TWI444616B - 滾筒式水力衝擊磨耗量測裝置 - Google Patents

Description

滾筒式水力衝擊磨耗量測裝置

本發明係與一種混凝土水工結構物的磨耗量測裝置有關，尤指一種滾筒式水力衝擊磨耗量測裝置。

台灣境內之坡地陡峭，每逢豪雨或颱風之時，諸如溢洪道、排砂道等等混凝土之水工結構物，往往會受到湍急流水沖刷或夾帶的土石不斷地衝擊、磨損與侵蝕，而造成水工結構物表層之剝離現象以及水工結構物之主要鋼筋裸露，進而縮短水工結構物的服役年限。

根據ACI 210R-93之分類，水工結構物的侵蝕作用包括：氣穴侵蝕、磨蝕侵蝕與化學侵蝕。更明確地說，學者David Plum與Fang Xufei將水工結構物的侵蝕作用進一步地分為：研磨磨損、固體顆粒衝擊、固體顆粒鋒利邊緣之磨損作用、固體顆粒淘洗作用以及預沖蝕剝落等等方式。而在了解水工結構物的各種侵蝕作用之後，更重要的是如何針對各種水工結構物進行優化設計。其中，學者Papenfus發現混凝土之硬度、骨材與水泥砂漿三者的結合力，係為影響水工結構物(混凝土)之耐磨性主要因素；之後，後進學者 與各研究單位無不致力於研究，如何在混凝土之硬度、骨材與水泥砂漿之間調配出最佳的比例，以提升水工結構物(混凝土)的耐磨性。

承上所述，研究者在進行混凝土之硬度、骨材與水泥砂漿之調配比例的研究時，必須藉由混凝土磨蝕試驗方法來加以驗證之，如此，研究者才能夠確定調配比例與耐磨性之間的關係。其中，根據美國材料試驗協會(American Society for TestingMaterials,ASTM)所提供的材料試驗方法，混凝土磨蝕試驗方法包括有：C418噴砂試驗、C779水平混凝土表面磨損試驗、C994旋轉磨削試驗以及C1138水中磨耗試驗。

C418噴砂試驗、C779水平混凝土表面磨損試驗與C994旋轉磨削試驗，皆屬於乾式磨損試驗法；然而，由於水工結構物之表層往往需承受水流所夾帶的礫石、砂、泥沙等等的磨、刮、削、擦、割、淘及撞擊作用，使得其中之作用機制相當的複雜，因此，目前研究單位係較常使用C1138水中磨耗試驗法，來模擬與驗證水中懸浮顆粒對水工結構物表層所造成的磨損作用。

請參閱第一圖，其係為研究單位所慣用之C1138水中磨耗試驗儀的剖視圖。如第一圖所示，C1138水中磨耗試驗儀1’係包括：一基座11’與一槽桶12’，其中，該槽桶12’底部設有一試體支撐架121’，支撐架121’之上則乘載有一混凝土試體2’。在進行試驗時，須將水注入 於內槽桶12’內，之後，放置多個大小不一的鋼珠13’於混凝土試體2’之表層。接著，以馬達(圖中未示)帶動槽桶12’內的轉軸14’轉動，以驅動多個攪拌葉片15’於水中旋轉並造成水流。如此，受到水流的影響，該多個鋼珠13’便會於混凝土試體2’之表層移動，並藉此方式模擬含砂水流對於水工結構物(混凝土)之衝擊。

承上述，C1138水中磨耗試驗儀1’雖為一較常被使用的水工結構物磨耗試驗儀器，然而依照ASTM之規範，C1138水中磨耗試驗儀1’的試驗時間至少必須48小時；而使用C1138水中磨耗試驗儀1’對高強度的混凝土水工結構物進行磨耗試驗時，往往因高強度的混凝土具有較佳的表面抗磨損能力，在試驗時間為48小時下則不易觀察到較明顯的差異性；因此，其之較佳的試驗時間係為72小時。由此可知，試驗時間過長便成為了C1138水中磨耗試驗儀1’的缺點之一。此外，由於現地水工結構物受到流含砂水流的衝擊而損傷破壞之機制極為複雜，然而C1138水中磨耗試驗儀1’卻僅能模擬水中之磨損作用，無法一併試驗水流的沖刷作用，這也是C1138水中磨耗試驗儀1’另一個的缺點。

因此，經由上述說明，吾人可以得知習用的C1138水中磨耗試驗儀係具有明顯的缺點與不足，有鑑於此，本案之發明人係極力地研究創作，而終於研發出一種新穎的滾 筒式水力衝擊磨耗量測裝置，以取代習用的C1138水中磨耗試驗儀，來精確地執行水工結構物的磨耗試驗與模擬。

本發明之主要目的在於提供一種滾筒式水力衝擊磨耗量測裝置，其係具備帶有特殊設計的複數個試體孔洞、複數個試體固定組件、複數個長檔板、與複數個短檔板，並且可以取代習用的ASTM C1138水中磨耗試驗儀，以進行精確的水工結構物試體磨耗試驗與損害模擬。

因此，為了達成本發明之主要目的，本案之發明人提出一種滾筒式水力衝擊磨耗量測裝置，以對複數個水工結構物試體進行一磨耗試驗與一損害模擬該量測裝置包括：一滾筒支架；一滾筒，其係設置於該滾筒支架上，其中，該滾筒之筒身表面開設有至少一試體孔，以設置至少一該水工結構物試體；以及至少一試體固定組件，其等係用以分別將該至少一水工結構物試體固定於該滾筒之該至少一試體孔上；其中該滾筒內側係具有複數擋板，且該等擋板係軸向延伸地且彼此平行地設置於每一試體孔周圍。

為了能夠更清楚地描述本發明所提出之一種滾筒式水力衝擊磨耗量測裝置，以下將配合圖式來詳盡說明本發明之實施例。

請參閱第二圖，其係為本發明之一種滾筒式水力衝擊磨耗量測裝置的立體圖。如第二圖所示，本發明之滾筒式水力衝擊磨耗量測裝置1，係用以對複數個水工結構物試體2進行一磨耗試驗與一損害模擬，其包括有：一滾筒支架10、一滾筒11以及複數個試體固定組件12。該滾筒支架10具有一底部101與二支撐部102，其中滾筒支架10之底部101上設有一馬達103。在此要特別說明的是，於此所指之水工結構物2係為混凝土構成之水工結構物。繼續參閱第二圖，該滾筒11之筒身表面係開設有多個試體孔111以供放置該等複數個水工結構物試體2，且滾筒11之頂部與底部係各設有一滾筒傳動軸(圖中未示)，該二滾筒傳動軸係連接於該二支撐部102，以使得滾筒11得以被設置於該二支撐部102之上。另外，該滾筒11更包括連接於滾筒11頂部之滾筒傳動軸上的一傳動盤112；如圖所示，傳動帶104之一端係套設於該傳動盤112，而另一端則套設於該馬達103之一傳動軸(圖中未示)上，藉由此一設置方式，當馬達103運轉時，滾筒11便可透過該傳動帶104而受到馬達103之驅動並進而滾動。

該些試體固定組件12係用以分別將該至少一水工結構物試體2固定於該滾筒11之該至少一試體孔111上。請繼續參閱第二圖，並請同時參閱第三圖，係試體固定組件之側視圖。如第二圖所示，當該複數個水工結構物試體2被置入於滾筒11之該等複數個試體孔111內後，該等複數個試體固定組件12，即可被用以將該複數個水工結構物試體2固定於該滾筒11之筒身上。如第三圖所示，每一個試體固定組件12係包括有：一外罩121、一第一墊片122、複數個第一螺柱123、複數個第二墊片124、複數個第二螺柱125、以及一把手126。該外罩121係用於部分地容置且覆蓋該水工結構物試體2，並且係具有二固定部1211。第一墊片122係由金屬材質所製成，其係設置於外罩121與水工結構物試體2之間，以作為外罩121與水工結構物試體之間的緩衝。該等複數個第一螺柱123則係用以穿過外罩121之二固定部1211，以將外罩121與水工結構物試體2固定於滾筒11之筒身上。

如第三圖所示，於本發明中，該等複數個第二墊片124係由橡膠(或塑膠、矽膠)等材質所製成，且係置於水工結構物試體2之後側以及左、右兩側。明確地說，該些第二墊片124皆具有一特定厚度，且該特定厚度係可根據不同的水工結構物試體2之長度與寬度來進行調整，以使得不同長度與不同寬度之水工結構物試體2，皆能夠被部分地 容置於該外罩121之內。該等複數個第二螺柱125則係用以由外而內地穿過外罩121之側邊，以將部分地容置於外罩121內的水工結構物試體2加以固定。

請再繼續參閱第四圖，其係代表滾筒之內部表面的平面展開示意圖，其係將滾筒之環狀內部表面展開成一平面示意圖，藉以說明該滾筒之內部表面的構造。如第四圖所示，滾筒11之內部表面係設置有複數個長擋板13與複數個短擋板14，且該等擋板(13,14)係軸向延伸地且彼此平行地設置於每一試體孔111的周圍。如圖所示，每一長擋板13與短擋板14係互相平行且交互地設置於每一試體孔111周圍，以使得每一試體孔111周圍都會被長擋板及/或短擋板14所圍繞。於本發明之中，為了增進水工結構物試體2之磨耗試驗與損害模擬的準確性，可將長擋板13之長度設計為短擋板14之兩倍，並將短擋板14之長度設計成與該試體孔111之長度相等。如圖中所示，假設試體孔111之長度為d，則短擋板14與長擋板13之長度係分別為d與2d。

承上述，除了對於長擋板13與短擋板14之長度有特別要求之外，長擋板13鄰近該試體孔111之距離係被特別地設計為試體孔111長度的一半，同樣的，短擋板14鄰近該試體孔111之距離亦被設計為為試體孔111長度的一半。如第四圖所示，假設試體孔111之長度為d，則短 擋板14與長擋板13鄰近該試體孔111之距離皆為0.5d。另外，相鄰二個試體孔111之間係具有一固定的垂直距離h。

藉由上述之說明，可以完整地揭露本發明之滾筒式水力衝擊磨耗量測裝置1的基本構造。接著，將繼續說明如何使用本發明之滾筒式水力衝擊磨耗量測裝置1，來對複數個水工結構物試體2進行磨耗試驗與損害模擬。請參閱第五A圖與第五B圖，其等係為該滾筒式水力衝擊磨耗量測裝置之使用示意圖。如第五A圖所示，在進行磨耗試驗時，係將水工結構物試體2置入滾筒11之該試體孔111中，並使用試體固定組件12將該水工結構物試體2固定於滾筒11之筒身之上。接著，將一含砂水注入該滾筒11內並驅動馬達103以滾動滾筒11；其中，當滾筒11於低速下滾動時，該含砂水將因重力之吸引而位於滾筒11底端，此時滾筒11底端的水工結構物試體2將與含砂水接觸而產生磨耗。此外，如第五B圖所示，當滾筒11於高速下滾動時，含砂水之中的砂礫則會撞擊長擋板13與短擋板14因而往下掉，進而撞擊水工結構物試體2。

承上所述，水工結構物試體2之磨耗試驗與損害模擬，亦可藉由將一含鋼珠水注入該滾筒11內，並驅動馬達103滾動滾筒11之方式完成。同時，透過第二圖所示之控制裝置15，操作人員將可設定滾筒11的滾動圈數及 滾動速度，以控制試驗的準確性，進而驗證水工結構物試體2之磨耗性，同時模擬水工結構物試體2之表面受損及側面受損的情況。

藉由上述說明，本發明之滾筒式水力衝擊磨耗量測裝置係已經完整且清楚地被揭露，並且吾人可得知本發明係具有下列之優點：

1.藉由設置特殊設計的該等複數個試體孔洞、該等複數個試體固定組件、該等複數個長檔板、與該等複數個短檔板，本發明之滾筒式水力衝擊磨耗量測裝置，可精確地同時對多個水工結構物試體進行磨耗試驗與損害模擬。

2.承上述第1點，藉由控制滾筒之轉速，本發明可控制含砂水之砂礫(或含鋼珠水之鋼珠)對水工結構物試體之表面進行磨耗與衝擊等作用，以模擬各種天然的水工結構物侵蝕作用。

3.此外，於本發明之中，該些第二墊片皆具有一特定厚度，該等特定厚度會根據不同的水工結構物試體之長度與寬度來進行調整，以使得不同長度與不同寬度之水工結構物試體，皆可被部分容置於該外罩內；藉此，其可以透過執行不同長度與不同寬度之水工結構物試體的磨耗試驗與損害模擬，而對於水工結構物之優化設計係相當有助益。

上述之詳細說明係針對本發明可行實施例之具體說明，惟該實施例並非用以限制本發明之專利範圍，凡未脫離本發明技藝精神所為之等效實施或變更，均應包含於本案之專利範圍中。

1‧‧‧滾筒式水力衝擊磨耗量測裝置

10‧‧‧滾筒支架

101‧‧‧底部

102‧‧‧支撐部

103‧‧‧馬達

104‧‧‧傳動帶

11‧‧‧滾筒

111‧‧‧試體孔

112‧‧‧傳動盤

12‧‧‧試體固定組件

121‧‧‧外罩

1211‧‧‧固定部

122‧‧‧第一墊片

123‧‧‧第一螺柱

124‧‧‧第二墊片

125‧‧‧第二螺柱

126‧‧‧把手

13‧‧‧長擋板

14‧‧‧短擋板

15‧‧‧控制裝置

2‧‧‧水工結構物試體

1’‧‧‧C1138水中磨耗試驗儀

11’‧‧‧基座

12’‧‧‧槽桶

121’‧‧‧試體支撐架

13’‧‧‧鋼珠

14’‧‧‧轉軸

15’‧‧‧攪拌葉片

2’‧‧‧混凝土試體

第一圖係習用的C1138水中磨耗試驗儀的剖視圖；第二圖係本發明之一種滾筒式水力衝擊磨耗量測裝置的立體圖；第三圖係滾筒式水力衝擊磨耗量測裝置之一試體固定組件的側視圖；第四圖係滾筒式水力衝擊磨耗量測裝置之一滾筒的側視圖；以及第五A圖與第五B圖係滾筒式水力衝擊磨耗量測裝置之使用示意圖。

1‧‧‧滾筒式水力衝擊磨耗量測裝置

10‧‧‧滾筒支架

101‧‧‧底部

102‧‧‧支撐部

103‧‧‧馬達

104‧‧‧傳動帶

11‧‧‧滾筒

111‧‧‧試體孔

112‧‧‧傳動盤

12‧‧‧試體固定組件

121‧‧‧外罩

1211‧‧‧固定部

122‧‧‧第一墊片

123‧‧‧第一螺柱

124‧‧‧第二墊片

125‧‧‧第二螺柱

126‧‧‧把手

15‧‧‧控制裝置

2‧‧‧水工結構物試體

Claims (10)

1. 一種滾筒式水力衝擊磨耗量測裝置，該量測裝置包括有：一滾筒支架；一滾筒，其係設置於該滾筒支架上，其中，該滾筒之筒身表面開設有至少一試體孔，以設置至少一該水工結構物試體；以及至少一試體固定組件，其等係用以分別將該至少一水工結構物試體固定於該滾筒之該至少一試體孔上；其中該滾筒內側係具有複數擋板，且該等擋板係軸向延伸地且彼此平行地設置於每一試體孔周圍。
2. 如申請專利範圍第1項所述之滾筒式水力衝擊磨耗量測裝置，其中該滾筒內側之該等複數擋板係包含有複數個長擋板與複數個短擋板，每一長擋板與短擋板係交互地設置於每一試體孔周圍，以使得每一試體孔周圍都會被長擋板及/或短擋板所圍繞。
3. 如申請專利範圍第1項所述之滾筒式水力衝擊磨耗量測裝置，其中該滾筒支架係具有一底部與至少一支撐部，該底部上設有一馬達以驅動該滾筒，且該滾筒係設置於該支撐部上。
4. 如申請專利範圍第1項所述之滾筒式水力衝擊磨耗量測裝置，其中該試體固定組件包括有： 一外罩，其係用於部分地容置與覆蓋該水工結構物試體，並具有至少一固定部；一第一墊片，其係設置於該外罩與該水工結構物試體之間，以作為外罩與水工結構物試體之間的緩衝；以及複數個第一螺柱，其等係用以穿過該固定部，以將外罩與水工結構物試體固定於滾筒之筒身之上。
5. 如申請專利範圍第4項所述之滾筒式水力衝擊磨耗量測裝置，該試體固定組件更包括：複數個第二墊片，其係設置於該第一墊片與該水工結構物試體之間，該些第二墊片係具有一特定厚度，該特定厚度會根據不同的水工結構物試體之長度與寬度而作調整，以使得具有不同長度與不同寬度之該水工結構物試體，皆可被部分地容置於該外罩之內；複數個第二螺柱，其等係用以由外而內地穿過外罩之側邊，以固定部分地容置於外罩內的該水工結構物試體；以及一把手，其係連接於該外罩上。
6. 如申請專利範圍第1項所述之滾筒式水力衝擊磨耗量測裝置，其係藉由將一含砂水或是一含鋼珠水注入該滾筒內並驅動該馬達以使得該滾筒滾動之方式，來執行該水工結構物試體之該磨耗試驗與該損害模擬。
7. 如申請專利範圍第1項所述之滾筒式水力衝擊磨耗量測裝置，其中該長擋板鄰近該試體孔之距離係為試體孔長度的一半。
8. 如申請專利範圍第1項所述之滾筒式水力衝擊磨耗量測裝置，其中該短擋板鄰近該試體孔之距離係為試體孔長度的一半。
9. 如申請專利範圍第1項所述之滾筒式水力衝擊磨耗量測裝置，其中相鄰的二個試體孔之間係具有一固定的垂直距離。
10. 如申請專利範圍第1項所述之滾筒式水力衝擊磨耗量測裝置，其中該滾筒更包括一傳動盤與一滾筒傳動軸，該滾筒傳動軸係連接於傳動盤，且該傳動帶之一端係套設於該傳動盤，而該傳動帶之另一端係則係套設於該馬達之一傳動軸。