一种人工堆石制备装置及制备方法

1.本发明涉及人工堆石，尤其涉及一种人工堆石制备装置，本发明还涉及一种人工堆石的制备方法。


背景技术：

2.堆石混凝土是利用专用自密实混凝土和填筑的堆石体相结合，使自密实混凝土充填堆石体的空隙，从而形成一种完整密实、高强度的混凝土。随着建筑行业的快速发展，堆石混凝土因其水泥用量少，综合成本低，施工速度快，抗剪能力强等优点在大规模的混凝土工程中得到了广泛应用，其施工技术也得到一定的发展，取得了一些初步成果。
3.堆石混凝土中过半体积都是堆石，而天然堆石依赖于施工地点周边山石的可开采程度，其适用范围受到一定的限制，因此利用工业固废生产制备人工堆石具有广阔的应用前景。利用粒状或颗粒状固体废弃物制备人工堆石代替天然堆石，既提高固废的利用率，减少环境污染，又降低材料成本。
4.但是传统的人工堆石模具尚存在一些缺陷。如，目前的人工堆石的侧面受到摩擦力小，并且人工堆石的脱模时间快，在压缩脱模中与模具侧壁摩擦容易发生剥落。而传统的人工堆石模具生产的人工堆石表面光滑，导致人工堆石与自密实混凝土形成的界面成为薄弱面。人工堆石密实度对其强度影响很大，现有的人工堆石模具难以对人工堆石的密实度进行有效的控制，在试件压缩的过程中，应该压缩到什么程度尚不清楚，导致生产的人工堆石的内部孔隙率大小不均，强度差异较大。此外，传统方法制备人工堆石尚需要人员拆模一系列工作，给操作人员带来诸多麻烦，生产效率较低，生产成本高。因此，亟需一种人工堆石制备装置和方法来解决现有的人工堆石密实度难以控制、人工堆石表面光滑以及其它技术问题。


技术实现要素：

5.发明目的：针对现有技术中存在的不足之处，本发明提出一种人工堆石制备装置及制备方法，根据工程所需的人工堆石试件体积大小、人工堆石试件强度及人工堆石的密实度确定对应的原材料使用质量，通过控制堆石试件的密实度实现对人工堆石的强度进行控制；解决了目前压力模具工作流程不连续、操作效率低、人工堆石试件密实度难以控制，人工堆石表面光滑的问题。
6.技术方案：本发明人工堆石制备装置包括模具、运输装置、升降装置、螺旋升降柱，以及带有压头和压头上板的压力机，压头通过压头上板与升降装置连接；
7.模具的模具槽内四周设有内壁插板，内壁插板包括第一凸起和第一凹槽；
8.压头的四周开设有与第一凸起和第一凹槽匹配的、延伸至模具槽的底端的第二凹槽，模具由竖直挡板支撑；
9.压头上板的底部嵌有距离传感器，升降装置沿着螺旋升降柱移动带动压头压入模具的模具槽内。
10.距离传感器包括距离传感器信号发射端和距离传感器信号接收端。
11.运输装置包括上下伸缩装置和平移运输装置，上下伸缩装置的顶部固定有托板。
12.平移运输装置内设有移动底板，移动底板与上下伸缩装置连接。
13.上下伸缩装置包括上连接管、下连接管和伸缩控制盒，上连接管在伸缩控制盒的作用下伸缩进入下连接管。
14.上下伸缩装置的顶部设有托板。
15.伸缩控制盒内设有旋转杆，旋转杆的端部设有第一斜齿轮，第一斜齿轮和第二斜齿轮垂直啮合，第二斜齿轮固定在上连接管的端部。
16.本发明人工堆石的制备方法包括以下步骤：
17.(1)根据待制备的人工堆石的尺寸和密实度在天平上称取人工堆石原料的质量m，m＝ρ
×v×
d；
18.其中，m代表人工堆石原料的质量，ρ为人工堆石原料的密度，v代表待制备的人工堆石的体积；v＝s
×
h；s代表模具槽底面积，h代表制备的人工堆石的高度，d为人工堆石的密实度；
19.(2)调整压头的高度，通过竖直挡板将模具固定在压力机下，压头对准模具槽；
20.(3)将运输装置移动至模具的模具槽下，将运输装置的托板放置在模具槽的底部；
21.(4)将混凝土拌合物原料装入模具内，设置待制备的人工堆石的高度，压头下降的同时并根据距离传感器测定压头上板与模具的顶部的距离至设定值，压力机停止进油；
22.(5)控制上下伸缩装置使托板下降至设定高度；控制压力机下压，将制备的人工堆石推出模具至落在托板上；
23.(6)控制平移运输装置将人工堆石运输至养护室。
24.步骤(1)中的人工堆石原料包括铁尾矿砂、铁尾矿石、水、过硫磷石膏矿渣水泥。
25.步骤(1)中，所述密实度
26.其中：v0表示人工堆石中固体部分的体积，m为称取的人工堆石原料质量，ρ0为人工堆石原料的密度；v表示人工堆石的总体积，v＝s
×
h，s为模具槽的底面积，h为制备的人工堆石的高度。
27.工作原理：相较于天然堆石，人工堆石的材料组成为：利用铁尾矿代替砂石骨料，铁尾矿砂的细度模数为1.23，为特细砂。本发明根据工程所需的试件体积大小、人工堆石试件强度及人工堆石的密实度确定对应的原材料使用质量，通过控制堆石试件的密实度d实现对人工堆石的强度进行控制的目的。
28.人工堆石密实度d按照公式(1)进行计算：
[0029][0030]
式中：v0表示人工堆石中固体部分的体积，m为称取的人工堆石原料质量，ρ0为人工堆石原料的密度。v表示人工堆石总体积，v＝s
×
h，s为模具槽底面积，h为制备的人工堆石的高度。
[0031]
通过相关抗压强度试验分别得到了利用固废或普通水泥为胶材原料制备得到的人工堆石强度与密实度之间的关系。
[0032]
使用普通硅酸盐水泥，人工堆石7天强度与密实度之间的关系为：
[0033]fcu,7
＝λ(69500d
2-12763d+59650) (2)
[0034]
使用普通硅酸盐水泥，人工堆石28天强度与密实度之间的关系为：
[0035]fcu,28
＝λ(52024d
2-95570d+43898) (3)
[0036]
使用固废原料，人工堆石7天强度与密实度之间的关系为：
[0037]fcu,7
＝λ(5428.2d
2-9633d+4273.1) (4)
[0038]
使用固废原料，人工堆石28天强度与密实度之间的关系为：
[0039]fcu,28
＝λ(-5381.9d2+11178d-5726.8) (5)
[0040]
式中：λ表示试件尺寸换算系数，当人工堆石尺寸为150mm
×
150mm
×
150mm时，换算系数取1.0；当堆石尺寸为100mm
×
100mm
×
100mm时，换算系数取0.95；当人工堆石尺寸为200mm
×
200mm
×
200mm时，换算系数取1.05。
[0041]
应用时根据实际工程对人工堆石强度的要求，考虑人工堆石的尺寸，依据上述公式计算人工堆石的密实度，然后在所需的人工堆石的体积和人工堆石原料密度已知的情况下，依据下列公式确定需要填充的原料质量。
[0042]
m＝ρ
×v×
d (6)
[0043]
式中：m表示需称取人工堆石原料的质量，ρ为人工堆石原料的密度，v表示需制备的人工堆石的体积，v＝s
×
h，s为模具槽底面积，h为制备的人工堆石的高度。d为工程所需的人工堆石的密实度。
[0044]
有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点：
[0045]
(1)本发明根据工程实际所需的尺寸高度制备相应人工堆石，在尺寸的选择具有灵活性的同时，通过设置距离传感器实现到达目标尺寸自动停止压缩的目的，制备的人工堆石的尺寸更精确，无需人工观察，限位方便。
[0046]
(2)本发明对压头和模具槽的内壁经过改造，使制得的人工堆石的侧壁粗糙度增加，增强人工堆石与自密实混凝土之间的界面强度，又不致出现在压缩出模过程中侧壁的剥落损坏，保证了人工堆石的完整性，且便于人工堆石的运输。
[0047]
(3)本发明在制备人工堆石之前根据所需的尺寸体积，所需强度对应的最低密实度和原料的密度，即准备好原料质量，保证了人工堆石的强度，制备的人工堆石的表面与混凝土形成坚固的粘结界面；
[0048]
(4)本发明采用运输装置对人工堆石拆模、出模，机械化处理简单方便，省去人工劳动的麻烦，减少制备流程时间，连续性好，且提高了人工堆石的制备效率。
[0049]
(5)利用工业固废作为原材料制备人工堆石提高工业固废的利用率，降低了材料成本。
附图说明
[0050]
图1为本发明的人工堆石制备装置的结构示意图；
[0051]
图2为本发明的人工堆石制备装置的结构分解图；
[0052]
图3为本发明的人工堆石制备方法流程图；
[0053]
图4为本发明的上下伸缩装置结构原理图；
[0054]
图5为本发明的运输装置内部结构示意图。
具体实施方式
[0055]
如图1所示，本发明人工堆石制备装置包括压力机、制备人工堆石的模具2、运输装置3、升降装置5、螺旋升降柱4，以及带有压头1和压头上板6的压力机，压头1通过压头上板6与升降装置5连接。运输装置3上升到设定高度时，进而封堵模具2的底部。模具2的模具槽内四周设有内壁插板9，内壁插板9包括第一凸起92和第一凹槽91；
[0056]
压头1的四周开设有与第一凸起92和第一凹槽91匹配的、延伸至模具槽的底端的第二凹槽，模具2由竖直挡板11支撑；
[0057]
压头上板6的底部嵌有距离传感器8，升降装置5沿着螺旋升降柱4移动带动压头1压入模具2的模具槽内，起到压缩人工堆石原料的目的。
[0058]
升降装置5接通电源启动后，沿着并在4个螺旋升降柱4间上下移动。模具2的模板的周围设置套板10，使得在模具承压时产生的变形符合规范要求。
[0059]
压头1为凹棱柱体，压头1的四周设有四个贯穿到压头底的凹槽7。压头的凹槽7的体积小于压头1，进而保证形成的人工堆石具有整体性。压头1的凹槽7的形状不局限于长方体。
[0060]
压头1通过压头上板6与升降装置5螺栓连接。升降装置5带动压头上板6和压头1一起上下移动。模具2由左右两侧固定在地面上的竖直挡板11支撑，使用前预先固定在地面上。调整好模具2的位置，使压头1下降时嵌套进模具2的模具槽中。压头上板6和升降装置5粘连使压头1也随之一起上下移动。
[0061]
压头上板6一侧的边缘中嵌有距离传感器8，距离传感器信号发射端81和距离传感器信号接收端82与压头上板6的下底面齐平，距离传感器8的下方是模具2的顶部。
[0062]
在压头1工作前，启动相应的开关，选择待制备的人工堆石的高度后开始工作。当无填料时，压头1下降、压头上板6紧贴模具2的上端时，压头1底端刚好与模具槽底齐平，则测试件高度时压头上板6与模具2的顶部的距离即为试件高度。
[0063]
压头1根据设定的程序通过发射和接收的光线的时间测定它到模具2的顶部的距离，得到人工堆石的高度。通过人工堆石的底面积，得到试件体积。工作中到达指定的高度停止压力机进油，压头1停止向下压缩。
[0064]
如图2所示，压头1的结构，相较于传统的长方体形状，当压头1对人工堆石施加压力时，人工堆石的上部与压头1底部接触，而人工堆石的下部与托板12接触，使得人工堆石的上下表面均存在摩擦力，进而使得人工堆石的强度提高，弥补了人工堆石的侧面受到摩擦力小，并且人工堆石的脱模时间快，在压缩脱模中与模具侧壁摩擦容易发生剥落的缺陷。
[0065]
为此，该压头1的前后左右外侧中间挖去了尺寸相等的长方体，形成4个贯穿到压头底的凹槽7，进而增加人工堆石侧面的粗糙度，从而增加其摩擦力，保证强度更加稳定。
[0066]
在加工过程中，根据人工堆石的尺寸要求来更换相应压头1。更换时，拆卸下原有压头1，将拟更换的压头1通过压头上板6与升降装置5通过螺栓连接。模具2的尺寸大于压头1，以便人工堆石压出。
[0067]
人工堆石的模具材料采用45#钢，模具的内壁插板9及压头1经过调质处理提高硬
度，减少压制过程中的表面磨损。本实施例中，内壁插板9的尺寸为150
×
150mm，高度为250mm。同时考虑到模具的可操作性和模具变形，经过有限元计算，模具内壁的最大设计变形为0.16mm，满足《水工混凝土试验规程sl3522006》中对立方体试件边长误差小于1/150的要求。
[0068]
根据人工堆石的尺寸要求来更换相应尺寸的压头1。更换时，拆卸下原有压头，将拟更换的压头通过压头上板6与升降装置5螺栓连接。
[0069]
应用时根据工程所需的人工堆石体积，满足强度要求的密实度及人工堆石原料密度，确定需要填充的原料质量，公式为：
[0070]
m＝ρ
×v×d[0071]
式中：m表示需称取人工堆石原料的质量，ρ为人工堆石原料的密度，即ρ＝2.411g/cm3。v表示需制备的人工堆石体积，v＝s
×
h，s为模具槽底面积，h为制备的人工堆石的高度。d为工程所需的密实度。
[0072]
运输装置3包括上下伸缩装置31和平移运输装置32。上下伸缩装置31和平移运输装置32整体为一体，上下伸缩装置31的顶部固定有托板12，在运输装置不工作时运输装置3的托板12与模具的内壁插板9底部接触。上下伸缩装置31的六个支腿固定连接在平移运输装置32的移动底板20上，使得上部的上下伸缩装置31整体跟随移动底板20移动。平移运输装置32的机械装置安装在平移轨道21的长板14的下方。平移轨道21的长板14的前端和后端支起设定高度，避免机械装置擦划地面。
[0073]
运输装置3中的上下伸缩装置31，装置的六条支腿一端固定在托板12的底部，另一端穿过平移轨道的长板14的轨道槽固定在移动底板20上。支腿的上连接管15的外径小于下连接管16的外径，上连接管为实心，有较高的支撑能力，在摩擦力下上连接管15伸缩进入下连接管16内。上连接管15和下连接管的交界处布置有伸缩控制盒13，伸缩控制盒13内装有机械构造核心，防止外界环境对内部构造损坏。
[0074]
如图4所示，两个支腿上的伸缩控制盒13内侧各有一小孔由一根旋转圆杆17连接，旋转圆杆17两端各嵌套结合有第一斜齿轮18跟随旋转圆杆一起旋转。第二斜齿轮19套接在上连接管15上，并贴合下连接管顶端。第二斜齿轮19与第一斜齿轮18在垂直方向相互咬合。当启动一端伸缩控制盒13上的开关使旋转圆杆17顺时针或逆时针旋转时，旋转圆杆17上的第一斜齿轮18带动第二斜齿轮19旋转，进而使上连接管上升或下降，带动其余的支腿上升下降，使托板12上升或下降。
[0075]
如图5所示，运输装置3中的平移运输装置32中，长板14的中部下端固定直齿轮机架22，控制相应开关使得直齿轮旋转。直齿轮机架22上一端粘结固定有齿条护板24，齿条23位于齿条护板24中，齿条23与直齿轮相互啮合。齿条23由2根细杆与移动底板20连接。当直齿轮顺时针或逆时针旋转时，带动齿条23前后移动从而带动移动底板20前后移动。
[0076]
本发明人工堆石的制备方法包括以下步骤：
[0077]
(1)根据工程所需的待制备的人工堆石的尺寸和密实度在天平上称取对应的混凝土拌合物原料质量m。m＝ρ
×v×
d。式中：
[0078]
m表示需称取人工堆石原料的质量，ρ为人工堆石原料的密度；v表示需制备的人工堆石体积，v＝s
×
h，s为模具槽底面积，h为制备的人工堆石的高度；d为工程所需的人工堆石的密实度。
[0079]
(2)调整压力机的压头1的高度，通过竖直挡板11将模具2固定在压力机下，压头对准模具槽。
[0080]
(3)控制平移和伸缩开关将运输装置3置于人工堆石的模具的模具槽下，放置人工堆石的托板12位于模具槽的底部。
[0081]
(4)将混凝土拌合物原料装入模具2内，设置好待制备的人工堆石的高度，通过压力机压制人工堆石，压头1下降的同时并根据距离传感器8测定压头上板6与模具2的顶部的距离至设定值，压力机停止进油。
[0082]
(5)控制上下伸缩装置的开关，使托板12下降至设定高度。将压力机下压，将人工堆石推出模具落在托板12上。
[0083]
(6)控制平移运输装置的开关，将人工堆石运输至养护室养护。
[0084]
(7)重复上述步骤。
[0085]
其中，本实施例中的人工堆石原料包括铁尾矿代替砂石骨料，其中铁尾矿的砂细度模数为1.23，为特细砂；过硫磷石膏矿渣水泥代替普硅水泥，将颗粒状和粉状固废制成人工堆石，代替天然堆石用于堆石混凝土中，提高堆石混凝土中固废的利用量。
[0086]
本实施例中，人工堆石原料包括：过硫磷石膏矿渣水泥质量360kg kg/m3，水198kg/m3，铁尾矿砂1055kg/m3和铁尾矿石798kg/m3，水胶比为0.55，砂率为57％，人工堆石原料密度为2.411g/cm3。其中过硫磷石膏矿渣水泥由磷石膏经钢渣湿磨改性后与矿渣粉、水泥熟料配制而成，磷石膏、矿渣粉、钢渣、水泥的干重比例为47:47:2:4。考虑材料成本和试件强度，通过实验得出水胶比为0.55，砂率为57％时有最佳的效益。
[0087]
在应用中，根据工程需要，拟制备的人工堆石的尺寸为150mm
×
150mm
×
150mm，即人工堆石的尺寸换算系数取1.0、人工堆石28天目标强度为30mpa，根据公式(5)计算得到人工堆石的密实度为0.945。
[0088]
根据人工堆石的体积及人工堆石的原料密度，根据公式(6)计算得到需要填充的原料质量。
[0089]
按照实施例中介绍的生产步骤，制备得到人工堆石，养护28天后，实测抗压强度为33.7mpa，比目标强度略高，偏于安全。

技术特征：
1.一种人工堆石制备装置，其特征在于：包括模具(2)、运输装置(3)、升降装置(5)、螺旋升降柱(4)，以及带有压头(1)和压头上板(6)的压力机，所述压头(1)通过压头上板(6)与升降装置(5)连接；所述模具(2)的模具槽内四周设有内壁插板(9)，所述内壁插板(9)包括第一凸起(92)和第一凹槽(91)；所述压头(1)的四周开设有与所述第一凸起(92)和第一凹槽(91)匹配的、延伸至模具槽的底端的第二凹槽，所述模具(2)由竖直挡板(11)支撑；所述压头上板(6)的底部嵌有距离传感器(8)，所述升降装置(5)沿着螺旋升降柱(4)移动带动压头(1)压入模具(2)的模具槽内。2.根据权利要求1所述的人工堆石制备装置，其特征在于：所述距离传感器(8)包括距离传感器信号发射端(81)和距离传感器信号接收端(82)。3.根据权利要求1所述的人工堆石制备装置，其特征在于：所述运输装置(3)包括上下伸缩装置(31)和平移运输装置(32)，所述上下伸缩装置(31)的顶部固定有托板(12)。4.根据权利要求3所述的人工堆石制备装置，其特征在于：所述平移运输装置(32)内设有移动底板(20)，所述移动底板(20)与上下伸缩装置(31)连接。5.根据权利要求3所述的人工堆石制备装置，其特征在于：所述上下伸缩装置(31)包括上连接管(15)、下连接管(16)和伸缩控制盒(13)，所述上连接管(15)在伸缩控制盒(13)的作用下伸缩进入下连接管(16)。6.根据权利要求3所述的人工堆石制备装置，其特征在于：所述上下伸缩装置(31)的顶部设有托板(12)。7.根据权利要求5所述的人工堆石制备装置，其特征在于：所述伸缩控制盒(13)内设有旋转杆(17)，所述旋转杆(17)的端部设有第一斜齿轮(18)，所述第一斜齿轮(18)和第二斜齿轮(19)垂直啮合，所述第二斜齿轮(19)固定在上连接管(15)的端部。8.一种人工堆石的制备方法，其特征在于：由权利要求1所述的人工堆石制备装置来实施，所述方法包括以下步骤：(1)根据待制备的人工堆石的尺寸和密实度在天平上称取人工堆石原料的质量m，m＝ρ
×v×
d；其中，m代表人工堆石原料的质量，ρ为人工堆石原料的密度，v代表待制备的人工堆石的体积；v＝s
×
h；s代表模具槽底面积，h代表制备的人工堆石的高度，d为人工堆石的密实度；(2)调整压头(1)的高度，通过竖直挡板(11)将模具(2)固定在压力机下，压头(1)对准模具槽；(3)将运输装置(3)移动至模具(2)的模具槽下，将运输装置的托板(12)放置在模具槽的底部；(4)将混凝土拌合物原料装入模具(2)内，设置待制备的人工堆石的高度，压头(1)下降的同时并根据距离传感器(8)测定压头上板(6)与模具(2)的顶部的距离至设定值，压力机停止进油；(5)控制上下伸缩装置使托板(12)下降至设定高度；控制压力机下压，将制备的人工堆石推出模具(2)至落在托板(12)上；
(6)控制平移运输装置将人工堆石运输至养护室。9.根据权利要求8所述的人工堆石的制备方法，其特征在于：步骤(1)中的人工堆石原料包括铁尾矿砂、铁尾矿石、水、过硫磷石膏矿渣水泥。10.根据权利要求8所述的人工堆石的制备方法，其特征在于：步骤(1)中，所述密实度其中：v0表示人工堆石中固体部分的体积，m为称取的人工堆石原料质量，ρ0为人工堆石原料的密度；v表示人工堆石的总体积，v＝s
×
h，s为模具槽的底面积，h为制备的人工堆石的高度。

技术总结
本发明公开了一种人工堆石制备装置及制备方法，制备装置包括模具、运输装置、升降装置、螺旋升降柱，以及带有压头和压头上板的压力机，压头通过压头上板与升降装置连接；模具的模具槽内四周设有内壁插板，内壁插板包括第一凸起和第一凹槽；压头的四周开设有与第一凸起和第一凹槽匹配的、延伸至模具槽的底端的第二凹槽。本发明在制备人工堆石时，当运输装置下降到设定距离时，在压力机的作用下，人工堆石顺利脱模，运输装置水平移动，进而运输脱模的人工堆石。本发明根据工程所需的人工堆石试件体积大小、强度及密实度确定对应的原材料使用质量，通过控制堆石的密实度控制强度；解决了操作效率低、密实度难以控制，人工堆石表面光滑的问题。光滑的问题。光滑的问题。


技术研发人员：张京斌 刘祥东 胡崇世 冯泽铭 闫庚辰
受保护的技术使用者：河海大学
技术研发日：2023.05.16
技术公布日：2023/7/18