CN104990947B - 一种用于多孔材料的双边冻胀试验装置及试验方法 - Google Patents

Abstract

一种用于多孔材料的双边冻胀试验装置及试验方法，本发明涉及一种多孔材料试验装置，本发明为了解决采用现有技术中还没有能解决多孔材料在冻结、融化过程中温度场、水分场和变形场的变化，评价多孔材料抵抗冻胀能力试验装置的问题，它包括压力机、恒温恒湿养护箱、反力架顶盘、反力架支架、第一存水试管、第二存水试管、气缸、底座、冻胀试件套装组件、压头、试管架、LVDT位移传感器、压力传感器和数据采集器和两个冷浴循环器；LVDT位移传感器安装在气缸筒体靠近活塞杆处，反力架顶盘固定安装在架支架的顶端，底座固定安装在反力架支架的底端，冻胀试件套装组件固定安装在底座上，本发明用于多孔材料冻胀实验中。

Description

一种用于多孔材料的双边冻胀试验装置及试验方法

技术领域

本发明涉及一种多孔材料试验装置，具体涉及一种用于多孔材料的双边冻胀试验装置及试验方法。

背景技术

寒冷地区的季节性冰冻作用会引发一系列的冻胀、融沉、冻融破坏等工程问题，为了在试验室内观测多孔材料在冻结、融化过程中温度场、水分场和变形场的变化，评价多孔材料抵抗冻胀、融沉和冻融循环综合作用的能力，但现有技术中还没有能解决此类问题的装置。“基于以上所述，公开号为CN102590468A的专利公开日为2012年07月18日的一种深部土冻融过程试验***，公开了温控箱、耐高温有机玻璃筒、上压头、温度传感器、下底座、透水石、导水管、量筒、排水透气孔和称重传感器，耐高温有机玻璃筒置于下底座上，下底座上与导水管和压力调节管连通，导水管与量筒连通，量筒上设有排水透气孔，量筒置于称重传感器上，该文献中没有公开第一存水试管6、第二存水试管7和多个绝热环17，没有公开多个绝热环，可以在试件成型后便捷、顺利、完好的安装到绝热环内，保证了测试试件的成型质量，确保试验条件的稳定，同时提高了测试效率；以及没有公开多个绝热环中的每个绝热环接触光滑允许上下环之间有竖向移动变形的发生，可以有效降低试件侧壁与保温环之间的摩擦力，保证了试验的可靠性。

发明内容

本发明为了解决现有技术中还没能解决的多孔材料在冻结、融化过程中实时监测温度场、水分场和变形场的变化，评价多孔材料抵抗冻胀能力试验装置，以及试件成型后不能便捷、顺利、完好的安装到绝热环内的问题的问题，进而提供了一种用于多孔材料的双边冻胀与融沉试验装置。

本发明为解决上述问题而采用的技术方案是：

一种用于多孔材料的双边冻胀试验装置，它包括压力机、恒温恒湿养护箱、反力架顶盘、反力架支架、第一存水试管、第二存水试管、气缸、底座、冻胀试件套装组件、压头、试管架、LVDT位移传感器、压力传感器、数据采集器和两个冷浴循环器；LVDT位移传感器安装在气缸筒体靠近活塞杆处，反力架顶盘固定安装在架支架的顶端，底座固定安装在反力架支架的底端，冻胀试件套装组件固定安装在底座上，气缸竖直设置在反力架顶盘的下方，且气缸筒体的后端盖通过螺栓固定安装在反力架顶盘的下端面上，气缸活塞杆的伸出端固定安装有一个压头，压头的底端加工有弧形凸起，弧形凸起顶在冻胀试件套装组件的上方，第一存水试管与冻胀试件套装组件的顶端连通，第二存水试管与冻胀试件套装组件的底端连通，试管架安装在恒温恒湿养护箱内，第一存水试管和第二存水试管安装在试管架上，压力机和两个冷浴循环器靠近恒温恒湿养护箱设置，且一个冷浴循环器上的两个连接管穿过恒温恒湿养护箱的侧壁与冻胀试件套装组件的顶端连通，另一个冷浴循环器的两个连接管穿过恒温恒湿养护箱的侧壁与冻胀试件套装组件的底端连通，压力机通过两个高压气体管路与气缸连通，压力传感器安装在高压气体管路上，LVDT位移传感器和压力传感器均与数据采集器连接。

一种用于多孔材料的双边冻胀与融沉试验方法，所述方法时按下述步骤实现的：

步骤一：将成型后的试验多孔材料饱水处理后连同模具置于+2℃、98％湿度的恒温恒湿箱内养生6h；

步骤二：将多个温度传感器沿试验多孔材料的重力方向进行埋设，且埋设在试验多孔材料的侧面，相邻两个温度传感器之间的距离为25mm，每个温度传感器的埋设深度为15mm，并在试验多孔材料的外侧壁套上土乳胶膜；

步骤三：将试验多孔材料的上端面和下端面分别粘贴一张滤纸，然后将试验多孔材料放置在两个透水石之间，并通过土工乳胶膜将皮套的顶端和第一弹力密封圈密封固定在第一温控盘上，通过土工乳胶膜将皮套的底端和第二弹力密封圈密封固定在第二温控盘上，将第一温控盘、第二温控盘、皮套和两个透水石安装在多个绝热环组成的圆形套筒内；

步骤四：使气缸上压头的弧形凸起与第一温控盘上长方形凸起的弧形凹坑内并处于临界接触状态；

步骤五：通过数据采集器分别对LVDT位移传感器、压力传感器和温度传感器进行数据采集；

步骤六：分别对两个冷浴循环器和第一温控盘和第二温控盘装填入冷却液，冷却液装填完成后启动两个冷浴循环器，分别对第一温控盘和第二温控盘进行温度控制，使第一温控盘的温度控制在-2°至-35°，使第二温控盘温度控制在-2°至-35°，待第一温控盘和第二温控盘温度稳定后开始试验；

步骤七：待试验多孔材料冻胀变形达到稳定状态，即可停止实验；

步骤八：取出已经冻结的试验多孔材料，按照15mm的间隔分层取样，测试各层位土样的质量含水量，并记录数据，完成试验。

本发明的有益效果是：1、本发明中冷浴循环器2控制第一温控盘13和第二温控盘14控制温度，并通过绝热环17实现了侧向绝热的定向热量传递方式，能够按照需求设定不同的冻结、融化方式。

2、本发明采用外循环式温度控制***，通过冷却液的外循环对第一温控盘13和第二温控盘14进行控温，通过第一温控盘13和第二温控盘14提供稳定的温度荷载，温度控制盘的工作精度为±0.05℃。

3、LVDT位移传感器18安装在气缸8活塞杆的伸出端，测定试验多孔材料21的竖向变形，精度为0.01mm，通过压力传感器19测出压力机1压力的数据。

4通过数据采集器20对测量出试验多孔材料21不同位置的温度、以及试件竖向变形的位移和压力机1压力的数据进行数据存储和分析。

5通过本发明可以将试验温度控制在-35°至50°范围内，所以本发明的装置可以实现温度-35°至50°之间范围内对实验材料进行冻胀和融沉以及冻融循环特性的实验。

附图说明

图1是本发明整体结构主视图，图2是冻胀试件套装组件10的主视图，图3是压头11的主视图，图4是第一温控盘13的主视图，图5是图4中A-A的剖视图，图6是第二温控盘14的主视图，图7是图6中B-B的剖视图，图8是绝热环17的主视图，图9是图8的俯视图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1-图9说明本实施方式，一种用于多孔材料的双边冻胀试验装置及试验方法，它包括压力机1、恒温恒湿养护箱3、反力架顶盘4、反力架支架5、第一存水试管6、第二存水试管7、气缸8、底座9、冻胀试件套装组件10、压头11、试管架12、LVDT位移传感器18、压力传感器19、数据采集器20和两个冷浴循环器2；LVDT位移传感器18安装在气缸8筒体靠近活塞杆处，反力架顶盘4固定安装在架支架5的顶端，底座9固定安装在反力架支架5的底端，冻胀试件套装组件10固定安装在底座9上，气缸8竖直设置在反力架顶盘4的下方，且气缸8筒体的后端盖通过螺栓固定安装在反力架顶盘4的下端面上，气缸8活塞杆的伸出端固定安装有一个压头11，压头11的底端加工有弧形凸起，弧形凸起顶在冻胀试件套装组件10的上方，第一存水试管6与冻胀试件套装组件10的顶端连通，第二存水试管7与冻胀试件套装组件10的底端连通，试管架12安装在恒温恒湿养护箱3内，第一存水试管6和第二存水试管7安装在试管架12上，压力机1和两个冷浴循环器2靠近恒温恒湿养护箱3设置，且一个冷浴循环器2上的两个连接管穿过恒温恒湿养护箱3的侧壁与冻胀试件套装组件10的顶端连通，另一个冷浴循环器2的两个连接管穿过恒温恒湿养护箱3的侧壁与冻胀试件套装组件10的底端连通，压力机1通过两个高压气体管路与气缸8连通，压力传感器19安装在高压气体管路上，LVDT位移传感器18和压力传感器19均与数据采集器20连接。

具体实施方式二：结合图1-图9说明本实施方式，一种用于多孔材料的双边冻胀试验装置及试验方法，所述冻胀试件套装组件10包括第一温控盘13、第二温控盘14、皮套15、两个透水石16、多个温度传感器和多个绝热环17；皮套15为筒形皮套，多个绝热环17由上至下竖直设置组成圆形套筒，第二温控盘14、两个透水石16和第一温控盘13由下向上依次设置在圆形套筒内，待试验多孔材料设置在两个透水石16之间，待试验多孔材料上安装有多个温度传感器，皮套15的顶端套装在第一温控盘13上，皮套15的底端套装在第二温控盘14，第一温控盘13顶端加工有长方形凸起13-2，长方形凸起13-2的顶端加工有弧形凹坑，压头11的底端设置在弧形凹坑内，多个温度传感器通过线与数据采集器20连接，其它与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：结合图1、图2、图4和图5说明本实施方式，一种用于多孔材料的双边冻胀试验装置及试验方法，所述第一温控盘13为圆形板，圆形板的内部沿径向加工有第一蛇形密封槽13-1，圆形板的顶端加工有第一水浴循环液入口、第一水浴循环出口和第一补水管孔，第一水浴循环液入口和第一水浴循环出口均与第一蛇形密封槽13-1连通，第一存水试管6的出水管穿过第一补水管孔设置在位于上方的透水石16处，且第一水浴循环液入口和第一水浴循环出口分别通过一个连接管与一个冷浴循环器2连通，其它与具体实施方式二相同。

具体实施方式四：结合图1、图2、图6和图7说明本实施方式，一种用于多孔材料的双边冻胀试验装置及试验方法，所述第二温控盘14为圆形板，圆形板的内部沿径向加工有第二蛇形密封槽14-1，圆形板的底端加工有第二水浴循环液入口、第二水浴循环出口和第二补水管孔，第二水浴循环液入口和第二水浴循环出口均与第二蛇形密封槽14-1连通，第二存水试管6的出水管穿过第二补水管孔设置在位于下方的透水石16处，且第二水浴循环液入口和第二水浴循环出口分别通过一个连接管与一个冷浴循环器2连通，其它与具体实施方式三相同。

具体实施方式五：结合图1、图2、图4和图5说明本实施方式，一种用于多孔材料的双边冻胀试验装置及试验方法，所述第一温控盘13沿圆周方向加工有两个环形凹槽，皮套15的顶端套装在第一温控盘13上，且每个环形凹槽的外部套装有一个第一弹力密封圈，其它与具体实施方式二相同。

具体实施方式六：结合图1、图2、图6和图7说明本实施方式，一种用于多孔材料的双边冻胀试验装置及试验方法，所述第二温控盘14沿圆周方向加工有两个环形凹槽，皮套15的底端套装在第二温控盘14上，且每个环形凹槽的外部套装有一个第二弹力密封圈，其它与具体实施方式四相同。

具体实施方式七：结合图1、图2、图8和图9说明本实施方式，一种用于多孔材料的双边冻胀试验装置及试验方法，所述每个绝热环17包括两个半圆形圆环和两个连接件，两个半圆形圆环相对扣合组成一个圆环，两个半圆形圆环的两个相交处通过两个连接件固定，每个圆环的一端加工有环形凸起，每个圆环的另一端加工有与环形凸起对应的环形凹槽，绝热环17是由丙烯酸材料制成的绝热环17，其它与具体实施方式二相同。

具体实施方式八：结合图1-图9说明本实施方式，本实施方式的一种用于多孔材料的双边冻胀与融沉试验装置及试验方法，采用具体实施方式一、二、三、四、五、六或七所述装置实现的，具体实现步骤如下：

步骤一：将成型后的试验多孔材料21饱水处理后连同模具置于+2℃、98％湿度的恒温恒湿箱内养生6h；

步骤二：将多个温度传感器沿试验多孔材料21的重力方向进行埋设，且埋设在试验多孔材料21的侧面，相邻两个温度传感器之间的距离为25mm，每个温度传感器的埋设深度为15mm，并在试验多孔材料21的外侧壁套上土乳胶膜；

步骤三：将试验多孔材料21的上端面和下端面分别粘贴一张滤纸，然后将试验多孔材料21放置在两个透水石16之间，并通过土工乳胶膜将皮套15的顶端和第一弹力密封圈密封固定在第一温控盘13上，通过土工乳胶膜将皮套15的底端和第二弹力密封圈密封固定在第二温控盘14上，将第一温控盘13、第二温控盘14、皮套15和两个透水石16安装在多个绝热环17组成的圆形套筒内；

步骤四：使气缸8上压头11的弧形凸起与第一温控盘13上长方形凸起的弧形凹坑内并处于临界接触状态；

步骤五：通过数据采集器20分别对LVDT位移传感器18、压力传感器19和温度传感器进行数据采集；

步骤六：分别对两个冷浴循环器2和第一温控盘13和第二温控盘14装填入冷却液，冷却液装填完成后启动两个冷浴循环器2，分别对第一温控盘13和第二温控盘14进行温度控制，使第一温控盘13的温度控制在-2°至-35°，使第二温控盘14温度控制在-2°至-35°，待第一温控盘13和第二温控盘14温度稳定后开始试验；

步骤七：待试验多孔材料21冻胀变形达到稳定状态，即可停止实验；

步骤八：取出已经冻结的试验多孔材料21，按照15mm的间隔分层取样，测试各层位土样的质量含水量，并记录数据，完成试验。

Claims (6)

1.一种用于多孔材料的双边冻胀试验装置，包括压力机(1)、恒温恒湿养护箱(3)、反力架顶盘(4)、反力架支架(5)、气缸(8)、底座(9)、压头(11)、试管架(12)、LVDT位移传感器(18)、压力传感器(19)、数据采集器(20)和两个冷浴循环器(2)；其特征在于：还包括第一存水试管(6)、第二存水试管(7)和冻胀试件套装组件(10)；冻胀试件套装组件(10)包括第一温控盘(13)、第二温控盘(14)、皮套(15)、两个透水石(16)、多个温度传感器和多个绝热环(17)；LVDT位移传感器(18)安装在气缸(8)筒体靠近活塞杆处，反力架顶盘(4)固定安装在反力架支架(5)的顶端，底座(9)固定安装在反力架支架(5)的底端，冻胀试件套装组件(10)固定安装在底座(9)上，气缸(8)竖直设置在反力架顶盘(4)的下方，且气缸(8)筒体的后端盖通过螺栓固定安装在反力架顶盘(4)的下端面上，气缸(8)活塞杆的伸出端固定安装有一个压头(11)，压头(11)的底端加工有弧形凸起，弧形凸起顶在冻胀试件套装组件(10)的上方，第一存水试管(6)与冻胀试件套装组件(10)的顶端连通，第二存水试管(7)与冻胀试件套装组件(10)的底端连通，试管架(12)安装在恒温恒湿养护箱(3)内，第一存水试管(6)和第二存水试管(7)安装在试管架(12)上，压力机(1)和两个冷浴循环器(2)靠近恒温恒湿养护箱(3)设置，且一个冷浴循环器(2)上的两个连接管穿过恒温恒湿养护箱(3)的侧壁与冻胀试件套装组件(10)的顶端连通，另一个冷浴循环器(2)的两个连接管穿过恒温恒湿养护箱(3)的侧壁与冻胀试件套装组件(10)的底端连通，压力机(1)通过两个高压气体管路与气缸(8)连通，压力传感器(19)安装在高压气体管路上，LVDT位移传感器(18)和压力传感器(19)均与数据采集器(20)连接，皮套(15)为筒形皮套，多个绝热环(17)由上至下竖直设置组成圆形套筒，每个绝热环(17)包括两个半圆形圆环和两个连接件，两个半圆形圆环相对扣合组成一个圆环，两个半圆形圆环的两个相交处通过两个连接件固定，每个圆环的一端加工有环形凸起，每个圆环的另一端加工有与环形凸起对应的环形凹槽，绝热环(17)是由丙烯酸材料制成的绝热环(17)，第二温控盘(14)、两个透水石(16)和第一温控盘(13)由下向上依次设置在圆形套筒内，待试验多孔材料(21)设置在两个透水石(16)之间，待试验多孔材料(21)上安装有多个温度传感器，皮套(15)的顶端套装在第一温控盘(13)上，皮套(15)的底端套装在第二温控盘(14)，第一温控盘(13)顶端加工有长方形凸起(13-2)，长方形凸起(13-2)的顶端加工有弧形凹坑，压头(11)的底端设置在弧形凹坑内，多个温度传感器通过线与数据采集器(20)连接。

2.根据权利要求1所述一种用于多孔材料的双边冻胀试验装置，其特征在于：所述第一温控盘(13)为圆形板，圆形板的内部沿径向加工有第一蛇形密封槽(13-1)，圆形板的顶端加工有第一水浴循环液入口、第一水浴循环出口和第一补水管孔，第一水浴循环液入口和第一水浴循环出口均与第一蛇形密封槽(13-1)连通，第一存水试管(6)的出水管穿过第一补水管孔设置在位于上方的透水石(16)处，且第一水浴循环液入口和第一水浴循环出口分别通过一个连接管与一个冷浴循环器(2)连通。

3.根据权利要求2所述一种用于多孔材料的双边冻胀试验装置，其特征在于：所述第二温控盘(14)为圆形板，圆形板的内部沿径向加工有第二蛇形密封槽(14-1)，圆形板的底端加工有第二水浴循环液入口、第二水浴循环出口和第二补水管孔，第二水浴循环液入口和第二水浴循环出口均与第二蛇形密封槽(14-1)连通，第二存水试管(6)的出水管穿过第二补水管孔设置在位于下方的透水石(16)处，且第二水浴循环液入口和第二水浴循环出口分别通过一个连接管与一个冷浴循环器(2)连通。

4.根据权利要求1所述一种用于多孔材料的双边冻胀试验装置，其特征在于：所述第一温控盘(13)沿圆周方向加工有两个环形凹槽，皮套(15)的顶端套装在第一温控盘(13)上，且每个环形凹槽的外部套装有一个第一弹力密封圈。

5.根据权利要求3所述一种用于多孔材料的双边冻胀试验装置，其特征在于：所述第二温控盘(14)沿圆周方向加工有两个环形凹槽，皮套(15)的底端套装在第二温控盘(14)上，且每个环形凹槽的外部套装有一个第二弹力密封圈。

6.一种利用权利要求1、2、3、4或5所述用于多孔材料的双边冻胀试验装置进行双边冻胀试验的方法，其特征在于：所述方法是按下述步骤实现的：

步骤一：将成型后的试验多孔材料(21)饱水处理后连同模具置于2℃、98％湿度的恒温恒湿箱内养生6h；

步骤二：将多个温度传感器沿试验多孔材料(21)的重力方向进行埋设，且埋设在试验多孔材料(21)的侧面，相邻两个温度传感器之间的距离为25mm，每个温度传感器的埋设深度为15mm，并在试验多孔材料(21)的外侧壁套上土乳胶膜；

步骤三：将试验多孔材料(21)的上端面和下端面分别粘贴一张滤纸，然后将试验多孔材料(21)放置在两个透水石(16)之间，并通过土工乳胶膜将皮套(15)的顶端和第一弹力密封圈密封固定在第一温控盘(13)上，通过土工乳胶膜将皮套(15)的底端和第二弹力密封圈密封固定在第二温控盘(14)上，将第一温控盘(13)、第二温控盘(14)、皮套(15)和两个透水石(16)安装在多个绝热环(17)组成的圆形套筒内；

步骤四：使气缸(8)上压头(11)的弧形凸起与第一温控盘(13)上长方形凸起的弧形凹坑内并处于临界接触状态；

步骤五：通过数据采集器(20)分别对LVDT位移传感器(18)、压力传感器(19)和温度传感器进行数据采集；

步骤六：分别对两个冷浴循环器(2)和第一温控盘(13)和第二温控盘(14)装填入冷却液，冷却液装填完成后启动两个冷浴循环器(2)，分别对第一温控盘(13)和第二温控盘(14)进行温度控制，使第一温控盘(13)的温度控制在-2°至-35°，使第二温控盘(14)温度控制在-2°至-35°，待第一温控盘(13)和第二温控盘(14)温度稳定后开始试验；

步骤七：待试验多孔材料(21)冻胀变形达到稳定状态，即停止实验；

步骤八：取出已经冻结的试验多孔材料(21)，按照15mm的间隔分层取样，测试各层位土样的质量含水量，并记录数据，完成试验。