用于测定多孔混凝土路面综合透水性能的测试装置和方法

技术领域

本发明属于路面铺装性能检测评价技术领域，涉及一种路面综合透水性能测试装置及方法，尤其涉及一种用于测定多孔混凝土路面综合透水性能的测试装置和方法。

背景技术

随着海绵城市、绿色城市的大力发展，具有良好通透性能的多孔混凝土路面备受关注。多孔混凝土路面具有高透气性、高透水性、自重轻、结构布满孔隙等特点，其应用可大量减少路面积水并将路面积水与地表相连接，使积水顺利下渗至地表下，从而达到补充地下水的效果。路面积水下渗还可减少路面径流的影响，利于行车安全，并可极大缓解城市排水压力，有效防止或减轻城市洪涝灾害发生。同时，地表透过多孔混凝土的孔隙与大气相连通，对调节城市温度和湿度、缓解城市热岛效应都具有积极作用。在城市推广多孔混凝土材料铺装符合绿色可持续发展的要求，目前已将多孔混凝土路面用于人行道、公园内的道路、人行道、轻量级道路、公路的中央分隔带及路肩、露天停车场等处。对于多孔混凝土路面而言，材料的通透性是功能特性评价的关键指标，渗水性能是通透性表征的重要内容，多孔混凝土路面结构的渗水性能测试及评价对结构及材料设计均具有重要的指导意义。

目前，对多孔混凝土透水性能测试主要采用定水头和变水头两种方法，定水头是采用固定水头差测试透水混凝上的透水性能，并根据达西定律(线性渗流定律)测量混凝土的透水系数。通过橡皮泥等密封材料将试块固定在透水仪上，开启出水闸，使水注入到透水套筒中，水通过试件连通孔隙从试块底部流出，再从透水仪的溢水口中流出。通过溢水量和出水的时间来评价混凝土的透水性能。变水头测试方法以水的渗流速度来表示混凝土的透水系数，试验时，将混凝土放置在透水仪底部，用橡皮泥等密封材料将试块与透水仪底部的接触缝隙封死，再在透水仪的套筒中注入一定刻度的水，套筒中的水只能通过多孔混凝土试件的下表面流出，试验时将透水仪下部的出水闸打开，记录一定时间内套筒中水位下降的高度，然后计算透水系数。就现有的透水性能测试装置而言，其普遍需要采用橡皮泥或石蜡等密封材料来实现试件侧面的密封，这种密封方式难以保证试样表面的完全密封，最终水还是会从试样四周渗漏而影响测试结果，而且检测完后密封材料不易清理干净，容易对测试设备造成损坏。再者，密封材料往往会进入待测试件的一定深度，封堵内部连通孔隙，使测试结果产生误差。此外，繁琐的密封方式还严重降低了渗透性能测试的自动化程度，极大地影响了透水系数测试的推广应用。就测试方法而言，现有的透水系数测试主要是针对垂直下渗的连通孔隙开展的，而实际的多孔透水路面，其透水行为同时发生在横向和纵向两个方向，且横向的通透性对纵向的透水能力也有着直接的影响。倘若横向孔隙连通较为通畅，必然会削弱纵向的透水能力。因此采用四周密封的测试手段来评价多孔路面结构的透水性能与实际工作环境存在较大差异，同时，针对透水能力的表征也应该是横向和纵向通透性能的综合体现，单一的纵向通透性指标的测试难以全面、准确表征多孔混凝土路面结构的综合透水性能。

综上可知，传统的透水性能测试装置已不能满足当前的技术需求，现有的测试手段和评价指标也存在一定的弊端，需要结合实际使用环境开发新型的多孔混凝土路面透水性能测试装置，研究合理可靠的密封措施和操作方法，提高透水性能测试装置的自动化程度和测试结果的准确度，提升透水性能评价的科学合理性，更好地服务于路面透水性能检测评价工作。

发明内容

为了解决背景技术中存在的上述技术问题，本发明提供了一种可避免透水测试过程中繁琐的密封操作、可提高测试结果的准确度以及可实现定量分析不同透水性能评价指标的用于测定多孔混凝土路面综合透水性能的测试装置和方法。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种用于测定多孔混凝土路面综合透水性能的测试装置，其特征在于：所述用于测定多孔混凝土路面综合透水性能的测试装置包括注水管、测试箱体、气压密封组件、多孔混凝土试样以及中心计算机处理器；所述测试箱体是U型筒体；所述注水管与测试箱体顶部相连通；所述气压密封组件至少是两组，两组气压密封组件非接触式自上而下依次套装在多孔混凝土试样上；多孔混凝土试样通过气压密封组件设置在测试箱体内部；多孔混凝土试样将测试箱体自上而下分割成顶部储水腔、侧部储水腔以及底部储水腔；所述顶部储水腔连通有水位限位孔，所述水位限位孔与顶部储水腔中的水位线相平齐；所述侧部储水腔连通有侧部引流管；所述底部储水腔连通有底部排水管；所述侧部引流管的开口以及底部排水管的开口均设置有电子流量计；所述中心计算机处理器分别与气压密封组件以及电子流量计相连。

上述两组气压密封组件非接触式自上而下依次套装在多孔混凝土试样的上边缘以及下边缘。

上述气压密封组件包括充气橡胶环、气嘴、气嘴垫片以及气源；所述充气橡胶环套装在多孔混凝土试样上；所述充气橡胶环上设置有气嘴；所述气嘴根部设置有加厚耐磨的气嘴垫片；所述气源通过气嘴与充气橡胶环内部相贯通；所述中心计算机处理器与气源相连。

上述气源包括气体加压泵以及充气管；所述气体加压泵通过充气管与气嘴相连；所述中心计算机处理器与气体加压泵相连。

上述测试箱体的侧壁上开设有胶环定位凹槽；所述充气橡胶环置于胶环定位凹槽中。

上述胶环定位凹槽上开设有气嘴孔；所述气嘴从气嘴孔中伸出并与充气管相连。

上述用于测定多孔混凝土路面综合透水性能的测试装置还包括设置在测试箱体底部的底座，所述底座包括支撑平台以及置于支撑平台底部的三角支架；所述多孔混凝土试样置于支撑平台上。

上述气压密封组件是三组，三组气压密封组件非接触式自上而下依次套装在多孔混凝土试样上；多孔混凝土试样将测试箱体自上而下分割成顶部储水腔、上部储水腔、下部储水腔以及底部储水腔；所述顶部储水腔连通有水位限位孔，所述水位限位孔与顶部储水腔中的水位线相平齐；所述上部储水腔连通有上部引流管；所述下部储水腔连通有下部引流管；所述底部储水腔连通有底部排水管；所述上部引流管的开口、下部引流管的开口以及底部排水管的开口均设置有电子流量计；所述中心计算机处理器分别与电子流量计相连。

上述水位限位孔的端部设置有水位孔塞。

一种基于如前所述的用于测定多孔混凝土路面综合透水性能的测试装置的测试方法，其特征在于：所述测试方法包括以下步骤：

1)多孔混凝土试样的准备，具体是：

1.1)采用室内成型或现场路面钻芯取样方式制备所需尺寸的多孔混凝土试样；

1.2)测定待测圆柱体多孔混凝土试样的尺寸，分别测定直径D和厚度L三次，而后计算直径和厚度平均值，由所测直径和厚度得到竖向透水横截面面积A和横向透水面积B，所述A＝πD

1.3)将多孔混凝土试样进行常温保水处理2h，排除多孔混凝土试样连通孔隙内的空气，并用毛刷去除多孔混凝土试样周边的松动颗粒，防止透水测试过程中掉落的松动颗粒堵塞管道；

2)将准备好的多孔混凝土试样放入测试箱体底部的底座上，将气压密封组件套装在多孔混凝土试样外部，启动透水测试设备，由中心计算机处理器设定充气压力并控制气体加压泵对气压密封组件进行加压充气，使充气后的充气橡胶环与多孔混凝土试样侧面紧密接触；

3)根据测试箱体的顶部储水腔中的水位线要求选择水位限位孔，拔掉水位孔塞，开通注水管向顶部储水腔内部注水，使透过多孔混凝土试样的水流逐渐填满上部储水腔、下部储水腔和底部储水腔，并由上部引流管、下部引流管和底部排水管流出，同时根据初步的透水效果调整注水管的水流量大小，保证有少量的多余积水经水位限位孔流出测试箱体，量出水位线与多孔混凝土试样上表面的距离H；

4)当上部引流管、下部引流管和底部排水管出水速度稳定以后，启动中心计算机处理器自动测量t时间内通过各电子流量计的出水量，测量三次取平均值，记为Q

5)使用温度计记录下顶部储水腔中水的温度T，精确至0.5℃，查表得到温度T时水的粘度系数，求得相对于15℃的相对粘度系数η

6)计算多孔混凝土试样垂直下渗的透水系数：

7)计算多孔混凝土试样侧面下渗的透水系数：

8)计算多孔混凝土试样的综合透水系数K：

K＝K

本发明的有益效果是：

本发明提供了一种用于测定多孔混凝土路面综合透水性能的测试装置及测试方法，该装置包括注水管、测试箱体、气压密封组件、多孔混凝土试样以及中心计算机处理器；测试箱体是U型筒体；注水管与测试箱体顶部相连通；气压密封组件至少是两组，两组气压密封组件非接触式自上而下依次套装在多孔混凝土试样上；多孔混凝土试样通过气压密封组件设置在测试箱体内部；多孔混凝土试样将测试箱体自上而下分割成顶部储水腔、侧部储水腔以及底部储水腔；顶部储水腔连通有水位限位孔，水位限位孔与顶部储水腔中的水位线相平齐；侧部储水腔连通有侧部引流管；底部储水腔连通有底部排水管；侧部引流管的开口以及底部排水管的开口均设置有电子流量计；中心计算机处理器分别与气压密封组件以及电子流量计相连。本发明可用于快速、准确测量多孔混凝土路面结构的透水性能，通过气压密封组件可对测试试样起到有效的固定和密封作用，可避免透水测试过程中繁琐的密封操作，提高测试结果的准确度；同时充气橡胶环的局部密封又保证了测试试样侧面自由面的通透性，可以模拟透水材料的真实使用环境，使测试结果更加科学合理，用于模块化快速、准确测试多孔混凝土路面结构的透水系数，并可实现定量分析不同透水性能评价指标，基于此所提出的综合透水性能评价指标可用于表征测试试样在真实使用环境中的水分通透能力，对测试试样水分通透能力的表征更加真实可靠。该发明所提出的透水性能测试装置和方法，可用于室内成型试件的透水性能测试，也可用于新建或既有多孔混凝土路面的透水性能测试评价工作，发明结构简单、科学合理、易于实现，可用于室内成型试件，也可用于新建或既有道路路面钻心试样，其推广应用对提高多孔混凝土路面综合透水性能测试技术水平具有极其重要的工程意义。

附图说明

图1为本发明所提供的用于测定多孔混凝土路面综合透水性能的测试装置的结构示意图；

图2为本发明所采用的气压密封组件的结构示意图；

图3为图2的俯视结构示意图；

图4为本发明所采用的气压密封组件的布设示意图；

图5为本发明所采用的水位限位孔的布设示意图；

图6为本发明所采用的底座的结构示意图；

图中：

1-注水管；2-测试箱体；21-水位限位孔；22-水位线；23-顶部储水腔；24-上部储水腔；25-下部储水腔；26-底部储水腔；27-底部排水管；28-上部引流管；29-下部引流管；210-球阀；211-电子流量计；212-水流开关；213-底座；214-胶环定位凹槽；215-气嘴孔；216-水位孔塞；217-支撑平台；218-三角支架；3-多孔混凝土试样；4-气压密封组件；41-充气橡胶环；42-气嘴；43-气嘴垫片；5-气体加压泵；51-充气管；6-中心计算机处理器；61-数据连接线。

具体实施方式

参见各示意图，本发明由注水管1、测试箱体2、气压密封组件4、气体加压泵5和中心计算机处理器6五部分组成。注水管1位于测试箱体2上部，用于向测试箱体2内提供流水。测试箱体2为一中空型圆筒，测试箱2分为顶部储水腔23、上部储水腔24、下部储水腔25、底部储水腔26四部分，顶部储水腔23侧壁安装有水位限位孔21，用于控制顶部储水腔23内的水位线22。测试箱体2侧壁设有三处胶环定位凹槽214，用于安放气压密封组件4，多孔混凝土试样3位于气压密封组件4内部，气压密封组件4将测试箱体2的中部储水空间分割成上部储水腔24和下部储水腔25。上部储水腔24和下部储水腔25侧壁分别安装有上部引流管28和下部引流管29，用于排出多孔混凝土试样3侧面的渗水，底部储水腔26侧壁设有底部排水管27，用于排出多孔混凝土试样3垂直下渗的流水。顶部储水腔23内的积水通过多孔混凝土试样3分流给上部储水腔24、下部储水腔25和底部储水腔26，再通过各通道排出，并由通道端部的电子流量计211对渗水量进行自动测量，电子流量计211测量数据经数据连接线61传输给中心计算机处理器6，从而实现多孔混凝土试样3综合透水性能的测试分析。本发明通过气压密封组件4对多孔混凝土试样3起到有效的固定和密封作用，确保透水测试结果的准确可靠；同时充气橡胶环41又保证了多孔混凝土试样3侧面的通透性，可以模拟透水材料的真实使用环境，使测试结果更加科学合理。

本发明根据实际需求设置有不同高度的水位限位孔21，水位限位孔21上安装有水位孔塞216，通过开关不同高度的水位限位孔21来控制顶部储水腔23内的水位线22。水位限位孔21开口尺寸不小于注水管1开口，以保证多余的流水可以自由排出。

气压密封组件4由三支充气橡胶环41组成，充气橡胶环41分别与多孔混凝土试样3的上部、中部和底部相对应。气体加压泵5由充气管51与气压密封组件4相连，起到为充气橡胶环41充气加压的作用。

充气橡胶环41为带有气嘴42的圆环形弹性管，充气橡胶环41由丁基橡胶制成，并具有良好气密性、弹性、耐老化性及较小的永久变形。

胶环定位凹槽214中设置有气嘴孔215，气压密封组件4的气嘴42可由气嘴孔215引出，并与充气管51相连。气嘴42根部设有加厚耐磨的气嘴垫片43，气嘴垫片43为韧性和防水性俱佳的防水材料制成，能够防止高压状态的充气橡胶环41被气嘴孔215边缘刺破。

上部引流管28和下部引流管29均为L型透明支管，支管拐点处安装有球阀210开关，可以自由控制上部储水腔28和下部储水腔29内积水的排出。

上部引流管28和下部引流管29分别位于上部储水腔24和下部储水腔25侧壁的顶部位置，防止测试过程中上部储水腔24和下部储水腔25灌入空气而影响测试结果。

测试箱体2底部设有底座213，用于安放多孔混凝土试样3。底座213由支撑平台217和三角支架218构成，支撑平台217为一圆环，三角支架218作用于测试箱体2底部，保证支撑平台217水平。支撑平台213圆环环宽优选1～2cm，不堵塞多孔混凝土试样3底部的透水空隙，支撑平台217平面高度与气压密封组件4底部高度一致。

底部排水管27上安装有水流开关212，可以控制底部排水管27的连通与闭合。

气体加压泵5由数据连接线61与中心计算机处理器6连接，由中心计算机处理器6进行气压密封组件4充气压力的控制。

多孔混凝土试样3为圆柱体试件，试样高度与直径与气压密封组件4相匹配，可采用室内成型的透水混凝土试件，也可采用新建或既有多孔混凝土路面的钻取芯样。

测试箱体2由透明有机玻璃材质构成，可以方便测试人员观察测试过程中测试箱体2内部的情况。

当气压密封组件4未加压充气时，测试箱体2内壁与多孔混凝土试样3之间存在足够的间隙，可以方便对多孔混凝土试样3进行安放操作。

本发明的另一目的是提供一种用于测定多孔混凝土路面综合透水性能的测试方法，包括如下步骤：

1)采用室内成型或现场路面钻芯取样方式制备所需尺寸的多孔混凝土试样3；

2)测定待测圆柱体多孔混凝土试样3的尺寸，分别测定直径D和厚度L三次，而后计算直径和厚度平均值，由所测直径和厚度得到竖向透水横截面面积A(A＝πD

3)将待测多孔混凝土试样3进行常温保水处理2h，排除试件连通孔隙内的空气，并用毛刷去除多孔混凝土试样3周边的松动颗粒，防止透水测试过程中掉落的松动颗粒堵塞管道；

4)将保水后的多孔混凝土试样3放入测试箱体2底部底座213上，启动透水测试设备，由中心计算机处理器6设定充气压力并控制气体加压泵5对气压密封组件4进行加压充气，使充气后的充气橡胶环41与多孔混凝土试样3侧面紧密接触；

5)根据水位线22要求选择水位限位孔21，拔掉水位孔塞216，打开支管的球阀210和底部排水管27的水流开关212，开通注水管1向顶部储水腔23内部注水，使透过多孔混凝土试样3的水流逐渐填满上部储水腔24、下部储水腔25和底部储水腔26，并由上部引流管28、下部引流管29和底部排水管27流出，同时根据初步的透水效果调整注水管1的水流量大小，保证有少量的多余积水经水位限位孔21流出测试箱体2，量出水位线22与多孔混凝土试样3上表面的距离H；

6)当上部引流管28、下部引流管29和底部排水管27出水速度稳定以后，启动中心计算机处理器6自动测量t时间内(约3min)通过各电子流量计211的出水量，测量三次取平均值，记为Q

7)使用温度计记录下顶部储水腔23中水的温度T，精确至0.5℃，查表得到T℃水的粘度系数，求得相对于15℃的相对粘度系数η

8)计算多孔混凝土试样3垂直下渗的透水系数：

9)计算多孔混凝土试样3侧面下渗的透水系数：

10)计算多孔混凝土试样3的综合透水系数：

K＝K

本发明所才用的透水系数计算公式依据达西定律原理导出。

本发明所提出的综合透水性能指标考虑了多孔混凝土试样3的横向孔隙和纵向孔隙的分布情况，测试环境与多孔混凝土试样3实际使用环境一致，使测得的透水性能更加准确可靠，科学合理。

充气橡胶环41的充气压力决定了透水测试的密封性，为了保证多孔混凝土试样3的密封性，在测试准备阶段应合理调整气体加压泵5的充气压力，使得水流不能从多孔混凝土试样3的侧面与充气橡胶环41之间的缝隙中流出，保证水流只能够从多孔混凝土试样3的内部有效孔隙中流出。

为了达到更好的密封效果，在安装多孔混凝土试样3前，可在多孔混凝土试样3与充气橡胶环41接触部位裹附一圈防水带，防水带可采用聚四氟乙烯生料带，兼具柔软轻质、高弹性变形等特点。

电子流量计211的测量均通过中心计算机处理器6的编程控制软件自动完成，减少了人员的操作误差。

最终得到的综合透水系数结果为三次测试的透水系数平均值。

基于本发明装置，通过控制支管的球阀210或底部排水管27水流开关212的开闭，可以实现对不同透水系数指标的单独测量，进一步可实现各透水性能指标间的比对分析。