CN110568003A - 一种加热、补水膨胀仪 - Google Patents
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Abstract
本发明属于室内土工试验技术领域，涉及一种加热、补水膨胀仪，包括：试验容器、补水机构和加热机构；在试验容器中盛装试样；本申请所述加热、补水膨胀仪通过试验容器外的加热机构和补水机构，可以测量不同温度、不同补水条件下试样的膨胀性，且加快土中部分化学反应达到终点，缩短试验时间，增加试验过程中的温湿度稳定性，以得到更可靠的试验结果。
Description
技术领域
本发明属于室内土工试验技术领域，涉及一种膨胀仪加热、补水系统，尤其涉及一种加热、补水膨胀仪。
背景技术
为保证高速铁路列车安全、快速行驶，高速铁路对路基强度和变形稳定性有较高的要求。在高速铁路路基建设时，路基中部分填料需要添加一定量的水泥进行固化，以提高路基强度和稳定性。但是当线路通过含有硫酸盐渍土的地区时，天然地基中的硫酸盐会随着土壤水分迁移进入路基，与水泥及其水化产物发生反应，在不同温度、湿度、比例等条件下，生成产物不尽相同，并且不同产物在环境条件改变下会相互转化，其中以钙矾石相体积膨胀率最大，对路基危害最强。
当硫酸盐渍土中添加足量水泥，则硫酸根离子首先与水泥石中的氢氧化钙反应生成硫酸钙，再与水泥石中的水化铝酸钙或者单硫型水化硫铝酸钙反应生成钙矾石；若硫酸根离子浓度较高，则其还会继续与水泥石中的氢氧化钙和水化硅酸钙反应生成石膏。上述反应前后的固相体积增加2倍以上。当系统反应生成钙矾石后，如果土中有足够的碳酸盐和湿度，而且温度低于15℃，则钙矾石与水化硅酸钙会通过一系列反应转化为硅灰石膏，此过程十分缓慢。
但是上述反应受环境温度影响较大，速率较慢，需要较长时间(通常7～14天，或更久)才能达到反应终点，不利于实验室对膨胀过程的复现，并探究其膨胀机理。使用传统膨胀仪进行上述反应膨胀率的测量时，需要人工定时注水至固定水位以保证反应持续、稳定进行，既费时又费力。根据文献研究总结发现，适当提高温度，可以加快反应速率，提早达到反应终点，且对最终膨胀量影响较小。
本专利申请即对上述现有技术问题进行了解决，提出一种适用于长期试验，并且兼具缩短上述试验反应所需时间作用的加热、补水膨胀仪。
发明内容
为了克服传统土工膨胀仪无法进行加热、补水的不足，本发明提供一种加热、补水膨胀仪，可在进行膨胀试验的同时，给试样提供较高且稳定的温度条件、稳定的水分补给条件，以保证长期试验的稳定进行，具体技术方案如下。
一种加热、补水膨胀仪，包括：工作台13、试验容器、测量机构、加载机构、补水机构和加热机构；
所述试验容器设置于工作台13上；所述加载机构设置于试验容器上；所述测量机构设置于加载机构上；所述加热机构设置于试验容器外；所述补水机构与试验容器相通；
所述试验容器用于：盛装试样8；
所述加载机构用于：对试样8施加荷载；
所述测量机构用于：测量试样8的膨胀变形；
所述加热机构用于：加热试样容器中的试样8；
所述补水机构用于：为试验容器中的试样8补水。
在上述技术方案的基础上，所述加热机构包括：硅橡胶加热垫11、温控仪14、温度传感器15和电源插头；
所述硅橡胶加热垫11与所述温控仪14通过导线相连接，所述温度传感器15与所述温控仪14通过导线相连接，所述电源插头与所述温控仪14通过导线相连接；所述电源插头与外接电源相连；
所述硅橡胶加热垫11为柔软方垫，完整地覆盖于所述试验容器的外侧壁，所述硅橡胶加热垫11用于：为所述试验容器加热；
所述温度传感器15设置于所述试验容器中，所述温度传感器15用于：测量试验容器内的温度，并传输至温控仪14；
所述温控仪14用于：启动或关闭硅橡胶加热垫11的加热功能，为试验容器提供稳定的加热环境。
本加热机构所采用的硅橡胶加热垫11，加热效率高，输出功率稳定，加热均匀，可将试样8从室温加热至最高70℃左右，满足实际工程中土工材料一般所涉及的高温条件，另外，也能很好地在钙矾石膨胀试验中，加速钙矾石的生成，且尽早达到反应终点，即在缩短试验时间的同时，对反应产物钙矾石和试样8的结构没有明显的额外影响。
在上述技术方案的基础上，所述补水机构包括：水箱20、进水管18、出水管21、进气管16、阀一17、阀二19和阀三22；
所述进水管18设置在所述水箱20的上端，所述阀二19设置在所述进水管18中，所述阀二19用于：控制往所述水箱20中加水；
所述进气管16设置在所述水箱20的上方，并通过管路延伸至所述水箱20内的下部空间，所述阀一17设置在所述水箱20外部的进气管16中，所述阀一17用于：控制进气管16与外界大气压的通断；当阀一17、阀二19打开，且阀三22关闭时，进气管16将水箱20内部与外部大气联通，可以通过进水管18往所述水箱20中加水；当阀二19关闭，阀一16和阀三22打开时，形成马略特瓶式的虹吸现象。
所述水箱20与试验容器通过出水管21相通；
在所述出水管21上设有阀三22；
所述阀三22用于：控制水箱20为试验容器中的试样8补水。
在上述技术方案的基础上，所述水箱20和进气管16均为透明材料；所述阀一17、阀二19和阀三22均为球形阀。
在上述技术方案的基础上，所述试验容器包括：试样皿(试验皿)12、限位环6、环刀9、上透水石7和下透水石10；
所述试样皿12通过底部设有的凹槽，安装在所述工作台13上设有的凸台上，以达到稳定固定所述试样皿12的作用；
所述试样皿12通过底部安装的出水管21与所述补水机构相连，以达到长期稳定补水的目的，克服传统土工膨胀仪因水分蒸发而无法稳定补水的不足；
所述下透水石10安装在所述试样皿12内的底部凹槽中；在所述环刀9中安装试样8，且环刀9的刃口朝下；
所述环刀9和试样8一起放置在所述下透水石10上；
所述限位环6的下部内侧设有凹陷，所述凹陷嵌合在所述环刀9的上平口端，以达到限制试样8只能沿竖向位移和变形的目的；
所述上透水石7安装在所述限位环6内，且置于所述试样8上方。
所述上透水石7用于：将所述加载机构传递的荷载均匀施加在所述试样8的上端。
在上述技术方案的基础上，在所述试样8与试样皿12的内侧壁间的空隙用水或砂填满。
当试样皿12与试样8之间的空间被水或砂填充时，所述温度传感器15悬在填充物中，并将实际温度反馈给所述温控仪14，所述温控仪14再判断是否需要给所述硅橡胶加热垫11通电以加热试样皿12，以达到提供稳定加热环境的目的。
在上述技术方案的基础上，所述上透水石7的直径、限位环6的内径、环刀9的内径均相同，上透水石7在限位环6的内壁和环刀9的内壁上下移动。
在上述技术方案的基础上，所述加载机构包括：加荷装置、加载杆3、金属球和加载板5；
所述加载杆3与加荷装置相连；所述金属球的上部嵌合在所述加载杆3底端设有的凹槽中，金属球的下部嵌合在所述加载板5的上表面；
所述加载杆3用于：向所述金属球施加竖向荷载；
所述金属球用于：将所述加载杆3施加的荷载稳定传递至所述加载板5上；
所述加载板5安装在所述上透水石7上方；
所述加载板5用于：将所述金属球传递的荷载均匀地传递、施加在所述上透水石7上。
在上述技术方案的基础上，所述加载板5放置于限位环6中，加载板5的外径与上透水石7的直径相同；所述金属球为钢珠4。
在上述技术方案的基础上，所述测量机构包括：固定支架2和百分表1；
所述固定支架2设置在所述工作台13上，所述试验容器的一侧；所述百分表1安装在所述固定支架2上，所述百分表1的伸缩端与所述加载杆3的上端接触；
所述百分表1用于：测量试样8的膨胀变形。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
通过试验容器外的加热机构和补水机构，使得本土工膨胀仪(即本申请所述加热、补水膨胀仪)可以测量不同温度、不同补水条件下试样8的膨胀性，并且可以加快土中部分化学反应达到终点，缩短试验所需时间，增加试验过程中的温湿度稳定性，以得到更可靠的试验结果，为工程建设和科学研究提供基础。
附图说明
本发明有如下附图：
图1为本发明的剖视结构示意图。
附图标记：
1、百分表，2、固定支架，3、加载杆，4、钢珠，5、加载板，6、限位环，7、上透水石，8、试样，9、环刀，10、下透水石，11、硅橡胶加热垫，12、试样皿，13、工作台，14、温控仪，15、温度传感器，16、进气管，17、阀一，18、进水管，19、阀二，20、水箱，21、出水管，22、阀三。
具体实施方式
以下结合实施例和附图对本发明进行描述。
以下结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。
本具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内，都受到专利法的保护。
图1所示的一种加热、补水膨胀仪，包括工作台13，工作台13的凸台上安装有试样皿12，可以很好地固定试样皿12。在试样皿12内的底部凹槽中，放入下透水石10，可以很好地固定下透水石10。下透水石10正上方放有带试样8的环刀9。环刀9的刃口朝下，与下透水石10相对。环刀9的平口端外嵌有限位环6，在所述限位环6内，上透水石7紧贴试样8的上表面，上透水石7的直径与限位环6的内径和环刀9的内径均相等，有一定厚度，上透水石7可以顺着限位环6的内壁和环刀9的内壁上下移动，无法水平移动或倾斜移动。
加载杆3与加载装置(加荷装置)相连，加载杆3下端的凹槽抵着金属球4的上部，金属球4的下部抵着加载板5，加载板5放置于限位环6中，与上透水石7的直径相同，且加载板5置于上透水石7的正上方，实现了荷载由加载杆3向上透水石7和试样8竖向均匀传递荷载的目的。
硅橡胶加热垫11为柔软方垫，均匀裹在试样皿12的侧壁外，实现均匀加热。温控仪14通过导线分别与硅橡胶加热垫11、温度传感器15、电源插头相连接，当试样皿(试验皿)12内被水或砂填充时，温度传感器15悬在填充物中，将所测温度反馈给温控仪14，温控仪14再判断是否需要给硅橡胶加热垫11通电以加热试验皿12，以达到提供稳定加热环境的目的。
水箱20上部分别设有进气管16、阀一17、进水管18和阀二19。水箱20为透明材料，较坚固。进气管16为透明材料，可以看见内部水柱高度，其上端联通水箱20外的空气，下端联通水箱20内的下部空间。进气管16于水箱20外一端安装有阀一17，用于：控制空气进出。进水管18联通水箱20内部空间与外部空气，其于水箱20外一端安装有阀二19，可以控制水分进出。水箱20的下端侧壁安装有出水管21，出水管21的一端联通水箱20的内部空间，另一端联通试验皿12内，于水箱20外一端安装有阀三22，可以控制水箱20向试验皿12内补水。
在工作台13上安装有固定支架2，无法移动。百分表1则安装在固定支架2上，安装后无法移动。百分表1的下部伸缩端与加载杆3相抵，可以测量其竖向移动。
试验前，按照上述说明，将试验容器安装在工作台13上，依次按位置放入下透水石10、带试样8的环刀9、限位环6、上透水石7，调整好加载杆3、金属球、加载板5、上透水石7的位置，使之紧密接触；调整好百分表1的位置和角度后，固定在固定支架2上。使硅橡胶加热垫11紧贴覆盖在试验皿12的侧壁外，试验皿12内的试样8与侧壁间的空隙用水或砂填满。
关闭阀三22，打开阀一17和阀二19，从进水管18向水箱20内注足量水。注水足量后，从进水管18向外抽气，使进气管16内的水位下降至指定高度后，关闭阀二19。具体描述如下：
膨胀试验开始前，需要往试样皿12中注水，试样8吸水或者在固定湿度条件下就会膨胀。一般来说使试样皿12内的水位高于试样8顶面5mm左右即可。长期试验时，尤其在加热状态下，试样皿12中水分蒸发较多，因此需要从补水机构的马氏瓶(即本申请中的水箱20)中向其持续、稳定地输送水分，以保持试样皿12中的水位不变。具体操作是，先打开阀二19和阀一17、关闭阀三22，通过进水管18向水箱20内注水，使得进气管16外的水面没过进气管16下端；然后从进水管18向外抽气，使得水箱20内的空气压力低于外部大气压，则进气管16中的水位低于水箱内的水面；当将进气管16中的水位基本调整至高于试样8顶面5mm左右时，停止抽气，并关闭阀二19；接着使阀一17保持打开状态，将阀三22打开，水箱20内的水补充至试样皿12内，根据连通器的原理，进气管16中的水位与试样皿12中的水位是连通且始终齐平的。因此，可以通过上述操作，调整进气管16中的水位，进而控制试样皿12中的水位。而且在马氏瓶补水期间，阀二19为关闭状态，阀一17和阀三22为开启状态，只要进气管16外的水面不低于进气管16的下端，进气管16内的水位就不会变化，因此能保证试样皿12的稳定补水。
试验开始时，打开阀三22，温控仪14接通电源，并设置好目标温度，再通过加载装置向加载杆3施加荷载，开始定时读取百分表1的读数。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所做的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。
本说明书中未做详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
Claims (10)
1.一种加热、补水膨胀仪，其特征在于，包括：工作台(13)、试验容器、测量机构、加载机构、补水机构和加热机构；
所述试验容器设置于工作台(13)上；所述加载机构设置于试验容器上；所述测量机构设置于加载机构上；所述加热机构设置于试验容器外；所述补水机构与试验容器相通；
所述试验容器用于：盛装试样(8)；
所述加载机构用于：对试样(8)施加荷载；
所述测量机构用于：测量试样(8)的膨胀变形；
所述加热机构用于：加热试样容器中的试样(8)；
所述补水机构用于：为试验容器中的试样(8)补水。
2.如权利要求1所述的加热、补水膨胀仪，其特征在于：所述加热机构包括：硅橡胶加热垫(11)、温控仪(14)、温度传感器(15)和电源插头；
所述硅橡胶加热垫(11)与所述温控仪(14)通过导线相连接，所述温度传感器(15)与所述温控仪(14)通过导线相连接，所述电源插头与所述温控仪(14)通过导线相连接；所述电源插头与外接电源相连；
所述硅橡胶加热垫(11)为柔软方垫，覆盖于所述试验容器的外侧壁，所述硅橡胶加热垫(11)用于：为所述试验容器加热；
所述温度传感器(15)设置于所述试验容器中，所述温度传感器(15)用于：测量试验容器内的温度，并传输至温控仪(14)；
所述温控仪(14)用于：启动或关闭硅橡胶加热垫(11)的加热功能，为试验容器提供稳定的加热环境。
3.如权利要求1所述的加热、补水膨胀仪，其特征在于：所述补水机构包括：水箱(20)、进水管(18)、出水管(21)、进气管(16)、阀一(17)、阀二(19)和阀三(22)；
所述进水管(18)设置在所述水箱(20)的上端，所述阀二(19)设置在所述进水管(18)中，所述阀二(19)用于：控制往所述水箱20中加水；
所述进气管(16)设置在所述水箱(20)的上方，并通过管路延伸至所述水箱(20)内的下部空间，所述阀一(17)设置在所述水箱(20)外部的进气管(16)中，所述阀一(17)用于：控制进气管16与外界大气压的通断；
所述水箱(20)与试验容器通过出水管(21)相通；
在所述出水管(21)上设有阀三(22)；
所述阀三(22)用于：控制水箱(20)为试验容器中的试样(8)补水。
4.如权利要求3所述的加热、补水膨胀仪，其特征在于：所述水箱(20)和进气管(16)均为透明材料；所述阀一(17)、阀二(19)和阀三(22)均为球形阀。
5.如权利要求3所述的加热、补水膨胀仪，其特征在于：所述试验容器包括：试样皿(12)、限位环(6)、环刀(9)、上透水石(7)和下透水石(10)；
所述试样皿(12)通过底部设有的凹槽，安装在所述工作台(13)上设有的凸台上；
所述试样皿(12)通过底部安装的出水管(21)与所述补水机构相连；
所述下透水石(10)安装在所述试样皿(12)内的底部凹槽中；在所述环刀(9)中安装试样(8)，且环刀(9)的刃口朝下；
所述环刀(9)和试样(8)一起放置在所述下透水石(10)上；
所述限位环(6)的下部内侧设有凹陷，所述凹陷嵌合在所述环刀(9)的上平口端；
所述上透水石(7)安装在所述限位环(6)内，且置于所述试样(8)上方；
所述上透水石(7)用于：将所述加载机构传递的荷载均匀施加在所述试样(8)的上端。
6.如权利要求5所述的加热、补水膨胀仪，其特征在于：在所述试样(8)与试样皿(12)的内侧壁间的空隙用水或砂填满。
7.如权利要求5所述的加热、补水膨胀仪，其特征在于：所述上透水石(7)的直径、限位环(6)的内径、环刀(9)的内径均相同，上透水石(7)在限位环(6)的内壁和环刀(9)的内壁上下移动。
8.如权利要求5或7所述的加热、补水膨胀仪，其特征在于：所述加载机构包括：加荷装置、加载杆(3)、金属球和加载板(5)；
所述加载杆(3)与加荷装置相连；所述金属球的上部嵌合在所述加载杆(3)底端设有的凹槽中，金属球的下部嵌合在所述加载板(5)的上表面；
所述加载杆(3)用于：向所述金属球施加竖向荷载；
所述金属球用于：将所述加载杆(3)施加的荷载稳定传递至所述加载板(5)上；
所述加载板(5)安装在所述上透水石(7)上方；
所述加载板(5)用于：将所述金属球传递的荷载均匀地传递、施加在所述上透水石(7)上。
9.如权利要求8所述的加热、补水膨胀仪，其特征在于：所述加载板(5)放置于限位环(6)中，加载板(5)的外径与上透水石(7)的直径相同；所述金属球为钢珠(4)。
10.如权利要求8所述的加热、补水膨胀仪，其特征在于：所述测量机构包括：固定支架(2)和百分表(1)；
所述固定支架(2)设置在所述工作台(13)上，所述试验容器的一侧；所述百分表(1)安装在所述固定支架(2)上，所述百分表(1)的伸缩端与所述加载杆(3)的上端接触；
所述百分表(1)用于：测量试样(8)的膨胀变形。
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