一种基于MICP的钙质砂冷冻测试装置

本发明涉及工程材料测试技术领域，特别涉及一种基于micp的钙质砂冷冻测试装置。

背景技术：

钙质砂广泛分布在我国南海海域，特殊的沉积环境使钙质砂具有易破碎、高压缩性和强度低等特征，难以满足实际工程的需要，为提高钙质砂的结构强度，工程中常使用絮凝剂或其他材料与钙质砂结合而得到复合材料，例如水泥加固钙质砂、纳米粘土-水泥复合改性钙质砂等等，随着微生物矿化技术的不断发展，目前常用的新型的加固技术为采用微生物诱导碳酸钙沉淀(microbeinducedcalciumcarbonatedeposition，简称micp)加固钙质砂，通过微生物的新陈代谢产生的产物对钙质砂进行加固，相比于传统的水泥或纳米改性材料而言，具有较好的耐久性，且能耗少、成本低。

采用micp加固后的钙质砂由于结构强度发生了改变，因此在应用到工程建设前，需要对其性能进行检测，目前对micp加固钙质砂的性能测试大多集中在抗剪特性以及抗压特性，例如公开号为cn111077027a的一种高应力下钙质砂的剪切强度确定方法，采用分层装填，分别进行1500kpa、3000kpa、000kpa常应力单剪试验；公开号为cn211784978u的一种用于钙质砂颗粒的加载观察测试装置，加载头可以在液压机的作用下提供匀速加载、变速加载以及匀速和变速混合加载的载力模式，以便于观察不同荷载作用下的颗粒破碎模式；然而上述两个专利文献仅是在正常条件下对钙质砂结构进行抗剪和抗压的测试，并没有考虑低温条件下的测试环境，并且海洋岩土工程中常常会使用到钙质砂作为建筑材料，因此加固后的钙质砂内部难免会存留液体或水分，在低温条件下，液体会冻结成晶体，从而影响到钙质砂的整体结构强度，因此仅在正常温度条件下进行测试是无法获得钙质砂正确的性能测试结果的。

技术实现要素：

鉴以此，本发明提出一种基于micp的钙质砂冷冻测试装置，对试验进行不同程度的加水后统一进行抗压试验，同时对试验进行冷却，以获得不同含水状态以及低温状态下的钙质砂性能。

本发明的技术方案是这样实现的：

一种基于micp的钙质砂冷冻测试装置，包括测试筒、钙质砂凝结机构、冷却筒、挤压机构以及升降机构，所述钙质砂凝结机构包括限位筒、测深仪、电控喷头、进料管、移动机构以及主控单元，所述限位筒侧壁相互连接，并位于测试筒内部，所述测深仪以及电控喷头均设置在限位筒侧壁顶部，相邻的所述电控喷头相距四分之一弧，所述移动机构驱动进料管移动到限位筒上方，所述升降机构与冷却筒侧壁顶部连接，所述冷却筒围成冷却腔，所述冷却腔位于限位筒上方，所述挤压机构位于冷却腔上方，所述冷却筒内壁设置有若干压电陶瓷片，所述主控单元分别与挤压机构、升降机构、测深仪、电控喷头、移动机构以及压电陶瓷片电连接。

优选的，所述挤压机构包括液压杆、升降板以及加压头，所述液压杆的输出轴与升降板顶面连接，所述加压头设置在升降板下方，且位于限位筒上方，所述主控单元与液压杆电连接。

优选的，所述加压头底面设置有压力传感器，所述主控单元与压力传感器电连接。

优选的，所述升降机构包括升降电机、第一啮合齿、第一齿轮、竖板以及第二啮合齿，所述升降电机与冷却筒侧壁顶部连接，所述第一啮合齿竖直排列在冷却筒内壁上，所述竖板设置在限位筒侧壁顶部，并以冷却腔竖直轴线对称，所述竖板顶端伸入到冷却腔中，所述第二啮合齿设置在竖板的外壁，所述第一齿轮分别与第一啮合齿以及第二啮合齿啮合，所述主控单元与升降电机电连接。

优选的，还包括顶板，所述顶板底部通过支杆与测试筒侧壁顶部连接，所述主控单元、升降电机以及挤压机构设置在顶板底面上。

优选的，还包括冷水箱，所述冷水箱设置在顶板底面，并通过输水管道与螺旋冷却管连接，所述输水管道上设置有水泵，所述冷水箱内设置有制冷片，所述主控单元分别与水泵以及制冷片电连接。

优选的，所述进料管包括垂直管以及倾斜设置的波纹管，所述波纹管靠近限位筒的一端与垂直管连接，另一端伸出到测试筒外部，所述移动机构包括电动推杆，所述电动推杆设置在测试筒内壁，其输出轴与垂直管外壁连接，所述主控单元与电控推杆电连接。

优选的，还包括钙质砂混合机构，所述钙质砂混合机构包括混合筒、凝结液储存筒以及进液机构，所述混合筒设置在凝结液储存筒一侧，所述凝结液储存筒侧壁顶部设置有引流尖嘴，所述引流尖嘴位于混合筒上方，所述混合筒与波纹管位于测试筒外部的一端顶部连接；所述进液机构包括承载板、弹簧、第一齿条、第二齿轮、第二齿条以及活塞板，所述承载板设置在混合筒内部，其底面通过弹簧与混合筒内底面连接，所述第一齿条一端与承载板底面连接，另一端从混合筒底面伸出到外部，所述活塞板设置在凝结液储存筒内部，所述第二齿条一端与活塞板底面连接，另一端伸出到凝结液储存筒底面外部，所述第二齿轮分别与第一齿条以及第二齿条啮合。

优选的，所述钙质砂混合机构包括输送管、电磁阀以及定量机构，所述输送管与混合筒侧壁底部连接，所述电磁阀设置在输送管上，所述定量机构包括凸起部以及按压按钮，所述凸起部设置在承载板底面，所述按压按钮设置在混合筒内底面上，并位于凸起部下方，所述主控单元分别与电磁阀以及按压按钮电连接。

优选的，还包括显示屏，所述显示屏设置在顶板顶部，所述主控单元与显示屏数据连接。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明提供了一种基于micp的钙质砂冷冻测试装置，将钙质砂原料添加到限位筒内，并静置待微生物反应对钙质砂进行凝结，在添加钙质砂原料的过程中，可以根据实际测试需求，向钙质砂原料中添加不同量的水，使不同的限位筒内的钙质砂试验含水量以及水分分布不同，然后通过设置的冷却筒对试验进行低温冷却，并通过挤压机构对试验进行抗压试验，试样受到压力时会发生爆裂飞溅，飞溅的试样碎片会撞击到冷却筒上的压电陶瓷片，压电陶瓷片受到压力时产生电信号，并发送给主控单元，工作人员可以根据不同位置的压电陶瓷片产生的电信号数据来判断不同试验的性能。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的优选实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的一种基于micp的钙质砂冷冻测试装置的结构示意图；

图2为本发明的一种基于micp的钙质砂冷冻测试装置的冷却筒与竖板的连接结构示意图；

图3为本发明的一种基于micp的钙质砂冷冻测试装置的钙质砂混合机构的结构示意图；

图中，1为测试筒，2为冷却筒，3为限位筒，4为测深仪，5为电控喷头，6为进料管，7为主控单元，8为冷却腔，9为压电陶瓷片，10为液压杆，11为升降板，12为加压头，13为压力传感器，14为升降电机，15为第一啮合齿，16为第一齿轮，17为竖板，18为第二啮合齿，19为顶板，20为支杆，21为冷水箱，22为输水管道，23为水泵，24为制冷片，25为垂直管，26为波纹管，27为电动推杆，28为混合筒，29为凝结液储存筒，30为引流尖嘴，31为承载板，32为弹簧，33为第一齿条，34为第二齿轮，35为第二齿条，36为活塞板，37为输送管，38为电磁阀，39为凸起部，40为按压按钮，41为显示屏，42为螺旋冷却管。

具体实施方式

为了更好理解本发明技术内容，下面提供一具体实施例，并结合附图对本发明做进一步的说明。

参见图1至图3，本发明提供的一种基于micp的钙质砂冷冻测试装置，包括测试筒1、钙质砂凝结机构、冷却筒2、挤压机构以及升降机构，所述钙质砂凝结机构包括限位筒3、测深仪4、电控喷头5、进料管6、移动机构以及主控单元7，所述限位筒3侧壁相互连接，并位于测试筒1内部，所述测深仪4以及电控喷头5均设置在限位筒3侧壁顶部，相邻的所述电控喷头5相距四分之一弧，所述移动机构驱动进料管6移动到限位筒3上方，所述升降机构与冷却筒2侧壁顶部连接，所述冷却筒2围成冷却腔8，所述冷却腔8位于限位筒3上方，所述挤压机构位于冷却腔8上方，所述冷却筒2内壁设置有若干压电陶瓷片9，其侧壁内部设置有螺旋冷却管42，所述主控单元7分别与挤压机构、升降机构、测深仪4、电控喷头5、移动机构以及压电陶瓷片9电连接。

本发明的一种基于micp的钙质砂冷冻测试装置，用于对采用micp进行固化的钙质砂进行抗压性测试，其中移动机构会驱动进料管6移动到限位筒3的上方，进料管6将混合有微生物胶结液的钙质砂输送到限位筒3中进行试样的制备，所设置的限位筒3可以对试样的形状进行限制，保证试样最终呈现成圆柱状，钙质砂原料添加到限位筒3内部后静置一段时间，待微生物进行新陈代谢并对钙质砂进行凝结后，将限位筒3撤去，并通过升降机构将冷却筒2进行下降，使冷却腔8位于试样的外部，通过冷却筒2内输送的冷水对试样进行制冷，而冷却筒2内设置的螺旋冷却管42可以保证受冷的均匀，使试样内的残余水冻结成晶体，然后通过设置的挤压机构对试样挤压进行抗压试验。

具体的，本发明的限位筒3设置成多组形式以便进行对照测试，优选的为三组，每一个限位筒3上均等间距设置有四个电控喷头5，同时还配备有一个测深仪4，通过进料管6向限位筒3内输送钙质砂原料时，所设置的测深仪4可以对限位筒3内的原料深度进行测量，主控单元7可以在原料升到多个不同的高度时，向原料内添加水，本发明将限位筒3设置多组的目的在于，为钙质砂提供不同量以及不均匀的水，当限位筒3设置为三组时，第一个限位筒3不加水，第二个限位筒3的四个电控阀门均开启，实现均匀的加水，第三个限位筒3仅开启其中一个或两个电控阀门，实现不均匀的加水，从而使三个试样的含水量以及水分分布均不相同，待微生物对钙质砂进行固化后，将限位筒3撤离，并使冷却筒2下降对试样进行冷冻，而在冷却筒2所围成的冷却腔8的侧壁上设置了若干个压电陶瓷片9，当挤压机构穿过冷却腔8对试样进行加压时，试样在压力下会发生爆裂，爆裂的碎片会飞溅到压电陶瓷片9上，由压电陶瓷片9将压力变成电信号并发送给主控单元7，主控单元7对接收到的电信号进行处理并存储，工作人员可以从主控单元7获取同一时间下的不同试样的受压状态，以此分析微生物固化的钙质砂在含水量不同、水分分布不同的低温环境下的性能。

优选的，所述挤压机构包括液压杆10、升降板11以及加压头12，所述液压杆10的输出轴与升降板11顶面连接，所述加压头12设置在升降板11下方，且位于限位筒3上方，所述主控单元7与液压杆10电连接，所述加压头12底面设置有压力传感器13，所述主控单元7与压力传感器13电连接。

加压头12的数量与限位筒3的数量一致，当液压缸带动升降板11向下移动时，升降板11会带动加压头12同步向下移动，使加压头12穿过冷却腔8，从而加压头12可以施加压力在试样上进行抗压试验，在加压头12底部设置的压力传感器13可以检测所施加的压力信息，工作人员最终可以根据压力信息对试样的性能进行综合判定。

优选的，所述升降机构包括升降电机14、第一啮合齿15、第一齿轮16、竖板17以及第二啮合齿18，所述升降电机14与冷却筒2侧壁顶部连接，所述第一啮合齿15竖直排列在冷却筒2内壁上，所述竖板17设置在限位筒3侧壁顶部，并以冷却腔8竖直轴线对称，所述竖板17顶端伸入到冷却腔8中，所述第二啮合齿18设置在竖板17的外壁，所述第一齿轮16分别与第一啮合齿15以及第二啮合齿18啮合，所述主控单元7与升降电机14电连接。

升降电机14的输出轴与冷却筒2的侧壁顶部连接，从而可以带动冷却筒2升降，冷却筒2向下移动时，在其第一啮合齿15的作用下，会带动第一齿轮16进行转动，第一齿轮16带动与其啮合的另一侧的第二啮合齿18移动，使第二啮合齿18以及竖板17向上移动，从而可以将限位筒3整体向上移动，实现使冷却筒2下降的同时使限位筒3向上移动，本发明的加压头12的长度大于限位筒3和冷却筒2的长度之和，从而加压头12可以伸入限位筒3内到达冷却腔8对试样进行加压测试。

优选的，还包括顶板19，所述顶板19底部通过支杆20与测试筒1侧壁顶部连接，所述主控单元7、升降电机14以及挤压机构设置在顶板19底面上，还包括冷水箱21，所述冷水箱21设置在顶板19底面，并通过输水管道22与螺旋冷却管42连接，所述输水管道22上设置有水泵23，所述冷水箱21内设置有制冷片24，所述主控单元7分别与水泵23以及制冷片24电连接。

所设置的顶板19可以为液压杆10提供支撑，同时升降电机14也设置在顶板19上，水泵23将冷水箱21内的冷却水经输水管道22输送到冷却筒2中的螺旋冷却管42，再由冷却筒2输送回冷水箱21中进行冷却，主控单元7可以控制制冷片24进行工作对冷水箱21内的水进行冷却，保证冷却筒2对试样的冷却效果。

优选的，所述进料管6包括垂直管25以及倾斜设置的波纹管26，所述波纹管26靠近限位筒3的一端与垂直管25连接，另一端伸出到测试筒1外部，所述移动机构包括电动推杆27，所述电动推杆27设置在测试筒1内壁，其输出轴与垂直管25外壁连接，所述主控单元7与电控推杆电连接。

为了保证冷却筒2下降时不会被进料管6所阻挡，将进料管6设置成多段式结构，电动推杆27用于推动垂直管25使波纹管26伸缩后，移动到不同的限位筒3处，从而可以将混合有胶结液的钙质砂输送到限位筒3内部，而将波纹管26设置成倾斜后，原料可以在重力下自行滑动。

优选的，还包括钙质砂混合机构，所述钙质砂混合机构包括混合筒28、凝结液储存筒29以及进液机构，所述混合筒28设置在凝结液储存筒29一侧，所述凝结液储存筒29侧壁顶部设置有引流尖嘴30，所述引流尖嘴30位于混合筒28上方，所述混合筒28与波纹管26位于测试筒1外部的一端顶部连接；所述进液机构包括承载板31、弹簧32、第一齿条33、第二齿轮34、第二齿条35以及活塞板36，所述承载板31设置在混合筒28内部，其底面通过弹簧32与混合筒28内底面连接，所述第一齿条33一端与承载板31底面连接，另一端从混合筒28底面伸出到外部所述活塞板36设置在凝结液储存筒29内部，所述第二齿条35一端与活塞板36底面连接，另一端伸出到凝结液储存筒29底面外部，所述第二齿轮34分别与第一齿条33以及第二齿条35啮合。

在进行原料的输送前，将钙质砂倒入到混合筒28中，通过所设置的进液机构可以在倒入钙质砂时不断的将凝结液储存筒29中的微生物胶结液添加到混合筒28中，实现钙质砂和和微生物胶结液的均匀混合。

当钙质砂倒入到混合筒28时，在重力作用下，会使承载板31压缩弹簧32并向下移动，从而第一齿条33会同步向下移动，使第二齿轮34发生转动，第二齿轮34带动第二齿条35向上移动，第二齿条35则推动活塞板36向上移动，活塞板36将凝结液储存筒29内的微生物胶结液向上推出，并通过引流尖嘴30流入到混合筒28内，可以实现一边倒入钙质砂，一边添加微生物胶结液。

优选的，所述钙质砂混合机构包括输送管37、电磁阀38以及定量机构，所述输送管37与混合筒28侧壁底部连接，所述电磁阀38设置在输送管37上，所述定量机构包括凸起部39以及按压按钮40，所述凸起部39设置在承载板31底面，所述按压按钮40设置在混合筒28内底面上，并位于凸起部39下方，所述主控单元7分别与电磁阀38以及按压按钮40电连接。

当承载板31下降到使凸起部39与按压按钮40接触时，按压按钮40被触发并产生电信号，主控单元7接收到按压按钮40发送的电信号时，控制电磁阀38开启，从而混合筒28内的钙质砂原料可以通过输送管37输送到波纹管26中，钙质砂原料可以沿着倾斜设置的波纹管26经过垂直管25落入到限位筒3中。

优选的，还包括显示屏41，所述显示屏41设置在顶板19顶部，所述主控单元7与显示屏41数据连接。

试样被加压头12加压爆裂时，飞溅的碎片会使压电陶瓷片9产生电信号，此时主控单元7根据产生电信号的压电陶瓷片9来定位试样爆裂的位置以及试样的种类，然后将相应的信息显示在显示屏41上，从而工作人员可以通过显示屏41了解试样的测试结果。

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。