CN114609017A - 一种开级配水稳碎石透水基层开孔孔隙分布特征测量装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种开级配水稳碎石透水基层开孔孔隙分布特征测量装置，涉及材料性能测量领域。该装置包括稳定系统、三维热成像系统、热成像传输路径修正装置、加热系统和试样锚固系统。所述稳定系统包括底座和轴杆，所述轴杆焊接于所述底座中心位置；所述三维热成像系统由支架和三维热成像仪组成；所述加热系统包括两个热风输送装置和两根支撑杆，所述热风传送装置安装于所述支撑杆的两端，所述支撑杆锚固于所述轴杆两侧；所述试样锚固系统由试样夹具、转动机、承重杆组成，所述试样夹具与所述转动机连接，置于所述承重杆两端，所述承重杆焊接于所述轴杆顶端；采用本装置可在室内对开级配水稳碎石透水基层试样内部开孔孔隙分布特征进行检测。
Description
技术领域
本发明涉及材料性能测量领域，特别涉及海绵城市开级配水稳碎石基层透水性能测试研究技术领域，具体是一种开级配水稳碎石透水基层开孔孔隙分布特征测量装置。
背景技术
透水路面是海绵城市建设的重要措施，室内检测透水路面用透水基层颗粒开孔孔隙分布有助于探明透水基层颗粒开孔孔隙分布特征（开孔孔隙大小、分布、内部连通状态等），进而评价出该开级配水稳碎石透水基层的透水效果、集料配比是否满足要求以及集料级配是否合理等，从而为透水基层集料配比优化设计提供理论支撑。
开级配水稳碎石透水基层为透水路面结构层主要的承重层，应具备足够的刚度和强度以完成其结构功能。开级配水稳碎石透水基层一方面为路面结构的承重层，另一方面可快速排出路面渗入的雨水，减少路表径流、提高行车安全、增加道路蓄水能力，还可阻挡地下水向路面面层上升，可形成十分有效的排水层结构。但是开级配水稳碎石透水基层是由不同尺寸粒径的碎石按照合理的级配组成的透水性良好的混合料，其级配一般为开级配，混合料的强度主要取决于粗集料间的内摩擦阻力和嵌挤力，而透水性能受细集料、孔隙率影响较大。孔隙为粗骨料骨架孔隙被水泥细集料胶浆细集料填充后剩余的孔隙部分。有效孔隙率为有效孔隙体积占混合料总体积的百分比，一般通过试验测定。分别为开口孔隙（连通孔隙）、滞留孔隙（半连通孔隙）和封闭孔隙。对透水作用起决定作用的为连通孔隙和半连通孔隙，封闭孔隙没有排水透水作用。连通孔隙和半连通孔隙称为有效孔隙。因此，有效孔隙率是开级配水稳碎石透水基层透水性能研究的重要因素之一。
在室内开展开级配水稳碎石透水基层开孔孔隙分布特征研究，有助于探明透水基层颗粒开孔孔隙分布特征（孔隙大小、分布、内部连通状态等），进而检测出该开级配水稳碎石透水基层的透水效果是否合格、集料配比是否满足要求以及集料级配是否合理，从而为透水基层集料配比优化设计提供理论支撑。但是目前还未找到成熟且广泛应用的开级配水稳碎石透水基层开孔孔隙分布特征测量装置。
基于此，本发明提供了一种开级配水稳碎石透水基层开孔孔隙分布特征测量装置，该装置结构简单、易于操作、结构各部件互不影响，可以实现在室内开展开级配水稳碎石透水基层开孔孔隙分布特征研究，有助于探明透水基层颗粒开孔孔隙分布特征（孔隙大小、分布、内部连通状态等）。
发明内容
本发明的目的在于提供一种开级配水稳碎石透水基层开孔孔隙分布特征测量装置，用于检测海绵城市透水路面开级配水稳碎石透水基层开孔孔隙分布特征。
为了实现上述目的，本发明提供一种开级配水稳碎石透水基层开孔孔隙分布特征测量装置，主要包括所述稳定系统、所述三维热成像系统、所述热成像传输路径修正装置、所述加热系统、所述试样锚固系统组成，具体包括以下结构。
所述稳定系统，由底座和轴杆组成，所述底座是一块厚1cm的圆形钢板；所述轴杆选用铸铁材料加工成莲台形，稳定性更强且便于搬运，所述轴杆焊接于所述底座表面中心位置，所述稳定系统是所述开级配水稳碎石透水基层开孔孔隙分布特征测量装置的承重部件，起到承担上部结构质量和稳定装置的作用。
所述三维热成像系统，由不锈钢材质的支架、支架限位孔、三维热成像仪组成，所述支架呈L型，一端焊接于所述轴杆前表面距所述底座上表面10cm处，另一端用于安置所述三维热成像仪。
进一步的，所述三维热成像仪，用于采集加热后试样的三维热图像信息，所述三维热成像仪通过无线方式连接到PC端，将标记物的温度分布的图像转换成可视图像，且所述三维热成像仪自带剪除标的物以外的背景温度分布图。
进一步的，所述支架由两块厚0.2mm的不锈钢空心板组成，通过用螺钉锚固所述支架限位孔组成所述L型支架，通过锚固不同位置的所述支架限位孔，来调节所述三维热成像仪的高度，更便于开级配水稳碎石透水基层试样内部开孔孔隙分布的检测。
所述热成像传输路径修正装置由像素为2420万，分辨率为6016×4016，帧率为30Hz的高清摄像机和脚架组成，与所述三维热成像仪以所述轴杆为轴对称放置，所述高清摄像机中心位置与所述三维热成像仪中心位置高度保持一致，所述热成像传输路径修正装置用于采集表面构造的形貌信息，将试样表面构造形貌信息上传至电脑，在电脑上通过MATLAB数学建模软件对试样表面进行三维重构，消除表面构造高差，确定试样表面附近孔隙大小及位置，使得所述三维热成像仪的三维成像结果将更加精确；所述脚架用于放置所述高清摄像机，所述脚架可调节高度。
所述加热系统，包括两个热风输送装置和两根支撑杆，所述热风输送装置用于传递热量，加热开级配水稳碎石透水基层试样，其功率不小于3000瓦，所述两个热风输送装置分别置于所述支撑杆的一端。所述热风输送装置用来加热试样，通过不断输送热风，由于试样本身材料的热传导系数与空气的热传导系数不同，试样以及试样内部流通孔隙会产生温差，此时所述三维热成像仪采集温度图像信息。
进一步的，所述支撑杆，由两块厚0.3mm不锈钢材质制成的L型空心杆及支撑杆限位孔组成，所述支撑杆一端用于安置所述热风输送装置，另一端焊接于所述轴杆侧面，距所述底座上表面10cm处。所述支撑杆通过调节所述支撑杆限位孔的锚固位置改变所述热风输送装置的高度。
进一步的，所述试样锚固系统，由试样夹具，转动机、承重杆组成，所述试样夹具包括夹片、夹杆、伸缩孔，所述夹片呈弧形，用于贴合和固定开级配水稳碎石透水基层试样，所述夹片内表面由凸起的花纹，用于增大所述夹片和开级配水稳碎石透水基层试样之间的摩擦力，防止试样的滑落；所述伸缩孔用于调节所述试样夹具容纳范围，以便于更好地适应开级配水稳碎石透水基层试样尺寸，通过调节和扭紧所述伸缩孔位置的螺钉来达到固定试样的作用。
进一步的，所述试样夹具与所述转动机连接，通过所述转动机，使所述试样夹具以0.5rad/s的转速进行转动，便于所述三维热成像仪全方位获取开级配水稳碎石透水基层试样内部开孔孔隙分布特征。
进一步的，所述承重杆呈凹槽型，所述承重杆由壁厚为0.3mm的空心铁杆支撑，所述承重杆的两端分别安装所述转动机。
本发明实施例带来了以下有益效果。
本发明操作简单，可以实现对开级配水稳碎石透水基层内部开孔孔隙分布特征（孔隙大小、分布、内部连通状态等）进行检测。
本发明结构各部件互不影响，某一构件损坏时可进行更换。
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的说明。本发明附加的方面和有点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显。或通过本发明的实践了解到。
附图说明
下面结合附图说明和具体实施方式对本发明做进一步详细说明。
图1为开级配水稳碎石透水基层开孔孔隙分布特征测量装置三维示意图。
图2为三维热成像系统示意图。
图3为开级配水稳碎石透水基层开孔孔隙分布特征测量装置正视面示意图。
图4为开级配水稳碎石透水基层开孔孔隙分布特征测量装置俯视面示意图。
图5为夹杆三维示意图。
图6为夹杆侧视面示意图。
图7为热成像传输路径修正装置示意图。
图中：1-底座，2-轴杆，3-稳定系统，4-热风传送装置，5-支撑杆限位孔，6-支撑杆，7-加热系统，8-转动机，9-夹片，10-伸缩孔，11-夹杆，12-试样夹具，13-承重杆，14-试样锚固系统，15-三维热成像仪，16-支架，17-支架限位孔，18-三维热成像系统，19-摄像机，20-脚架，21-热成像传输路径修正装置。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行清楚、完整的说明。本领域普通技术人员在基于这些说明的情况下将能够实现本发明。在结合附图对本发明进行说明前，需要特别指出的是。
本发明中在包括下述说明在内的各部分中所提供的技术方案和技术特征，在不冲突的情况下，这些技术方案和技术特征可以相互组合。
此外，下述说明中涉及到的本发明的实施例通常仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。因此，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
关于本发明中术语和单位。本发明的说明书和权利要求书及有关的部分中的术语“包括”以及它的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。
如图1所示，开级配水稳碎石透水基层开孔孔隙分布特征测量装置，包括1-底座，2-轴杆，3-稳定系统，4-热风传送装置，5-支撑杆限位孔，6-支撑杆，7-加热系统，8-转动机，9-夹片，10-伸缩孔，11-夹杆，12-试样夹具，13-承重杆，14-试样锚固系统，15-三维热成像仪，16-支架，17-支架限位孔，18-三维热成像系统，19-摄像机，20-脚架，21-热成像传输路径修正装置。
如图1、图3、图4所示，所述轴杆2焊接于所述底座1表面中心处构成所述稳定系统3；如图1、图2所示，所述三维热成像仪15、所述支架16、所述支架限位孔17共同组成所述三维热成像系统18，所述三维热成像系统18焊接于所述轴杆2前表面中心距离所述底座1表面10cm处，通过所述支架限位孔17来调节所述三维热成像仪15的高度与开级配水稳碎石透水基层试样中位置高度保持一致；如图1所示，所述热风传送装置4、所述支撑杆限位孔5、所述支撑杆6组成所述加热系统7，所述支撑杆6分别置于所述轴杆2两侧，距离所述底座1表面10cm处，所述热风传送转置4分别置于所述支撑杆6的两端，通过调节、锚固所述支撑杆限位孔5来调节所述热风传送装置4的高度，使其与开级配水稳碎石透水基层试样中心高度保持一致；如图1、图5、图6所示，所述试样锚固系统14由所述承重杆13、所述转动机8、所述试样夹具12组成，所述承重杆13焊接于所述轴杆2的顶端，所述转动机8分别置于所述承重杆13的两端，所述试样夹具12分别与所述转动机8连接；所述试样夹具12包括所述夹片9、夹杆11以及所述伸缩孔10，所述试样夹具12用以放置开级配水稳碎石透水基层试样，通过调节、固定所述伸缩孔10使所述夹片9夹紧开级配水稳碎石透水基层试样表面。如图1、图4、图7所示，所述热成像传输路径修正装置21由所述摄像机19和所述脚架20组成，以所述轴杆2为轴，所述热成像传输路径修正装置21与所述三维热成像仪15对称布置，所述脚架20可通过伸缩来调节所述摄像机19的位置高度，所述热成像传输路径修正装置21的中心位置高度与所述三维热成像仪15中心位置高度保持一致。
具体的实施过程如下所述。
室内检测开级配水稳碎石透水基层试样内部开孔孔隙分布特征（孔隙大小、分布、连通状态等）时，根据实际选择试样的尺寸，调节所述伸缩孔10，使试样放入所述试样夹具12中，再次调节并固定所述伸缩孔10的位置，使所述夹片9夹紧试样。
进一步的，调节所述支撑杆限位孔5和所述支架限位孔17，使所述热风传送装置4和所述三维热成像仪15的高度与开级配水稳碎石透水基层试样的中心位置高度保持一致；打开所述转动机8的开关，使试样开始匀速转动，同时打开所述热风传送装置4的开关，对试样进行预热2min，使试样与试样内部孔隙空气产生温差以保证所述三维热成像仪15在采集图像信息时能完整采集到试样的内部开孔孔隙分布特征；预热结束后，开启所述三维热成像仪15和所述摄像机19对试样进行热成像采集和修正，并将试样的温度分布的三维图像信息传出到电脑终端。
由于材料本身属性的不同以及开级配水稳碎石透水基层与开孔孔隙内的空气的热传导系数不同，导致试样材料与内部孔隙空气的热传导路径不同，因此通过所述三维热成像仪15对试样进行全方位热源图像提取，并通过热力学传导公式可在电脑上显示并定位出不同孔隙的位置，从而形成开级配水稳碎石透水基层试样内部的开孔孔隙分布特征（孔隙大小、分布、连通状态等）。
但是由于开级配水稳碎石透水基层试样表面构造不平整，存在高差，所以在采集试样表面附近孔隙的温度分布图时可能会存在误差，即试样表层附近的孔隙图像产生重叠，无法确定表层附近孔隙的位置与大小，因此通过所述热成像传输路径修正装置21采集试样表面构造形貌分布图，在PC端，利用数学建模的方法对试样表面进行三维重构，通过找平修正，将试样表面转化为不存在高差的平面，即可求得试样表面附近孔隙的尺寸大小。其分析过程如下。
首先在MATLAB中用SFIT算法恢复出试样表面构造形貌的稀疏点云：然后利用CMVCS算法，删除冗杂特征点，优化密集点云，生成网格，生成灰度图，依据实际试样的尺寸，表征出试样表面沟壑深度，通过找平修正，将试样表面转化为不存在高差的平面；然后，结合所述三维热成像仪15采集到的试样三维温度分布热成像图，依据热传导方程式，对所述三维热成像仪15采集到的试样表层的三维热成像图像进行修正，即可求得试样表面附近孔隙的尺寸大小和位置分布，使得检测结果更加精确，避免孔隙的重叠和遗漏。
最后，依据修正后的试样三维热成像温度分布图，得到开级配水稳碎石透水基层试样内部的开孔孔隙分布特征（孔隙大小、分布、连通状态等），进而检测出该开级配水稳碎石透水基层的透水效果是否合格、集料配比是否满足要求以及集料级配是否合理，从而为透水基层集料配比优化设计提供理论支撑。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。
Claims (8)
1.一种开级配水稳碎石透水基层开孔孔隙分布特征测量装置，其特征在于，主要由稳定系统、三维热成像系统、热成像传输路径修正装置、加热系统和试样锚固系统组成；所述稳定系统，包括底座和轴杆，所述轴杆置于所述底座中心位置；所述三维热成像系统由支架、支架限位孔、三维热成像仪组成，所述支架和所述三维热成像仪锚固于所述轴杆前表面位置；所述热成像传输路径修正装置由摄像机和脚架组成，与所述三维热成像系统呈对称分布在所述轴杆两侧；所述加热系统由两个热风输送装置和支撑杆组成，所述热风输送装置安装于所述支撑杆的两端，所述支撑杆置于所述轴杆两侧；所述试样锚固系统由试样夹具、转动机、承重杆组成，所述试样夹具包括夹片、夹杆、伸缩孔，所述试样夹具与所述转动机连接，分别置于所述承重杆两端，所述承重杆焊接于所述轴杆顶端。
2.根据权利要求1所述的开级配水稳碎石透水基层开孔孔隙分布特征测量装置，其特征在于，所述稳定系统由底座和轴杆组成，所述底座是一块厚1cm的圆形钢板；所述轴杆选用铸铁材料加工成莲台形，所述轴杆焊接于所述底座表面中心位置。
3.根据权利要求1所述的开级配水稳碎石透水基层开孔孔隙分布特征测量装置，其特征在于，所述三维热成像系统由支架、支架限位孔、三维热成像仪组成，所述支架由所述支架限位孔、组成L型的两块不锈钢空心杆构成，所述支架锚固于所述轴杆前表面距所述底座上表面10cm处；所述三维热成像仪安装于所述支架顶端。
4.根据权利要求1所述的开级配水稳碎石透水基层开孔孔隙分布特征测量装置，其特征在于，所述三维热成像仪，通过无线连接方式与PC端连接，所述三维热成像仪自带剪除标记物以外的背景温度分布图功能。
5.根据权利要求1所述的开级配水稳碎石透水基层开孔孔隙分布特征测量装置，其特征在于，所述热成像传输路径修正装置由像素为2420万，分辨率为6016×4016，帧率为30Hz高清摄像机和脚架组成，与所述三维热成像仪以所述稳定系统为轴对称设置于所述轴杆后端，同时所述高清摄像机的中心位置与所述三维热成像仪中心位置高度保持一致。
6.根据权利要求1所述的开级配水稳碎石透水基层开孔孔隙分布特征测量装置，其特征在于，所述加热系统包括两个热风输送装置和两根支撑杆；其功率不小于3000瓦，所述热风输送装置置于所述支撑杆两端；所述支撑杆由支撑杆限位孔、L形不锈钢空心杆组成，所述支撑杆分别锚固于所述轴杆两侧，距所述底座上表面10cm处。
7.根据权利要求1所述的开级配水稳碎石透水基层开孔孔隙分布特征测量装置，其特征在于，所述试样锚固系统由试样夹具、转动机、承重杆组成，所述试样夹具包括夹片、夹杆、伸缩孔，所述试样夹具与所述转动机连接，所述承重杆由实心铁管制成，锚固于所述轴杆的顶端，所述转动机分别置于所述承重杆的两端，所述转动机的转速为0.5rad/s。
8.根据权利要求1所述的开级配水稳碎石透水基层开孔孔隙分布特征测量装置，其特征在于，所述夹片呈圆弧形，所述夹片内表面有凸起的竖纹纹路。
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