CN107389532A - 一种用于测试多孔工程材料空隙分布特征的试验装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种用于测试多孔工程材料孔隙分布特征的试验装置和方法，包括固定架、水箱、试件桶、进水管、拉力传感器、压力传感器及数据采集***；进水管可以稳定匀速向水箱注入自来水，设有阀门；水箱水平置于桌面，侧壁下方设有出水口；固定架架于水箱上方，拉力传感器垂直固定于固定架下方，试件桶用于容纳试件进行测试，通过悬挂于拉力传感器上而置于水箱底面上方，所述压力传感器固定于水箱侧壁下方，所述拉力传感器与压力传感器与数据采集***连接。通过测试试件在不同浸水高度下的浮重，可以有效计算出浸水部分排开水的体积，从而得到连通孔隙的体积，此方法科学有效且操作比较简便，整个试验装置结构简单，便于操作，易于推广。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于测试多孔工程材料空隙分布特征的试验装置及方法，属于工程材料监测技术领域。
技术背景
近些年来，由于材料科学技术的不断发展，很多研究表明多孔材料因其多孔结构而具备较多优良的性能，因此各种多孔工程材料出现在工程应用中。比如，多孔路面材料越来越多的用于路面铺装中：多孔透水砖用于铺装与人行道，自然降水能够迅速透过地表，防止路面积水；多孔水泥混凝土用于铺装在停车场、公园、体育馆等轻型路面，具有缓解环境高温，吸收环境噪声；开级配磨耗层(OGFC)用于市政道路和公路上，可以降低轮胎/路面噪声、增加路面抗划、减少行车水雾等，从而增加行车的安全性和舒适性，以及聚氨酯碎石混合料、保水型路面的母体材料等都由于多孔材料的功能特征而广泛应用于路面铺装中。除此之外，多孔陶瓷材料、多孔高分子材料、多孔金属材料也由于其各自的性能优越性而广泛应用于工程实践中。
而对于以上多孔工程材料，其孔隙分布特征是影响其性能的最主要的因素，通过合理的试验方法对其测试和了解是正确有效的应用多孔工程材料的前提和基础。而目前用于测试多孔工程材料，特别是多孔路面材料的孔隙特征的方法中，一般采用真空浸水法测试试件的整体平均孔隙率，以此来表征试件的孔隙特征，而多孔路面材料由于材料组成、成型工艺以及铺装工艺等因素，孔隙分布并不均匀，这也对其路用性能有较大影响，以单一的平均孔隙率评价多孔路面材料的路用性能不够全面和科学，也有较少采用工业CT扫描对试件进行三维图像重构，该测试结果较为精确，但对设备要求高，测试时间长，且价格十分昂贵。因此开发一种简单易行、操作方便、测试精准的试验装置以及提出一种评价多孔材料孔隙分布特征的科学参数来表征试件的孔隙分布特征不仅可以用来评价多孔路面材料的路用性能，还能用来优化配合比设计、改进成型和施工工艺等。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种采用数字化检测设备来测试多孔工程材料空隙分布特征的试验装置及方法，其装置及其方法能够全面、科学、高效的完成多孔材料空隙分布特征的检测，可以克服现有技术的不足。
本发明的技术方案是：用于测试多孔工程材料孔隙分布特征的试验装置，它包括放置在水箱上的固定架，在固定架上通过拉力传感器连接有试件桶，试件桶位于水箱内，在水箱上设有带阀门的进水管进和出水口，且在水箱的底部设有压力传感器，所述拉力传感器与压力传感器与数据采集***连接。
前述的用于测试多孔工程材料孔隙分布特征的试验装置是，所述水箱为有机玻璃制槽体。
前述的用于测试多孔工程材料孔隙分布特征的试验装置是，所述的试件桶为透水金属网。
前述的用于测试多孔工程材料孔隙分布特征的试验装置是，水箱为长和宽为400-500mm，高为500-600mm、壁厚4-6mm；试件桶的底面直径180-200mm、高250-300mm的圆柱体；固定架支架距离600-700mm；出水口距离水箱底面7mm，压力传感器距离水箱底面6mm。
用于测试多孔工程材料孔隙分布特征试验装置的方法，包括如下步骤：
S1.不放入试件，向水箱注水，测试试件桶的浮重随水位高度的变化，得到试件桶的浮力关于水位高度变化的线性系数，为试验中试件的浮重变化消除误差；随后将水箱中的水排出，并将试件桶风干；
S2.将试件放入试件桶中，得到试件的干重，保持试件竖直的置于试件桶的正中间，缓慢的向水箱注水直到水位没过试件顶面，通过实施监测拉力传感器和水压力传感器采集到的数据，即可得到试件在不同的浸水高度下的浮重；
S3.通过推导和数据处理，得到了试件连通孔隙率沿高度方向的分布律，在通过演算得到的“偏差率”来评价试件的孔隙分布的均匀性。
所述的推导和数据处理为：由数据采集***采集得到了试件浸水浮重关于时间的变化曲线和水位高度关于时间的变化曲线，拉力的变化拐点即为水位到达试件底面的时间起点，从而得到了拉力关于水位高度对应的变化曲线；通过水位高度对应的变化曲线看出拉力FT逐渐减小，即试件的浮重FF逐渐增大，而浮重FF的大小与孔隙率存在关系；在一段较小的Δh的水位高度变化范围内，拉力的变化ΔFT计算公式如下：
ΔFT＝ΔFF＝ρgΔV＝aΔh+ρgS(1-α)Δh
其中α为这段Δh的孔隙率，S为试件的截面积，a为试件桶的浮力关于水位高度的线性变化系数；
从而推导得到在该段的孔隙率可按如下公式计算：
采用该孔隙率分布的平均孔隙率M(ρ)来表征该试件的整体孔隙率大小，采用标准差SD(ρ)来反映该试件的孔隙率分布的偏差大小，采用相对标准偏差RSD(ρ)(即偏差率)来反映该试件的孔隙率分布的不均匀程度；以上三个指标的计算公式如下：
其中，ρi为沿高度方向第i到i+1个测点之间的薄层孔隙率。
与现有技术比较，
本发明首先设计了一种用于测试工程材料孔隙分布特征的试验装置，包水箱、固定架、试件桶、入水管、拉力传感器、水压力传感器和数据采集***，其采用数据采集***连续采集不同水位高度下试件在水中的浮重，从而推算出试件不同高度下的连通孔隙率，进而得到了试件的整体平均孔隙率以及孔隙率沿试件高度方向的分布规律，并且提出“偏差率”这个参数来表征试件孔隙分布的均匀性。
同时本发明还具有以下有益效果
1、本技术方案提供的用于测试多孔工程材料孔隙分布特征的试验装置，通过测试试件在不同浸水高度下的浮重，可以有效计算出浸水部分排开水的体积，从而得到连通孔隙的体积，此方法科学有效且操作比较简便，整个试验装置结构简单，便于操作，易于推广。
2、本技术方案提供的用于测试多孔工程材料孔隙分布特征的试验装置，利用拉力传感器测试试件的浮重变化，利用压力传感器测试水位变化，且设置数据采集***对传感器的数据进行连续采集，从而最终通过推倒和数据处理得到孔隙律沿高度方向分布规律，相比传统的真空浸水法，测试结果全面性和精确度有大大提高。
3、本技术方案提供的用于表征多孔工程材料孔隙分布的方法，将孔隙率分布的标准差相对平均孔隙率的百分比视为孔隙率分布的“偏差率”，可以有效反映试件的孔隙分布均匀性，对多孔材料的性能评价有较号的参考，也对材料的设计优化及工艺改进有一定的指导意义。
附图说明
图1为本发明提供的测试多孔工程材料孔隙分布特征的试验装置结构示意图。
图2试件在不同的浸水高度下的浮重变化规律。
图3试件的孔隙率沿高度方向的分布规律。
具体实施例
下面结合本发明的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。
实施例一
如图1所示，关于用于测试多孔工程材料孔隙分布特征的试验装置，它包括放置在水箱2上的固定架1，在固定架1上通过拉力传感器5连接有试件桶3，试件桶3位于水箱2内，在水箱2上设有带阀门的进水管6进和出水口7，且在水箱2的底部设有压力传感器8，所述拉力传感器5与压力传感器8与数据采集***连接9；所述水箱2为有机玻璃制槽体；所述的试件桶3为透水金属网；水箱2为长和宽为400-500mm，高为500-600mm、壁厚4-6mm；试件桶3的底面直径180-200mm、高250-300mm的圆柱体；固定架1支架距离600-700mm；出水口7距离水箱底面7mm，压力传感器8距离水箱底面6mm。
本技术方案的试验方法的步骤具体如下：
一、测试样品的制备
一般情况下，试件4为圆柱体，也可以采用棱柱体，可在实验室制取或现场取芯。试件的直径一般大于90mm且小于试件桶直径，避免孔径相对直径过大而增加测试误差，高度一般大于100mm，避免数据太少无法得到较为准确的函数曲线。试件材料一般为硬质材料且孔径不宜过小(一般路用材料均满足条件)，避免毛细现象影响测试结果。本实施例中本实施例中的试件4是在实验室制取的多孔水泥混凝土，具体过程如下：将新拌混凝土物料加至外径110mm、壁厚3.2mm的PVC管中，分三层插捣，将成型好的试件4放至养护室养护24h脱模。然后将试件风干24h后进行试验。
二、采集数据
试验前，先不放入试件，打开入水管的阀门，向空的水箱2注水，测试试件桶3的浮重随水位高度的变化，得到试件桶3的浮力关于水位高度变化的线性系数a，为试验中试件4的浮重变化消除误差。随后将水箱2中的水排出，并将试件桶取出风干后再重新安装。然后，将试件放入试件4桶中，保持试件竖直地置于试件桶3的正中间，缓慢的向水箱2注水直到水位没过试件顶面，通过拉力传感器5和压力传感器8分别测试试件的浸水浮重及水位变化，数据采集***9连续采集了整个过程浸水浮重随水位高度的变化过程。在数据采集过程中，应设置两个传感器同时开始采集且频率一致，应保证注水速度尽量缓慢，从而提高数据采集密度，进而提高测试结果的精确度。
三、数据处理
数据采集***采集得到了试件浸水浮重关于时间的变化曲线和水位高度关于时间的变化曲线，拉力的变化拐点即为水位到达试件底面的时间起点，从而得到了拉力关于水位高度对应的变化曲线(如附图2所示)。
从附图2可以看出，拉力FT逐渐减小，这是由于试件的浮重FF逐渐增大，而浮重FF的大小与孔隙率存在一定关系。在一段较小的Δh的水位高度变化范围内，拉力的变化ΔFT可按如下公式计算：
ΔFT＝ΔFT＝ρgΔV＝aΔh+ρgS(1-α)Δh
其中α为这段Δh的孔隙率，S为试件的截面积，a为试件桶的浮力关于水位高度的线性变化系数；
从而可以推导得到在该段的孔隙率可按如下公式计算：
因此得到了如附图3所示的试件沿高度方向的孔隙分布规律。
从附图3可以看出，试件的孔隙率随着高度下降而逐渐下降，这与试件的成型过程及水泥浆下沉有关。为了表彰该试件的孔隙分布特征，这里采用该孔隙率分布的平均孔隙率M(ρ)来表征该试件的整体孔隙率大小，采用标准差SD(ρ)来反映该试件的孔隙率分布的偏差大小，采用相对标准偏差RSD(ρ)(即偏差率)来反映该试件的孔隙率分布的不均匀程度。以上三个指标可按如下公式计算：
其中，ρi为沿高度方向第i到i+1个测点之间的薄层孔隙率。
计算得到本实施例中试件的平均孔隙率M(ρ)＝17.5％，孔隙率分布标准差为SD(ρ)＝2.1％，孔隙率分布“偏差率”RSD(ρ)＝12.1％，以上三个数据可以较为全面和客观的评价该多孔工程材料的孔隙分布特征。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利保护范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程。
Claims (6)
1.一种用于测试多孔工程材料孔隙分布特征的试验装置，其特征在于：它包括放置在水箱(2)上的固定架(1)，在固定架(1)上通过拉力传感器(5)连接有试件桶(3)，试件桶(3)位于水箱(2)内，在水箱(2)上设有带阀门的进水管(6)进和出水口(7)，且在水箱(2)的底部设有压力传感器(8)，所述拉力传感器(5)与压力传感器(8)与数据采集***连接(9)。
2.根据权利要求1所述的用于测试多孔工程材料孔隙分布特征的试验装置，其特征在于，所述水箱(2)为有机玻璃制槽体。
3.根据权利要求1所述的用于测试多孔工程材料孔隙分布特征的试验装置，其特征在于，所述的试件桶(3)为透水金属网。
4.根据权利要求1所述的用于测试多孔工程材料孔隙分布特征的试验装置，其特征在于，水箱(2)为长和宽为400-500mm，高为500-600mm、壁厚4-6mm；试件桶(3)的底面直径180-200mm、高250-300mm的圆柱体；固定架(1)支架距离600-700mm；出水口(7)距离水箱底面7mm，压力传感器(8)距离水箱底面6mm。
5.利用权利要求1-4任意一项用于测试多孔工程材料孔隙分布特征试验装置的方法，其特征在于：包括如下步骤：
S1.
不放入试件，向水箱注水，测试试件桶的浮重随水位高度的变化，得到试件桶的浮力关于水位高度变化的线性系数，为试验中试件的浮重变化消除误差；随后将水箱中的水排出，并将试件桶风干；
S2.
将试件放入试件桶中，得到试件的干重，保持试件竖直的置于试件桶的正中间，缓慢的向水箱注水直到水位没过试件顶面，通过实施监测拉力传感器和水压力传感器采集到的数据，即可得到试件在不同的浸水高度下的浮重；
S3.
通过推导和数据处理，得到了试件连通孔隙率沿高度方向的分布律，在通过演算得到的“偏差率”来评价试件的孔隙分布的均匀性。
6.根据权利要求5所述的用于测试多孔工程材料孔隙分布特征试验装置的方法，其特征在于：所述的推导和数据处理为：由数据采集***采集得到了试件浸水浮重关于时间的变化曲线和水位高度关于时间的变化曲线，拉力的变化拐点即为水位到达试件底面的时间起点，从而得到了拉力关于水位高度对应的变化曲线；通过水位高度对应的变化曲线看出拉力FT逐渐减小，即试件的浮重FF逐渐增大，而浮重FF的大小与孔隙率存在关系；在一段较小的Δh的水位高度变化范围内，拉力的变化ΔFT计算公式如下：
ΔFT＝ΔFF＝ρgΔV＝aΔh+ρgS (1-α)Δh
其中α为这段Δh
的孔隙率，S为试件的截面积，a为试件桶的浮力关于水位高度的线性变化系数；
从而推导得到在该段的孔隙率可按如下公式计算：
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采用该孔隙率分布的平均孔隙率M(ρ)来表征该试件的整体孔隙率大小，采用标准差SD(ρ)来反映该试件的孔隙率分布的偏差大小，采用相对标准偏差RSD(ρ)(即偏差率)来反映该试件的孔隙率分布的不均匀程度；以上三个指标的计算公式如下：
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