CN105954175A - 用于测试工程材料透水性能的试验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于测试工程材料透水性能的试验装置，包括落水管、热缩管、排水管、出水管、压力传感器以及数据采集系统；所述落水管、热缩管以及排水管沿竖直方向由上至下依次设置，所述排水管为上端设有开口且下端密封的结构；所述热缩管包括用于容纳待测试的试件的腔体，其上端内壁紧密贴合所述落水管的下端外壁，其下端内壁紧密贴合所述排水管的上端外壁；所述落水管包括用于容纳测试用水的腔体，所述压力传感器设置在所述腔体的下部，其所述压力传感器与所述数据采集系统连接；所述出水管水平设置，其一端与所述排水管连通，另一端设有阀门。本试验装置密封效果好、精确度高、结构简单。

Description

用于测试工程材料透水性能的试验装置及方法

技术领域

本发明涉及工程材料领域，具体涉及一种用于测试工程材料透水性能的试验装置及方法。

背景技术

目前，随着经济的不断发展，环境污染问题越来越严重，建立环境友好型的绿色生态城市慢慢成为人们的共识。透水性路面材料被认为是一种可有效改善城市生态环境的工程材料，透水路面具有缓解城市热岛效应，降低交通噪音，增加路面抗滑性，在雨天排除路面积水、减少喷雾和溅水，从而增强行行安全，保护水资源等优点，所以被广泛用于工程实践。透水性路面材料主要包括透水混凝土、透水沥青混凝土、透水砖、环氧树脂碎石混合料、聚氨酯碎石混合料等，主要用于城市道路、人行道、停车场、小区、公园、体育馆等。

透水性能是透水性工程材料最基本、最重要的性能，通过合理的试验方法对其进行测试和了解是正确有效地应用透水材料的前提和基础。目前用于测试透水性材料的试验方法大致分为定水头法和落水头法，通过测定一定时间内透过试件的水量来计算渗透系数，但多数试验方法存在以下问题：

a、试件密封效果不佳，导致水并非完全从试件断面透过，从而使测试结果误差较大；

b、测试手段较为粗糙，目前较多的测试方法是通过读取一定时间t内的水位变化，以此计算渗透系数，测试过程中往往会存在一定不可避免的误差；

c、表征方法不够科学，目前的测试方法中渗透系数的测定结果与初始水位高度有关，不同的初始水位高度得出的测试结果不相同，需要采用一个统一且科学的物理量来表征试件的渗透系数。因此研究一种科学的表征渗透系数的方法显得尤为重要。

经检索，专利号为201420222383.2，名称为“透水混凝土标准立方体试件透水系数测试装置”的专利提供了如下技术方案：“一种透水混凝土标准立方体试件透水系数测试装置，其特征在于，它包括用于盛放水并能通过底面向下透水的固定水位箱、位于固定水位箱下面的用于放置被测标准立方体试件的透水装置、位于透水装置下面支撑透水装置的支撑装置和透水量测试装置；所述的固定水位箱和透水装置之间通过密封装置连接在一起；所述的支撑装置包括固定底座和坐在固定底座上的透水支撑，在透水支撑的最下部有长嘴出水孔，所述的透水量测试装置放置在长嘴出水孔的下面，透水量通过长嘴出水孔排入透水量测试装置中；所述的透水装置搁置在透水支撑上。”

该方案中，“所述的固定水位箱和透水装置之间通过密封装置连接在一起”；其作用为“密封装置的作用是防止水通过内模与混凝土接触边界流出(实施方式第二段第4～5行)”。其以防水胶条进行密封，往往存在密封不严，仍有水渗出的问题。

故本领域需要一种可以解决以上问题的装置和/或方法。

发明内容

为克服现有技术中工程材料渗透系数测试装置和/或方法的不足，本发明提供一种密封效果好、精确度高、结构简单的用于测试工程材料透水性能的试验装置及方法。具体方案如下：

一种用于测试工程材料透水性能的试验装置，包括落水管、热缩管、排水管、出水管、压力传感器以及数据采集系统；

所述落水管、热缩管以及排水管沿竖直方向由上至下依次设置，所述排水管为上端设有开口且下端密封的结构；

所述热缩管包括用于容纳待测试的试件的腔体，其上端内壁紧密贴合所述落水管的下端外壁，其下端内壁紧密贴合所述排水管的上端外壁；

所述落水管包括用于容纳测试用水的腔体，所述压力传感器设置在所述腔体的下部，其所述压力传感器与所述数据采集系统连接；

所述出水管水平设置，其一端与所述排水管连通，另一端设有阀门。

根据本发明的一个优选实施例，落水管为有机玻璃管，热缩管为聚烯烃热缩管，排水管和出水管均为PVC管。

根据本发明的一个优选实施例，落水管的长度为1000mm，外径为100mm，厚度为5mm；热缩管的长度为200mm，外径为120mm，厚度为1mm；排水管的长度为400mm，外径为110mm，壁厚为3.2mm；出水管的长度为500mm，外径为40mm，厚度为3.2mm。

根据本发明的一个优选实施例，热缩管与落水管下部、热缩管与排水管上部之间的重叠部分的长度均为20mm～50mm。

一种用于测试工程材料透水性能的试验方法，包括如下步骤：

S1、用热缩管包裹住试件，将试件置于落水管和排水管中间；然后使用热风枪对热缩管加热，使热缩管收缩并与试件、落水管下部的外壁和排水管上部的外壁均紧密贴合，以确保测试时水流仅通过试件断面流过整个试件；

S2、关闭阀门，向落水管加水至一定高度，待水位稳定后打开阀门，通过安装在落水管管壁下端的压力传感器，数据采集系统持续记录试验时落水管下端的水压力随时间的变化；

S3、数据采集系统得到水压力随时间变化的离散值，然后将其拟合成二次函数曲线，通过求导得到回归系数，进而求得渗透系数随水力梯度变化的离散值，再将其拟合成幂函数曲线，所得幂函数的系数K即可视为用以表征试件透水性能的广义渗透系数。

根据本发明的一个优选实施例，落水管的加水高度为900mm～950mm。

本发明提供的技术方案具有如下有益效果：

1、本技术方案提供的用于测试工程材料透水性能的试验装置，采用热缩管对落水管和排水管进行密封，热缩管在加热的条件下回快速收缩，与落水管和排水管紧密贴合，从而使落水管中的水只沿着试件往下渗透，而不会从试件与热缩管的贴合面往下流，相比传统的以凡士林密封的方式，大大提高了密封效果，而且热缩管相对便宜，加热操作也比较简便。整个实验装置结构简单，便于操作，易于推广。

2、本技术方案提供的用于测试工程材料透水性能的试验装置，利用压力传感器测量落水管下部的压力变化，且设置数据采集系统对压力传感器的数据进行采集、拟合，从而最终计算出试件的广义渗透系数，相比传统的读取一定时间t内的水位变化的方法，测试结果的精确度大大提高。

3、本技术方案提供的用于测试工程材料透水性能的方法，首先将数据采集系统得到的水压力随时间变化的离散值其拟合成二次函数曲线，求导得到回归系数，进而求得渗透系数随水力梯度变化的离散值，再将其拟合成幂函数曲线，最终求得幂函数的系数广义透水系数，以表征试件的透水性能，这种表征方法更科学更合理。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照附图，对本发明作进一步的说明。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述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它的附图，其中：

图1为本发明提供的用于测试工程材料透水性能的试验装置的结构示意图；

图2为水头大小随时间的变化规律及由其拟合成的二次函数曲线；

图3为渗透系数随水力梯度的变化规律及由其拟合成的幂函数曲线；

图中：1、落水管，2、热缩管，3、排水管，4、出水管，5、阀门，6、压力传感器，7、数据采集系统，71、采集仪，72、PC机，8、试件。

具体实施方式

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。

请参阅图1，一种用于测试工程材料透水性能的试验装置，包括落水管1、热缩管2、排水管3、出水管4、压力传感器6以及数据采集系统7。

所述落水管1、热缩管2以及排水管3沿竖直方向由上至下依次设置，所述排水管3为上端设有开口且下端密封的结构。

所述热缩管2包括用于容纳待测试的试件8的内腔，其上端内壁紧密贴合所述落水管1的下端外壁，其下端内壁紧密贴合所述排水管3的上端外壁。

所述落水管1包括用于容纳测试用水的腔体，所述压力传感器6设置在所述腔体的下部，其所述压力传感器6与所述数据采集系统7连接。

所述出水管4水平设置，其一端与所述排水管3连通，另一端设有阀门5。

进一步地，落水管1为有机玻璃管，使用透明的有机玻璃管可以很好地观察到落水管1中水头的变化情况，热缩管2为聚烯烃热缩管，排水管3和出水管4均为PVC管。排水管3底端密封，其底部盛装水的最低位置与出水管4的内壁最低处平齐。

进一步地，落水管1的长度为1000mm，外径为100mm，厚度为5mm；热缩管2的长度为200mm，外径为120mm，厚度为1mm；排水管3的长度为400mm，外径为110mm，壁厚为3.2mm；出水管4的长度为500mm，外径为40mm，厚度为3.2mm。

进一步地，热缩管2与落水管1下部、排水管3上部的重叠部分的长度均为20mm～50mm。该长度范围可较好地固定落水管1和排水管3，太长则容易造成材料浪费，太短则可能导致固定效果不好。

一种用于测试工程材料透水性能的试验方法，包括如下步骤：

S1、用热缩管2包裹住试件8，将试件8置于落水管1和排水管3中间；然后使用热风枪对热缩管2加热，使热缩管2收缩，收缩的程度标准是：热缩管的内壁与试件8的四周侧壁均紧密贴合、热缩管的上端内壁与落水管1下部的外壁紧密贴合以及热缩管的下端内壁与排水管3上部的外壁紧密贴合，以确保测试时水流仅通过试件8断面流过整个试件8；

热风枪的功率一般为几千瓦，功率比吹风机(若用来加热热缩管2，则速度可能较慢，导致热缩管2因受热不均而起皱，达不到目的)大，可以更好地加热。加热所述热缩管2时以S形沿其外壁纵向吹，时刻保持均匀移动，以免热缩管2局部温度过高而烧坏热缩管2。

S2、关闭阀门5，向落水管1加水至一定高度，待水位稳定后打开阀门5，在落水管1管壁下端内侧端安装压力传感器6，数据采集系统7持续记录试验时水管中的水压力随时间的变化；

S3、数据采集系统7得到水压力随时间变化的离散值，然后将其拟合成二次函数曲线，通过求导得到回归系数，进而求得渗透系数随水力梯度变化的离散值，再将其拟合成幂函数曲线，进而求得可视为广义渗透系数以表征试件8的透水性能的幂函数的系数K。

进一步地，落水管1的加水高度为900mm～950mm。

上述数据采集系统7包括采集仪71以及与采集仪连接的PC机72，还可以根据实际需求采用别的方式。

实施例一

本技术方案的试验方法的步骤具体如下：

一、测试样品的制备与安装

一般情况下，试件8为圆柱形，可在实验室制取或者为在现场取芯制成，试件8直径要求在90mm～110mm，高度要求在50mm以上，本实施例中的试件8是在实验室制取的φ103.6mm×200mm透水混凝土，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，分两层插捣，将成型好的试件8放至养护室养护24h脱模。落水管1的长度可变，一般大于800mm，太短则数据太少，无法拟合出较为准确的函数曲线。

将制备好的试件8放至直径为120mm的热缩管2内中间位置，上端50mm套在落水管1上，下端50mm套在排水管3上。用热风枪将热缩管2均匀加热，使热缩管2紧贴试件8表面、落水管1外壁和排水管3的外壁，这样能保证水仅通过试件8断面流过。

二、采集数据

落水管1为高度1m、外径100mm、壁厚5mm的玻璃管，排水管3左边为底端封闭的外径110mm、壁厚3.2mm的PVC管，右边接外径40mm的出水管4，方便排水，在距离落水管1底端50mm处安装一个压力传感器6以测试水压力的变化。

试件8安装完毕后，将出水管4上的阀门5关闭，向落水管1加水至接近管口，等待水位稳定后，打开数据采集系统7，再打开阀门5直至落水管1中的水排完。数据采集系统7连续测试整个过程中水压力随时间的变化曲线。水位快满即可，添加水位越高数据越多，从而越容易拟合出精确的曲线。

三、数据处理

试验中水头与时间的关系曲线如附图2所示，可以用二次函数曲线拟合：

h＝a₀+a₁t+a₂t²

其中，a₀、a₁和a₂均为回归系数；h为水头；t为试验时间。

对上式两端求导，得到如下微分方程：

$\frac{dh}{dt}={\mathrm{\α}}_1+{\mathrm{\α}}_{2}t$

其中，a₁和a₂为水头和时间的微分方程的回归系数；

因此，水头下降速率可以表示为：

$v=\frac{dQ}{A_{2}dt}=\frac{A_1}{A_2}\frac{dh}{dt}=\frac{{r_1}^2}{{r_2}^2}\frac{dh}{dt}$

其中，v为水头下降的速率；Q为通过试件8的水量；A₁、A₂分别代表试验所使用的圆柱形落水管1和试件8的横截面积，r₁、r₂分别为对应的两者的半径。

水力梯度可以表示为：

$i=\frac{\mathrm{\Δ}h}{l}$

其中，i为水力梯度，表示流经试件8的水流的进水处和出水处的水头差；l为试件8高度。

根据计算得到的水头下降的速率和对应的水力梯度，可得到两者之间的关系，一般可用形式为v＝K·i^m的幂函数表示。其中，K(本技术方案中将K定义为广义透水系数)；m为曲线的形状因子。由于透水混凝土的渗透性较高，所以它的渗透系数是随时间不断变化的一个变量，所以本文定义了广义透水系数用以表征透水混凝土的渗透性，

根据附图2中回归得到的曲线方程，可以得到广义透水系数和曲线的形状因子m。根据本实施例的结果可知，水头下降的速率和水力梯度之间的关系可以表示为v＝6.321·i^0.41836(参见附图3)，因此此透水混凝土试件8的广义渗透系数为6.321mm/s(即0.6321cm/s)。

热缩管(heat shrink tube)是一种特制的聚烯烃材质的热收缩套管，柔软且具有弹性，加热可以迅速收缩。将试件8放在热缩管2中并将热缩管2套在落水管1和排水管3上，用热风枪加热能够使试件8被热缩管2紧紧包住，保证落水管1中的水全部从试件8透过，从而使结果更精确。采用热缩管2密封试件8是一种简单而且有效的方法。而现有技术中多用凡士林密封，往往不能得到好的密封效果。

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变换，直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (6)

1.一种用于测试工程材料透水性能的试验装置，其特征在于，包括落水管(1)、热缩管(2)、排水管(3)、出水管(4)、压力传感器(6)以及数据采集系统(7)；

所述落水管(1)、热缩管(2)以及排水管(3)沿竖直方向由上至下依次设置，所述排水管(3)为上端设有开口且下端密封的结构；

所述热缩管(2)包括用于容纳待测试的试件(8)的腔体，其上端内壁紧密贴合所述落水管(1)的下端外壁，其下端内壁紧密贴合所述排水管(3)的上端外壁；

所述落水管(1)包括用于容纳测试用水的腔体，所述压力传感器(6)设置在所述腔体的下部，其所述压力传感器(6)与所述数据采集系统(7)连接；

所述出水管(4)水平设置，其一端与所述排水管(3)连通，另一端设有阀门(5)。

2.根据权利要求1所述的用于测试工程材料透水性能的试验装置，其特征在于，落水管(1)为有机玻璃管，热缩管(2)为聚烯烃热缩管，排水管(3)和出水管(4)均为PVC管。

3.根据权利要求2所述的用于测试工程材料透水性能的试验装置，其特征在于，落水管(1)的长度为1000mm，外径为100mm，厚度为5mm；热缩管(2)的长度为200mm，外径为120mm，厚度为1mm；排水管(3)的长度为400mm，外径为110mm，壁厚为3.2mm；出水管(4)的长度为500m，外径为40mm，厚度为3.2mm。

4.根据权利要求3所述的用于测试工程材料透水性能的试验装置，其特征在于，热缩管(2)与落水管(1)下部之间、热缩管(2)与排水管(3)上部之间的重叠部分的长度均为20mm～50mm。

5.一种用于测试工程材料透水性能的试验方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、用热缩管(2)包裹住试件(8)，将试件(8)置于落水管(1)和排水管(3)中间；然后使用热风枪对热缩管(2)加热，使热缩管(2)收缩并与试件(8)的侧壁、落水管(1)下部的外壁和排水管(3)上部的外壁均紧密贴合，以确保测试时水流仅通过试件(8)断面流过整个试件(8)；

S2、关闭阀门(5)，向落水管(1)加水至一定高度，待水位稳定后打开阀门(5)，在落水管(1)管壁下端安装压力传感器(6)，数据采集系统(7)持续记录试验时水管中的水压力的变化；

S3、数据采集系统(7)得到水压力随时间变化的离散值，然后将其拟合成二次函数曲线，通过求导得到回归系数，进而求得渗透系数随水力梯度变化的离散值，再将其拟合成幂函数曲线，进而求得可视为广义渗透系数以表征试件(8)的透水性能的幂函数的系数K。

6.根据权利要求5所述的用于测试工程材料透水性能的试验方法，其特征在于，落水管(1)的加水高度为900mm～950mm。