CN110553924A - 用于实现纤维复合材料腐蚀-蠕变耦合的试验装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种用于实现纤维复合材料腐蚀‑蠕变耦合的试验装置与方法，装置包括腐蚀系统和蠕变系统，腐蚀系统包括储液仓、恒温恒湿箱、进水管、出水管、装有腐蚀溶液的烧杯和水泵，储液仓用于模拟腐蚀环境并固定在纤维复合材料筋上，纤维复合材料筋的上下两端均伸出储液仓设置，在储液仓外部设有一测量储液仓内的纤维复合材料筋蠕变位移的千分表，进水管的一端与水泵连接，另一端与储液仓的上部连通，出水管的一端与储液仓的下部连通，另一端伸入装有腐蚀溶液的烧杯内；蠕变系统包括位移传递杆、位移放大杆、重物和长方体框架。本发明设计简单合理、加工方便，经济效益好，可长期高温腐蚀蠕变复杂环境的模拟，可靠性高，应用范围广。

Description

用于实现纤维复合材料腐蚀-蠕变耦合的试验装置及方法
技术领域
本发明属于检测设备技术领域，尤其是涉及一种用于实现纤维复合材料腐蚀-蠕变耦合的试验装置及方法。
背景技术
钢筋混凝土结构是当前世界上应用最广泛的结构形式，但是在腐蚀性环境中，钢筋的腐蚀是一个大问题。盐害问题首当其冲，盐分通过在混凝土表面或混凝土干燥过程中形成的微裂纹向内部渗透、扩散，盐分中的氯离子使钢筋受到腐蚀。在沿海地带，海风中的海盐粒子，会使钢筋混凝土因腐蚀而发生明显的早期劣化现象。此外，化工厂，水处理厂等腐蚀环境以及酸性地下水、酸性雨也是造成钢筋腐蚀的原因，受腐蚀后的钢筋因局部形成了很大的内压，导致混凝土开裂和剥落，最终引起建筑物、构筑物毁坏。解决混凝土结构中钢筋的腐蚀问题，科学有效的提高混凝土结构的长期服役性能，具有重要的工程意义。
纤维增强树脂复合材料以其轻质、高强、耐腐蚀性和耐疲劳性能成为混凝土结构中代替钢筋的一种新型材料，为提高混凝土长期服役性能提供了一种新的重要方法。纤维复合材料筋作为混凝土结构中受力筋和箍筋，已得到广泛系统研究，并在实际工程中得到应用。然而，混凝土结构服役环境恶劣(水、酸、碱、盐等极端环境侵蚀)，纤维复合材料筋在上述环境下的长期服役性能成为影响其在混凝土结构中应用的重要因素之一。
由于大多数聚合物具有粘弹性，纤维增强聚合物基复合材料也具有粘弹性。很多聚合物基复合材料在室温下就可观测到明显的粘弹性变形。通常纤维增强聚合物基复合材料的蠕变极限只有其静强度的40％左右,在腐蚀、高温等复杂环境或由于载荷作用下的内耗引起自身温度升高时,复合材料结构的粘弹性变形就变得非常严重，它会大大降低复合材料结构的工作安全性和可靠性。掌握纤维复合材料在腐蚀-蠕变复杂环境下的演化规律与机理，发展长期服役性能优异纤维复合材料和高性能长寿命纤维复合材料增强混凝土结构，已成为目前混凝土结构的研究重点。
然而，由于腐蚀-蠕变耦合较为困难，关于腐蚀环境对纤维树脂复合材料蠕变性能的影响研究较少，其作用机理尚不明确，这极大的限制了纤维树脂复合材料在混凝土结构中的应用。为了研究纤维复合材料在腐蚀-蠕变复杂环境下的长期服役性能演化规律与机理，拓展其在混凝土结构中的应用，有必要开发一种纤维复合材料筋腐蚀-蠕变耦合环境的加速试验装置。
发明内容
有鉴于此，本发明旨在提出一种用于实现纤维复合材料腐蚀-蠕变耦合的试验装置及方法，装置设计简单、合理、加工方便，经济效益好，可有效实现长期高温腐蚀蠕变复杂环境的模拟，可靠性高，应用范围广。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种用于实现纤维复合材料腐蚀-蠕变耦合的试验装置，包括腐蚀系统和蠕变系统，所述的腐蚀系统包括储液仓、恒温恒湿箱、进水管、出水管、装有腐蚀溶液的烧杯和水泵，所述的储液仓用于模拟腐蚀环境并固定在纤维复合材料筋上，所述的纤维复合材料筋的上下两端均伸出储液仓设置，在储液仓外部设有一测量储液仓内的纤维复合材料筋蠕变位移的千分表，进水管的一端与水泵连接，另一端与储液仓的上部连通，出水管的一端与储液仓的下部连通，另一端伸入装有腐蚀溶液的烧杯内；水泵将烧杯中的腐蚀溶液经进水管通入到储液仓内，所述的烧杯设置在恒温恒湿箱内，恒温恒湿箱内的水位高于烧杯内的腐蚀溶液的水位；
所述的蠕变系统包括位移传递杆、位移放大杆、重物和由型材焊接的长方体框架，所述的纤维复合材料筋的下端固定在长方体框架的底部的型材上，上端与位移传递杆的一端连接，连接纤维复合材料筋的位移传递杆的一端与固定设置的位移传递杆的上方的型材上的第一连接座铰接，位移传递杆的另一端通过螺杆与位移放大杆的一端连接，重物设置在位移放大杆的另一端，在位移放大杆的靠近螺杆处通过销轴与支架连接，所述的支架固定在长方体框架的上部的型材上，所述的位移放大杆设置在位移传递杆的正上方。
进一步的，所述纤维复合材料筋的两端均通过钢管进行锚固，每个钢管与一第二连接座固接，上部的第二连接座与位移传递杆连接，下部的连接座与长方体框架的下方的型材连接。
进一步的，所述的钢管外部设有螺纹段，相应的所述的连接座上设有螺纹孔，所述的钢管的螺纹段旋入第二连接座的螺纹孔内设置。
进一步的，重物与销轴之间的水平距离和销轴与螺杆之间的水平距离的比值为7：1。
进一步的，沿长方体框架的长度方向上平行设置多根纤维复合材料筋，且每根纤维复合材料筋均与一储液仓配合，相邻储液仓之间通过管路串联，每根纤维复合材料筋的上部也对应设置一位移传递杆、一位移放大杆和重物。
进一步的，所有的管路连接处均缠绕密封胶条。
进一步的，所述恒温恒湿箱内为自来水。
进一步的，所述螺杆为花篮螺丝。
进一步的，所述水泵设置在烧杯内。
一种纤维复合材料腐蚀-蠕变耦合的试验方法，该方法采用本发明所述的腐蚀-蠕变耦合试验装置对纤维复合材料筋进行试验，该方法包括以下步骤：
步骤1、将纤维复合材料筋的底端固定在长方体框架底部的型材上，将纤维复合材料筋的顶端固定在位移传递杆的一端，在纤维复合材料筋适当位置安装储液仓；
步骤2、将进水管一端与水泵连接，另一端连接储液仓，将出水管的一端与储液仓连通，另一端伸入装有腐蚀溶液的烧杯内；
步骤3、将装有腐蚀溶液的烧杯放入恒温恒湿箱内，恒温恒湿箱内装自来水，水位高度应高于烧杯内腐蚀溶液的高度；
步骤4、将水泵以及出水管的自由端放入腐蚀溶液中，形成水泵-进水管-储液仓-出水管循环回路；
步骤5、根据筋力学性能，计算加载所需重物质量，加载重物；根据所需环境调节温湿环境箱温度；
步骤6、通过千分表位移测得纤维复合材料筋的蠕变位移。
相对于现有技术，本发明所述的用于实现纤维复合材料腐蚀-蠕变耦合的试验装置具有以下优势：
本发明所述的用于实现纤维复合材料腐蚀-蠕变耦合的试验装置，
1、通过重物加载方式实现长期蠕变荷载的施加，荷载稳定且操作简便。
2、通过水泵泵送溶液实现循环，通过设置水泵功率调节水流速度和压力，使溶液温度保持稳定，并能有效防止腐蚀溶液溢出。
3、通过设计串联管线，可实现同时对多组纤维复合材料筋施加高温-腐蚀环境。
4、通过调节重物质量、温湿环境箱温度、腐蚀溶液种类，可以完成不同温度条件下的腐蚀-蠕变耦合加速试验。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明实施例所述的用于实现纤维复合材料腐蚀-蠕变耦合的试验装置的结构示意图；
图2为本发明实施例所述的腐蚀系统的结构示意图；
图3为千分表安装位置示意图；
图4为本发明实施例所述的用于实现纤维复合材料腐蚀-蠕变耦合的试验装置的立体结构示意图。
附图标记说明：
1-长方体框架，2-纤维符合材料筋，3-储液仓，4-重物，5-进水管，6-恒温恒湿箱，7-出水管，8-烧杯，9-水泵，10-腐蚀溶液，11-位移传递杆，12-位移放大杆，13-第一连接座，14-螺杆，15-支架，16-钢管，17-第二连接座，18-千分表，19-上夹头，20-下夹头。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
如图1-图4所示，一种用于实现纤维复合材料腐蚀-蠕变耦合的试验装置，包括腐蚀系统和蠕变系统，所述的腐蚀系统包括储液仓3、恒温恒湿箱6、进水管5、出水管7、装有腐蚀溶液10的烧杯8和水泵9，所述的储液仓3用于模拟腐蚀环境并固定在纤维复合材料筋2上，所述的纤维复合材料筋2的上下两端均伸出储液仓3设置，在储液仓3外部设有一测量储液仓3内的纤维复合材料筋2蠕变位移的千分表18，进水管5的一端与水泵9连接，另一端与储液仓3的上部连通，出水管7的一端与储液仓3的下部连通，另一端伸入装有腐蚀溶液10的烧杯8内；水泵9将烧杯8中的腐蚀溶液10经进水管5通入到储液仓3内，所述的烧杯8设置在恒温恒湿箱6内，恒温恒湿箱6内的水位高于烧杯8内的腐蚀溶液10的水位；
所述的蠕变系统包括位移传递杆11、位移放大杆12、重物4和由型材焊接的长方体框架1，所述的纤维复合材料筋2的下端固定在长方体框架1的底部的型材上，上端与位移传递杆11的一端连接，连接纤维复合材料筋2的位移传递杆11的一端与固定设置的位移传递杆11的上方的型材上的第一连接座13铰接，位移传递杆11的另一端通过螺杆14与位移放大杆12的一端连接，重物4设置在位移放大杆12的另一端，在位移放大杆12的靠近螺杆14处通过销轴与支架15连接，所述的支架15固定在长方体框架1的上部的型材上，所述的位移放大杆12设置在位移传递杆11的正上方。
纤维复合材料筋2的两端均通过钢管16进行锚固，每个钢管16与一第二连接座17固接，上部的第二连接座17与位移传递杆11铰接连接，下部的第二连接座17与长方体框架1的下方的型材铰接连接。
所述的钢管16外部设有螺纹段，相应的所述的第二连接座17上设有螺纹孔，所述的钢管16的螺纹段旋入第二连接座17的螺纹孔内设置。
位移放大杆12上，重物4与销轴之间的水平距离和销轴与螺杆14之间的水平距离的比值根据纤维复合材料筋2的力学性能和重物的质量确定，例如可以为7:1。
沿长方体框架1的长度方向上平行设置多根纤维复合材料筋2，且每根纤维复合材料筋2均与一储液仓3配合，相邻储液仓3之间通过管路串联，每根纤维复合材料筋2的上部也对应设置一位移传递杆11，一位移传递杆11对应一位移放大杆12，一位移放大杆12上相应位置处设置重物4，本试验装置能够同时对多组纤维复合材料筋2进行试验，且重物4加载平稳，特别适用于周期长的试验。
所有的管路连接处均缠绕密封胶条。所述恒温恒湿箱6内为自来水。所述螺杆14为花篮螺丝。所述水泵9设置在烧杯8内。
千分表18固定在上夹头19上，千分表18的触头抵在下夹头20上，上夹头19和下夹头20均固定在纤维复合材料筋2上，当纤维复合材料筋2在重物4作用下发生蠕变时，上夹头19与下夹头20之间的距离变大，从而使得千分表18的触头伸长后抵在下夹头20上，从而从千分表18的表盘上读出蠕变位移。
一种纤维复合材料腐蚀-蠕变耦合的试验方法，该方法采用本发明所述的腐蚀-蠕变耦合试验装置对纤维复合材料筋进行试验，该方法包括以下步骤：
步骤1、将纤维复合材料筋2的底端固定在长方体框架1底部的型材上，将纤维复合材料筋2的顶端固定在位移传递杆11的一端，在纤维复合材料筋2适当位置安装储液仓3；
步骤2、将进水管5一端与水泵9连接，另一端连接储液仓3，将出水管7的一端与储液仓3连通，另一端伸入装有腐蚀溶液10的烧杯8内；
步骤3、将装有腐蚀溶液的烧杯8放入恒温恒湿箱6内，恒温恒湿箱内装自来水，水位高度应高于烧杯内腐蚀溶液的高度；
步骤4、将水泵9以及出水管7的自由端放入腐蚀溶液中，形成水泵9-进水管5-储液仓3-出水管7循环回路；
步骤5、根据筋力学性能，计算加载所需重物4质量，施加重物4加载，重物4的加载力依次经过位移放大杆12、螺杆14和位移传递杆11加载到纤维复合材料筋2上，为纤维复合材料筋2提供蠕变力；根据所需环境调节温湿环境箱6温度；
步骤6、通过千分表18测得纤维复合材料筋2的蠕变位移。
本试验装置旨在保证不改变产品失效机理的前提下,通过提高试验温度,使复合材料加速失效,以便在较短时间内通过千分表获得复合材料在腐蚀环境下的变形,以及腐蚀-蠕变耦合环境作用后的残余强度等力学性能，来评估复合材料在正常条件下的可靠性和寿命指标，这些指标将指导纤维增强复合材料在混凝土结构中的应用。
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。

Claims (10)

1.一种用于实现纤维复合材料腐蚀-蠕变耦合的试验装置，其特征在于：包括腐蚀系统和蠕变系统，所述的腐蚀系统包括储液仓(3)、恒温恒湿箱(6)、进水管(5)、出水管(7)、装有腐蚀溶液(10)的烧杯(8)和水泵(9)，所述的储液仓(3)用于模拟腐蚀环境并固定在纤维复合材料筋(2)上，所述的纤维复合材料筋(2)的上下两端均伸出储液仓(3)设置，在储液仓(3)外部设有一测量储液仓(3)内的纤维复合材料筋(2)蠕变位移的千分表(18)，进水管(5)的一端与水泵(9)连接，另一端与储液仓(3)的上部连通，出水管(7)的一端与储液仓(3)的下部连通，另一端伸入装有腐蚀溶液(10)的烧杯(8)内；水泵(9)将烧杯(8)中的腐蚀溶液(10)经进水管(5)通入到储液仓(3)内，所述的烧杯(8)设置在恒温恒湿箱(6)内，恒温恒湿箱(6)内的水位高于烧杯(8)内的腐蚀溶液(10)的水位；
所述的蠕变系统包括位移传递杆(11)、位移放大杆(12)、重物(4)和由型材焊接的长方体框架(1)，所述的纤维复合材料筋(2)的下端固定在长方体框架(1)的底部的型材上，上端与位移传递杆(11)的一端连接，连接纤维复合材料筋(2)的位移传递杆(11)的一端与固定设置的位移传递杆(11)的上方的型材上的第一连接座(13)铰接，位移传递杆(11)的另一端通过螺杆(14)与位移放大杆(12)的一端连接，重物(4)设置在位移放大杆(12)的另一端，在位移放大杆(12)的靠近螺杆(14)处通过销轴与支架(15)连接，所述的支架(15)固定在长方体框架(1)的上部的型材上，所述的位移放大杆(12)设置在位移传递杆(11)的正上方。
2.根据权利要求1所述的用于实现纤维复合材料腐蚀-蠕变耦合的试验装置，其特征在于：所述纤维复合材料筋(2)的两端均通过钢管(16)进行锚固，每个钢管(16)与一第二连接座(17)固接，上部的第二连接座(17)与位移传递杆(11)连接，下部的连接座(17)与长方体框架(1)的下方的型材连接。
3.根据权利要求2所述的用于实现纤维复合材料腐蚀-蠕变耦合的试验装置，其特征在于：所述的钢管(16)外部设有螺纹段，相应的所述的连接座(17)上设有螺纹孔，所述的钢管(16)的螺纹段旋入第二连接座(17)的螺纹孔内设置。
4.根据权利要求1所述的用于实现纤维复合材料腐蚀-蠕变耦合的试验装置，其特征在于：重物(4)与销轴之间的水平距离和销轴与螺杆(14)之间的水平距离的比值为7:1。
5.根据权利要求1所述的用于实现纤维复合材料腐蚀-蠕变耦合的试验装置，其特征在于：沿长方体框架(1)的长度方向上平行设置多根纤维复合材料筋(2)，且每根纤维复合材料筋(2)均与一储液仓(3)配合，相邻储液仓(3)之间通过管路串联，每根纤维复合材料筋(2)的上部也对应设置一位移传递杆、一位移放大杆和重物。
6.根据权利要求5所述的用于实现纤维复合材料腐蚀-蠕变耦合的试验装置，其特征在于：所有的管路连接处均缠绕密封胶条。
7.根据权利要求1所述的用于实现纤维复合材料腐蚀-蠕变耦合的试验装置，其特征在于：所述恒温恒湿箱内为自来水。
8.根据权利要求1所述的用于实现纤维复合材料腐蚀-蠕变耦合的试验装置，其特征在于：所述螺杆(14)为花篮螺丝。
9.根据权利要求1所述的用于实现纤维复合材料腐蚀-蠕变耦合的试验装置，其特征在于：所述水泵(9)设置在烧杯(8)内。
10.一种纤维复合材料腐蚀-蠕变耦合的试验方法，其特征在于：该方法采用权利要求1-9任一项所述的腐蚀-蠕变耦合试验装置对纤维复合材料筋进行试验，该方法包括以下步骤：
步骤1、将纤维复合材料筋(2)的底端固定在长方体框架(1)底部的型材上，将纤维复合材料筋(2)的顶端固定在位移传递杆(11)的一端，在纤维复合材料筋(2)适当位置安装储液仓(3)；
步骤2、将进水管(5)一端与水泵(9)连接，另一端连接储液仓(3)，将出水管(7)的一端与储液仓(3)连通，另一端伸入装有腐蚀溶液(10)的烧杯(8)内；
步骤3、将装有腐蚀溶液的烧杯(8)放入恒温恒湿箱(6)内，恒温恒湿箱内装自来水，水位高度应高于烧杯内腐蚀溶液的高度；
步骤4、将水泵(9)以及出水管(7)的自由端放入腐蚀溶液中，形成水泵(9)-进水管(5)-储液仓(3)-出水管(7)循环回路；
步骤5、根据筋力学性能，计算加载所需重物(4)质量，加载重物(4)；根据所需环境调节温湿环境箱(6)温度；
步骤6、通过千分表(18)测得纤维复合材料筋(2)的蠕变位移。
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