CN113390745B - 双轴滚式可模拟渠道断面形态的耐磨性测试装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及耐磨性测试技术领域，具体公开了双轴滚式可模拟渠道断面形态的耐磨性测试装置及方法。所述耐磨性测试装置包括电机支撑底座、双轴电机、圆盘装置和试样盒；圆盘装置包括圆盘本体；圆盘本体具有两个相对设置的侧部和环向测试部，一个侧部设置有圆形投料孔，另一个侧部设置有圆盘输出轴；环向测试部沿圆盘本体旋转轴的周向环形设置，且将两个侧部连接成一个整体并形成一个中空的半封闭式结构；环向测试部向外凸起的底部横截面结构为测试用结构断面形态；试样盒设置在环向测试部的外侧；所述圆盘装置为一系列环向测试部向外凸起的底部横截面结构不同的多个圆盘装置。本发明可模拟渠道断面形态，测试获取的耐磨性更接近真实工程中的情况。

Description

双轴滚式可模拟渠道断面形态的耐磨性测试装置及方法
技术领域
本发明涉及混凝土材料耐磨性测试技术领域，尤其涉及一种双轴滚式可模拟渠道断面形态的耐磨性测试装置及方法。
背景技术
耐磨性（Abrasion Resistance）是指材料抵抗磨损与磨耗的能力。磨损主要是由于材料与其他物体表面摩擦作用使体积与质量减少的现象，而磨耗是在摩擦与冲击两种作用下发生的质量与体积减少的现象。建筑工程中的楼道楼面、交通工程中的公路路面、水利工程中的溢流坝的溢流面、闸墩、泄洪洞以及隧洞衬砌经常受到夹砂水流的冲刷或者夹石水流的冲击而破坏。山地灾害防护工程领域中，泥石流排导槽在固-液两相流冲击与磨蚀作用下，也会出现钢筋外露，槽底部或顶部破坏严重的现象。因此，提高混凝土材料的耐磨性，增加混凝土材料对磨损与磨耗的抵抗能力，有助于提高混凝土结构的服务寿命。
公开号为CN110243710A的中国发明专利申请公开了一种泥石流磨蚀装置，通过电机带动叶片转动形成垂直搅拌。该泥石流磨蚀装置能够评价流-固耦合条件下混凝土材料的耐磨性，准确测试分析混凝土材料的耐磨性。但是，由于一个电机垂直搅拌同时对底部的多个样品进行磨蚀，样品离旋转中心的距离不同，导致样本表面的不同位置，流速不一致，可能会对实验结果产生误差，而且泥沙容易沉积在底部，对叶片进行撞击，导致叶片支座不稳定，缩短实验装置的寿命。也就是说，此技术方案的主要缺陷在于电机垂直搅拌会导致的实验结果偏差。
公开号为CN111811973A的中国发明专利申请公开了一种滚筒式泥石流冲刷装置，相对公开号为CN110243710A的中国发明专利申请公开的泥石流磨蚀装置，采用了比较符合实际工况的立式设计，克服电机垂直搅拌形成的主要缺陷。但是，该滚筒式泥石流冲刷装置每次只能进行单一流-固体条件下的耐磨测试；试样槽是可调节式的钢板，在测试过程中流体容易发生渗漏；而且由于泥石流体的容重大，采用的单轴电机设计在实验时可能会发生仪器倾斜的状况。
进一步地，随着技术的发展和研究的深入，技术人员在实际工程中发现结构断面形态对耐磨特性的影响不容忽视。结构的断面形态会改变固相颗粒的分布、局部流速等参数，影响流-固体的运动形态，导致不同断面形态的结构会出现不同类型的破坏。然而，现有的耐磨性测试装置并未完全考虑到这一点结构断面形态对耐磨特性的影响。因此，亟需综合考虑流-固体速度和结构断面形态对耐磨特性的影响而提供一种新的耐磨性测试装置，更准确地确定混凝土材料的泥石流磨蚀系数。
发明内容
针对现有技术忽略了混凝土材料耐磨性测试过程中结构断面形态对耐磨特性的影响以及单轴电机结构不稳定且效率低的不足，本发明提供了一种双轴滚式可模拟渠道断面形态的耐磨性测试装置及方法，以更准确地确定混凝土材料的泥石流磨蚀系数，为泥石流排导结构的有效设计提供更可靠的科学依据。
首先，本发明提供了一种双轴滚式可模拟渠道断面形态的耐磨性测试装置。
所述耐磨性测试装置包括电机支撑底座、安装在电机支撑底座上的双轴电机、可拆卸式安装在双轴电机主轴上的圆盘装置以及用于放置样本的试样盒；
所述圆盘装置包括圆盘本体；所述圆盘本体具有两个相对设置的侧部和环向测试部，一个侧部设置有用于取放样本和磨蚀材料的圆形投料孔，另一个侧部设置有与双轴电机主轴连接的与圆盘本体旋转轴同轴的圆盘输出轴；所述环向测试部沿圆盘本体旋转轴的周向环形设置，且环向测试部将两个侧部连接成一个整体并形成一个中空的半封闭式结构；所述环向测试部向外凸起的底部横截面结构为测试用的断面形态；所述试样盒设置在环向测试部的外侧；所述圆盘装置为一系列环向测试部向外凸起的底部横截面结构不同的多个圆盘装置。
进一步地，为了更好地实现本发明，根据环向测试部向外凸起的底部横截面结构的不同，多个圆盘装置中包括底部横截面为矩形的矩形截面圆盘、底部横截面为梯形的梯形截面圆盘、底部横截面为V形的V形截面圆盘、底部横截面为U形的U形截面圆盘、底部横截面为复式断面的复式截面圆盘。
为了直观地观测旋转过程中磨蚀材料的运动形态，进一步地，所述圆盘装置设置有圆形投料孔的侧部为环形的透明树脂玻璃板。所述透明树脂玻璃板与所述环向测试部之间还设置有防水密封圈，所述透明树脂玻璃板、防水密封圈、环向测试部通过防水螺栓连接成一个整体。
为了提高圆盘装旋转时的稳定性，进一步地，所述圆盘装置还包括设置在圆盘本体、圆盘输出轴之间呈辐射状分布的多个支撑条。所述支撑条的一端设置在圆盘本体上、另一端设置在圆盘输出轴上。
本发明中所述圆盘装置可拆卸式安装在双轴电机主轴上，通常所述双轴电机与所述圆盘装置采用卡槽结构或法兰结构实现可拆卸式连接。
当所述双轴电机与所述圆盘装置采用卡槽结构进行连接时，所述圆盘输出轴为设置有内孔槽的中空轴，所述双轴电机的主轴插入圆盘输出轴中并通过安装在内孔槽中的内孔槽螺丝将双轴电机的主轴和圆盘输出轴同轴连接并锁紧。
当所述双轴电机与所述圆盘装置采用法兰结构进行连接时，所述圆盘输出轴和所述双轴电机的主轴上均固定安装法兰，且分别安装在圆盘输出轴和双轴电机主轴上的法兰通过连接轴螺栓组件将双轴电机的主轴和圆盘输出轴同轴连接并锁紧。
为了方便样本浇筑，克服非标准样品造成的实验误差，进一步地，所述试样盒采用与混凝土样本尺寸对应的标准尺寸的棱柱体或标准尺寸的立方体。
进一步地，为了更好地实现本发明，所述双轴电机包括电机本体、安装电机本体的电机底座以及用于控制和显示电机本体工作状态的控制盘；所述电机底座通过底座螺栓安装在电机支撑底座上；所述控制盘包括内置的微控制器以及设置在工作面板上且与微控制器电信号连接的转速显示器、转速调节按钮、启动按钮、停止按钮、定时装置。
其次，基于上述耐磨性测试装置，本发明还提供了一种可模拟渠道断面形态方法，对样本进行耐磨性测试。所述测试方法，选取不同的断面形态的圆盘装置、浇筑不同类型的混凝土样本以及配置不同类型的磨蚀材料，根据样本磨蚀前的重量、样本磨蚀后的重量、样本的密度、测试时间、双轴电机转速、样本磨蚀后不规则破坏面的面积计算样本质量随时间的损失和样本质量随时间的深度变化，再根据样本质量随时间的损失和样本质量随时间的深度变化评估样本的耐磨性。
本发明的有益效果如下：
（1）本发明中所述的双轴滚式可模拟渠道断面形态的耐磨性测试装置，包括一系列环向测试部向外凸起的底部横截面结构不同的多个圆盘装置，且环向测试部向外凸起的底部横截面结构与实际结构断面形态对应，通过此结构的设置在测试过程中加入了结构端面形态对混凝土耐磨性的影响，能够更真实地反映实际工程中混凝土的耐磨性；而且所述圆盘装置可拆卸安装在双轴电机的主轴上，通过更换不同结构的圆盘装置，还可同时进行不同断面形态的耐磨性测试试验；
（2）本发明中所述的双轴滚式可模拟渠道断面形态的耐磨性测试装置，采用双轴电机提供圆盘装置旋转的动力，不仅可以同时进行两种类型的耐磨性试验，提高耐磨性试验效率，而且可以使电机两侧保持平衡，保障耐磨性试验的安全；
（3）本发明中所述圆盘装置采用半封闭结构，避免了液体磨蚀材料或液体固-液磨蚀材料渗漏的问题，可以进行混凝土材料抗固体、液体或固-液耦合的耐磨性测试；而且，所述圆盘装置上还设置有透明树脂玻璃板可以直观地观测磨蚀材料的运动形态；
（4）本发明中以标准混凝土模具为基础设计试样盒，解决了非规则混凝土样本浇筑困难、浇筑后样本与测试盒不匹配等问题；其中在试样盒上设计圆形钢钉，可降低混凝土耐磨测试表面与测试仪器表面不平整导致的误差。
附图说明
图1为本发明混凝土耐磨测试装置整体结构示意图。
图2为本发明混凝土耐磨测试装置整体结构重要尺寸关系示意图。
图3为本发明双轴电机与圆盘装置的一种连接结构示意图。
图4为本发明双轴电机与圆盘装置的另一种连接结构示意图。
图5为梯形断面形态混凝土结构底部磨损磨耗示意图。
图6为矩形断面形态混凝土结构底部磨损磨耗示意图。
图7为V形断面形态混凝土结构底部磨损磨耗示意图。
图8为U形断面形态混凝土结构底部磨损磨耗示意图。
图9为复式断面形态混凝土结构底部磨损磨耗示意图。
图10为圆盘本体中环向测试部向外凸起的底部横截面呈梯形断面的结构示意图。
图11为圆盘本体中环向测试部向外凸起的底部横截面呈矩形断面的结构示意图。
图12为圆盘本体中环向测试部向外凸起的底部横截面呈V形断面的结构示意图。
图13为圆盘本体中环向测试部向外凸起的底部横截面呈U形断面的结构示意图。
图14为圆盘本体中环向测试部向外凸起的底部横截面呈复式断面的结构示意图。
图15为矩形断面圆盘装置设置透明树脂玻璃板的结构示意图。
图16为图15中圆盘装置的圆盘本体、防水密封圈、透明树脂玻璃板拆解结构示意图。
图17为用于限位固定带圆形钢钉的棱柱体样本的试样盒安装在圆盘本体上的结构示意图。
图18为带圆形钢钉的棱柱体样本安装在图17所示试样盒中的使用状态示意图。
图19为图18试样盒中安装带圆形钢钉的棱柱体样本的截面剖视图。
图20为用于限位固定不带圆形钢钉的棱柱体样本的试样盒安装在圆盘本体上的结构示意图。
图21为通过钢丝将不带圆形钢钉的棱柱体样本限位固定在图20所示试样盒中的使用状态示意图。
图22为图21试样盒中安装不带圆形钢钉的棱柱体样本的截面剖视图。
图23为棱柱体样本与对应试样盒的示意图。
图24为立方体样本与对应试样盒的示意图。
图中：
1、双轴电机；11、控制盘；12、电机底座；13、内孔槽；14、法兰；15、连接轴螺栓组件；
2、圆盘装置；21、圆盘本体；22、内孔槽螺丝；23、支撑条；24、试样盒；25、圆形投料孔；26、环向测试部；27、防水密封圈；28、透明树脂玻璃板；29、防水螺栓；
3、电机支撑底座；31、底座螺栓；
4、棱柱体样本；41、橡胶材料；42、小螺丝；43、小铁皮；44、钢丝；45、圆形钢钉；
5、立方体样本；
6、磨蚀材料；
7、磨蚀部位。
具体实施方式
以下结合实施例的具体实施方式，对本发明的上述内容再做进一步的详细说明。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实例。在不脱离本发明上述技术思想情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段作出的各种替换或变更，均应包括在本发明的范围内。
实施例1：
专利公开号为CN110243710A的现有技术1其主要缺陷在于：电机垂直搅拌所导致的实验结果偏差；专利公开号为CN111811973A的现有技术2用电机立式搅拌设计克服了现有技术1的主要缺陷，但还存在仅能进行单一流-固体条件下的耐磨测试、流体易渗漏、仪器易倾斜的缺陷。随着研究的深入，又发现现有技术中存在“忽略了混凝土材料耐磨性测试过程中结构断面形态对耐磨特性的影响”这一缺陷。
针对现有技术存在的缺陷：一是忽略了混凝土材料耐磨性测试过程中结构断面形态对耐磨特性的影响；二是单轴电机结构不稳定且效率低。本实施例提出了一种不同于现有技术的耐磨性测试装置，用于混凝土材料耐磨性测试。
本实施例公开了一种双轴滚式可模拟渠道断面形态的耐磨性测试装置，如图1所示，包括电机支撑底座3、安装在电机支撑底座3上的双轴电机1、可拆卸式安装在双轴电机1主轴上的圆盘装置2以及用于放置样本的试样盒24。
如图3、图4、图15所示，所述圆盘装置2包括圆盘本体21，所述圆盘本体21具有两个相对设置的侧部和环向测试部26，一个侧部设置有用于取放样本和磨蚀材料6的圆形投料孔25，另一个侧部设置有与双轴电机1主轴连接的与圆盘本体21旋转轴同轴的圆盘输出轴；所述环向测试部26沿圆盘本体21旋转轴的周向环形设置，且环向测试部26将两个侧部连接成一个整体并形成一个中空的半封闭式结构；所述环向测试部26向外凸起的底部横截面结构为测试用的断面形态；所述试样盒24设置在环向测试部26的外侧；所述圆盘装置2为一系列环向测试部26向外凸起的底部横截面结构不同的多个圆盘装置2。
在实际工程中，不同的结构断面形态会改变固相颗粒的分布、局部流速等参数，影响流-固体的运动形态，最终导致不同结构断面形态会出现不同类型的破坏。本实施例中根据不同的结构断面形态设计了圆盘装置2中环向测试部26向外凸起的底部横截面结构，同时采用双轴电机1作为驱使圆盘装置2旋转的动力源，不仅可以同时进行两种类型的耐磨性试验，提高耐磨性试验效率，而且可以使电机两侧保持平衡，保障耐磨性试验的安全。
常见的结构断面形态有梯形断面、矩形断面、V形断面、U形断面以及复式断面，上述常见的断面形态下，混凝土材料的磨蚀部位7的位置如图5、图6、图7、图8、图9所示。为研究不同结构断面形态下混凝土材料的耐磨特性，如图10、图11、图12、图13、图14所示，将圆盘装置2中环向测试部26向外凸起的底部横截面结构按照结构断面形态进行设计，并将多个圆盘装置2按照环向测试部26向外凸起的底部横截面结构，分为底部横截面为梯形的梯形截面圆盘、底部横截面为V形的V形截面圆盘、底部横截面为U形的U形截面圆盘、底部横截面为复式断面的复式截面圆盘。进一步地，所示环向测试部26向外凸起的底部横截面结构还可以根据其他现场断面形式进行设计。
实施例2：
本实施例在实施例1的基础上进行更详细地说明。本实施例中，如图2所示，一种双轴滚式可模拟渠道断面形态的耐磨性测试装置，包括一个电机支撑底座3、安装在电机支撑底座3上的一个双轴电机1、一系列可拆卸式安装在双轴电机1主轴上的圆盘装置2以及一系列用于放置样本的试样盒24。
进一步地，所述双轴电机1包括电机本体、安装电机本体的电机底座12以及用于控制和显示电机本体工作状态的控制盘11；所述电机底座12通过底座螺栓31安装在电机支撑底座3上；所述控制盘11包括内置的微控制器以及设置在工作面板上且与微控制器电信号连接的转速显示器、转速调节按钮、启动按钮、停止按钮、定时装置。通过所述转速调节按钮可实现不同速度条件下混凝土材料的耐磨性测试。通过定时装置可以设定测试时间，测试不同时段下混凝土材料的耐磨性。
如图3所示，所述双轴电机1的主轴与所述圆盘装置2的圆盘输出轴采用卡槽结构实现二者的可拆卸式连接。当所述双轴电机1与所述圆盘装置2采用卡槽结构进行连接时，所述圆盘输出轴为设置有内孔槽13的中空轴，所述双轴电机1的主轴插入圆盘输出轴中并通过安装在内孔槽13中的内孔槽螺丝22将双轴电机1的主轴和圆盘输出轴同轴连接并锁紧。
如图4所示，所述双轴电机1的主轴与所述圆盘装置2的圆盘输出轴采用法兰14结构实现二者的可拆卸式连接。当所述双轴电机1与所述圆盘装置2采用法兰14结构进行连接时，所述圆盘输出轴和所述双轴电机1的主轴上均固定安装法兰14，且分别安装在圆盘输出轴和双轴电机1主轴上的法兰14通过连接轴螺栓组件15将双轴电机1的主轴和圆盘输出轴同轴连接并锁紧。一套连接轴螺栓组件15由能够螺纹连接的螺栓、螺母组成。
如图2所示，为了避免圆盘装置2转动过程中接触到地面，破坏测试装置，双轴电机1、电机支撑底座3与圆盘装置2的尺寸度存在以下关系：
ht+hm > Rd+Sh ( 1 )
其中，
ht为电机支撑底座3离地高度，单位为m；
hm为双轴电机1中心轴离地高度，单位为m；
Rd为圆盘装置2的半径，单位为m；
Sh为样本的高度，单位为m。
进一步地，所述圆盘装置2包括圆盘本体21，所述圆盘本体21具有两个相对设置的侧部和环向测试部26，一个侧部设置有用于取放样本和磨蚀材料6的圆形投料孔25，另一个侧部设置有与双轴电机1主轴连接的与圆盘本体21旋转轴同轴的圆盘输出轴；所述环向测试部26沿圆盘本体21旋转轴的周向环形设置，且环向测试部26将两个侧部连接成一个整体并形成一个中空的半封闭式结构；所述环向测试部26向外凸起的底部横截面结构为测试用的断面形态；所述试样盒24设置在环向测试部26的外侧。所述圆盘装置2为一系列环向测试部26向外凸起的底部横截面结构不同的多个圆盘装置2。
如图15、图16所示，所述圆盘装置2整体上呈一个中空的半封闭式的圆台结构，仅一个侧部设置有用于放入或取出样本、磨蚀材料6的圆形投料孔25；其他部分为封闭的结构设计。半封闭式的圆盘装置2可以保证旋转抗磨测试时，流体或流-固体磨蚀材料6不渗漏，也可以单独进行混凝土材料抗固体或液体的耐磨性测试。
进一步地，为了直观地观测旋转过程中磨蚀材料6的运动形态，如图15所示，所述圆盘装置2设置圆形投料孔25的侧部的材料通常采用透明树脂玻璃，即圆盘装置2设置圆形投料孔25的侧部采用透明树脂玻璃板28。而为了保证所述圆盘装置2的刚度，以增加圆盘装置2旋转时的稳定性，所述圆盘装置2的另一个侧部及环向测试部26的材料通常采用厚度为0.5-2mm的304钢材等刚性材料，且另一个侧部及环向测试部26直接加工时一体成型或者分别加工后再焊接成一体。而所述透明树脂玻璃板28与采用304钢材等刚性材料制成的环向测试部26对应位置上开若干小孔，透明树脂玻璃板28与圆盘装置2的环向测试部26之间镶嵌防水密封圈27，通过安装在小孔中的防水螺栓29将透明树脂玻璃板28、防水密封圈27与环向测试部26连接成整体，保证磨蚀材料6不会轻易从透明树脂玻璃板28、环向测试部26连接处之间的缝隙漏出。采用上述结构的耐磨性测试装置，耐磨试验过程中，可以通过透明树脂玻璃板28观测磨蚀材料6的运动形态。
如图2所示，为了方便样本的取出与放入，圆形投料孔25的宽度Rw与样本的长度Sl之间存在以下关系：
Rw> Sl ( 2 )
其中：
Rw为圆形投料孔25的宽度，单位为m；
Sl为样本的长度，单位为m；
如图2、图3所示，与圆形投料孔25相对一侧的背面设置有连接轴，所述连接轴与圆盘装置2之间焊接有若干支撑条23，用以增加圆盘旋转时的稳定性。
更进一步地，所述圆盘装置2为一系列环向测试部26向外凸起的底部横截面结构不同的多个圆盘装置2。如图10、图11、图12、图13、图14所示，根据环向测试部26向外凸起的底部横截面结构的不同，多个圆盘装置2中包括底部横截面为矩形的矩形截面圆盘、底部横截面为梯形的梯形截面圆盘、底部横截面为V形的V形截面圆盘、底部横截面为U形的U形截面圆盘、底部横截面为复式断面的复式截面圆盘，此外，环向测试部26向外凸起的底部横截面结构也可以根据现场其他端面形式进行设计。
进一步地，如图15所示，所示圆盘装置2的环向测试部26上安装多个试样盒24。试样盒24为标准尺寸的棱柱体试样盒24，其尺寸为：40mm×40mm×160mm；如图17所示，专用于安装棱柱体样本4。或者，试样盒24为标准尺寸的立方体试样盒24，其尺寸为：100mm×100mm×100mm；如图18所示，专用于安装立方体样本5。标准尺寸的试样盒24可以方便测试样本的浇筑，克服非标准样品浇筑的困难，避免因尺寸差异造成实验误差。
更进一步地，为了保证旋转测试过程中，样本紧密地固定在试样盒24内而不会轻易掉出来，本发明择优设计了两种试样盒24的结构。
第一种：如图17、图19、图20、图21所示，当样本浇筑时两端相对应的中心位置预埋有圆形钢钉45，所述试样盒24的两侧设置有小凹槽，尺寸与样本中预埋的圆形钢钉45凸出表面的长度和宽度一致，小凹槽的两侧设置有第一螺丝孔。当带圆形钢钉45的样本放入试样盒24后，先在样本四周的孔隙里铺设橡胶材料41，保持样本与试样盒24之间的紧密接触；之后将带孔的小铁皮43通过螺纹连接在第一螺丝孔中的小螺丝42固定在小凹槽两侧。在样本耐磨测试时通过样本两侧的圆形钢钉45紧紧地固定在圆盘装置2上。
第二种：如图22、图23、图24所示，当样本浇筑时没有预埋圆形钢钉45，在圆盘装置2的试样盒24端部两侧设置第二螺丝孔，第二螺丝孔设置的位置离样本端部1-2mm处。当不带圆形钢钉45的样本放入试样盒24后，通过螺纹拧入第二螺丝孔的小螺丝42将横跨样本的钢丝44固定，从而通过钢丝44来固定样本。
更进一步地，当圆盘装置2设计U形截面圆盘时，试样盒24为立方体试样盒24，能够减少抗磨测试中弧度改变对样本耐磨性的影响。
本实施例的其他部分与实施例1相同，故不再赘述。
实施例3：
本实施例在实施例1或实施例2的基础上进行更详细地说明。本实施例公开了一种实现不同断面形态与不同流速条件下混凝土材料耐磨性测试的测试方法，采用实施例1所述的双轴滚式可模拟渠道断面形态的耐磨性测试装置对样本进行耐磨性测试；所示测试方法选取不同的断面形态的圆盘装置2、浇筑不同类型的混凝土样本以及配置不同类型的磨蚀材料6，根据样本磨蚀前的重量、样本磨蚀后的重量、样本的密度、测试时间、双轴电机1转速、样本磨蚀后不规则破坏面的面积计算样本质量随时间的损失和样本质量随时间的深度变化，根据样本质量随时间的损失和样本质量随时间的深度变化评估样本的耐磨性。
所述耐磨性测试方法，具体包括以下步骤：
步骤S1：根据耐磨性测试装置中试样盒24的尺寸，选用与之对应的混凝土样本模具，进行样本的浇筑，在标准条件下养护样本等待测试；
步骤S2：根据试验条件或现场条件要求，选择断面形态符合试验条件或现场条件要求的圆盘装置2，将圆盘装置2与双轴电机1连接起来并固定；
步骤S3：测试前将样本放入烘箱中，采用低温干燥方法，在38℃条件下烘干至少48小时，直到重量恒定，记录样本磨蚀前的重量M0，并计算样本密度ρ；然后将样本放入并固定在圆盘装置2的试样盒24中；
步骤S4：根据试验要求，配制流-固体或单相固体或单向流体的不同类型的磨蚀材料6，从圆形投料孔25倒入圆盘装置2中，并控制磨蚀材料6的高度低于圆盘装置2半径与圆形投料孔25半径之差；然后设置测试时间t、双轴电机1转速V，根据式（3）计算磨蚀材料6流速u与双轴电机1转速V之间的关系，同时启动设备开始试验；
u=V×2π×r ( 3 )
其中，
u为磨蚀材料6流速，单位为m/s；
V为双轴电机1转速，单位为r/s；
r为圆盘装置2的圆心到样本表面中点的距离，单位为m；
步骤S5：达到测试时间t后停止试验，取出样本，用水清理样本表面后放入烘箱中，在38℃条件下烘干至少48小时，直到重量恒定，记录样本磨蚀后的重量M1；对样本冲刷磨蚀面进行高清拍照并导入照片到电脑，通过电脑进行图像分析并获取样本磨蚀后不规则破坏面的面积S；
步骤S6：通过样本质量随时间的损失Mt与磨蚀深度Md的变化来评估样本的耐磨性，计算公式如下：
Mt =（M1-M0）/ t ( 4 )
Md =（M1-M0）/ (ρ×S） ( 5 )
其中，
Mt为样本质量随时间的损失，单位g/min；
Md为样本磨蚀深度变化，单位为cm；
M0为样本磨蚀前的重量，单位为g；
M1为样本磨蚀后的重量，单位为g；
t为测试时间，单位为min；
ρ为样本密度，单位为g/cm3；
S为样本磨蚀后不规则破坏面的面积，单位为cm2；
步骤S7：根据试验需要，重复步骤S1-S6，选取不同的断面形态的圆盘装置2、浇筑不同类型的混凝土样本以及配置不同类型的磨蚀材料6，进行不同断面形态与不同流速条件下混凝土材料耐磨性测试实验。
进一步地，所述步骤S3中将样本放入并固定在圆盘装置2的试样盒24中的具体操作是指：
当样本浇筑时两端相对应的中心位置预埋有圆形钢钉45，则将带有圆形钢钉45的样本放入试样盒24并使圆形钢钉45位于试样盒24上开设的小凹槽中；在样本与试样盒24之间的缝隙中铺设橡胶材料41，保持样本与试样盒24的紧密接触；然后将带孔的小铁皮43通过小螺丝42固定在小凹槽两侧；
当样本浇筑时没有预埋圆形钢钉45，则将不带圆形钢钉45的样本直接放入试样盒24中并通过在试样盒24开口端固定钢丝44的方式将样本固定在试样盒24中。
本实施例的其他部分与实施例1或实施例2相同，故不再赘述。
实施例4：
本实施例在实施例1-实施例3任一项的基础上进行更详细地说明。为了研究水沙条件下不同结构断面形态对混凝土材料的耐磨性影响规律，开展了两组试验。
第一组试验：
实验的磨蚀材料6采用含沙量为10-30%的水沙混合物；混凝土类型为C20、C30和C40混凝土；测试时间设计为1-8小时；流速为5-20m/s。详细实验设计方案如表1所示。
Figure 276501DEST_PATH_IMAGE001
表1 水沙条件下不同断面形态对混凝土材料耐磨性影响实验方案
步骤A1：根据耐磨性测试装置中试样盒24的尺寸，选用尺寸为100mm*100mm*100mm的立方体模具进行立方体样本5的浇筑并预埋圆形钢钉45，混凝土类型首先选择C20，在标准条件下养护等待测试。
步骤A2：根据表1首先选择矩形截面圆盘和梯形截面圆盘两个圆盘装置2，将圆盘装置2与双轴电机1连接起来并固定。
步骤A3：测试前将立方体样本5放入烘箱中，采用低温干燥方法，在38℃条件下烘干至少48小时，直到重量恒定，记录样本磨蚀前的重量M0，并计算样本密度ρ；然后将样本放入并固定在圆盘装置2的试样盒24中；
然后将立方体样本5放入圆盘装置2中的试样盒24，在立方体样本5与试样盒24的孔隙填入橡胶材料41，将立方体样本5固定在试样盒24内。
步骤A4：根据试验要求，首先配制含沙量为10%的磨蚀材料6并倒入圆盘装置2中，磨蚀材料6的高度应低于圆盘装置2的半径与圆形投料孔25的半径之差；根据公式（3），换算磨蚀材料6的流速与双轴电机1转速之间的关系，同时启动设备开始试验；
u=V×2π×r ( 3 )
其中，
u为磨蚀材料6流速，单位为m/s；
V为双轴电机1转速，单位为r/s；
r为圆盘装置2的圆心到样本表面中点的距离，单位为m；
步骤A5：达到测试时间后，停止试验，取出样本，用水清理样本表面后放入烘箱中，在38℃条件下烘干至少48小时，直到恒定重量，取出记录重量为M1；对样本冲刷面进行高清拍照，导入相片到电脑，进行图像分析获取冲刷后不规则破坏面的面积，记录为S；
步骤A6：样本的耐磨性通过质量随时间的损失Mt与磨蚀深度变化Md来评估，计算公式如下：
Mt =（M1-M0）/ t ( 4 )
Md =（M1-M0）/ (ρ×S） ( 5 )
其中，
Mt为样本质量随时间的损失，单位g/min；
Md为样本磨蚀深度变化，单位为cm；
M0为样本磨蚀前的重量，单位为g；
M1为样本磨蚀后的重量，单位为g；
t为测试时间，单位为min；
ρ为样本密度，单位为g/cm3；
S为样本磨蚀后不规则破坏面的面积，单位为cm2；
步骤A7：根据表1，换取不同的断面形态的圆盘装置2，如V形截面圆盘装置2与U形断面圆盘装置2，重复步骤A1-A6，改变磨蚀材料6含沙量、混凝土类型、测试时间与流速，可以实现水沙条件下不同断面形态对混凝土材料的耐磨性测试实验。
第二组试验：
在实验室内配制不同容重的泥石流磨蚀材料6，混凝土类型为C30混凝土，测试时间为2-5小时，流速为8m/s，断面形态采用矩形断面与V形断面。详细实验设计方案如表2所示。
Figure 318275DEST_PATH_IMAGE002
表2 不同泥石流类型与断面形态对混凝土材料耐磨性实验方案。
步骤B1：首先，选用尺寸为40mm*40mm*160mm的棱柱体模具进行棱柱体样本4的浇筑，混凝土类型选择C30，在标准条件下养护等待测试；
步骤B2：根据表1选择首先选择矩形截面圆盘与V形截面圆盘，将圆盘装置2与双轴电机1连接起来并固定；
步骤B3：测试前将棱柱体样本4放入烘箱中，采用低温干燥方法，在38℃条件下烘干至少48小时，直到恒定重量，记录重量为M0，并计算密度ρ；然后将棱柱体样本4放入圆盘装置2中的试样盒24，在棱柱体样本4与试样盒24的孔隙填入橡胶材料41，将棱柱体样本4固定在试样盒24内；
步骤B4：根据试验要求，首先配制容重为1.5kg/m3的泥石流磨蚀材料6，倒入圆盘装置2中，磨蚀材料6的高度应低于圆盘装置2半径与圆形投料孔25半径之差；根据公式（3），换算磨蚀材料6流速u与双轴电机1转速V之间的关系，同时启动设备开始试验；
u=V×2π×r ( 3 )
其中，u为磨蚀材料6流速，单位为m/s；
V为双轴电机1转速，单位为r/s；
r为圆盘装置2的圆心到样本表面中点的距离，单位为m；
步骤B5：达到测试时间后，停止试验，取出样本，用水清理样本表面，之后放入烘箱中，在38℃条件下烘干至少48小时，直到恒定重量，取出记录重量为M1；对样本冲刷面进行高清拍照，导入相片到电脑，进行图像分析获取冲刷后不规则破坏面的面积，记录为S；
步骤B6：样本的耐磨性通过样本质量随时间的损失Mt 与样本磨蚀深度变化Md来评估，计算公式如下：
Mt =（M1-M0）/ t ( 4 )
Md =（M1-M0）/ （ρ×S ） ( 5 )
其中，Mt为样本质量随时间的损失，单位g/min；
Md为样本磨蚀深度变化，单位为cm；
M0为样本磨蚀前的重量，单位为g；
M1为样本磨蚀后的重量，单位为g；
t为测试时间，单位为min；
ρ为样本密度，单位为g/cm3；
S为样本磨蚀后不规则破坏面的面积，单位为cm2；
步骤B7：根据表2，改变泥石流磨蚀材料6的容重以及测试时间，重复步骤B1-B6，可以实现不同泥石流类型与断面形态对混凝土材料耐磨性实验。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.双轴滚式可模拟渠道断面形态的耐磨性测试装置，其特征在于，包括电机支撑底座（3）、安装在电机支撑底座（3）上的双轴电机（1）、可拆卸式安装在双轴电机（1）主轴上的圆盘装置（2）以及用于放置样本的试样盒（24）；
所述圆盘装置（2）包括圆盘本体（21）；所述圆盘本体（21）具有两个相对设置的侧部和环向测试部（26），一个侧部设置有用于取放样本和磨蚀材料（6）的圆形投料孔（25），另一个侧部设置有与双轴电机（1）主轴连接的与圆盘本体（21）旋转轴同轴的圆盘输出轴；所述环向测试部（26）沿圆盘本体（21）旋转轴的周向环形设置，且环向测试部（26）将两个侧部连接成一个整体并形成一个中空的半封闭式结构；所述环向测试部（26）向外凸起的底部横截面结构为测试用的断面形态；所述试样盒（24）设置在环向测试部（26）的外侧；
所述圆盘装置（2）为一系列环向测试部（26）向外凸起的底部横截面结构不同的多个圆盘装置（2）。
2.根据权利要求1所述的双轴滚式可模拟渠道断面形态的耐磨性测试装置，其特征在于，根据环向测试部（26）向外凸起的底部横截面结构的不同，多个圆盘装置（2）中包括底部横截面为矩形的矩形截面圆盘、底部横截面为梯形的梯形截面圆盘、底部横截面为V形的V形截面圆盘、底部横截面为U形的U形截面圆盘、底部横截面为复式断面的复式截面圆盘。
3.根据权利要求1所述的双轴滚式可模拟渠道断面形态的耐磨性测试装置，其特征在于，所述圆盘装置（2）设置有圆形投料孔（25）的侧部为环形的透明树脂玻璃板（28）；所述透明树脂玻璃板（28）与所述环向测试部（26）之间还设置有防水密封圈（27），所述透明树脂玻璃板（28）、防水密封圈（27）、环向测试部（26）通过防水螺栓（29）连接成一个整体。
4.根据权利要求1所述的双轴滚式可模拟渠道断面形态的耐磨性测试装置，其特征在于，所述圆盘装置（2）还包括设置在圆盘本体（21）、圆盘输出轴之间呈辐射状分布的多个支撑条（23）。
5.根据权利要求1所述的双轴滚式可模拟渠道断面形态的耐磨性测试装置，其特征在于，所述双轴电机（1）与所述圆盘装置（2）采用卡槽结构进行连接，或者所述双轴电机（1）与所述圆盘装置（2）采用法兰（14）结构进行连接；
当所述双轴电机（1）与所述圆盘装置（2）采用卡槽结构进行连接时，所述圆盘输出轴为设置有内孔槽（13）的中空轴，所述双轴电机（1）的主轴插入圆盘输出轴中并通过安装在内孔槽（13）中的内孔槽螺丝（22）将双轴电机（1）的主轴和圆盘输出轴同轴连接并锁紧；
当所述双轴电机（1）与所述圆盘装置（2）采用法兰结构进行连接时，所述圆盘输出轴和所述双轴电机（1）的主轴上均固定安装法兰（14），且分别安装在圆盘输出轴和双轴电机（1）主轴上的法兰（14）通过连接轴螺栓组件（15）将双轴电机（1）的主轴和圆盘输出轴同轴连接并锁紧。
6.根据权利要求1所述的双轴滚式可模拟渠道断面形态的耐磨性测试装置，其特征在于，所述双轴电机（1）包括电机本体、安装电机本体的电机底座（12）以及用于控制和显示电机本体工作状态的控制盘（11）；所述电机底座（12）通过底座螺栓（31）安装在电机支撑底座（3）上；所述控制盘（11）包括内置的微控制器以及设置在工作面板上且与微控制器电信号连接的转速显示器、转速调节按钮、启动按钮、停止按钮、定时装置。
7.根据权利要求1所述的双轴滚式可模拟渠道断面形态的耐磨性测试装置，其特征在于，所述试样盒（24）采用与混凝土样本尺寸对应的标准尺寸的棱柱体或标准尺寸的立方体。
8.不同断面形态与流速条件下混凝土材料的耐磨性测试方法，采用如权利要求1所述的双轴滚式可模拟渠道断面形态的耐磨性测试装置对样本进行耐磨性测试；其特征在于，选取不同的断面形态的圆盘装置（2）、浇筑不同类型的混凝土样本以及配置不同类型的磨蚀材料（6），根据样本磨蚀前的重量、样本磨蚀后的重量、样本的密度、测试时间、双轴电机（1）转速、样本磨蚀后不规则破坏面的面积计算样本质量随时间的损失和样本质量随时间的深度变化，再根据样本质量随时间的损失和样本质量随时间的深度变化评估样本的耐磨性。
9.根据权利要求8所述的不同断面形态与流速条件下混凝土材料的耐磨性测试方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
步骤S1：根据耐磨性测试装置中试样盒（24）的尺寸，选用与之对应的混凝土样本模具，进行样本的浇筑，在标准条件下养护样本等待测试；
步骤S2：根据试验条件或现场条件要求，选择断面形态符合试验条件或现场条件要求的圆盘装置（2），将对应的圆盘装置（2）与双轴电机（1）连接起来并固定；
步骤S3：测试前将样本放入烘箱中，在38℃条件下烘干至少48小时，直到重量恒定，记录样本磨蚀前的重量M0，并计算样本密度ρ；然后将样本放入并固定在圆盘装置（2）的试样盒（24）中；
步骤S4：根据试验要求，配制流-固体或单相固体或单向流体的不同类型的磨蚀材料（6），从圆形投料孔（25）倒入圆盘装置（2）中，并控制磨蚀材料（6）的高度低于圆盘装置（2）半径与圆形投料孔（25）半径之差；然后设置测试时间t、双轴电机（1）转速V，根据式（3）计算磨蚀材料（6）流速u与双轴电机（1）转速V之间的关系，同时启动设备开始试验；
u=V×2π×r ( 3 )
其中，
u为磨蚀材料（6）流速，单位为m/s；
V为双轴电机（1）转速，单位为r/s；
r为圆盘装置（2）的圆心到样本表面中点的距离，单位为m；
步骤S5：达到测试时间t后停止试验，取出样本，用水清理样本表面后放入烘箱中，在38℃条件下烘干至少48小时，直到重量恒定，记录样本磨蚀后的重量M1；对样本冲刷磨蚀面进行高清拍照并导入照片到电脑，通过电脑进行图像分析并获取样本磨蚀后不规则破坏面的面积S；
步骤S6：通过样本质量随时间的损失Mt与磨蚀深度Md评估样本的耐磨性，计算公式如下：
Mt =（M1-M0）/ t ( 4 )
Md=（M1-M0）/（ρ×S） ( 5 )
其中，
Mt为样本质量随时间的损失，单位g/min；
Md为样本磨蚀深度变化，单位为cm；
M0为样本磨蚀前的重量，单位为g；
M1为样本磨蚀后的重量，单位为g；
t为测试时间，单位为min；
ρ为样本密度，单位为g/cm3；
S为样本磨蚀后不规则破坏面的面积，单位为cm2；
步骤S7：根据试验需要，重复步骤S1-S6，选取不同的断面形态的圆盘装置（2）、浇筑不同类型的混凝土样本以及配置不同类型的磨蚀材料（6），进行不同断面形态与不同流速条件下混凝土材料耐磨性测试实验。
10.根据权利要求9所述的不同断面形态与流速条件下混凝土材料的耐磨性测试方法，其特征在于，所述步骤S3中将样本放入并固定在圆盘装置（2）的试样盒（24）中的具体操作是指：
当样本浇筑时两端相对应的中心位置预埋有圆形钢钉（45），则将带有圆形钢钉（45）的样本放入试样盒（24）并使圆形钢钉（45）位于试样盒（24）上开设的小凹槽中；在样本与试样盒（24）之间的缝隙中铺设橡胶材料（41），保持样本与试样盒（24）的紧密接触；然后将带孔的小铁皮（43）通过小螺丝（42）固定在小凹槽两侧；
当样本浇筑时没有预埋圆形钢钉（45），则将不带圆形钢钉（45）的样本直接放入试样盒（24）中并通过在试样盒（24）开口端固定钢丝（44）的方式将样本固定在试样盒（24）中。
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