[发明专利]用于测试水流作用下混凝土表面剪应力的冲刷装置及方法

说明书

本发明公开了一种用于测试水流作用下混凝土表面剪应力的冲刷装置及方法，包括用于通过其自转来模拟水流冲刷作用的试验体，用于容纳水和试验体的容腔，用于测量试验体自转过程中扭矩大小的扭矩传感器，以及用于控制转机转速的调频器。试验开始前，测量待测混凝土试件基本尺寸和质量，在冲刷过程中，通过试验体的自转记录并计算各个转速下待测混凝土试件的表面剪应力，冲刷一定时间后记录质量损失，多次冲刷试验后，建立水流剪应力与磨损质量的关系。本发明通过试验体自转来模拟水流冲刷，便于直接得到待测混凝土试件表面的冲刷强度，同时扭矩传感器的应用能够得到不同水流速度下试件表面的剪应力，可建立水流剪应力与磨损质量的关系。

技术领域

本发明属于混凝土冲磨技术，具体涉及一种用于测试水流作用下混凝土表面剪应力的冲刷装置及方法。

背景技术

在水利、港口及地下工程中，混凝土结构由于长期受到水流的冲刷作用，导致其表面磨损，进而引起混凝土力学性能退化和结构服役寿命缩短等工程问题。研究不同流速混凝土表面的剪应力，以及水流对混凝土结构的冲刷机理，对于混凝土结构的耐磨性设计具有重要意义。

目前，水工混凝土抗冲磨试验方法主要有圆环法和水下钢球。CN109916756A公开了《一种测试海工混凝土抗冲磨性能的试验装置及其试验方法》，其试验方法为通过搅拌杆带动水流中的冲磨介质运动，使得冲磨介质冲磨位于其下方的混凝土试件。范昆在《橡胶混凝土抗冲磨性能研究》一文中，采用圆环法来评估混凝土试件的抗冲刷性能，该方法通过搅拌杆带动圆环形混凝土试件内部的含砂水流旋转运动，使其冲刷圆环试件内侧。以上方法都通过搅拌桨带动水流流动，磨损一定时间后混凝土损失的重量来评估其抗冲磨强度，这些方法无法准确得到混凝土表面的冲刷强度，也无法建立水流剪应力与磨损质量的关系。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于测试水流作用下混凝土表面剪应力的冲刷装置及方法，可测试不同水流流速下混凝土表面的剪应力，建立水流剪应力与磨损质量的关系。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种用于测试水流作用下混凝土表面剪应力的冲刷装置，包括上盖板、下盖板、套筒、旋转杆、上夹板、下夹板、扭矩传感器、转机、调频器、扭矩传感器显示器和计算机；待测混凝土试件为圆柱形，沿其中心轴线开有一个第一通孔，上夹板和下夹板分别设置在待测混凝土试件的顶面和底面构成试验体，通过试验体自转来模拟水流冲刷作用，以便得到其表面冲刷强度；套筒底面密封固连下盖板，顶面密封固连上盖板，上盖板、下盖板和套筒共同构成容腔，将试验体设置于容腔内，旋转杆一端穿过上夹板伸入容腔后与试验体固连，另一端位于密闭空腔外并通过联轴器与扭矩传感器相连，扭矩传感器再通过联轴器与转机相连，转机、调频器和计算机依次连接，调频器控制转机转动，扭矩传感器、扭矩传感器显示器和计算机依次相连。

一种用于测试水流作用下混凝土表面剪应力的冲刷装置的试验方法，步骤如下：

步骤1、待测混凝土试件半径为r，高为H，密度为ρ；在待测混凝土试件中心开有第一通孔，称其质量，记录为m₀；

步骤2、计算上夹板和下夹板产生的扭矩：

将上夹板和下夹板固定在旋转杆上，用联轴器将旋转杆和扭矩传感器连接，使其位于同一轴线上，用螺母旋紧上下夹板；向套筒内加水，调节调频器旋钮控制转机转动，记录各个转速下扭矩传感器显示器显示的数值T₁，由于安装待测混凝土试件后只有上夹板的上表面和下夹板的下表面会产生扭矩，故上夹板的上表面和下夹板的下表面的扭矩之和T_plates＝T₁/2；

步骤3、计算上夹板、待测混凝土试件和下夹板产生的扭矩：

将上夹板、待测混凝土试件和下夹板安装到旋转杆：向套筒内加水，调节调频器控制转机转动，记录某一转速下扭矩传感器显示器显示的数值T₂，故测混凝土试件圆周侧壁面产生的扭矩为T₂-T_plates；