本发明属于建筑工程的土工试验，具体涉及一种多功能混凝土试样表面粗糙度测定与制作装置及其使用方法。
背景技术：
1、在建筑工程技术领域的土工试验中，土-结构接触面剪切试验是研究某种构(建)筑物结构在土中力学与变形特性的重要手段。接触面剪切特性受诸多因素影响，其中接触面表面粗糙度是影响因素之一。
2、在对混凝土试块表面粗糙度进行量测时，通常分为“随机型”和“规则型”两种类型进行，对于“随机型”混凝土试块表面粗糙度常采用“灌砂法”和“分数维法”以及其他等方法进行量测。
3、在对混凝土试块表面粗糙度进行制作时，同样也分为“随机型”和“规则型”两种类型，对于“规则型”混凝土试块表面粗糙度常采用在混凝土试块表面预制或切割打磨不同形状、排列规律的“凹槽”的方法实现。对于“随机型”混凝土试块表面粗糙度，产生的方法则为控制混凝土试块制作时水灰比以及砂石颗粒粒径等，制作结果较为“随机”，可能并不能达到预期的混凝土表面粗糙度大小，因此需要可实现预期粗糙度大小的“随机型”表面刻制装置。
4、“灌砂法”主要步骤为将待测混凝土试块置于水平平台之上，用4片塑料板环绕混凝土表面，使塑料板的最高平面和混凝土表面凸部最高点齐平，往其中灌入标准砂超过混凝土表面，然后将塑料板顶面抹平。将混凝土试样表面上的砂全部倒入量筒中，测出其体积。即可换算出平均灌砂深度用来表示混凝土表面粗糙度。目前针对灌砂法测粗糙度还没有专业的实验仪器可供使用，多为简易型临时装置。
5、“分数维法”也是测量混凝土表面粗糙度的常用方法之一，主要方式为测量混凝土表面剖面迹线，并通过一系列数学方法和手段将其转化为试验数据。对于分维仪的，目前市面上较为常见，但主要为卡尺等传统机械装置，处理数据工作量大且较为繁琐。
技术实现思路
1、本发明为一种多功能混凝土试样表面粗糙度测定与制作装置及其使用方法，可以同时实现“灌砂法”和“分数维法”两种混凝土表面粗糙度量测方法，以解决传统“灌砂法”测定混凝土表面粗糙度中没有专门仪器以及“分数维法”中仪器量测工作繁琐工作量大的不足之处。
2、为此，本发明采用如下技术方案：
3、一种多功能混凝土试样表面粗糙度测定与制作装置，包括定位及夹持部、粗糙度量测部、试样表面刻制部及数据采集处理部；
4、定位及夹持部包括水平放置的底板，底板的水平度可调；底板的上表面固定有夹持组件，混凝土试样水平放置于底板上，通过夹持组件夹持并固定混凝土试样；
5、粗糙度量测部包括四个垂直立柱，四个垂直立柱位于混凝土试样的外侧且呈矩形分布，垂直立柱的下端与底板可拆卸连接；围绕混凝土试样的四个侧面分别连接有挡砂板，包括位于混凝土试样前侧的前水平挡砂板、位于混凝土试样左右两侧的两个侧边水平挡砂板、位于混凝土试样尾部的标准砂刮板；标准砂刮板左右两端与两个侧边水平挡砂板滑动连接，标准砂刮板可沿两个侧边水平挡砂板往复滑动，滑动过程中完成刮沙作业；前水平挡砂板和侧边水平挡砂板分别连接于垂直立柱上；前水平挡砂板、侧边水平挡砂板和标准砂刮板上分别内置有水平位移传感器模块，标准砂刮板上还设有垂直位移传感器模块；
6、试样表面刻制部包括机械臂，机械臂的下端固定部底板上，机械臂的头端连接有刀头，机械臂带动刀头移动并在混凝土试样表面刻槽；
7、数据采集处理部包括采集数据线和上位机，采集数据线分别与水平位移传感器模块和垂直位移传感器模块信号连接，将采集的位移数据传递至上位机中。
8、进一步地，所述底板的底面安装有调平装置，调平装置包括4个竖直调平螺杆，通过调平螺杆对底板进行调平；
9、夹持组件包括固定于底板上表面的导轨槽，导轨槽的两端连接有夹持装置，两个夹持装置用于夹紧混凝土试样；夹持装置包括活动端和固定端，固定端固定连接于底板上，活动端滑动连接于导轨槽上，活动端可沿导轨槽往复移动；活动端与固定端之间连接有导向螺杆和推进螺杆，转动推进螺杆带动活动端沿导轨槽移动。
10、进一步地，底板上表面固定有纵向水平尺和横向水平尺，通过纵向水平尺和横向水平尺辅助调平底板。
11、进一步地，所述底板上设有四个垂直立柱固定端，垂直立柱固定端上形成外螺纹；四个垂直立柱的下端形成对应的内螺纹，垂直立柱分别与四个垂直立柱固定端螺旋连接。
12、进一步地，垂直位移传感器模块上夹持有位移传感器，通过位移传感器紧固螺丝紧固，位移传感器中活动杆一端为位移传感器触头，另一端为位移传感器拉杆，在量测过程中通过提起位移传感器拉杆移除位移传感器触头。
13、一种多功能混凝土试样表面粗糙度测定方法，包括上述的多功能混凝土试样表面粗糙度测定与制作装置，包括以下步骤：
14、s1.灌砂法测定粗糙度：
15、s11.将底板调整至水平状态；
16、s12.在底板中心位置放置混凝土试块，并利用夹持组件固定，保证混凝土试块与底板之间不发生错动；
17、s13.将4根垂直立柱连接固定至底板上；
18、s14.在垂直立柱上安装水平挡砂板和标准砂刮板，将标准砂刮板恢复至初始状态；
19、s15.调整水平挡砂板的高度，使水平挡砂板上沿与混凝土试块上表面最高处平齐；
20、s16.在混凝土试块上表面处、水平挡砂板范围内铺设标准砂至略高于水平挡砂板上沿，之后拨动标准砂刮板由初始位置至终止位置刮除多余标准砂，之后清理装置以外余砂，后收集混凝土试块表面水平挡砂板范围内标准砂完成体积量测，即可完成灌砂法测定粗糙度；
21、s17.计算平均灌砂深度用来表示混凝土表面粗糙度；
22、测定原理：
23、
24、式中，r—平均灌砂深度，灌砂法中表示粗糙度；v—标准砂体积；a—混凝土试块表面面积；
25、s2.分数维法测定粗糙度：
26、s21.将底板调整至水平状态；
27、s22.在底板中心位置放置混凝土试块，并利用夹持组件固定，保证混凝土试块与底板之间不发生错动；
28、s23.将4根垂直立柱连接固定至底板上；
29、s24.在垂直立柱上安装水平挡砂板和标准砂刮板，将标准砂刮板恢复至初始状态；
30、s25.调整水平挡砂板的高度，至水平挡砂板上表面与待测混凝土试块上表面存在间距；
31、s26.在标准砂刮板上安装垂直位移传感器模块，安装完垂直位移传感器模块且传感器触头接触混凝土表面后，传感器触头活动范围处于传感器量程之内即可；将垂直位移传感器模块通过导线连接至上位机；
32、s27.提起垂直位移传感器拉杆移除传感器触头，并通过滑动垂直位移传感器模块与标准砂刮板调节传感器触头，使传感器触头位于坐标原点处，且混凝土试块恰好整体位于坐标系的第一象限处，坐标系的坐标轴与混凝土试块边缘重合，然后旋紧垂直位移传感器模块限位螺丝；
33、s28.放下垂直位移传感器拉杆施加传感器触头，此时传感器触头与混凝土试块表面接触且位于一角点，随后在数据采集处理部中将所有传感器读数清零；
34、s29.通过移动标准砂刮板和调节位移传感器触头获取某一迹线的深度值，从而测得粗糙度；
35、s3.混凝土试样表面刻制：
36、s31.将底板调整至水平状态；
37、s32.在底板中心位置放置混凝土试块，并利用夹持组件固定，保证混凝土试块与底板之间不发生错动；
38、s33.试样表面刻制部内预制有刻槽路径，不同刻槽路径对应不同的刀头行走路线和刻槽深度；
39、s34.通过机械臂带动刀头按照预定程序移动，刀头按照设定程序在混凝土试块的表面刻槽，刻槽结束后机械臂带动刀头回归初始位置。
40、本发明的有益效果在于：
41、1.本发明可以专门应用于“灌砂法”测定混凝土表面粗糙度，多次量测过程中其操作方法也一致，而传统的人工制作临时性挡板在多次操作后由于操作精确度不一容易引起偶然性误差；
42、2.本发明的多功能体现在将混凝土表面粗糙度量测方法——灌砂法以及分数维法，两者同时应用于同一装置，只需进行简单安装、操作即可获取两种量测方法下的粗糙度数据，使用过程更加便捷，仪器成本减小；
43、3.本发明可根据用户自定义数字模型对混凝土表面进行刻制，可以实现“规则型”与“随机型”混凝土表面粗糙度的自定义刻制，可以减小试验中的随机性，使得试样表面粗糙度大小值能够达到预期效果；
44、4.本发明可以根据量测方法的不同对装置的部分部件和仪表进行解除和自定义安装，可以防止各部件的相互影响，使用较为灵活便捷；
45、5.本发明设置混凝土试块夹持装置，在进行混凝土表面粗糙度量测工作时可以起到较好的固定作用，防止在量测时混凝土试块滑动错位，影响量测精度；
46、6.本发明中所述粗糙度量测系统，为避免安装挡砂板时倾斜带来的量测误差，在机架底板设置水平尺及调平装置，挡砂板上固定套管内径与垂直立柱一致，且固定套管具有一定长度，因此，在使用过程中整个装置均可保持水平状态，可以有效提升量测精确度；
47、7.本发明中所述标准砂刮板结构形式一定，可以实现标准砂的精确刮除，减少由于采用其他人工方式刮砂引起的偶然误差；
48、8.本发明中设置数据采集处理系统，可以实现数据采集处理的自动化，提高工作效率。
1.一种多功能混凝土试样表面粗糙度测定与制作装置，其特征在于，包括定位及夹持部、粗糙度量测部、试样表面刻制部及数据采集处理部；
2.根据权利要求1所述的多功能混凝土试样表面粗糙度测定与制作装置，其特征在于，所述底板的底面安装有调平装置，调平装置包括4个竖直调平螺杆，通过调平螺杆对底板进行调平；
3.根据权利要求2所述的多功能混凝土试样表面粗糙度测定与制作装置，其特征在于，底板上表面固定有纵向水平尺和横向水平尺，通过纵向水平尺和横向水平尺辅助调平底板。
4.根据权利要求3所述的多功能混凝土试样表面粗糙度测定与制作装置，其特征在于，所述底板上设有四个垂直立柱固定端，垂直立柱固定端上端与四个垂直立柱固定端可拆卸连接。
5.根据权利要求4所述的多功能混凝土试样表面粗糙度测定与制作装置，其特征在于，垂直位移传感器模块上夹持有位移传感器，通过位移传感器紧固螺丝紧固，位移传感器中活动杆一端为位移传感器触头，另一端为位移传感器拉杆，在量测过程中通过提起位移传感器拉杆移除位移传感器触头。
6.一种多功能混凝土试样表面粗糙度测定方法，包括权利要求5所述的多功能混凝土试样表面粗糙度测定与制作装置，其特征在于，包括以下步骤：
