定支座上，将冰块放入环形低温冰槽内，冰块底端与试块上表面接触，环形低温冰槽与低温恒温水浴连通，调节环境温度；通过调节低温恒温水浴的制冷温度能够调节环形低温水槽内制冷液的温度，即调节冰块周围环境的温度，通过调节往复机运行速度改变冰块与试块摩擦速度，通过调节砝码质量改变冰块与试块间的接触压力并以此调节摩擦力的大小，更加准确的模拟不同温度、不同速度、不同动能下的冰对水工混凝土的摩擦破坏；进一步的，本发明提供的评价混凝土抗冰摩损性能的试验装置及试验方法，为凌汛期间混凝土在实际工程中遭到流冰摩擦破坏程度提供了有效的数据支持。摩擦混凝土试件的冰块速控制精度高，满足不同流速条件下冰摩擦试块的情况。本发明中的混凝土抗冰摩损性能试验装置能够定量的测试不同摩擦速率、不同温度下的冰-混凝土摩擦试验，该试验装置参数可控性强，精度高，试验效率高，节省劳动力，降低试验人员的劳动强度，同时减少试验场地的限制，便于室内进行试验，从而能够更加真实地模拟寒冷地区水工混凝土受冰摩擦环境，对混凝土进行高速流动冰摩擦试验，准确测试混凝土抗冰摩损性能。摩擦试验的摩擦速率、摩擦温度、摩擦时间可以根据模拟地区的气候进行相应设置。本发明利用100mm*100mm*400mm标准试件进行试验，可与其它性能测试试验对比测评。
于本发明另一具体的实施例中，如图2所示，试块固定支座12包括固定底座17和两个固定角钢支撑18，各固定角钢支撑18均固定连接于固定底座17上，固定底座17固定连接于主体底板1表面，一个固定角钢支撑18上穿设有一螺母19，螺母19内螺纹连接有一顶压螺栓20。固定混凝土试块14时，将混凝土试块14放在两个固定角钢支撑18之间，扭转顶压螺栓20顶住混凝土试块14，继续扭转顶压螺栓20直到混凝土试块14被固定。
本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
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