CN111077147A

CN111077147A - 研究堆石混凝土填充堵塞性能的方法及试验装置

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Publication number: CN111077147A
Application number: CN201911295941.1A
Authority: CN
Inventors: 邱流潮; 李敬军; 田雷; 余舜尧
Original assignee: China Agricultural University
Current assignee: China Agricultural University
Priority date: 2019-12-16
Filing date: 2019-12-16
Publication date: 2020-04-28
Anticipated expiration: 2039-12-16
Also published as: CN111077147B

Abstract

本发明涉及混凝土技术领域，公开了一种研究堆石混凝土填充堵塞性能的方法及试验装置，其中方法包括：采用透明材料制备透明的堆石块体模型；制备浆体并与骨料混合形成混凝土模型；将混凝土模型浇筑在堆石块体模型中进行浇筑试验；根据浇筑试验，对堆石混凝土的填充堵塞性能进行研究分析。本发明提供的一种研究堆石混凝土填充堵塞性能的方法及试验装置，通过制备透明的堆石块体模型进行浇筑试验，可以为试验研究堆石混凝土的堵塞机理、流动特性和填充状态提供全局可视化的透视效果，解决堆石体不可透视带来的不可观测孔隙状态的问题，可以填补研究堆石混凝土流动填充性能的试验方法的空缺，对堆石混凝土性能的研究起到积极的推动作用。

Description

研究堆石混凝土填充堵塞性能的方法及试验装置

技术领域

本发明涉及混凝土技术领域，特别是涉及一种研究堆石混凝土填充堵塞性能的方法及试验装置。

背景技术

大体积混凝土在现代工程建设，特别是水利水电工程建设中，占有重要地位。我国每年仅在水利水电工程中所浇筑的大体积混凝土就在一千万立方以上，另外，港口、机场建筑以及重型机器基础等也往往采用大体积混凝土。为了降低混凝土的水化热和成本，大体积混凝土要尽可能降低水泥用量。堆石混凝土其基本原理是将一定粒径的块石(或卵石)自然堆满仓面，然后在堆石体中浇入自密实混凝土，利用自密实混凝土特有的高流动、抗离析、强填充黏结性能，仅依靠自重自动充填到堆石孔隙中，形成完整、密实、高强度和低水化热的大体积混凝土。堆石混凝土通过使用大量块石(粒径大于30cm)来降低水泥用量，从而有效减少水化热和降低CO₂排放，具有混凝土结构收缩性小、抗裂抗剪能力提高、施工速度快、水化热低，温控容易、施工质量高、工程造价低等特点，因而具有广阔应用前景，同时也满足大力推广绿色低碳技术的迫切需求。

自密实混凝土在堆石孔隙中的填充效果决定着堆石混凝土结构的整体稳定的和薄弱面的存在，因此是研究的重要方向。对于堆石混凝土填充堵塞的现象研究中，大部分采用挖坑检测，开挖检测和钻芯检测，这些实验方法一是试验周期长，造价高，二是只能通过上述方法研究浇筑结束后堆石混凝土的局部密实度，很难对结构有一个细致的整体评价。因此发展新技术对于研究堆石混凝土的填充堵塞现象有着至关重要的推动意义。

发明内容

本发明实施例提供一种研究堆石混凝土填充堵塞性能的方法及试验装置，用于解决或部分解决堆石混凝土很难研究自密实混凝土在堆石孔隙中的填充堵塞性能的问题。

本发明实施例提供一种研究堆石混凝土填充堵塞性能的方法，包括：采用透明材料制备透明的堆石块体模型；制备浆体并与骨料混合形成混凝土模型；将混凝土模型浇筑在堆石块体模型中进行浇筑试验；根据浇筑试验，对堆石混凝土的填充堵塞性能进行研究分析。

在上述方案的基础上，所述堆石块体模型的制备过程具体为：通过三维建模或3D扫描技术，获得堆石块体的三维模型；根据堆石块体的三维模型，通过3D打印获得堆石块体模型。

在上述方案的基础上，所述浆体包括：透明的卡波姆浆体；所述浆体中各成分的质量百分比为：去离子水92.41-94.5％、卡波姆树脂粉末0.30-0.35％、中性调节剂三乙醇胺0.20-0.24％、透明玻璃微珠5-7％。

在上述方案的基础上，所述浆体的制备过程包括：将卡波姆树脂粉末加至去离子水中；待完全溶解后滴加三乙醇胺调制中性；静置一定时间，获得透明的卡波姆凝胶；加入玻璃微珠，均匀搅拌并进行真空吸气，获得透明的浆体。

在上述方案的基础上，根据浇筑试验，对堆石混凝土的填充堵塞性能进行研究分析包括：对浇筑试验过程中，混凝土模型在堆石块体模型的孔隙中的流动状态、填充效果以及骨料的运移堵塞性能进行分析。

在上述方案的基础上，采用有色骨料制备所述混凝土模型；对堆石混凝土的填充堵塞性能进行研究分析具体包括：利用高速摄像机对浇筑试验的过程进行监测；根据高速摄像机的监测结果，对混凝土模型的骨料运移堵塞性能进行研究分析。

在上述方案的基础上，采用透明骨料制备所述混凝土模型；对堆石混凝土的填充堵塞性能进行研究分析具体包括：利用粒子图像测速法对浇筑试验的过程进行监测；根据粒子图像测速法的监测结果，对混凝土模型的流动状态以及填充效果进行研究分析。

在上述方案的基础上，还包括：通过改变骨料的级配，制备不同的混凝土模型；浇筑试验中，混凝土模型的浇筑流速以及浇筑部位根据研究需要确定。

本发明实施例提供一种研究堆石混凝土填充堵塞性能的试验装置，用于上述研究堆石混凝土填充堵塞性能的方法，包括：浇筑箱、模具箱和监测机构；所述浇筑箱内部放置混凝土模型且底部连接有导流管，所述模具箱为透明结构、内部放置堆石块体模型且位于所述导流管的下方，所述监测机构设于所述模具箱的一侧、用于对浇筑试验的浇筑过程进行监测。

在上述方案的基础上，所述监测机构包括高速摄像机或粒子图像测速组件。

本发明实施例提供的一种研究堆石混凝土填充堵塞性能的方法及试验装置，通过制备透明的堆石块体模型进行浇筑试验，可以为试验研究堆石混凝土的堵塞机理、流动特性和填充状态提供全局可视化的透视效果，解决堆石体不可透视带来的不可观测孔隙状态的问题，可以填补研究堆石混凝土流动填充性能的试验方法的空缺，对堆石混凝土性能的研究起到积极的推动作用。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例中堆石块体模型的示意图；

图2为本发明实施例中堆石块体模型在模具箱中的放置示意图；

图3为本发明实施例中试验装置的第一示意图；

图4为本发明实施例中试验装置的第二示意图。

附图标记说明：

其中，1、堆石块体模型；2、模具箱；3、浇筑箱；4、混凝土模型；5、导流管；6、高速摄像机；7、处理器；8、激光器；9、同步器；10、相机。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本发明实施例提供一种研究堆石混凝土填充堵塞性能的方法，该方法包括：采用透明材料制备透明的堆石块体模型，如图1所示；制备浆体并与骨料混合形成混凝土模型；将混凝土模型浇筑在堆石块体模型中进行浇筑试验；根据浇筑试验，对堆石混凝土的填充堵塞性能进行研究分析。

本实施例提供的一种研究堆石混凝土填充堵塞性能的方法，提出通过建立堆石块体模型和混凝土模型，将混凝土模型浇筑到堆石块体模型中进行浇筑试验，浇筑试验用来模拟实际堆石混凝土的浇筑过程，进而通过浇筑试验，对堆石混凝土在浇筑过程中的填充堵塞性能进行研究分析。

进一步地，该方法提出制备透明的堆石块体模型。即可采用透明材料来制备堆石块体模型，进而可获得整体呈透明态的堆石块体模型。制备堆石块体模型呈透明态。进而在浇筑试验过程中，可清楚的观察看到堆石块体模型的孔隙中混凝土模型的流动状态，可直观的观察混凝土模型的流动状态，从而可更好的对堆石混凝土的填充堵塞性能进行研究分析。

本实施例提供的一种研究堆石混凝土填充堵塞性能的方法，通过制备透明的堆石块体模型进行浇筑试验，可以为试验研究堆石混凝土的堵塞机理、流动特性和填充状态提供全局可视化的透视效果，解决堆石体不可透视带来的不可观测孔隙状态的问题，可以填补研究堆石混凝土流动填充性能的试验方法的空缺，对堆石混凝土性能的研究起到积极的推动作用。

进一步地，堆石块体模型的材料可采用透明树脂材料或透明玻璃材料，也可为其他透明材料，优选与实际堆石块体的硬度、密度等性能较为接近的材料。混凝土模型中的浆体应与实际自密实混凝土的粘度等流动特性相同或相近，以更好的模拟实际自密实混凝土，提高试验准确性。

在上述实施例的基础上，进一步地，堆石块体模型的制备过程具体为：通过三维建模或3D扫描技术，获得堆石块体的三维模型；根据堆石块体的三维模型，通过3D打印获得堆石块体模型。

为了能透视整个浇筑过程可采用透明树脂材料作为堆石块体的原材料。可以通过3D扫描真实堆石体或者直接建模的方法建立堆石块体的三维数值模型，然后通过3D打印技术，打印堆石块体。打印的透明堆石块体模型可堆积在透明的模具中，形成透明堆石体，便于浇筑试验的进行。

在上述实施例的基础上，进一步地，浆体包括：透明的卡波姆浆体；浆体中各成分的质量百分比为：去离子水92.41-94.5％、卡波姆树脂粉末0.30-0.35％、中性调节剂三乙醇胺0.20-0.24％、透明玻璃微珠5-7％。

浆体的配置采用卡波姆凝胶作为基底，通过加入玻璃微珠从而配出和自密实砂浆相近流态的透明砂浆。然后根据不同的研究方向，选取不同的骨料：如果研究堆石混凝土浇筑过程中的骨料堵塞现象则选取较好级配的有色骨料，可为有色玻璃块体；如果是研究堆石混凝土浇筑过程中的自密实混凝土的流动状态，就选取较好级配的透明骨料，可为透明玻璃块体。选取好骨料之后，将其与浆体进行充分搅拌后形成自密实混凝土模型。

进一步地，浆体可为透明浆体，骨料可为有色骨料或透明骨料。浆体设为透明态，可通过选用有色骨料，便于在浇筑试验过程中观察到骨料的运移状态，进而便于清楚直观的研究骨料的堵塞性能。另外，在浆体为透明态时，选用透明骨料，可便于利用粒子图像测速法跟踪测定混凝土模型的流动状态。

进一步地，浆体也可根据需要设定为有色浆体。此时，可直观的观察研究混凝土模型整体的流动状态。浆体和骨料的具体颜色可根据研究目的和方向灵活选择，不做限定。其中，有色骨料指的是骨料具有能够与透明色区分的其他颜色。优选有色骨料不为白色。

在上述实施例的基础上，进一步地，浆体的制备过程包括：将卡波姆树脂粉末加至去离子水中；待完全溶解后滴加三乙醇胺调制中性；静置一定时间，获得透明的卡波姆凝胶；加入玻璃微珠，均匀搅拌并进行真空吸气，获得透明的浆体。

在上述实施例的基础上，进一步地，根据浇筑试验，对堆石混凝土的填充堵塞性能进行研究分析包括：对浇筑试验过程中，混凝土模型在堆石块体模型的孔隙中的流动状态、填充效果以及骨料的运移堵塞性能进行分析。

在上述实施例的基础上，进一步地，采用有色骨料制备所述混凝土模型；对堆石混凝土的填充堵塞性能进行研究分析具体包括：利用高速摄像机对浇筑试验的过程进行监测；根据高速摄像机的监测结果，对混凝土模型的骨料运移堵塞性能进行研究分析。

在上述实施例的基础上，进一步地，采用透明骨料制备所述混凝土模型；对堆石混凝土的填充堵塞性能进行研究分析具体包括：利用粒子图像测速法对浇筑试验的过程进行监测；根据粒子图像测速法的监测结果，对混凝土模型的流动状态以及填充效果进行研究分析。

在上述实施例的基础上，进一步地，一种研究堆石混凝土填充堵塞性能的方法还包括：通过改变骨料的级配，制备不同的混凝土模型；浇筑试验中，混凝土模型的浇筑流速以及浇筑部位根据研究需要确定。

将配置的混凝土模型，按照自己的实验要求即按照实验设定的浇筑流速和浇筑部位，浇筑在透明堆石体模型中。其中，如果研究堆石混凝土浇筑过程中的骨料堵塞运移现象则使用高速摄像机进行监测；如果是研究堆石混凝土浇筑过程中的自密实混凝土的流动状态，就使用粒子图像测速法(PIV)跟踪测定其流动状态。

骨料的级配即为骨料的尺寸大小以及不同尺寸大小的骨料的配比。通过改变骨料的级配，可制备不同的混凝土模型。可对不同混凝土模型进行浇筑试验，以研究不同堆石混凝土的填充堵塞性能。在浇筑试验时，还可通过改变浇筑混凝土模型的流速以及浇筑部位，对不同浇筑参数下的堆石混凝土的填充堵塞性能进行研究。

在上述实施例的基础上，进一步地，本实施例提供一种研究堆石混凝土填充堵塞性能的试验装置，参考图3和图4，该试验装置用于上述任一实施例所述的研究堆石混凝土填充堵塞性能的方法，包括：浇筑箱3、模具箱2和监测机构；浇筑箱3内部放置混凝土模型4且底部连接有导流管5，模具箱2为透明结构、内部放置堆石块体模型1且位于导流管5的下方，监测机构设于模具箱2的一侧、用于对浇筑试验的浇筑过程进行监测。导流管5上设有阀门，可通过调节阀门的开启程度，对浇筑流速进行控制调节。

在上述实施例的基础上，进一步地，监测机构包括高速摄像机6或粒子图像测速组件。

参考图3，监测机构为高速摄像机6时，高速摄像机6设在模具箱2的一侧便于记录浇筑过程的位置处，高速摄像机6可与处理器7相连。处理器7可为计算机等能够接收高速摄像机6的监测结果的部件。

参考图4，监测机构为粒子图像测速组件时，粒子图像测速组件包括激光器8、同步器9和相机10。激光器8设于模具箱2的一侧，能够监测到混凝土模型4的位置处。相机10同样设于模具箱2的侧边，便于拍摄浇筑过程的位置处。激光器8和相机10同时与同步器9相连，通过同步器9控制同步运行。同步器9和相机10分别与处理器7相连。处理器7同样为计算机等能够接收相机10的监测结果以及能够对同步器9的运行进行调控的部件。

在上述实施例的基础上，进一步地，针对目前还没有可以以完全透视的方法直观的观察和测量自密实混凝土在堆石空隙中流动堵塞状态的技术，本实施例为堆石混凝土的实验研究提供了一项新的方法。

本实施例提供了一种基于透明浆体技术研究堆石混凝土填充堵塞性能的方法。通过3D打印技术，使用透明树脂材料建立堆石块体模型1，制备和自密实混凝土流动特性相同的透明浆体，通过高速摄像机6和粒子图像测速法(PIV)分别研究堆石混凝土的堵塞机理和流动特性。该方法可以为实验研究堆石混凝土的堵塞机理，流动特性和填充状态提供全局可视化的透视效果，为堆石混凝土的流动性能和填充性能研究提供了一种新的研究方法。

该方法的具体操作过程为：

透明堆石块体模型1的建立。通过使用三维建模软件(GID或其他建模软件)按照需要建立三维几何模型，或者通过使用3D扫描技术，将使用的堆石混凝土中的堆石体的外形轮廓进行3D扫描形成输入数据。通过使用3D打印技术，打印堆石块体，如图1所示。并将打印的透明堆石块体模型1堆积在透明的模具箱2(模具箱2材质选取透明的PVC板或者是玻璃板)中，形成透明堆石体，如图2所示。

透明浆体的制备。使用具有和砂浆相似流变性能的透明胶砂拌合物作为透明砂浆基底，然后加入玻璃块体作为粗骨料，从而配制出透明的自密实混凝土。其配置方法为去离子水92.41-94.5％，940系列卡波姆树脂粉末0.30-0.35％，中性调节剂三乙醇胺0.20-0.24％，透明玻璃微珠5-7％，具有一定级配的透明玻璃块体或有色玻璃块体。

其制配方法为：将卡波姆树脂粉末加至去离子水中，待完全溶解后滴加三乙醇胺调制中性，静置5-10分钟，得到透明的卡波姆凝胶，然后加入透明的玻璃微珠和玻璃块体，搅拌均匀并进行真空吸气，去除内部气泡即可。其中根据研究的目的不同，如果研究堆石混凝土浇筑过程中的骨料堵塞现象则选取较好级配的有色玻璃块体；如果是研究堆石混凝土浇筑过程中的自密实混凝土的流动状态，就选取较好级配的透明玻璃块体。其中静置时间不做限定，根据选用的卡波姆树脂粉末的类型具体设定，以能获得透明的卡波姆凝胶为目的。

浇筑过程的监测。将配置的透明浆体，按照实验要求，浇筑在透明堆石体中。其中，如果研究堆石混凝土浇筑过程中的骨料堵塞运移现象则使用高速摄像机6进行监测，如图3所示；如果是研究堆石混凝土浇筑过程中的自密实混凝土的流动状态，就使用粒子图像测速法(PIV)跟踪测定其流动状态，如图4所示。

后期数据的处理。对实验的监测结果，对于结果中的流体的自由表面，骨料的运移状态，断面的流动特点进行后期数据的处理，从而根据需要分析自密实混凝土在堆石孔隙中的流动状态，填充效果，和骨料运移堵塞的现象。

本实施例提供了一种基于透明浆体技术研究堆石混凝土填充堵塞性能的方法。通过使用3D打印的堆石块体模型1可以较为真实的还原堆石块体的复杂边界，并且因为材质的透明，可以解决堆石体不可透视带来的不可观测孔隙流动状态的问题。结合配置的透明自密实混凝土，可以直观观测堆石体孔隙中的骨料运移情况。后期监测过程中，通过引入高速摄像机6和粒子图像测速法(PIV)，可以更加准确的监测流体中骨料的运移堵塞状态和流体的流动特性。

本实施例提供了一种基于透明浆体技术研究堆石混凝土填充堵塞性能的方法。本方法主要分以下步骤，首先通过使用3D打印技术，使用透明树脂材料对于堆石体进行所需的复杂形态进行打印，然后将其堆积到透明模板中；然后制备与自密实混凝土流动特性相同的透明浆体(卡波姆凝胶、玻璃微珠、玻璃骨料)，其中在研究自密实混凝土材料中骨料在浇筑过程中的堵塞现象时使用有色玻璃体作为透明浆体的粗骨料(在研究自密实混凝土材料的流体力学特性的时候使用透明玻璃体作为透明浆体的粗骨料)。最后通过使用高速摄像机6来跟踪研究骨料在堆石孔隙中运移情况和最终的分布状态(通过使用粒子图像测速法(PIV)跟踪测定透明浆体在堆石孔隙中的流动特性)。

该方法适用于水利工程中堆石混凝土填充性能的研究，特别对于想通过实验方法来探究堆石混凝土的填充与堵塞机理的研究领域。随着大体积新型混凝土材料的普及和应用，该方法可以为堆石混凝土的浇筑过程的流动特性，填充性能以及堵塞现象的研究提供一种新的方法，对于堆石混凝土的填充堵塞机理研究以及材料的推广应用有着积极的作用。通过该方法可以填补研究堆石混凝土流动填充性能的实验方法的空缺，并且可以直观的观测到自密实混凝土在堆石孔隙中的流动状态，堵塞现象以及最终的填充密实度，从而加速推广堆石混凝土的研究和应用。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种研究堆石混凝土填充堵塞性能的方法，其特征在于，包括：

采用透明材料制备透明的堆石块体模型；

制备浆体并与骨料混合形成混凝土模型；

将混凝土模型浇筑在堆石块体模型中进行浇筑试验；

根据浇筑试验，对堆石混凝土的填充堵塞性能进行研究分析。

2.根据权利要求1所述的研究堆石混凝土填充堵塞性能的方法，其特征在于，所述堆石块体模型的制备过程具体为：

通过三维建模或3D扫描技术，获得堆石块体的三维模型；

根据堆石块体的三维模型，通过3D打印获得堆石块体模型。

3.根据权利要求1所述的研究堆石混凝土填充堵塞性能的方法，其特征在于，所述浆体包括：透明的卡波姆浆体；所述浆体中各成分的质量百分比为：去离子水92.41-94.5％、卡波姆树脂粉末0.30-0.35％、中性调节剂三乙醇胺0.20-0.24％、透明玻璃微珠5-7％。

4.根据权利要求3所述的研究堆石混凝土填充堵塞性能的方法，其特征在于，所述浆体的制备过程包括：

将卡波姆树脂粉末加至去离子水中；

待完全溶解后滴加三乙醇胺调制中性；

静置一定时间，获得透明的卡波姆凝胶；

加入玻璃微珠，均匀搅拌并进行真空吸气，获得透明的浆体。

5.根据权利要求1所述的研究堆石混凝土填充堵塞性能的方法，其特征在于，根据浇筑试验，对堆石混凝土的填充堵塞性能进行研究分析包括：

对浇筑试验过程中，混凝土模型在堆石块体模型的孔隙中的流动状态、填充效果以及骨料的运移堵塞性能进行分析。

6.根据权利要求5所述的研究堆石混凝土填充堵塞性能的方法，其特征在于，采用有色骨料制备所述混凝土模型；

对堆石混凝土的填充堵塞性能进行研究分析具体包括：

利用高速摄像机对浇筑试验的过程进行监测；

根据高速摄像机的监测结果，对混凝土模型的骨料运移堵塞性能进行研究分析。

7.根据权利要求5所述的研究堆石混凝土填充堵塞性能的方法，其特征在于，采用透明骨料制备所述混凝土模型；

对堆石混凝土的填充堵塞性能进行研究分析具体包括：

利用粒子图像测速法对浇筑试验的过程进行监测；

根据粒子图像测速法的监测结果，对混凝土模型的流动状态以及填充效果进行研究分析。

8.根据权利要求1所述的研究堆石混凝土填充堵塞性能的方法，其特征在于，还包括：

通过改变骨料的级配，制备不同的混凝土模型；

浇筑试验中，混凝土模型的浇筑流速以及浇筑部位根据研究需要确定。

9.一种研究堆石混凝土填充堵塞性能的试验装置，其特征在于，用于上述权利要求1-8任一所述的研究堆石混凝土填充堵塞性能的方法，包括：浇筑箱、模具箱和监测机构；

所述浇筑箱内部放置混凝土模型且底部连接有导流管，所述模具箱为透明结构、内部放置堆石块体模型且位于所述导流管的下方，所述监测机构设于所述模具箱的一侧、用于对浇筑试验的浇筑过程进行监测。

10.根据权利要求9所述的研究堆石混凝土填充堵塞性能的试验装置，其特征在于，所述监测机构包括高速摄像机或粒子图像测速组件。