CN107677585B - 一种透水材料的透水系数测定装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种透水材料的透水系数测定装置，包括主体支撑装置、水头限定装置、试件固定装置、透过水收集装置和透过水计量装置；水头限定装置只通过侧面与支撑装置上部固定连接；水头限定装置侧壁上设有进水口和溢水口，进水口低于溢水口；进水缓冲腔和溢水缓冲腔共同围绕注水腔设置；注水腔底部开有通孔一；试件固定装置有开设通孔二的安装板，安装板一侧固定安装与通孔二相对的短管；所述的短管用于悬垂固定待测试件；透过水收集装置包括接水容器和导水管；透过水计量装置包括带称量功能的容器。本发明所述的透水系数测定装置克服了现有设备注水腔存在的溅水及水面不够平稳等缺陷，注水水面更加平稳，进一步提高了测量精度。本发明还提供利用所述测定装置测定透水材料的透水系数的方法。

Description

一种透水材料的透水系数测定装置及测量方法

技术领域

本发明涉及一种透水系数测定装置及方法，尤其涉及一种混凝土、透水沥青、透水砖等透水材料的透水系数测定装置及测量方法。

背景技术

目前城市居民的主要生活场所(城市广场、人行道、商业街、停车场等)的地面主要采用花岗岩、大理石、柏油、水泥等不透水的硬化材料铺设，与自然的土壤相比，普通硬化材料地面缺乏呼吸性，雨水渗透和热量吸收能力较差，随之也带来了一系列的问题。下雨时，由于硬化材料地面透水性差，地面容易产生积水，给人们的生活带来诸多不便；宝贵的水资源随地下排水管道流失，加重了城市排水系统的负担；同时，地表水分不能得到很好地补给，严重影响城市植被的健康，增加了市政绿化负担。透水材料是具有连续孔隙结构的混凝土、透水沥青、透水砖、多孔墙砖、生态混凝土等，具有良好的透水性，已日益得到人们的关注。因此，大力推广透水地面和透水路面对于恢复城市地表环境，减轻排水设施压力，减轻市政绿化负担等方面具有重要的意义。

在透水混凝土、透水沥青、透水砖的结构设计中，透水系数是一个重要技术指标，透水系数的大小直接影响透水混凝土、透水沥青、透水砖、多孔墙砖、生态混凝土等透水材料的质量。然而，目前关于透水混凝土、透水沥青、透水砖的透水系数的测试却存在实践应用的技术瓶颈问题。虽然在实践中有一些透水系数测定的技术和方法，例如，中国专利文献CN104266953A、CN105203443A、CN201368839Y、CN202814846U等，分别公开了不同的透水系数测量设备，但这些设备中都将试件置于一个较大的带溢水口的水槽内，测量时透过试件的水会进入该溢水槽，通过测量溢水槽中被透过水所挤压溢出槽的水量来推算试件的透水系数。但这类设备和方法都不够成熟，水槽深度不一样，挤压压力不一样，水槽宽度不一样，挤压溢出槽的水量不稳定，透水试件侧面液体侧漏，存在结构复杂、操作繁琐、测量误差较大、浪费水资源，不环保以及应用场合限制等问题。

中国专利文献CN 106769782 A公开的测定装置打破了上述传统测量装置的常规，不再设置溢水槽，也不再将试件置于溢水槽中，而是设置了开放式的试件固定装置，有效地简化了透水系数测量装置，减少了可能影响测量精度的环节和因素。此外，该装置不再测量溢水槽挤出水的量，而是直接收集并测量从试件下表面流出的水，这样保证了所测量的透过水量的真实性和有效性，大大提高了透水系数测量的准确性。但是经过实践发现，该设备仍然存在一些有待解决的问题，例如，该设备的注水腔结构在上水过程中容易四处溅水，导致水面不够平稳等等，这对实际测试的结果会产生不小的影响。

因此，有必要通过结构的改进克服上述技术问题，进一步提高透水系数测定的科学性和准确性。

发明内容

本发明的目的在于：提供一种透水建筑材料的透水系数测定装置及测定方法，能够克服现有设备注水腔存在的溅水及水面不够平稳等缺陷。

本发明实现上述目的所采用的技术方案为：

首先，提供一种透水材料的透水系数测定装置，包括主体支撑装置、水头限定装置、试件固定装置、透过水收集装置和透过水计量装置；

所述的水头限定装置只通过侧面与所述的支撑装置上部固定连接；所述的水头限定装置侧壁上设有进水口和溢水口，进水口低于溢水口；所述的水头限定装置内部空间分隔为进水缓冲腔、注水腔和溢水缓冲腔；所述的注水腔位于中间，所述的进水缓冲腔位于外围的下层，所述的溢水缓冲腔位于外围的上层，即进水缓冲腔和溢水缓冲腔共同围绕注水腔设置；所述的进水缓冲腔在不同侧面上向注水腔内开有至少2个注水口；所述的注水腔通过顶部开口与所述的溢水缓冲腔相通；所述的进水缓冲腔通过所述的进水口与进水管连通；所述的溢水缓冲腔通过所述的溢水口与溢水管连通；所述的注水腔底部开有通孔一，与所述的试件固定装置相通；

所述的试件固定装置，有开设通孔二的安装板，安装板一侧固定安装与通孔二相对的短管；所述的安装板另一侧与所述水头限定装置的下表面紧密固定连接，且通孔一、通孔二和短管口正相对；所述的短管用于悬垂固定待测试件；

所述的透过水收集装置安装在所述主体支撑装置下部，位于所述试件固定装置下方，包括接水容器和导水管，所述的接水容器上口面积大于所述短管下口面积，所述的接水容器底部开口，通过所述的导水管连接透过水计量装置；

所述的透过水计量装置位于所述接水容器下方，包括带称量功能的容器。

本发明的方案中，所述的主体支撑装置在形状、结构上没有特别的限制，例如可以是骨架式、台桌式等等。

本发明的方案中，所述的水头限定装置的外形没有特别的限定，可以是棱柱体或圆柱体。本发明优选的方案中，所述的水头限定装置整体呈长方柱体。

本发明的方案中，所述的水头限定装置侧壁上开设的进水口和溢水口，可以处于同一立面上，也可以处于不同立面上，只要溢水口位置高于进水口位置，就能够有效避免测试过程中注入水的溅出和对水头液面的冲击，显著提高了水头稳定性。本发明优选的方案中，所述的进水口和溢水口同处于水头限定装置的同一侧面上。

本发明的方案中，所述的进水缓冲腔和溢水缓冲腔对所述注水腔的围绕可以是四面围绕，也可以是三面围绕，所述的至少2个注水口都开设在远离所述进水口的位置；本发明优选的方案中，所述的进水缓冲腔和溢水缓冲腔均从三面围绕所述注水腔设置，且在所述的进水缓冲腔相对的侧壁上对称设置2组注水口与注水腔相通。

本发明的方案中，所述的注水口规格和形状没有特别的限定，优选横向设置的扁长方形注水口或横向连续多孔式注水口。

本发明的方案中，所述的试件固定装置用于在测试时将侧封好的试件和所述注水腔下端实现水密连接，因此根据需要测试的试件形状，所述的短管可以是方管，也可以是圆管或是多边管。并且根据需要在与注水腔下端连接处衬有水密材料层。

本发明的方案中，所述的进水管和溢水管可以分别外接给水设备和储水设备，也可以共同连接一个带水泵的储水设备，以便循环利用溢水管的出水。

本发明优选的方案中，所述的主体支撑装置上部进一步设有控制和显示单元，所述的控制和显示单元至少设有输入设备、预置计算程序的芯片、存储设备和显示屏；所述的芯片与所述的透过水计量装置电连接，用于接收透过水计量装置的实测数据；所述的输入设备与所述的芯片电连接，用于向芯片人工输入操作指令；所述的存储设备与所述的芯片电连接，用于存储芯片提供的数据；所述的显示屏与所述的芯片电连接，用于显示芯片处理的结果。

本发明进一步优选的方案中，所述的主体支撑装置底部进一步设有带水泵的储水装置；所述的储水装置通过管道连接所述的溢水口，通过水泵及管道连接所述的进水口，同时还可通过水泵及管道连接所述的透过水带称量功能的容器；通过该结构，可将测试中的溢水口出水导入所述的储水装置，还可将测试后完成称量的透过水泵入储水装置，并在下次测试时将上述导入的水作为测试用水循环使用。

在此基础上，本发明还提供一种透水材料的透水系数测定方法，利用本发明所述的测定装置，包括以下步骤：

1)取块状透水材料试件，选择试件的两个平行平面作为测试面，将测试面以外的试件表面采用弹性密封材料进行第一次密封处理；

2)步骤1)处理后的试件以两个测试面所在端为上、下端，将上端正对所述注水腔底部的通孔一插入试件固定装置的短管，再使用弹性密封材料将试件与短管下开口处裹紧，完成第二次密封处理，使试件悬垂于所述水头限定装置下方；

3)开启所述的进水管，水经进水口流入所述的进水缓冲腔内，水位在围绕注水腔设置的进水缓冲腔内呈环形或半环形上升，水位达到所述至少2个注水口后从多个方向同时注入注水腔内，注水腔内水位上升超过其顶部开口后漫入所述的溢水缓冲腔，溢水缓冲腔内的水通过所述的溢水口溢出，经管道到达所述的储水设备；

4)检测所述的水头稳定性，当水头稳定性持续达到预设标准后，开启透过水计量装置，记录透过水的任意增量Q与相应时间T；

5)利用以下参数计算透水系数：步骤1)测得的试件测试面的面积W、步骤4)记录的时间T及时间T内增加的水量Q。

本发明的透水系数测定方法优选的计算公式如下：

透水系数＝透过水的增量Q/(试件的过水断面面积W×透过的时间T)

本发明优选的测试方法中，步骤4)所述的检测水头稳定性的方法是以下三种方法中的任意一种：

①检测并计算两个透水增量差的绝对值，当所述绝对值小于等于任意设定值，可以认为透水的水头稳定；所述计算公式为：∣△Q₂-△Q₁∣；

②检测并计算两个单位时间内的透水增量差的绝对值，当所述绝对值小于等于任意设定值，可以认为透水的水头稳定；所述计算公式为：∣△Q₂/△t₂－△Q₁/△t₁∣；

或者，

③检测并计算两个单位时间内的透水增量差的绝对值，比上任意一个单位时间内的透水增量，当所述比值小于等于任意设定值，可以认为透水的水头稳定；所述计算公式为：∣(△Q₂/△t₂－△Q₁/△t₁)∣/(△Q₁/△t_1或2)。

本发明优选的透水材料的透水系数测定方法中，步骤4)和步骤5)连续测量计算得到3个以上的透水系数值，最终计算所有透水系数值的平均值，作为所述的透水材料的透水系数。

与现有技术相比，本发明的透水材料的透水系数测定装置及方法具有多方面的有益效果，主要体现在：

1、能够快速获得高稳定性的测试水头，进一步提高了测量精度。

本发明的测定装置主要通过以下几点获得高稳定性水头：

①多侧面开设注水口，避免了单一方向单点注水冲击试件和溅水，有助于水头稳定；

②溢水口高于进水口，使水头液面高于进水口和注水口，避免了进水和注水口高于水头液面时注水水流冲击水头液面导致的水头波动，大幅度地提升了水头稳定性；

③进水缓冲腔和溢水缓冲腔都围绕在注水腔周围设置，使水能从不同方向同时注入注水腔，也能够让注水腔内的水同时从多个方向溢流出去，与传统的注水和溢水都在单一侧面单一开口相比，显著地降低了水的波动，提升了水面达到平衡的速度。

2、本发明的测定方法简便易行，速度快，误差小。

本发明的测定方法基于上述设备所具有的特点而具有非常高的测试准确性，此外，采用弹性密封材料对试件及试件与短管的下开口处进行的两次密封处理也最大程度地避免了试件侧面漏水，同时具有操作简单、省时省力的优点。

附图说明

图1为实施例1透水系数测定装置的整体结构示意图。

图2为实施例1透水系数测定装置的侧面剖视结构图。

图3为实施例1透水系数测定装置的缓水槽结构示意图。

图4为实施例1透水系数测定装置的缓水槽俯视图。

具体实施方式

下面结合附图和具体的实施例对本发明作进一步的详细说明，但本发明并不限于这些实施例。

本发明中所述的主体支撑装置可以是多种形式，例如框架式、台桌式、箱体式等等。

实施例1

一种透水材料的透水系数测定装置，如图1、2所示，包括一支撑箱体1、支撑箱体1自上而下安装有控制器2、定水头水箱3、试块固定夹具4、接水漏斗5、导水管6、蓄水桶7、称量桶8；

如图1、2、3所示，定水头水箱3整体呈长方桶状，在同一侧面上开有进水口31、溢水口32，其中溢水口32高于进水口31；定水头水箱3内部空间分隔为进水缓冲腔33、注水腔34和溢水缓冲腔35；注水腔34位于定水头水箱3的中间位置，进水缓冲腔33在定水头水箱3外围，从下层三面围绕注水腔34，溢水缓冲腔35在定水头水箱3外围，从上层三面围绕注水腔34；进水缓冲腔33在两个相对面上等高的位置朝注水腔34开有2个横向的扁长方形注水口341；注水腔34通过顶部开口342与溢水缓冲腔35相通；进水缓冲腔33通过进水口31与进水管311连通；溢水缓冲腔35通过溢水口32与溢水管321连通；进水管311和溢水管321共同连接带水泵10的蓄水桶7；注水腔34底部开有通孔一36；

如图4所示，试块固定夹具4，包括开设通孔二41的安装板42，以及带有安装缘的方形短管43；安装板42一侧与方形短管43的安装缘通过螺接固定连接，另一侧焊接固定在定水头水箱3底面上，使通孔一、通孔二和方形短管口对齐；安装板42与方形短管43之间衬有弹性密封垫；通孔二41与方形短管43正相对；使用时，待测试件9置于方形短管43内悬垂固定；

如图1、2所示，接水漏斗5上口面积大于方形短管43下口面积，接水漏斗5底部连接导水管6，导水管6下方设置带有电子计量装置的称量桶8。

控制器2设有输入按键、预置计算程序的芯片、存储设备和显示屏；芯片与称量桶8的电子计量装置电连接，用于接收透过水计量装置的实测数据；输入设备与芯片电连接，用于向芯片人工输入操作指令；存储设备与芯片电连接，用于存储芯片提供的数据；显示屏与芯片电连接，用于显示芯片处理的结果。

实施例2

一种透水材料的透水系数测定方法，使用实施例1所述的透水系数测定装置，具体方法包括如下步骤：

1)取块状透水材料试件，选择试件的两个平行平面作为测试面，将测试面以外的试件表面采用弹性密封材料进行第一次密封处理；；

2)步骤1)处理后的试件以两个测试面所在端为上、下端，将上端正对注水腔34底部的通孔一插入方形短管43，再使用弹性密封材料将试件与方形短管43下开口处裹紧，完成第二次密封处理，使试件悬垂于定水头水箱3下方；

3)开启进水管311，水经进水口311流入进水缓冲腔33内，水位在围绕注水腔34设置的进水缓冲腔33内呈半环形上升，水位达到2个注水口341后，从相对的个方向同时注入注水腔34内，注水腔34内水位上升超过其顶部开口342后漫入溢水缓冲腔35，溢水缓冲腔35内的水通过溢水口32溢出，经溢水管321到达蓄水桶7；

4)检测水头稳定性，当水头稳定性持续达到预设标准后，通过控制器2开启称量桶8，记录透过水的任意增量Q与相应时间T；检测水头稳定性的方法如下：

检测并计算两个单位时间内的透水增量差的绝对值，比上任意一个单位时间内的透水增量，当所述比值小于等于任意设定值，可以认为透水的水头稳定；

所述计算公式为：∣(△Q₂/△t₂－△Q₁/△t₁)∣/(△Q₁/△t_1或2)。

5)利用以下公式计算透水系数：

透水系数＝透过水的增量Q/(试件的过水断面面积W×透过的时间T)

连续测量计算得到3个以上的透水系数值，最终计算所有透水系数值的平均值，作为所述的透水材料的透水系数。

本发明中未述及的部分采用或借鉴已有技术即可实现。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“背”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明的精神所作的举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (10)

1.一种透水材料的透水系数测定装置，包括主体支撑装置、水头限定装置、试件固定装置、透过水收集装置和透过水计量装置；

所述的水头限定装置只通过侧面与所述的主体支撑装置上部固定连接；所述的水头限定装置侧壁上设有进水口和溢水口，进水口低于溢水口；所述的水头限定装置内部空间分隔为进水缓冲腔、注水腔和溢水缓冲腔；所述的注水腔位于中间，所述的进水缓冲腔位于外围的下层，所述的溢水缓冲腔位于外围的上层，即进水缓冲腔和溢水缓冲腔共同围绕注水腔设置；所述的进水缓冲腔在不同侧面的等高位置向注水腔内开有至少2个注水口；所述的注水腔通过顶部开口与所述的溢水缓冲腔相通；所述的进水缓冲腔通过所述的进水口与进水管连通；所述的溢水缓冲腔通过所述的溢水口与溢水管连通；所述的注水腔底部开有通孔一，与所述的试件固定装置相通；

所述的试件固定装置，有开设通孔二的安装板，安装板一侧固定安装短管；所述的安装板另一侧与所述水头限定装置的下表面紧密固定连接，且通孔一、通孔二和短管口正相对；所述的短管用于悬垂固定待测试件；

所述的透过水收集装置安装在所述主体支撑装置下部，位于所述试件固定装置下方，包括接水容器和导水管，所述的接水容器上口面积大于所述短管下口面积，所述的接水容器底部开口，通过所述的导水管连接透过水计量装置；

所述的透过水计量装置位于所述主体支撑装置底部，包括带称量功能的容器。

2.权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的水头限定装置整体呈长方柱体。

3.权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的水头限定装置侧壁上开设的进水口和溢水口处于水头限定装置的同一侧面上。

4.权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的进水缓冲腔和溢水缓冲腔均从三面围绕所述注水腔设置，且在所述的进水缓冲腔相对的侧壁上对称设置2组注水口与注水腔相通。

5.权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的注水口是横向设置的扁长方形注水口或横向连续多孔式注水口。

6.权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的进水管和溢水管共同连接一个带水泵的储水设备，以便循环利用溢水管的出水。

7.权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的主体支撑装置上部设有控制和显示单元，所述的控制和显示单元至少设有输入设备、预置计算程序的芯片、存储设备和显示屏；所述的芯片与所述的透过水计量装置电连接，用于接收透过水计量装置的实测数据；所述的输入设备与所述的芯片电连接，用于向芯片人工输入操作指令；所述的存储设备与所述的芯片电连接，用于存储芯片提供的数据；所述的显示屏与所述的芯片电连接，用于显示芯片处理的结果。

8.权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的主体支撑装置底部设有带水泵的储水装置；所述的储水装置通过管道连接所述的溢水口，通过水泵及管道连接所述的进水口，同时通过水泵及管道连接所述的透过水计量装置中的带称量功能的容器。

9.一种透水材料的透水系数测定方法，利用权利要求6所述的测定装置，包括以下步骤：

1）取块状透水材料试件，选择试件的两个平行平面作为测试面，将测试面以外的试件表面采用弹性密封材料进行第一次密封处理；

2）步骤1）处理后的试件以两个测试面所在端为上、下端，将上端正对所述注水腔底部的通孔一插入试件固定装置的短管，再使用弹性密封材料将试件与短管下开口处裹紧，完成第二次密封处理，使试件悬垂于所述水头限定装置下方；

3）开启所述的进水管，水经进水口流入所述的进水缓冲腔内，水位在围绕注水腔设置的进水缓冲腔内呈环形或半环形上升，水位达到所述至少2个注水口后从多个方向同时注入注水腔内，注水腔内水位上升超过其顶部开口后漫入所述的溢水缓冲腔，溢水缓冲腔内的水通过所述的溢水口溢出，经管道到达所述的储水设备；

4）检测水头稳定性，当水头稳定性持续达到预设标准后，开启透过水计量装置，记录透过水的任意增量Q与相应时间T；

5）利用以下参数计算透水系数：步骤1）测得的试件测试面的面积W、步骤4）记录的时间T及时间T内增加的水量Q；最终计算所有透水系数值的平均值，作为所述的透水材料的透水系数。

10.权利要求9所述的透水系数测定方法，其特征在于，步骤4）所述的检测水头稳定性的方法是如下任意一种方法：

①检测并计算两个透水增量差的绝对值，当所述绝对值小于等于任意设定值，则认为透水的水头稳定；所述计算使用的公式为：∣△Q₂-△Q₁∣；

②检测并计算两个单位时间内的透水增量差的绝对值，当所述绝对值小于等于任意设定值，则认为透水的水头稳定；所述计算使用的公式为：∣△Q₂/△t₂－△Q₁/△t₁∣；

或者，

③检测并计算两个单位时间内的透水增量差的绝对值，比上任意一个单位时间内的透水增量，当比值小于等于任意设定值，则认为透水的水头稳定；所述计算的公式为：∣（△Q₂/△t₂－△Q₁/△t₁）∣/（△Q₁/△t₁或△t₂）。