CN111735845B - 一种单轴压缩状态下材料保温隔冷性能试验装置及试验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种单轴压缩状态下材料保温隔冷性能试验装置，包括承重垫块、承重钢板、上端橡胶板、测温钢板、保温材料、下端橡胶板。其中，承重垫块放置在承重钢板顶面，承重钢板底面放置在上端橡胶板顶面，上端橡胶板底面放置在测温钢板顶面，测温钢板底面采用保温材料进行保温隔冷处理，保温材料顶面与测温钢板底面直接接触，保温材料底面与下端橡胶板顶面直接接触，下端橡胶板放置在最下端。本发明试验装置放置在单轴压力机上，采用伺服控制系统施加竖向荷载，可以实现单轴压缩状态下材料保温隔冷性能试验测试，获得材料在单轴压缩状态下的保温隔冷效果评价指标，为煤矿井筒冻结法施工时初始表土段局部保温隔冷材料的选择提供重要依据。
Description
技术领域
本发明涉及材料保温隔冷性能试验测试技术领域，特别涉及一种单轴压缩状态下材料保温隔冷性能试验装置及试验方法。
背景技术
煤矿井筒采用冻结法施工时需要事先对拟开挖地层采用人工制冷技术，将含水地层冻结成一个封闭的不透水帷幕，隔绝地下水与井筒之间的联系，然后在其保护下进行挖砌施工。
新建煤矿井筒沿地层纵向将依次穿过表土段、风化基岩段、稳定基岩段，其冻结深度通常要达到风化基岩段与稳定基岩段交界处，甚至还要往下2～3m，以此确保施工安全。但是在初始表土段，例如地下-150m范围内，这一范围必须采用局部保温隔冷技术，以达到减缓该范围内冻土扩展速度、控制温度场发展的目的。这样做不仅降低了该范围内土体冻胀和融沉对井架基础的影响，而且避免了大量冷量耗散，节省矿井建设中冻结工程分项中的费用投入。然而，该范围内采用材料进行保温隔冷时，由于地应力作用材料处于受压状态，因此受压状态下材料的保温隔冷性能就显得额外重要。但是，目前实验室对于材料保温隔冷性能试验测试基本上是在无压力状态下进行的，这主要是受现有试验装置的限制以及无压力状态下的试验操作相对更为简便的影响。一旦材料受到压力作用，材料内部结构紧密程度势必发生变化，也就是说材料受压状态下的保温隔冷性能与无压力状态下的保温隔冷性能应该存在差别。又由于材料受压状态下的保温隔冷性能是决定煤矿井筒冻结工程局部保温隔冷效果的重要依据，因此非常有必要对材料在受压状态下的保温隔冷性能进行测试。单轴压缩状态指的就是材料仅在一个方向上受到σ1的压应力作用。
发明内容
基于现有材料保温隔冷性能试验测试所存在的不足，本发明的目的在于提供一种单轴压缩状态下材料保温隔冷性能试验装置及试验方法，能够开展单轴压缩状态下材料保温隔冷性能试验测试，获得材料在单轴压缩状态下的保温隔冷效果评价指标，为煤矿井筒冻结法施工时局部保温隔冷材料的选择提供重要依据。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种单轴压缩状态下材料保温隔冷性能试验装置，包括承重垫块、承重钢板、上端橡胶板、测温钢板、保温材料、下端橡胶板，其中，所述承重垫块放置在所述承重钢板顶面，所述承重钢板底面放置在所述上端橡胶板顶面，所述上端橡胶板底面放置在所述测温钢板顶面，所述测温钢板底面采用所述保温材料进行保温隔冷处理，所述保温材料顶面与所述测温钢板底面直接接触，所述保温材料底面与所述下端橡胶板顶面直接接触，所述下端橡胶板放置在最下端。
优选地，在上述的单轴压缩状态下材料保温隔冷性能试验装置中，
所述承重垫块采用高强度高刚度铸钢浇注而成，为实心六边形棱柱体，高度为160mm。
优选地，在上述的单轴压缩状态下材料保温隔冷性能试验装置中，
所述承重钢板采用高强度高刚度铸钢浇注而成，厚度为20mm。
优选地，在上述的单轴压缩状态下材料保温隔冷性能试验装置中，
所述上端橡胶板是带有缺口的不完整矩形，所述上端橡胶板中心位置开设直径100mm的圆孔，所述上端橡胶板右下角位置带有矩形缺口，所述矩形缺口面积约占所述上端橡胶板面积的1/10，所述上端橡胶板厚度为30mm。
优选地，在上述的单轴压缩状态下材料保温隔冷性能试验装置中，
所述测温钢板为矩形、厚度为12mm，在所述测温钢板顶面和底面各沿同一方向短边中心位置为起点至长边中心位置为终点开槽，分别形成所述测温钢板顶面凹槽和所述测温钢板底面凹槽，所述凹槽深度为3mm。
优选地，本申请还提供一种利用上述的单轴压缩状态下材料保温隔冷性能试验装置的试验方法，包括如下步骤：
步骤一：将二根测温导线分别预埋在所述测温钢板顶面凹槽长度方向端头处和中间位置，测点编号依次为1#、2#；再将另外二根测温导线分别预埋在所述测温钢板底面凹槽长度方向端头处和中间位置，测点编号依次为3#、4#；然后利用测试仪器检查所述四根测温导线能否正常工作，检查完成确保正常工作后，再用胶带将所述四根测温导线分别固定在所述测温钢板顶面和底面，且要确保所述测点1#和3#的位置在垂直投影方向是在一条直线上，所述测点2#和4#的位置在垂直投影方向是在一条直线上。
步骤二：将所述保温材料固定在所述测温钢板底面，所述保温材料顶面与所述测温钢板底面直接接触，额外再另取二根测温导线布置在所述保温材料底面，测点编号依次为5#、6#，然后利用测试仪器检查所述二根测温导线能否正常工作，检查完成确保正常工作后，再用胶带将所述二根测温导线分别固定在所述保温材料底面，且要确保所述测点5#位置在垂直投影方向与所述测点1#、3#是在一条直线上，所述测点6#位置在垂直投影方向与所述测点2#、4#是在一条直线上。
步骤三：在单轴压力机下端承压板上平放所述下端橡胶板，再将布设好所述六根测温导线的所述测温钢板和所述保温材料一起平放到所述下端橡胶板顶面，最后将所述上端橡胶板平放到所述测温钢板上，所述上端橡胶板带有的所述矩形缺口位置朝向实验人员。
步骤四：将液氮按照事先设计好的速度倒入所述上端橡胶板开设的所述圆孔内，并实时测量六个测点在各时间点下的温度，直到所述测点1#、2#、3#、4#温度达到实验方案设计要求并且一致。
步骤五：迅速将所述承重钢板平放到所述上端橡胶板上，确保所述上端橡胶板开设的所述圆孔被封住，且所述上端橡胶板留有所述矩形缺口位置处的所述测温钢板暴露在外部，所述测温钢板暴露的面积约占所述测温钢板总面积的1/6。
步骤六：迅速将所述承重垫块均匀摆放在所述承重钢板顶面，下降单轴压力机上承压板直至与所述承重垫块接触，采用伺服控制系统以荷载的施加方式直至实验方案中设定的竖向荷载，随后保持荷载恒定不变。
步骤七：在所述测温钢板暴露的位置按照事先设计好的速度继续倾倒液氮，以确保测试过程所述测温钢板温度不会迅速回升，能够始终保持在实验方案指定温度下的低温状态，实时记录所述测点1#、2#、3#、4#、5#、6#整个过程温度随时间变化情况，当六个测点温度达到一致时，实验结束。
步骤八：分别比较所述测点1#和所述测点3#温度达到一致时所需要的时间，所述测点2#和所述测点4#温度达到一致时所需要的时间，所述测点3#和所述测点5#温度达到一致时所需要的时间，所述测点4#和所述测点6#温度达到一致时所需要的时间，根据温度达到一致时所需时间的长短，用以判断所述保温材料的保温隔冷效果。
优选地，在上述的试验方法中，
在所述步骤三中，所述下端橡胶板平面面积约是所述测温钢板平面面积的1.1～1.2倍，防止所述测温钢板与压力机下端承压板直接接触冷量散失过快。
在所述步骤四中，所述上端橡胶板短边与所述下端橡胶板短边齐平，所述上端橡胶板最长边与所述下端橡胶板长边齐平，除所述上端橡胶板中所述矩形缺口处的所述测温钢板暴露在外部，所述测温钢板其他部位均被所述上端橡胶板覆盖住。
在所述步骤三和步骤四中，所述下端橡胶板与所述测温钢板边界接触面处以及所述上端橡胶板与所述测温钢板边界接触面处采用密封胶密封，防止液氮沿边界接触面处串漏。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
将本发明试验装置放置在单轴压力机上，采用伺服控制系统施加竖向荷载，实现了材料在单轴压缩状态下的保温隔冷性能测试，直接获得降温过程中不同位置处测点温度随时间的变化规律，更加直观地反映出材料在单轴压缩状态下的保温隔冷效果，能够给煤矿井筒冻结法施工时初始表土段局部保温隔冷材料的保温隔冷效果评价提供重要依据以及试验方法。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。其中：
图1为本发明所述的一种单轴压缩状态下材料保温隔冷性能试验装置示意图；
图2为本发明所述的测温钢板示意图；
图3为本发明所述的承重垫块示意图；
图4为本发明所述的上端橡胶板示意图；
图5为本发明所述的下端橡胶板示意图；
图中标号说明：1-压力机上端承压板；2-承重垫块；3-承重钢板；4-上端橡胶板；5-测温钢板；6-下端橡胶板；7-压力机下端承压板；8-保温材料；9-测温钢板顶面凹槽；10-测温钢板底面凹槽。
具体实施方式
下面将结合具体实施例和附图对本发明作进一步的详细说明。
在本发明的描述中，术语“顶面”、“底面”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而不是要求本发明必须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。
结合图1、图2、图3、图4、图5，实施例：本实施例所述的一种单轴压缩状态下材料保温隔冷性能试验装置，包括承重垫块2、承重钢板3、上端橡胶板4、测温钢板5、保温材料8、下端橡胶板6，其中，承重垫块2放置在承重钢板3顶面，承重钢板3底面放置在上端橡胶板4顶面，上端橡胶板4底面放置在测温钢板5顶面，测温钢板5底面采用保温材料8进行保温隔冷处理，保温材料8顶面与测温钢板5底面直接接触，保温材料8底面与下端橡胶板6顶面直接接触，下端橡胶板6放置在最下端，直接与压力机下端承压板7顶面接触。
本实施例所述的一种单轴压缩状态下材料保温隔冷性能试验装置，其中，承重垫块2采用高强度高刚度铸钢浇注而成，为实心六边形棱柱体，高度为160mm。
本实施例所述的一种单轴压缩状态下材料保温隔冷性能试验装置，其中，承重钢板3采用高强度高刚度铸钢浇注而成，厚度为20mm。
本实施例所述的一种单轴压缩状态下材料保温隔冷性能试验装置，其中，上端橡胶板4是带有缺口的不完整矩形，上端橡胶板4中心位置开设直径100mm的圆孔，上端橡胶板4右下角位置带有矩形缺口，矩形缺口面积约占上端橡胶板4面积的1/10，上端橡胶板4厚度为30mm。
本实施例所述的一种单轴压缩状态下材料保温隔冷性能试验装置，其中，测温钢板5为矩形、厚度为12mm，在测温钢板5顶面和底面各沿同一方向短边中心位置为起点至长边中心位置为终点开槽，分别形成测温钢板顶面凹槽9和测温钢板底面凹槽10，凹槽深度均为3mm。
本发明还提供一种利用上述的单轴压缩状态下材料保温隔冷性能试验装置的试验方法，具体试验方法包括如下步骤：
步骤一：将二根测温导线分别预埋在测温钢板顶面凹槽9长度方向端头处和中间位置，测点编号依次为1#、2#；再将另外二根测温导线分别预埋在测温钢板底面凹槽10长度方向端头处和中间位置，测点编号依次为3#、4#；然后利用测试仪器检查上述四根测温导线能否正常工作，检查完成确保正常工作后，再用胶带将上述四根测温导线分别固定在测温钢板5顶面和底面，且要确保上述测点1#和3#的位置在垂直投影方向是在一条直线上，上述测点2#和4#的位置在垂直投影方向是在一条直线上。
步骤二：将保温材料8固定在测温钢板5底面，保温材料8顶面与测温钢板5底面直接接触，额外再另取二根测温导线布置在保温材料8底面，测点编号依次为5#、6#，然后利用测试仪器检查这二根测温导线能否正常工作，检查完成确保正常工作后，再用胶带将这二根测温导线分别固定在保温材料8底面，且要确保上述测点5#位置在垂直投影方向与上述测点1#、3#是在一条直线上，上述测点6#位置在垂直投影方向与上述测点2#、4#是在一条直线上。
步骤三：在单轴压力机下端承压板7上平放所述下端橡胶板6，再将布设好上述六根测温导线的测温钢板5和保温材料8一起平放到下端橡胶板6顶面，最后将上端橡胶板4平放到测温钢板5上，上端橡胶板4带有的矩形缺口位置朝向实验人员。
步骤四：将液氮按照事先设计好的速度倒入上端橡胶板4开设的圆孔内，并实时测量上述六个测点在各时间点下的温度，直到上述测点1#、2#、3#、4#温度均达到-40℃±5℃。
步骤五：迅速将所述承重钢板3平放到上端橡胶板4上，确保上端橡胶板4开设的圆孔被封住，且上端橡胶板4留有矩形缺口位置处的测温钢板5暴露在外部，测温钢板5暴露的面积约占测温钢板5总面积的1/6。
步骤六：迅速将承重垫块2均匀摆放在承重钢板3顶面，下降单轴压力机上承压板1直至与承重垫块2接触，采用伺服控制系统以荷载的施加方式直至实验方案中设定的500kN，随后保持荷载恒定不变。
步骤七：在测温钢板5暴露的位置按照事先设计好的速度继续倾倒液氮，以确保测试过程测温钢板5温度不会迅速回升，能够始终保持在实验方案指定-40℃±5℃温度下的低温状态，实时记录上述测点1#、2#、3#、4#、5#、6#整个过程温度随时间变化情况，当上述六个测点温度达到一致时，实验结束。
步骤八：分别比较测点1#和测点3#温度达到一致时所需要的时间，测点2#和测点4#温度达到一致时所需要的时间，测点3#和测点5#温度达到一致时所需要的时间，测点4#和测点6#温度达到一致时所需要的时间，根据温度达到一致时所需时间的长短，用以判断保温材料8的保温隔冷效果。
优选地，在上述的试验方法中，
在所述步骤三中，所述下端橡胶板6平面面积约是测温钢板5平面面积的1.1～1.2倍，防止测温钢板5和压力机下端承压板7直接接触冷量散失过快。
在所述步骤四中，上端橡胶板4短边与下端橡胶板6短边齐平，上端橡胶板4最长边与下端橡胶板6长边齐平，除上端橡胶板4中矩形缺口处测温钢板5暴露在外部，测温钢板5其他部位均被上端橡胶板4覆盖住。
在所述步骤三和步骤四中，下端橡胶板6与测温钢板5边界接触面处以及上端橡胶板4与测温钢板5边界接触面处采用密封胶密封，防止液氮沿边界接触面处串漏。
上述本发明具体实施方式的优点与积极效果还集中体现在如下：
将本发明试验装置放置在单轴压力机上，采用伺服控制系统施加竖向荷载，实现了材料在单轴压缩状态下的保温隔冷性能测试，直接获得降温过程中不同位置处测点温度随时间变化的规律，更加直观地反映出材料在单轴压缩状态下的保温隔冷效果，能够给煤矿井筒冻结法施工时初始表土段局部保温隔冷材料的保温隔冷效果评价提供重要依据以及试验方法。
以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。
Claims (8)
1.一种单轴压缩状态下材料保温隔冷性能试验装置，其特征在于：包括承重垫块（2）、承重钢板（3）、上端橡胶板（4）、测温钢板（5）、保温材料（8）、下端橡胶板（6），其中，承重垫块（2）放置在承重钢板（3）顶面，承重钢板（3）底面放置在上端橡胶板（4）顶面，上端橡胶板（4）底面放置在测温钢板（5）顶面，测温钢板（5）底面采用保温材料（8）进行保温隔冷处理，保温材料（8）顶面与测温钢板（5）底面直接接触，保温材料（8）底面与下端橡胶板（6）顶面直接接触，下端橡胶板（6）放置在最下端，直接与压力机下端承压板（7）顶面接触；
试验方法如下：
步骤一：将二根测温导线分别预埋在测温钢板顶面凹槽（9）长度方向端头处和中间位置，测点编号依次为1#、2#，测温导线编号依次为a、b；再将另外二根测温导线分别预埋在测温钢板底面凹槽（10）长度方向端头处和中间位置，测点编号依次为3#、4#，测温导线编号依次为c、d；然后利用测试仪器检查上述a、b、c、d四根测温导线能否正常工作，检查完成确保正常工作后，再用胶带将上述a、b、c、d四根测温导线分别固定在测温钢板（5）顶面和底面，且要确保上述测点1#和3#的位置在垂直投影方向是在一条直线上，上述测点2#和4#的位置在垂直投影方向是在一条直线上；
步骤二：将保温材料（8）固定在测温钢板（5）底面，保温材料（8）顶面与测温钢板（5）底面直接接触，额外再另取二根测温导线布置在保温材料（8）底面，测点编号依次为5#、6#，测温导线编号依次为e、f，然后利用测试仪器检查上述e、f二根测温导线能否正常工作，检查完成确保正常工作后，再用胶带将上述e、f二根测温导线分别固定在保温材料（8）底面，且要确保上述测点5#位置在垂直投影方向与上述测点1#、3#是在一条直线上，上述测点6#位置在垂直投影方向与上述测点2#、4#是在一条直线上；
步骤三：在单轴压力机下端承压板（7）上平放所述下端橡胶板，再将布设好测温导线的测温钢板（5）和保温材料（8）一起平放到下端橡胶板（6）顶面，最后将所述上端橡胶板（4）平放到测温钢板（5）上，上端橡胶板（4）带有的矩形缺口位置朝向实验人员；
步骤四：将液氮按照事先设计好的速度倒入上端橡胶板（4）开设的圆孔内，并实时测量上述六个测点在各时间点下的温度，直到上述测点1#、2#、3#、4#温度达到实验方案设计要求并且一致；
步骤五：迅速将所述承重钢板（3）平放到上端橡胶板（4）上，确保上端橡胶板（4）开设的圆孔被封住，且上端橡胶板（4）留有矩形缺口位置处的测温钢板（5）暴露在外部，测温钢板（5）暴露的面积约占测温钢板（5）总面积的1/6；
步骤六：迅速将承重垫块（2）均匀摆放在承重钢板（3）顶面，下降单轴压力机上端承压板（1）直至与承重垫块（2）接触，采用伺服控制系统以荷载的施加方式直至实验方案中设定的竖向荷载，随后保持荷载恒定不变；
步骤七：在测温钢板（5）暴露的位置按照事先设计好的速度继续倾倒液氮，以确保测试过程测温钢板（5）温度不会迅速回升，能够始终保持在实验方案指定温度下的低温状态，实时记录上述测点1#、2#、3#、4#、5#、6#整个过程温度随时间变化情况，当上述六个测点温度达到一致时，实验结束；
步骤八：分别比较上述测点1#和上述测点3#温度达到一致时所需要的时间，上述测点2#和上述测点4#温度达到一致时所需要的时间，上述测点3#和上述测点5#温度达到一致时所需要的时间，上述测点4#和上述测点6#温度达到一致时所需要的时间，根据温度达到一致时所需时间的长短，用以判断保温材料（8）的保温隔冷效果。
2.根据权利要求1所述的一种单轴压缩状态下材料保温隔冷性能试验装置，其特征在于，承重垫块（2）采用高强度高刚度铸钢浇注而成，为实心六边形棱柱体，高度为160mm。
3.根据权利要求1所述的一种单轴压缩状态下材料保温隔冷性能试验装置，其特征在于，承重钢板（3）采用高强度高刚度铸钢浇注而成，厚度为20mm。
4.根据权利要求1所述的一种单轴压缩状态下材料保温隔冷性能试验装置，其特征在于，上端橡胶板（4）是带有缺口的不完整矩形，上端橡胶板（4）中心位置开设直径100mm的圆孔，上端橡胶板（4）右下角位置带有矩形缺口，矩形缺口面积约占上端橡胶板（4）面积的1/10，上端橡胶板（4）厚度为30mm。
5.根据权利要求1所述的一种单轴压缩状态下材料保温隔冷性能试验装置，其特征在于，测温钢板（5）为矩形、厚度为12mm，在测温钢板（5）顶面和底面各沿同一方向短边中心位置为起点至长边中心位置为终点开槽，分别形成测温钢板顶面凹槽（9）和测温钢板底面凹槽（10），凹槽深度均为3mm。
6.根据权利要求1所述的一种单轴压缩状态下材料保温隔冷性能试验装置，其特征在于，在所述步骤三中，所述下端橡胶板（6）平面面积是测温钢板（5）平面面积的1.1～1.2倍。
7.根据权利要求1所述的一种单轴压缩状态下材料保温隔冷性能试验装置，其特征在于，在所述步骤四中，上端橡胶板（4）短边与下端橡胶板（6）短边齐平，上端橡胶板（4）最长边与下端橡胶板（6）长边齐平，除上端橡胶板（4）中矩形缺口处测温钢板（5）暴露在外部，测温钢板（5）其他部位均被上端橡胶板（4）覆盖住。
8.根据权利要求1所述的一种单轴压缩状态下材料保温隔冷性能试验装置，其特征在于，在所述步骤三和步骤四中，下端橡胶板（6）与测温钢板（5）边界接触面处以及上端橡胶板（4）与测温钢板（5）边界接触面处采用密封胶密封。
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