一种氧化镁固化土碳化过程膨胀性及碳化土抗剪强度测试装置
阅读说明：本技术 一种氧化镁固化土碳化过程膨胀性及碳化土抗剪强度测试装置 (Device for testing expansibility and shear strength of carbonized soil in carbonization process of magnesium oxide solidified soil ) 是由 蔡光华 王中 赵志峰 邵光辉 刘成 张欣雅 于 2019-10-21 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种氧化镁固化土碳化过程膨胀性及碳化土抗剪强度测试装置,该装置将通气碳化装置、膨胀性测试装置、温度测试装置、电阻率测试装置、抗剪强度测试装置和控制器进行有序组合。温度传感器嵌入至电极板中心,实现温度和电阻率同步测试；将应变计布设在平衡板内和剪切盒的双层壳体内,通过液压杆和卷轴实现应变计自由工作；通过弹簧螺栓和柔性连接片实现剪切盒内壳的内径变化以及试样膨胀性和剪切强度精确测试。将剪切盒置于密封箱中,通过控制器实现各装置有序操作和数据采集,避免了碳化试样取样装样过程中的试样破损和应力释放,减小了外界环境对物理力学参数的影响,测试数据对碳化固化技术应用和碳化土地基设计具有重要意义。(The invention discloses a device for testing expansibility and shear strength of carbonized soil in a carbonization process of magnesia solidified soil. The temperature sensor is embedded into the center of the electrode plate to realize synchronous testing of temperature and resistivity; the strain gauge is arranged in the balance plate and the double-layer shell of the shearing box, and the free work of the strain gauge is realized through the hydraulic rod and the scroll; the inner diameter change of the inner shell of the shearing box and the accurate test of the expansibility and the shearing strength of the test sample are realized through the spring bolt and the flexible connecting sheet. The shear box is arranged in the seal box, ordered operation and data acquisition of all devices are realized through the controller, sample damage and stress release in the sample loading process of the carbonization sample are avoided, the influence of the external environment on physical mechanical parameters is reduced, and test data has important significance on the application of the carbonization curing technology and the design of the carbonized soil foundation.)
所属领域
本发明属于土木工程仪器装置类，具体涉及一种氧化镁固化土碳化过程膨胀性及碳化土抗剪强度测试装置。
背景技术
随着我国经济和城市化发展，城市建筑和交通水利等基础建设经常遇到不同厚度的软弱土层，而软弱土具有高含水量、大孔隙比、低强度、高压缩性等特点，给工程建设和地基处理带来了巨大挑战。在常用地基处理方法中，强夯法、振冲法施工因噪声大，传统换填法因工程量大、成本高，易出现承载力分布不均，而很少被推荐采用。水泥/石灰土桩、注浆法、高压旋喷桩等桩基础加固法是目前使用最多的技术，该方法处理养护周期长，所用固化材料主要为水泥和石灰，且水泥生产过程中能源资源消耗大、环境污染严重，给经济和环境可持续发展带来了诸多负面影响，为此岩土工程学者开始寻求新的替代材料和方法。近年来课题组采用活性氧化镁和二氧化碳作固化剂代替传统水泥进行软弱土固化处理，并公开了系列发明专利：如“一种土壤的碳化固化方法(201210097042.2)”、“一种土壤的碳化固化方法及其装置(201010604013.1)”、“一种利用工业废气热加固软土地基的处理系统及方法(201310122135.0)”、“一种用于地基加固的处理系统及碳化成桩方法(2014102039788)”、“一种软土地基的换填垫层碳化加固方法(2014102729571)”、“一种浅层软弱地基原位碳化固化处理方法(201510348797.9)”和“一种碳化搅拌桩-透气管桩复合地基及其施工方法(201710225231.6)”等等。这些发明专利均为基于氧化镁-二氧化碳固化机理而公开的软土处理施工技术。但是，软弱土经碳化处理后，土体物理特性和力学特性将产生巨大变化，对岩土工程施工产生重要影响，目前力学特性分析主要基于室内的无侧限抗压强度测试，物理特性是基于压碎土样的室内物理试验。针对软土碳化固化处理的特殊性，在碳化处理地基的工程设计过程中，对碳化固化土的膨胀性和抗剪性进行测试，合理确定物理特性、地基土承载力及强度参数(粘聚力和内摩擦角)则显得尤其重要。
众所周知，氧化镁混合土的碳化反应是一个放热、膨胀的化学加固过程，强度增长快、温度上升高、试样膨胀显著，因为现有的室内直剪试验均是基于环刀试样进行，碳化后的土样很难进行环刀取样；如果先将氧化镁混合土样压于环刀中再进行碳化，则很难反映试样的真实碳化过程。对氧化镁固化样的膨胀性评价，主要是对室内圆柱试样碳化前、后的尺寸进行测试并取平均值，还未有较准确的测试方法来评价碳化固化过程中的试样膨胀性。目前存在的膨胀性测试装置及测试方法多集中在岩土工程领域，多采用平衡加压法、反压法和减压法进行，容易导致试样破坏；且膨胀性的测试装置少、成本高。虽然文件公开了“一种膨胀注浆料固化过程膨胀性测试装置及测试方法(201710399344.8)”，但该专利是采用弹性约束零件控制材料的固化膨胀变形，测得了相应膨胀力以及不同约束条件下膨胀力随时间的变化特性，进而来揭示注浆材料的膨胀性，该方法复杂，需要准确测出约束材料膨胀力、刚度模量等，测试计算也相对复杂，很难适应碳化固化土无约束的膨胀测试。
目前，国内外大多采用传统的直剪仪对土层进行直接剪切试验，这些剪切仪主要包括剪切盒、垂直和水平加载装置等。而传统直剪试验往往使用环刀将待测试土样切割成特定形状并移至剪切盒内，土样在移动及切割过程中容易发生扰动、破坏，造成实验数据不准。现有直剪仪装置主要是基于特殊环境而改造成的，如文件“化学污染土剪切强度的测定方法及专用全自动直剪仪(2016100447885)”通过增加化学腐蚀装置，来模拟现场土体污染物腐蚀，以解决常规直剪试验仪无法测试化学污染土剪切强度参数的问题；“温控式直剪仪(201110079021.3)”是将试样置于恒温水箱，通过水温检测单元和测量机构来控制温度，完成恒温下的试样剪切强度测试；“大型多功能冻土-结构接触面循环直剪仪及试验操作方法(201210265653.3)”通过制冷装置的制冷液对土样实施降温，同时通过高精度温度传感器实时记录土样温度，且可以更换不同粗糙度钢板来模拟不同粗糙度的接触面，能够完成对冻土的剪切强度试验；“冻土-结构直剪仪及其使用方法(201110186321.1)”在剪切盒底部设置半导体制冷块，低温恒温槽内的冷却液输送管连接半导体制冷块，模拟不同冻结情况，测定冻土-结构接触面的剪应力与剪切位移的关系曲线；“一种控制相对湿度的非饱和土-结构材料接触面剪切仪(2019100476218)”设置封闭压力室和湿度环境控制模块来模拟不同湿度和压力环境，以再现实际工程现场湿度状态，获得可控的、吸力范围广的、适用于不同土类与不同结构材料的非饱和土-结构材料接触面力学特性；“组合式室内固结剪切仪(2018115645426)”设置竖向加载装置、横向加载装置，对固结完成的试样直接进行剪切试验，连续完成不同类型土体固结系数和抗剪强度测定。虽然以上直剪仪较传统直剪仪有很大改进，模拟了不同环境下的土体直剪测试，但仍然无法满足碳化过程中土体的膨胀性和碳化后土体的抗剪强度测试，也无法完成对碳化过程中土样温度和电阻率的检测。
立足于我国工程建设快速发展现状和新型碳化加固方法的优势，结合目前碳化加固过程中参数测试难和碳化土力学参数测试不准等现状，亟待研发一种氧化镁固化土碳化过程膨胀性及碳化土抗剪强度测试装置，在有效利用二氧化碳，合理进行工程设计和应用等方面具有重要意义。
发明内容
针对上述背景技术存在的不足，本发明旨在提出一种氧化镁固化土碳化过程膨胀性及碳化土抗剪强度测试装置，该装置实现温度和电阻率同步测试，合理评价氧化镁混合土的碳化进程。将应变计布设在平衡板内和剪切盒的双层结构壳体内，通过液压杆和卷轴调节实现应变计自由工作，通过剪切盒内的弹簧螺栓和柔性连接片实现剪切盒内壳的内径变化，实现试样膨胀性和剪切强度的精确测试。将剪切盒置于碳化密封箱中，并通过控制器实现各装置有序操作和数据采集，避免了碳化试样取样装样过程中的试样破损和应力释放，减小了外界环境对剪切强度参数的影响，所测参数对氧化镁碳化固化土的工程应用和设计具有重要意义。
为了实现上述目的，本发明公开了一种氧化镁固化土碳化过程膨胀性及碳化土抗剪强度测试装置，其特征在于，该装置包括通气碳化装置、膨胀性测试装置、温度测试装置、电阻率测试装置、抗剪强度测试装置和控制器，所述通气碳化装置、膨胀性测试装置、温度测试装置、电阻率测试装置、抗剪强度测试和控制器均固定在操作台上，
所述通气碳化装置包括固定座、滑槽、滚珠、下剪切盒、下透水板、通气管、恒热器、调压阀、高压气罐、排水管、排水阀、密封箱和排气阀，所述固定座固设在操作台上，固定座上设有滑槽，滑槽和下剪切盒间有滚珠，所述密封箱通过螺栓固设在固定座上，密封箱上设有排气阀，所述下剪切盒通过通气管与高压气罐连接，通气管上设有恒热器和调压阀，所述下剪切盒的底部设有排水管，排水管上设有排水阀，
所述膨胀性测试装置包括下剪切盒、上剪切盒、上透水板、平衡板、应变计、上卷轴、连接片、弹簧螺栓、上剪切盒外壳、上剪切盒内壳、下卷轴、下剪切盒外壳、下剪切盒内壳和预留孔，所述下剪切盒由下卷轴、下剪切盒外壳和下剪切盒内壳组成，所述下卷轴固定在下剪切盒外壳上，所述下剪切盒内壳通过弹簧螺栓固定在下剪切盒外壳内，所述上剪切盒由上卷轴、上剪切盒外壳和上剪切盒内壳组成，所述上卷轴固定在上剪切盒外壳上，所述上剪切盒内壳通过弹簧螺栓固定在上剪切盒外壳上，所述上卷轴和下卷轴均连接有应变计，所述平衡板上布设有应变计，所述应变计、上卷轴和下卷轴通过数据线连接在控制器上，
所述抗剪强度测试装置包括支撑柱、横梁、上剪切盒、液压杆、液压缸、推进装置、调速器、电动机、位移传感器、推进杆、传力杆、应力传感器、控制器、压力传感器、控制阀和空压机，所述支撑柱和推进装置固定在操作台上，所述横梁通过螺栓固定在支撑柱上，所述液压缸固定在横梁下部，所述液压杆和压力传感器固设在液压缸下部，所述液压杆底部固设有平衡板，所述液压缸通过高压管连接在空压机上，所述高压管上设置有控制阀，所述调速器和电动机固设在推进装置上，所述推进装置和下剪切盒间安设有推进杆，推进杆上安设有位移传感器，所述传力杆固定在支撑柱上并位于支撑柱和剪切盒之间，传力杆上安设有应力传感器，所述位移传感器、应力传感器和压力传感器均通过数据线连接在控制器上，
所述下电极板、温度传感器和上电极板均通过数据线连接在控制器上，在下电极板和上电极板中心固设有温度传感器，上电极板、上透水板、上剪切盒内壳和下剪切盒内壳上均设有预留孔。
作为本发明的一种改进，所述上卷轴和下卷轴连接的应变计为环形网状分布，所述上剪切盒内壳和下剪切盒内壳均为双瓣的圆柱结构，上剪切盒内壳的两瓣和下剪切盒内壳的两瓣均通过连接片连接。
作为本发明的另一种改进，所述液压缸、推进杆和传力杆与密封箱间的接触处均为密封处理。
作为本发明的另一种改进，所述连接片为绝缘的柔性材料，所述上卷轴可以为一个或两个，所述下卷轴可以为一个或两个，上卷轴和下卷轴可通过螺母孔对接固定。
作为本发明的另一种改进，所述上剪切盒内壳和下剪切盒内壳具有相同尺寸，所述上剪切盒外壳和下剪切盒外壳具有相同尺寸，上卷轴和下卷轴的连接使得下剪切盒和上剪切盒稳定为一整体。
作为本发明的另一种改进，所述下电极板和上电极板的中心孔及上电极板的预留孔设有绝缘内衬，所述上剪切盒内壳和下剪切盒内壳为绝缘、防腐蚀的硬质材料。
与现有技术相比，本发明具有的有益效果是：
1)在试样两端特设温度传感器和电极板，并将温度传感器探头嵌入至电极板中心，实现温度和电阻率同步测试，便于碳化进程的评定；
2)将应变计布设在平衡板内和剪切盒的双层壳体内，通过调节液压杆和卷轴来保护应变计并实现应变计的自由工作；
3)通过剪切盒的双层壳体内的弹簧螺栓和柔性连接片的协同作用，实现了剪切盒内壳的内径变化以及碳化试样膨胀性和剪切强度，使测试结果更接近原位处理土样；
4)所有传感器、卷轴、弹簧螺栓均与集合控制器相连接，结构统一，系统连贯性更强，易上手，便于操作，减少了试验操作时间；
5)在通气管上特设恒热器，在下剪切盒底部设排水管，避免了低温压缩气体使气管冷凝和剪切盒底部的水汽积聚；
6)将剪切盒置于密封箱中，碳化后试样不必移动，避免了碳化试样取样装样过程中的试样破损和应力释放，减小了外界环境对物理力学参数的影响，测试数据对碳化固化技术应用和碳化土地基设计具有重要意义；
7)该装置实现了环保型氧化镁对土体的加固，加固过程吸收大量二氧化碳气体，应用目的具有低碳环保和可持续发展的优点。
附图说明
图1为氧化镁固化土碳化过程膨胀性及碳化土抗剪强度测试装置的结构示意图；
图2为上、下剪切盒的剖面图；
图3为上剪切盒平面图；
图4为平衡板平面图；
图5为上透水石平面图；
图6为上电极板平面图；
图中：1、操作台，2、固定座，3、滑槽，4、滚珠，5、下剪切盒，6、下透水板，7、下电极板，8、温度传感器，9、试样，10、通气管，11、恒热器，12、调压阀，13、高压气罐，14、排水管，15、排水阀，16、支撑柱，17、密封箱，18、排气阀，19、横梁，20、上剪切盒，21、上电极板，22、上透水板，23、平衡板，24、液压杆，25、液压缸，26、推进装置，27、调速器，28、电动机，29、位移传感器，30、推进杆，31、传力杆，32、应力传感器，33、控制器，34、压力传感器，35、应变计，36、上卷轴，37、控制阀，38、空压机，39、连接片，40、弹簧螺栓，41、上剪切盒外壳，42、上剪切盒内壳，43、下卷轴，44、下剪切盒外壳，45、下剪切盒内壳，46、预留孔。
具体实施方式
在本发明的描述中，需要理解的是，属于“上”、“下”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置中必须具有的特定方位，因此不能理解为本发明的限制。为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达到目的与功效易于明白理解，下面结合图示，对本发明进行进一步阐述。
一种氧化镁固化土碳化过程膨胀性及碳化土抗剪强度测试装置，其特征在于，该装置包括通气碳化装置、膨胀性测试装置、温度测试装置、电阻率测试装置、抗剪强度测试装置和控制器33，所述通气碳化装置、膨胀性测试装置、温度测试装置、电阻率测试装置、抗剪强度测试和控制器33均固定在操作台1上，
所述通气碳化装置包括固定座2、滑槽3、滚珠4、下剪切盒5、下透水板6、通气管10、恒热器11、调压阀12、高压气罐13、排水管14、排水阀15、密封箱17和排气阀18，所述固定座2固设在操作台1上，固定座2上设有滑槽3，滑槽3和下剪切盒5间有滚珠4，所述密封箱17通过螺栓固设在固定座2上，密封箱17上设有排气阀18，所述下剪切盒5通过通气管10与高压气罐13连接，通气管10上设有恒热器11和调压阀12，所述下剪切盒5的底部设有排水管14，排水管14上设有排水阀15，
所述膨胀性测试装置包括下剪切盒5、上剪切盒20、上透水板22、平衡板23、应变计35、上卷轴36、连接片39、弹簧螺栓40、上剪切盒外壳41、上剪切盒内壳42、下卷轴43、下剪切盒外壳44、下剪切盒内壳45和预留孔46，所述下剪切盒5由下卷轴43、下剪切盒外壳44和下剪切盒内壳45组成，所述下卷轴43固定在下剪切盒外壳44上，所述下剪切盒内壳45通过弹簧螺栓40固定在下剪切盒外壳44内，所述上剪切盒20由上卷轴36、上剪切盒外壳41和上剪切盒内壳42组成，所述上卷轴36固定在上剪切盒外壳41上，所述上剪切盒内壳42通过弹簧螺栓40固定在上剪切盒外壳41上，所述上卷轴36和下卷轴43均连接有应变计35，所述平衡板23上布设有应变计35，所述应变计35、上卷轴36和下卷轴43通过数据线连接在控制器33上，
所述抗剪强度测试装置包括支撑柱16、横梁19、上剪切盒20、液压杆24、液压缸25、推进装置26、调速器27、电动机28、位移传感器29、推进杆30、传力杆31、应力传感器32、控制器33、压力传感器34、控制阀37和空压机38，所述支撑柱16和推进装置26固定在操作台1上，所述横梁19通过螺栓固定在支撑柱16上，所述液压缸25固定在横梁19下部，所述液压杆24和压力传感器34固设在液压缸25下部，所述液压杆24底部固设有平衡板23，所述液压缸25通过高压管连接在空压机38上，所述高压管上设置有控制阀37，所述调速器27和电动机28固设在推进装置26上，所述推进装置26和下剪切盒5间安设有推进杆30，推进杆30上安设有位移传感器29，所述传力杆31固定在支撑柱16上并位于支撑柱16和剪切盒20之间，传力杆31上安设有应力传感器32，所述位移传感器29、应力传感器32和压力传感器34均通过数据线连接在控制器33上，
所述下电极板7、温度传感器8和上电极板21均通过数据线连接在控制器33上，在下电极板7和上电极板21中心固设有温度传感器8，上电极板21、上透水板22、上剪切盒内壳42和下剪切盒内壳45上均设有预留孔46。
作为本发明的一种改进，所述上卷轴36和下卷轴43连接的应变计35为环形网状分布，所述上剪切盒内壳42和下剪切盒内壳45均为双瓣的圆柱结构，上剪切盒内壳42的两瓣和下剪切盒内壳45的两瓣均通过连接片39连接。
作为本发明的一种改进，所述液压缸25、推进杆30和传力杆31与密封箱17间的接触处均为密封处理。
利用本发明公开的一种氧化镁固化土碳化过程膨胀性及碳化土抗剪强度测试装置，可以通过下列步骤实现试验操作：
首先，进行装置组装与连接，在下剪切盒5中依次放置下透水板6、滤纸、下电极板7和温度传感器8，在下剪切盒5上放置上剪切盒20，调节剪切盒内的所有弹簧螺栓40使上剪切盒内壳42的两瓣和下剪切盒内壳45的两瓣紧闭，在上剪切盒内壳42和下剪切盒内壳45的内壁上涂抹凡士林，调节上卷轴36和下卷轴43并对接为一体，使下剪切盒5和上剪切盒20稳定为一整体；
接着，在剪切盒中进行试样制备，用环刀制取不同压实度下的氧化镁混合土试样9，用脱模器将试样从环刀中压出至剪切盒内，使试样底部与温度传感器和下电极板7紧密接触，然后在试样9顶部依次放置上电极板21、温度传感器8、滤纸和上透水板22，使上电极板21和上透水板22的预留孔46对应；
再接着，进行传感器调试，先调节所有弹簧螺栓40使上剪切盒内壳42和下剪切盒内壳45的内径扩大，然后转动上卷轴36和下卷轴43，使应变计35从上剪切盒内壳42和下剪切盒内壳45的预留孔46中伸出，并与试样9侧面的接触，打开空压机38和控制阀37并调节液压杆24，使平衡板23上的应变计35穿过上透水板22和上电极板21的预留孔46，使并应变计35与试样9的上顶面接触，最后打开控制器33中的数据采集装置，记录所有应变计35、温度传感器8和电阻率的初始读数；
试样碳化养护与碳化过程中的物理参数测试，在固定座上安装无底盖的密封箱17，关闭排水阀15和排气阀18、打开恒热器11并调节调压阀12至预定压力，进行通气碳化，完成指定通气时间后，关闭调压阀12、打开排水阀15和排气阀18，进行标准养护；通气碳化和养护过程中通过应变计35、温度传感器8、下电极板7和上电极板21进行变形、温度和电阻率的实时监测；
最后，直剪试验准备与直剪试验：试样碳化与养护完成后，手动调节推进杆30使推进杆30与下剪切盒外壳44接触，使上剪切盒外壳41与传力杆31接触；旋动上卷轴36，使应变计35收缩至上剪切盒内壳42和下剪切盒内壳45的后面，并使上卷轴36和下卷轴43分离，调节并旋出所有弹簧螺栓40使上剪切盒内壳42和下剪切盒内壳45的前面与碳化试样9的表面紧密接触；调节控制阀37并旋转液压杆24使应变计35从预留孔46中收缩至平衡板23中，先调节液压杆24使上透水板22与上电极板21上的滤纸紧密接触，再调节液压缸25和液压杆24使压力传感器34稳定至预定压力值，记录位移传感器29和应力传感器32的初始读数；启动推进装置26中的电动机28，调节调速器27使下剪切盒5和上剪切盒20发生剪切移动，剪切过程中记录位移传感器29、应力传感器32和电阻率值，计算碳化试样9的剪切参数。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实例的限制，上述实例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。