CN112630129B - 一种frp材料的侵蚀扩散深度的测量装置 - Google Patents

一种frp材料的侵蚀扩散深度的测量装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种FRP材料的侵蚀扩散深度的测量装置。该测量装置包括：FRP试样、隔水密封层和浓度检测阵列；所述FRP试样的下端的外表面的预设区域内涂覆有防水涂层，形成隔水密封层；所述隔水密封层的底端的中部设置有预设的侵蚀区域；所述侵蚀区域的外表面未涂覆防水涂层；所述侵蚀区域为具有预设面积的半圆形；所述浓度检测阵列设置在所述隔水密封层的上方；所述浓度检测阵列包括多个检测器；所述多个检测器均匀地预埋在所述FRP试样中，用于检测侵蚀液体的浓度。应用本发明可以直观、方便地观测FRP材料的侵蚀扩散深度。

Description

一种FRP材料的侵蚀扩散深度的测量装置
技术领域
本申请涉及土木工程技术领域，尤其涉及一种FRP材料的侵蚀扩散深度的测量装置。
背景技术
纤维增强复合材料(Fiber Reinforced Plastic，FRP)材料作为一种新型材料，具有轻度高、质量轻、耐久性好等优点，在航空航天、建筑结构、海洋工程、核电工程等领域已经得到了广泛的应用。随着FRP材料的应用领域越来越广，所涉及的环境也越来越恶劣。研究人员发现，虽然FRP材料具有很好的耐久性能，但是在高温、海水、干湿循环、酸碱盐等复杂恶劣环境下依旧会发生不同程度的侵蚀和老化，从而严重影响FRP材料的使用性能。
FRP材料和结构由两部分构成：主要受力部分的纤维和粘结固定纤维的环氧树脂基体，两者均为高分子化合物，在酸、碱等环境下高分子化合物的长链会断开分解成小分子化合物，从而侵蚀FRP材料。随着FRP材料的普及，其在加固翻新以及新建结构中的应用越来越多，随之发现的耐久性问题也越来越多，因此急需研究人员完善FRP材料耐久性的理论基础。
目前，国内外许多学者都对FRP材料的耐久性能进行了试验及理论研究，但其研究思路均是将试件完全置于恶劣环境下，待试件老化后再测量力学性能，并通过极限强度、弹性模量、延伸率等参数间接地研究FRP材料的侵蚀情况，不能够从直观上反映FRP材料的侵蚀情况，也无法准确地测量FRP材料侵蚀老化深度。而要从侵蚀的本质上去研究FRP材料的耐久性，仅仅通过极限强度、弹性模量等力学性能难以得到直观的FRP材料侵蚀深度数据。因此，上述问题的出现为FRP材料耐久性理论研究带来了困难，限制了FRP材料及其结构的应用与发展。因此，亟需提出一种能够直观观测FRP材料侵蚀扩散深度的试验装置。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种FRP材料的侵蚀扩散深度的测量装置，从而可以直观、方便地观测FRP材料的侵蚀扩散深度。
本发明的技术方案具体是这样实现的：
一种FRP材料的侵蚀扩散深度的测量装置，该测量装置包括：FRP试样、隔水密封层和浓度检测阵列；
所述FRP试样的下端的外表面的预设区域内涂覆有防水涂层，形成隔水密封层；
所述隔水密封层的底端的中部设置有预设的侵蚀区域；所述侵蚀区域的外表面未涂覆防水涂层；所述侵蚀区域为具有预设面积的半圆形；
所述浓度检测阵列设置在所述隔水密封层的上方；
所述浓度检测阵列包括多个检测器；
所述多个检测器均匀地预埋在所述FRP试样中，用于检测侵蚀液体的浓度。
较佳的，所述浓度检测阵列为化学显色阵列；所述检测器为化学显色探针；
所述化学显色探针，用于根据检测到的侵蚀液体的浓度显示相应的颜色。
较佳的，所述化学显色探针包括：底板、显色剂、毛细板、保护层和成像装置；
所述保护层垂直设置在所述底板的上表面；
所述保护层和所述底板所围成的空腔中设置有多块毛细板；
所述多块毛细板垂直设置在所述底板的上表面；
所述多块毛细板之间填充有显色剂；
所述成像装置覆盖在所述保护层的顶部。
较佳的，所述显色剂为酚酞或紫色石蕊。
较佳的，所述成像装置包括：凸透镜和成像面；
所述凸透镜用于汇集光线，并在成像面上成像。
较佳的，所述浓度检测阵列为电信号阵列；所述检测器为电信号探针；
所述电信号探针，用于根据检测到的侵蚀液体的浓度输出相应的电信号。
较佳的，所述电信号探针包括：外壳、吸水膨胀材料和应变片；
所述外壳上设置有透水部；所述外壳内侧的顶部和底部分别设置有正电极和负电极；所述外壳的外侧设置有两个接头；所述正电极和负电极分别与所述两个接头电连接；
所述吸水膨胀材料设置在所述外壳内部；
所述应变片包裹在所述吸水膨胀材料的外侧，且所述应变片的两端分别所述外壳内侧的正电极和负电极连接。
较佳的，所述吸水膨胀材料为氧化钙、氧化镁或无水硫酸铜。
较佳的，所述FRP试样包括：FRP纤维布和基体树脂。
较佳的，所述FRP纤维布所使用的纤维是玻璃纤维、碳纤维、玄武岩纤维、芳纶纤维、植物纤维中的任意一种或多种。
如上可见，在本发明中的FRP材料的侵蚀扩散深度的测量装置中，由于在FRP试样上设置了隔水密封层，并在隔水密封层的底端中部设置了侵蚀区域，因此可以使得侵蚀液体仅在上述的侵蚀区域与FRP试样直接接触，而在其它区域则并不与FRP试样直接接触，因而可以形成点源扩散或线源扩散，并形成特定的扩散区域及扩散路径。另外，由于在上述隔水密封层的上方还预先埋设了多个检测器，形成了浓度检测阵列，因此还可以通过各个检测器检测得到在FRP试样内部扩散的侵蚀液体的浓度，从而可以直观地反映出酸、碱等侵蚀液体在侵蚀FRP材料后的侵蚀区域的形状和形成过程，以直观地反映侵蚀溶液在FRP试件中的传递和分布，以及FRP试样内部的侵蚀液体的浓度分布，直观地反映侵蚀液体在FRP材料中的扩散规律。
附图说明
图1为本发明实施例中的FRP材料的侵蚀扩散深度的测量装置的结构示意图。
图2为图1的A-A剖面示意图。
图3为图1的B-B剖面示意图。
图4为本发明实施例中的化学显色探针的正视图。
图5为本发明实施例中的化学显色探针的俯视图。
图6为本发明实施例中的电信号探针的正视图。
图7为图6的A-A剖面示意图。
具体实施方式
为使本发明的技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明实施例中的FRP材料的侵蚀扩散深度的测量装置的结构示意图。图2为图1的A-A剖面示意图。图3为图1的B-B剖面示意图。
如图1～图3所示，本发明实施例中的FRP材料的侵蚀扩散深度的测量装置包括：FRP试样11、隔水密封层12和浓度检测阵列13；
所述FRP试样11的下端的外表面的预设区域内涂覆有防水涂层，形成隔水密封层12；
所述隔水密封层12的底端设置有预设的侵蚀区域14；所述侵蚀区域14的外表面未涂覆防水涂层；
所述浓度检测阵列13设置在所述隔水密封层12的上方；
所述浓度检测阵列13包括多个检测器；
所述多个检测器均匀地预埋在所述FRP试样11中，用于检测侵蚀液体的浓度。
另外，在本发明的技术方案中，可以根据实际应用环境的需要，预先设置上述侵蚀区域的位置、大小或形状，以形成合适的点源侵蚀区域或线源侵蚀区域。
例如，作为示例，在本发明的一个较佳的具体实施例中，所述侵蚀区域可以是具有预设面积的半圆形。该半圆形的侵蚀区域可以作为合适的点源侵蚀区域。
再例如，作为示例，在本发明的一个较佳的具体实施例中，所述侵蚀区域设置在所述隔水密封层的底端的中部。
在制作上述FRP材料的侵蚀扩散深度的测量装置时，可以先根据所需测试的FRP材料制作相应规格的FRP试样(例如，FRP试样的大小可以为10cm*10cm等规格)；然后，在FRP试样的预设区域的外表面上均匀涂覆防水涂层，形成隔水密封层，以防止侵蚀液体在隔水密封层处与FRP试样直接接触。而在涂覆防水涂层时，仅在隔水密封层所在区域(即FRP试样的下端的外表面的预设区域)内涂覆防水涂层，而在所述隔水密封层的底端中部预设区域上并不涂覆防水涂层，以形成侵蚀区域。另外，还将在所述隔水密封层的上方均匀地预埋多个检测器，以形成所述浓度检测阵列。
在使用上述FRP材料的侵蚀扩散深度的测量装置时，可以将上述测量装置上预设的侵蚀区域浸没在侵蚀液体中，并使得所述隔水密封层的一部分或全部也浸没在侵蚀液体中，但侵蚀液体的液面不能超过所述隔水密封层的顶部。由于隔水密封层上涂覆有防水涂层，而侵蚀区域上并未涂覆防水涂层，因此侵蚀液体仅在侵蚀区域与FRP试样直接接触，而在其它区域则并不与FRP试样直接接触。
由于仅侵蚀区域暴露在侵蚀液体中，因此侵蚀液体将只能通过侵蚀区域侵入FRP试样中，从而形成点源扩散或线源扩散，并形成特定的扩散区域及扩散路径。而当侵蚀液体扩散到所述浓度检测阵列中的各个检测器时，则可以通过各个检测器检测得到在FRP试样内部扩散的侵蚀液体的浓度，从而可以直观地反映出酸、碱等侵蚀液体在侵蚀FRP材料后的侵蚀区域的形状和形成过程，以直观地反映侵蚀溶液在FRP试件中的传递和分布，以及FRP试样内部的侵蚀液体的浓度分布，直观地反映侵蚀液体在FRP材料中的扩散规律。
此外，还可以进一步地根据各个检测器检测到的侵蚀液体的浓度，计算得到任意时刻侵蚀液体在FRP试件中的扩散深度，从而可以方便地测量任意时刻FRP材料在酸、碱等侵蚀溶液中的侵蚀深度。
而更进一步的，还可根据各个检测器检测状态的分布形状，结合相关理论知识，分析得到相应的侵蚀溶液在FRP材料中的具体的侵蚀扩散规律。
另外，在本发明的技术方案中，可以使用多种实现方法来实现上述的浓度检测阵列。以下将以其中的几种实现方式为例对本发明的技术方案进行详细的介绍。
例如，作为示例，在本发明的一个较佳的具体实施例中，所述浓度检测阵列为化学显色阵列；所述检测器为化学显色探针；
所述化学显色探针，用于根据检测到的侵蚀液体的浓度显示相应的颜色。
另外，在本发明的技术方案中，也可以使用多种实现方法来实现上述的化学显色探针。
例如，作为示例，如图4和图5所示，在本发明的一个较佳的具体实施例中，所述化学显色探针包括：底板21、显色剂22、毛细板23、保护层24和成像装置25；
所述保护层24垂直设置在所述底板21的上表面；
所述保护层24和所述底板21所围成的空腔中设置有多块毛细板23；
所述多块毛细板23垂直设置在所述底板21的上表面；
所述多块毛细板23之间填充有显色剂22；
所述成像装置25覆盖在所述保护层24的顶部。
在上述化学显色探针中，上述显色剂的主要作用是与侵蚀液体发生反应，并根据侵蚀液体的种类及浓度呈现不同的颜色。因此，通过该显色剂所呈现的颜色，即可获知侵蚀液体的种类和浓度，从而可以直观地反映该化学显色探针所检测到的侵蚀液体。
例如，作为示例，在本发明的一个较佳的具体实施例中，根据侵蚀液体的不同，所述显色剂可以是酚酞、紫色石蕊等与侵蚀溶液反应变色的物质。
另外，上述的毛细板主要作用是吸收外层溶液(即侵蚀液体)，使溶液在探针内部均匀分布，使变色更均匀更迅速。
例如，作为示例，在本发明的一个较佳的具体实施例中，所述毛细板可以由纸、细纤维植物等具有毛细作用的物质制成。
另外，上述的保护层的主要作用为将保护层内的显色剂与FRP试样分隔开，以防止显色剂与FRP试样发生反应而破坏显色剂。
由于显色剂一般是由中性的水溶性物质制成，而上述的保护层可以在侵蚀液体的作用下溶解，且不会影响显色反应。因此，当保护层被侵蚀液体溶解后，所形成的溶液再与显色剂发生显色反应。
例如，作为示例，在本发明的一个较佳的具体实施例中，所述保护层所使用的材料可以是：中性盐壳、淀粉、肥皂膜等材料。
另外，在本发明的技术方案中，可以使用多种实现方法来实现上述的成像装置。
例如，作为示例，在本发明的一个较佳的具体实施例中，所述成像装置可以包括：凸透镜和成像面；
所述凸透镜用于汇集光线，并在成像面上成像。
由于上述成像装置中所使用的是凸透镜，因此可以在成像面上形成放大的像，从而可以便于外界通过该成像装置观察该成像装置下的显色剂所发生的显色反应。
再例如，作为示例，在本发明的一个较佳的具体实施例中，所述浓度检测阵列为电信号阵列；所述检测器为电信号探针；
所述电信号探针，用于根据检测到的侵蚀液体的浓度输出相应的电信号。
另外，在本发明的技术方案中，也可以使用多种实现方法来实现上述的电信号探针。
例如，作为示例，如图6和图7所示，在本发明的一个较佳的具体实施例中，所述电信号探针包括：外壳31、吸水膨胀材料32和应变片33；
所述外壳31上设置有透水部34；所述外壳31内侧的顶部和底部分别设置有正电极35和负电极36；所述外壳31的外侧设置有两个接头37；所述正电极35和负电极36分别与所述两个接头37电连接；
所述吸水膨胀材料32设置在所述外壳31内部；
所述应变片33包裹在所述吸水膨胀材料32的外侧，且所述应变片33的两端分别所述外壳31内侧的正电极35和负电极36连接。
在上述电信号探针中，上述外壳的主要作用是将外壳内的部件与FRP试样分隔开。另外，由于上述外壳上设置有透水部，因此可以通过该透水部吸收FRP试样中的水分(即侵蚀液体中的水分)，具有一定的毛细吸水作用，将外壳外部的水分(即侵蚀液体中的水分)吸收到外壳的内部。外壳内部的吸水膨胀材料的吸收水分后将发生膨胀，因此引起包裹在吸水膨胀材料的外侧的应变片发生形变，使得该应变片的电阻值也随之发生变化。所以，如果将外壳外侧的两个接头与外部相应的检测电路(例如，预先制作的电路板)电连接，则可以通过该检测电路中的电流的变化，获知侵蚀液体的浓度，从而可以直观地反映上述电信号探针内部湿度的变化，直观地反映该电信号探针所检测到的侵蚀液体的浓度。
例如，作为示例，在本发明的一个较佳的具体实施例中，所述外壳的透水部可以由多孔材料渗水材料制成。通过该透水部可以让水分子通过，但所通过的水分子并不与FRP试样发生反应，且具有一定的毛细吸水作用，将外壳外部的水分(即侵蚀液体中的水分)吸收到外壳的内部。
再例如，作为示例，在本发明的一个较佳的具体实施例中，所述吸水膨胀材料可以是氧化钙、氧化镁、无水硫酸铜等可以快速地与水发生反应的物质。
另外，在本发明的技术方案中，可以根据所需检测的对象的不同，采用不同的材料来制作所述FRP试样。
例如，作为示例，在本发明的一个较佳的具体实施例中，所述FRP试样可以包括：FRP纤维布和基体树脂。因此，可以利用基体树脂浸渍FRP纤维布而制成上述的FRP试样。
再例如，作为示例，在本发明的一个较佳的具体实施例中，所述FRP纤维布所使用的纤维可以是：玻璃纤维、碳纤维、玄武岩纤维、芳纶纤维、植物纤维中的任意一种或多种。
再例如，作为示例，在本发明的一个较佳的具体实施例中，所述基体树脂可以是：环氧树脂，酚醛树脂、聚酯树脂、聚酰胺树脂等、不饱和聚酯、乙烯基酯、双马来酰亚胺、聚酰亚胺树脂中的任意一种。
另外，在本发明的技术方案中，可以使用多种实现方法来实现上述的防水涂层。
例如，作为示例，在本发明的一个较佳的具体实施例中，所述防水涂层所使用的材料可以是：玻璃胶、聚四氟乙烯、树脂等隔水性能好，不与侵蚀介质反应的材料。
再例如，作为示例，在本发明的一个较佳的具体实施例中，所述防水涂层所使用的材料可以是：透明隔水材料。该透明隔水材料具有较好的隔水性能，且不与侵蚀介质反应。
另外，在本发明的技术方案中，可以根据实际应用环境的需要，并根据防水涂层所使用的材料的隔水性能，预先设置上述防水涂层的厚度，以确保侵蚀介质在试验期间不会穿透上述防水涂层。
综上所述，在本发明的技术方案中，由于在上述的FRP材料的侵蚀扩散深度的测量装置中，在FRP试样上设置了隔水密封层，并在隔水密封层的底端中部设置了侵蚀区域，因此可以使得侵蚀液体仅在上述的侵蚀区域与FRP试样直接接触，而在其它区域则并不与FRP试样直接接触，因而可以形成点源扩散或线源扩散，并形成特定的扩散区域及扩散路径。另外，由于在上述隔水密封层的上方还预先埋设了多个检测器，形成了浓度检测阵列，因此还可以通过各个检测器检测得到在FRP试样内部扩散的侵蚀液体的浓度，从而可以直观地反映出酸、碱等侵蚀液体在侵蚀FRP材料后的侵蚀区域的形状和形成过程，以直观地反映侵蚀溶液在FRP试件中的传递和分布，以及FRP试样内部的侵蚀液体的浓度分布，直观地反映侵蚀液体在FRP材料中的扩散规律。
由于在本发明中的上述FRP材料的侵蚀扩散深度的测量装置中，利用防水涂层设置了点源侵蚀区域或线源侵蚀区域，因此与现有技术中的完全浸泡试验相比，可以很好地控制FRP材料与侵蚀液体接触的面积，使得侵蚀液体的侵蚀过程更加明确，侵蚀现象更加清晰。
此外，由于在上述FRP材料的侵蚀扩散深度的测量装置中预先设置了浓度检测阵列，因此，当外界的侵蚀液体侵蚀进入FRP试件的内部时，可通过浓度检测阵列的相应变化(例如，显色反应和电信号变化等)清楚地观察侵蚀溶液的具体侵蚀过程。
还可以进一步地根据各个检测器检测到的侵蚀液体的浓度，计算得到任意时刻侵蚀液体在FRP试件中的扩散深度，从而可以方便地测量任意时刻FRP材料在酸、碱等侵蚀溶液中的侵蚀深度，解决了现有技术中FRP材料内部的侵蚀不便检测的问题。
而更进一步的，则还可根据各个检测器检测状态的分布形状，结合相关理论知识，分析得到相应的侵蚀溶液在FRP材料中的具体的侵蚀扩散规律。
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，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。

Claims (8)

1.一种FRP材料的侵蚀扩散深度的测量装置，其特征在于，该测量装置包括：FRP试样、隔水密封层和浓度检测阵列；
所述FRP试样的下端的外表面的预设区域内涂覆有防水涂层，形成隔水密封层；
所述隔水密封层的底端的中部设置有预设的侵蚀区域；所述侵蚀区域的外表面未涂覆防水涂层；所述侵蚀区域为具有预设面积的半圆形；
所述浓度检测阵列设置在所述隔水密封层的上方；
所述浓度检测阵列包括多个检测器；
所述多个检测器均匀地预埋在所述FRP试样中，用于检测侵蚀液体的浓度；
其中，所述浓度检测阵列为化学显色阵列；所述检测器为化学显色探针；
所述化学显色探针，用于根据检测到的侵蚀液体的浓度显示相应的颜色；
或者，所述浓度检测阵列为电信号阵列；所述检测器为电信号探针；
所述电信号探针，用于根据检测到的侵蚀液体的浓度输出相应的电信号。
2.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述化学显色探针包括：底板、显色剂、毛细板、保护层和成像装置；
所述保护层垂直设置在所述底板的上表面；
所述保护层和所述底板所围成的空腔中设置有多块毛细板；
所述多块毛细板垂直设置在所述底板的上表面；
所述多块毛细板之间填充有显色剂；
所述成像装置覆盖在所述保护层的顶部。
3.根据权利要求2所述的测量装置，其特征在于：
所述显色剂为酚酞或紫色石蕊。
4.根据权利要求2所述的测量装置，其特征在于，所述成像装置包括：凸透镜和成像面；
所述凸透镜用于汇集光线，并在成像面上成像。
5.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述电信号探针包括：外壳、吸水膨胀材料和应变片；
所述外壳上设置有透水部；所述外壳内侧的顶部和底部分别设置有正电极和负电极；所述外壳的外侧设置有两个接头；所述正电极和负电极分别与所述两个接头电连接；
所述吸水膨胀材料设置在所述外壳内部；
所述应变片包裹在所述吸水膨胀材料的外侧，且所述应变片的两端分别与所述外壳内侧的正电极和负电极连接。
6.根据权利要求5所述的测量装置，其特征在于：
所述吸水膨胀材料为氧化钙、氧化镁或无水硫酸铜。
7.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于，
所述FRP试样包括：FRP纤维布和基体树脂。
8.根据权利要求7所述的测量装置，其特征在于，
所述FRP纤维布所使用的纤维是玻璃纤维、碳纤维、玄武岩纤维、芳纶纤维、植物纤维中的任意一种或多种。
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