混凝土的实验室全自动制样装置及使用及改性优化方法

本发明涉及建筑材料试验设备，具体为混凝土的实验室全自动制样装置及使用及改性优化方法。

背景技术：

1、目前，随着建筑业的不断发展，新技术、新工艺和新材料的不断出现推动了建筑业的高速发展。新的工艺、技术和材料需要经过实践、论证和试验才能安全有效地应用于建筑施工中。钢筋混凝土是建筑中使用量最大的材料，其性能直接影响建筑质量和安全。因此，在使用前需要对一些特殊部位和关键部位的钢筋混凝土进行试验和论证，以满足施工现场的需求。目前在混凝土生产中已经开始使用纳米二氧化硅改性玄武岩纤维加筋混凝土，

2、研究表明，纤维混凝土相较于普通混凝土具有更好的力学性能。纳米二氧化硅能够有效改性玄武岩纤维，使其表面更加粗糙，同时明显提高了其韧性和抗拉拔能力，但在实验室试验中，实验室内制备改性玄武岩纤维混凝土都是预先进行纤维改性，人工搅拌纳米二氧化硅溶液改性玄武岩纤维，待其改性完成后再进行混凝土制样，其耗时耗力不言而喻，而且由于全过程人为参与，不可避免造成人为实验误差；而且制备的试件往往达不到预计的强度，究其原因：1)纳米二氧化硅易团聚，人工搅拌容易出现搅拌不均匀，导致改性不完全的现象出现，而且改性时间以及改性温度无法准确把握；2)纤维不易分散，人工搅拌纤维混凝土容易出现纤维团聚的现象；3)采用手工振捣方式制作混凝土试块费时费力，且振捣不均匀，制出的试块质量不佳，试验效果不好；而随着其需求的使用量增大，现有的研究无法做到快速有序的零误差制样和试验，因此，亟需一种用于实验室内全自动制备改性玄武岩纤维加筋混凝土的装置来解决上述问题，为此申请人根据其需求发明设计制作混凝土的实验室全自动制样装置及使用及改性优化方法，可以快速实现实验室内高效制备纳米二氧化硅改性玄武岩纤维加筋混凝土，制备过程全自动、有效消除人为因素造成的误差，还可以快速实现对混凝土的塌落度测量和试块制作。

3、此外，本发明提出了一种纳米二氧化硅改性玄武岩纤维加筋混凝土的实验室全自动制样装置。然而，在实验要求方面，需要对制样过程和成品的性能进行严格控制和分析。传统的分析方法，即实验方法过于耗时，并且不够精确。因此，目前迫切需要一种更加智能，快速，迅捷的纳米二氧化硅改性玄武岩纤维加筋混凝土性能指标评估优化方法。

技术实现思路

1、为解决上述技术问题，本发明提出了混凝土的实验室全自动制样装置及使用及改性优化方法，通过设置固定架，在固定架内安装搅拌仓，搅拌仓内上部设置进料口、纳米二氧化硅自动进料组件和传送带，在传送带右侧设置玄武岩纤维改性台，玄武岩纤维改性台设置结构有自动过滤组件、机械臂、温控搅拌组件和纤维传送辊；在搅拌仓下部设置输料斗，输料斗下部设置自动找平组件和底部转盘，底部转盘上放置塌落度桶和混凝土试块模具；在玄武岩纤维改性台下部设置自动伸缩振捣棒；装置可以快速实现实验室内高效制备纳米二氧化硅改性玄武岩纤维加筋混凝土，制备过程全自动、有效消除人为因素造成的误差，同时还能快速测量混凝土的塌落度并进行试块制作，于brnn网络的纳米二氧化硅改性优化方法，能够高准确率、低成本且快速的对本装置制备的纳米二氧化硅改性玄武岩纤维加筋混凝土进行性能指标预测与评估。

2、为实现上述目的，本发明采取的技术方案是：

3、混凝土的实验室全自动制样装置，包括有固定架、搅拌仓、自动找平组件、底部转盘、纳米二氧化硅自动进料组件、玄武岩纤维改性台、传送带、输料斗、固定平台、振捣棒电机、自动伸缩振捣棒、振动电机、固定横杆、自动输水管、进料口和支脚，其特征在于：所述纳米二氧化硅改性玄武岩纤维加筋混凝土的实验室全自动制样装置设置固定架，所述固定架底部四角位置设置四组支腿，所述支腿之间设置固定横杆，所述固定架左侧上部安装搅拌仓，所述搅拌仓左侧上部安装自动输水管和进料口，搅拌仓右侧上部安装纳米二氧化硅自动进料组件和传送带，所述传送带右侧安装玄武岩纤维改性台，所述玄武岩纤维改性台安装在固定架的右侧上方；所述玄武岩纤维改性台下部的固定架上设置有固定平台，所述固定平台下部安装振捣棒电机、自动伸缩振捣棒；所述搅拌仓下部设置输料斗，所述送料斗下部设置自动找平组件和底部转盘，所述底部转盘下部安装振动电机。

4、作为本发明结构进一步的改进，所述纳米二氧化硅改性玄武岩纤维加筋混凝土的实验室全自动制样装置设置有搅拌仓，所述搅拌仓结构设置有搅拌电机固定架、搅拌电机、转轴、连接杆、搅拌杆、挡板、底板、自动出料口、压力传感器、固定框、转动螺母、不锈钢环和不锈钢片，所述搅拌仓外壁为挡板设置的圆柱型，所述搅拌仓中心上部设置搅拌电机固定架，所述搅拌电机固定架与固定架相连接安装，所述搅拌机固定架上安装搅拌电机，所述搅拌仓中心设置转轴与搅拌电机的转轴相连接，所述转轴下部设置十字型的连接杆，所述连接杆末端安装搅拌杆，所述搅拌仓底部设置底板，所述底板上设置四组自动出料口，所述自动出料口结构为设置固定框，所述固定框上设置不锈钢环，所述不锈钢环下部设置不锈钢片，所述不锈钢片通过转动螺母安装在不锈钢环上，所述底板中心安装有压力传感器；所述挡板围成的圆柱直径比底板的圆形直径小两厘米，所述搅拌杆底部距底板一厘米。

5、作为本发明结构进一步的改进，所述纳米二氧化硅改性玄武岩纤维加筋混凝土的实验室全自动制样装置设置有自动找平组件，所述自动找平组件结构包括有自动伸缩杆、找平电机、换向轴、传动杆、滑动槽、传动副杆、转轴座、找平刮板和调节平台，所述自动找平组件设置两组自动伸缩杆安装在固定架上，所述自动伸缩杆上部安装调节平台，所述调节平台左侧设置电机安装底座，电机安装底座上安装找平电机，所述找平电机转轴连接换向轴，所述换向轴上连接传动杆，所述传动杆与传动副杆相连接，所述传动杆与传动副杆相连接处设置在滑动槽内，所述传动杆与传动副杆相连接处还安装有找平刮板，所述找平刮板在滑动槽内移动，所述调节平台右侧设置有转轴座，所述传动副杆的一端安装在转轴座内。

6、作为本发明结构进一步的改进，所述纳米二氧化硅改性玄武岩纤维加筋混凝土的实验室全自动制样装置设置有纳米二氧化硅自动进料组件，所述纳米二氧化硅自动进料组件结构设置有固定螺栓、拉力传感器、细钢缆、二氧化硅料筒、二氧化硅料筒底板、二氧化硅自动出料口、橡胶填块和二氧化硅出料口，所述纳米二氧化硅自动进料组件设置二氧化硅料筒，所述二氧化硅料筒顶部中心设置固定螺栓，所述固定螺栓下部安装拉力传感器，所述拉力传感器下部连接细钢缆，所述二氧化硅料筒下部设置二氧化硅料筒底板，所述细钢缆与二氧化硅料筒底板相连接，所述二氧化硅料筒底板上设置两组二氧化硅自动出料口，所述二氧化硅料筒底板与二氧化硅料筒内壁接触处设置有橡胶填块，所述二氧化硅料筒底板下部设置有二氧化硅出料口。

7、作为本发明结构进一步的改进，所述纳米二氧化硅改性玄武岩纤维加筋混凝土的实验室全自动制样装置设置有玄武岩纤维改性台，所述玄武岩纤维改性台结构设置有自动过滤组件、机械臂、温控搅拌组件和纤维传送辊，所述玄武岩纤维改性台左侧安装自动过滤组件，玄武岩纤维改性台右侧安装两组机械臂，所述机械臂上分别安装温控搅拌组件和纤维传送辊。

8、作为本发明结构进一步的改进，所述纳米二氧化硅改性玄武岩纤维加筋混凝土的实验室全自动制样装置设置有玄武岩纤维改性台，所述玄武岩纤维改性台内设置有自动过滤组件，所述自动过滤组件结构设置有自动过滤组件电机、定滑轮组、钢丝绳、固定板座、连接构件、2000目钢制滤网和改性池箱，所述自动过滤组件设置固定板座，所述固定板座左侧安装自动过滤组件电机，所述自动过滤组件电机右侧的固定板座上安装动滑轮组，所述动滑轮组上设置有钢丝绳，所述钢丝绳一端与自动过滤组件电机的转轴相连接，钢丝绳另一端与连接构件相连接，所述固定板座右侧安装改性池箱，所述改性池箱底部设置有2000目钢制滤网，所述2000目钢制滤网与连接构件相连接。

9、作为本发明结构进一步的改进，所述纳米二氧化硅改性玄武岩纤维加筋混凝土的实验室全自动制样装置设置有玄武岩纤维改性台，所述玄武岩纤维改性台内设置有机械臂，所述机械臂结构设置有钢制垫台、供电装置、主控箱、机械臂转轴、机械臂杆、搅拌旋转器和联轴器，所述机械臂设置钢制垫台，所述钢制垫台上安装供电装置和主控箱，所述主控箱上部设置三组机械臂转轴，所述机械臂转轴之间设置机械臂杆，所述机械臂顶部设置搅拌旋转器，所述搅拌旋转器上设置联轴器。

10、作为本发明结构进一步的改进，所述纳米二氧化硅改性玄武岩纤维加筋混凝土的实验室全自动制样装置设置有玄武岩纤维改性台，所述玄武岩纤维改性台内设置有温控搅拌组件，所述温控搅拌组件结构设置有对接转轴、温控搅拌转轴、温控搅拌支撑杆、温控搅拌杆转轴、温控搅拌杆和温控加热棒，所述温控搅拌组件设置十字形温控搅拌支撑杆，所述温控搅拌支撑杆中心上部设置温控搅拌转轴及对接转轴，所述温控搅拌支撑杆中心下部安装温控加热棒，所述温控搅拌支撑杆末端下部设置温控搅拌杆转轴，所述温控搅拌杆转轴下部安装温控搅拌杆。

11、作为本发明结构进一步的改进，所述纳米二氧化硅改性玄武岩纤维加筋混凝土的实验室全自动制样装置设置有底部转盘，所述底部转盘上设置有一组塌落度桶和三组混凝土试块模具，所述底部转盘上放置塌落度桶和混凝土试块模具处设置有限位固定块。

12、本发明提供混凝土的实验室全自动制样装置的使用方法，具体步骤如下：

13、步骤一、开始前，在搅拌仓内放入所需试验的混凝土原料，在纳米二氧化硅自动进料组件内放入试验所需的纳米二氧化硅原料；

14、步骤二、启动纳米二氧化硅改性玄武岩纤维加筋混凝土的实验室全自动制样装置，在玄武岩纤维改性台内放入所需纳米二氧化硅与玄武岩纤维，装置控制自动进水到改性池箱内，安装温控搅拌组件的机械臂自动放入改性池箱，温控搅拌组件自动搅拌，温控搅拌组件恒温℃进行加工，待纳米二氧化硅与玄武岩纤维改性到合适时间，自动过滤组件运行，抬升2000目钢制滤网，待其表面干燥后，安装有纤维传送辊的机械臂自动放入改性池箱内；

15、步骤三、纤维传送辊传送改性后的纤维至履带，履带再进一步将纤维传输至搅拌仓内，纳米二氧化硅自动进料组件自动投入足量纳米二氧化硅与搅拌仓内的混凝土原料充分干拌；

16、步骤四、待搅拌仓内的混凝土原料与改性玄武岩纤维充分干拌完成后，自动输水管自动进足量的水，搅拌仓继续搅拌；

17、步骤五、搅拌完成后搅拌仓停止搅拌，搅拌仓底部自动出料口打开，装置通过压力传感器传输信号控制自动出料口开合；

18、步骤步骤六、混凝土落入塌落度桶1/2位置、2/3位置、装满位置时，装置分别控制底部转盘将塌落度桶转至右侧自动伸缩振捣棒下方，使其充分振捣，且自动找平组件自动为其找平，然后取出塌落度桶。

19、步骤七、装置继续运行将混凝土落入混凝土试块模具将其装满，振动电机震动的同时自动找平组件自动找平，底部转盘转动继续进行下一个混凝土试块模具，完成后取出混凝土试块模具，实现纳米二氧化硅改性玄武岩纤维加筋混凝土的全自动制备；

20、步骤八、清洗纳米二氧化硅改性玄武岩纤维加筋混凝土的实验室全自动制样装置，待下一次试验进行。

21、本发明提供混凝土的实验室全自动制样装置的改性优化方法，包括以下步骤：

22、1)数据收集；

23、首先采用brnn进行后续时序性的关联提取；

24、2)数据处理；

25、首先对于制备过程中各个阶段对最终样品性能有所影响的参数即本次的特征值进行处理，方法为标准化，对于纳米二氧化硅改性玄武岩纤维加筋混凝土的性能指标值均采用最大值比例缩放公式进行缩放，降低回归任务中的拟合难度；

26、3)brnn网络构建；

27、为brnn网络架构与卷积网络的融合，此外还引入残差网络，利用双向rnn网络进行前向以及后向的关系及其时序性的提取；

28、4)brnn网络权重分配；

29、在前向传递以及后向传递过程完毕后，需要将其单个特征传递的结果进行加权调整，本次单个特征前后传递特征合并公式采用时序权重调整公式进行表征；

30、5)cnn网络融合；

31、采用类resnet网络结构思想，利用增权公式进行保留修正；

32、6)激活函数设定；

33、本次在brnn以及卷积网络层的输出后采用leaky relu激活函数以及batchnormalization进行正则化，此外在本次网络的head即末端预测部分采用一个5*1的全连接层；

34、7)网络模型训练与评估；

35、在上述步骤中，完成了网络的构建，在本步骤中，需要对网络模型进行训练以及评估，当网络模型测试集与训练集的均方误差均在5％以内即可完成模型的训练；

36、8)模型搭建与应用；

37、使用者需要设定本设备的温控搅拌组件的加热温度、搅拌时间以及玄武岩纤维改性台中纳米二氧化硅与玄武岩纤维的比例，以及搅拌仓中纳米二氧化硅与混凝土原料的比例和改性玄武岩与改性混凝土之间的比例。将这些参数作为算法模型的输入，即可输出本次调配的纳米二氧化硅改性玄武岩纤维加筋混凝土是否满足性能指标要求。作为本发明方法进一步改进，所述步骤4)中最大值比例缩放公式表示为：

38、采用时序权重调整公式进行目标值的调整，其具体形式如下：

39、

40、其中，y’为缩放后的目标值，y为原始的目标值，ymax为当前属性的最高值，通过该公式，将目标值映射到0与1范围之内；

41、所述步骤4)中时序权重调整公式表示为：

42、在前向传递以及后向传递过程完毕后，需要将其单个特征传递的结果进行加权调整，本次单个特征前后传递特征合并采用时序权重调整公式为：

43、

44、1≤α≤2

45、0＜β≤1

46、其中，x’为单个特征前后传递完成后加权合并后的特征，α则为超参数，n为当前brnn的层次，n为brnn的总层次，xa为原特征完成前向传递后的值，β也为超参数，xb则为原特征完成后向传递的值。

47、作为本发明方法进一步改进，所述步骤5)中增权公式表示为：

48、采用类resnet网络结构思想，利用增权公式进行保留修正：

49、y＝ya+yb

50、其中，y为采用增权公式后的输出值，ya为卷积层得输入值，也即上一层经过brnn网络后的输出值，yb则为经过卷积层后得输出值,利用本公式可保证经过卷积层网络的输出值，依然保持着brnn网络层的信息。

51、本发明提供混凝土的实验室全自动制样装置及使用及改性优化方法，通过设置固定架，在固定架内安装搅拌仓，搅拌仓内上部设置进料口、纳米二氧化硅自动进料组件和传送带，在传送带右侧设置玄武岩纤维改性台，玄武岩纤维改性台设置结构有自动过滤组件、机械臂、温控搅拌组件和纤维传送辊；在搅拌仓下部设置输料斗，输料斗下部设置自动找平组件和底部转盘，底部转盘上放置塌落度桶和混凝土试块模具；在玄武岩纤维改性台下部设置自动伸缩振捣棒；装置可以快速实现实验室内高效制备纳米二氧化硅改性玄武岩纤维加筋混凝土，制备过程全自动、有效消除人为因素造成的误差，还可以快速实现对混凝土的塌落度测量和试块制作，带来的好处是：

52、1、纳米二氧化硅改性玄武岩纤维加筋混凝土的实验室全自动制样装置通过机械自动搅拌玄武岩纤维，避免了人工搅拌的不均匀特点，并利用自动控温技术避免了人工温度控制的不准确，确保玄武岩纤维始终在最适宜的温度下完成改性，从而实现了高效且优质的混凝土加工；

53、2、纳米二氧化硅改性玄武岩纤维加筋混凝土的实验室全自动制样装置采用将纤维传送至搅拌仓内与纳米二氧化硅、水泥、骨料预先干拌的思路，使得搅拌更加均匀，避免纤维团聚，最大限度还原混凝土的实际生产制作过程；机器自动实现制作混凝土试块，且振捣均匀，省去了一系列繁琐的制样过程，实现了从纤维改性到用改性纤维制样的全过程全自动，将试验前期工作量缩短，得出真实有效数据；

54、3、基于brnn网络的纳米二氧化硅改性优化方法，能够较高准确率且快速的对本装置设定的方案中制备的纳米二氧化硅改性玄武岩纤维加筋混凝土进行性能指标预测与评估，减少生产成本；

55、4、基于brnn网络的纳米二氧化硅改性优化方法采用brnn网络来预测装置制备样品的性能值，可以表征复杂的前向和后向信息，捕捉本次装置中各个特征之间的依赖性，从而更准确地建立特征与性能指标之间的映射关系；

56、5、基于brnn网络的纳米二氧化硅改性优化方法采用卷积层对网络模型进行加深处理，扩大了网络的拟合表达能力。