测试土工合成材料蠕变性能的试验设备及试验方法与流程

本发明属于土工合成材料测试技术领域，尤其涉及一种测试土工合成材料蠕变性能的试验设备及试验方法。

背景技术：

在加筋土结构中，由于受到加筋结构物沉降变形的影响，置于土体中的土工合成材料长期处于拉伸状态。土工合成材料的应变会随着时间增加而增长，这种现象我们称之为蠕变。当土工合成材料蠕变变形过大，会使加筋土结构内部的应力重新分布，可能造成加筋土结构的变形过大而失稳或无法继续使用。因此，将土工合成材料的蠕变变形控制在设计使用年限内，对结构稳定至关重要。目前测试土工合成材料蠕变特性的试验方法主要包括两种：一种是依据规范在常规条件下测试土工合成材料蠕变变形试验方法，另一种是基于温度加速聚合物蠕变的时温叠加法试验方法。

常规条件下测试土工合成材料蠕变变形试验方法，是将土工合成材料在恒定静荷载下进行拉伸，拉伸时间由加筋结构物使用年限决定。由于土工合成材料多数为黏弹性材料，其物理性能强烈的依赖于时间，在外推长期蠕变变形时，规范规定不允许进行超过一个数量级的外推。因此，若加筋结构物使用年限为50~100年，则需要测试加筋材料在恒定静荷载下拉伸5~10年的蠕变变形，即使加筋结构物使用年限为10年，也需要测试10000h。显然，常规条件下测试土工合成材料蠕变变形试验，耗时长，能耗高，试验要求较高，一旦试验中间发生停电或者其他突发情况，便无法进行试验，与现有的快速的材料开发和运用计划不兼容。

时温叠加法是升高温度能够加速聚合物材料蠕变，此试验方法是将多组加筋材料试样放置在不同温度环境下，进行恒定静载下的短期拉伸蠕变试验，然后通过移动不同温度下的测试蠕变变形曲线来构建在基准温度下的蠕变主曲线。与常规条件下的蠕变试验相比，时温叠加法能够大幅度的减少蠕变试验时间，缩短试验周期。但是，时温叠加法测试蠕变变形需要多组试样，若每个温度下为一组，一组至少需要三个样本，这样就会引起较大的测量误差，较长的试验持续时间和较高的成本。

因此，需要研发一种快速测试土工合成材料蠕变特性的设备和方法解决以下技术问题：

1、现有土工合成材料蠕变试验持续时间长，能耗和成本高问题，与现有的快速的材料开发和运用计划不兼容问题。

2、采用时温叠加法和常规测试法时样本多，测量时间长而引起的较大测量误差。

3、现有试验设备精度低，无法满足分级等温法的试验的温度控制加载条件等问题。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种测试土工合成材料蠕变性能的试验设备及试验方法，能够快速测试土工合成材料的蠕变性能,也可以测试不同温度下的土工合成材料蠕变特性,操作简单方便，成本低,测试效率高，测试精度高。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：

一种测试土工合成材料蠕变性能的试验设备，包括主控箱、试样夹持装置、杠杆加载装置和用于控制土工合成材料试验样条温度的温控箱，所述试样夹持装置能够夹持多个试验样条并设置于温控箱内，所述杠杆加载装置设置于温控箱的外部，所述杠杆加载装置的前部与试样夹持装置相连、尾部与用于对试验样条加载的加载托盘相连；所述温控箱设置于底座上，所述底座内设有多个用于检测试验样条蠕变性能的测量元件；所述主控箱与温控箱、测量元件电连接。

优选的，所述杠杆加载装置包括支撑架和多个并列设置的杠杆，所述杠杆横跨于温控箱的顶部，所述杠杆设置于支撑架上，所述支撑架设置于温控箱的外侧；所述试样夹持装置和加载托盘的数量与杠杆的数量相对应，所述杠杆的前部与对应的试样夹持装置相连、尾部与对应的加载托盘相连。

优选的，所述试样夹持装置为三组，所述加载托盘及杠杆的数量均为三个；所述支撑架包括横梁及其两侧的支柱，所述横梁垂直于杠杆，三个杠杆均与横梁转动连接。

优选的，所述试样夹持装置包括用于夹持试验样条上下端的上夹具和下夹具，所述上夹具通过连杆与杠杆相连，所述下夹具与滑杆相连，所述滑杆的下端设置于底座内，所述滑杆与底座内的测量元件相连。

优选的，所述底座与温控箱之间设有用于对温控箱升温的加热器和用于对温控箱降温的制冷机；所述温控箱包括箱门和中空的壳体，所述壳体内壁设有隔热层，所述箱门上设有观察窗，所述观察窗与温控箱内的试验样条相对应；所述温控箱后部设有温度监控柜，所述温度监控柜的侧面设有温度控制面板，所述加热器和制冷机均与温度监控柜电连接；所述温度监控柜与主控箱电连接。

优选的，多个测量元件分别为温度传感器、形变传感器和电子伸长计；所述温度传感器、形变传感器和电子伸长计均与主控箱电连接。

进一步的，所述隔热层填充聚氨酯发泡塑料，所述温控箱内设有照明设施。

本发明还提供一种测试土工合成材料蠕变性能的试验方法，应用上述测试土工合成材料蠕变性能的试验设备，对土工合成材料的试验样条进行蠕变性能的测试，包括以下步骤：

第一阶段，利用试样夹持装置将试验样条夹持在温控箱内的试验测试温度下静置12-24h，步骤如下：

a、裁剪土工合成材料的试验样条，将试验样条夹持在上夹具与下夹具之间，关闭温控箱的箱门；

b、启动温度监控柜，控制温控箱内温度至试验所需温度，使试验样条在该温度下静置24小时；

第二阶段，对试验样条加载并分级提升温控箱内温度：

c、在主控制箱的面板上设置试验参数，试验参数包括荷载、试验时间、初始张力和温度，在加载托盘上放置试验方案所需荷载；

d、在主控制箱的面板上按下启动按钮，杠杆加载装置的杠杆与以温控箱顶部的横梁为支点，砝码放到加载托盘上，通过杠杆前部的上夹具对样条施加拉力，样条的下端夹持在下夹具上，下夹具移动，上夹具通过杠杆开始进行加载，达到试验方案所需荷载后，记录数据；

e、分级升高温控箱的温度，每级温度下试验样条拉伸时间相同，并且每级提升温度温差相等，记录试验样条伸长率随时间的变化量；

f、试验完成后，在主控制箱的面板上按下结束按钮，杠杆加载装置停止加载，打开试样夹持装置，取下试验样条。

g、将主控箱上的测试数据输送至计算机，完成数据的传输与处理。

优选的，在第二阶段的步骤d中，数据记录的最小速率不低于每秒两个读数。

优选的，在第一阶段的步骤b和第二阶段的步骤e中，温控箱内温度在两分钟内提升15°c，温控箱内温度误差范围在±1°c以内；用于聚酯土工合成材料试验样条的每级温差不应超过14°c，聚烯烃土工合成材料的每级温差不应超过7°c。

优选的，在第二阶段的步骤e中，每级温度等温停留时间不应小于10000秒，试验样条在断裂前，试验样条在温控箱内的总时间不得少于60000秒。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：利用本发明能够实现分级等温法测试土工合成材料的蠕变变形，具体有益效果如下：

1、缩短土工合成材料蠕变试验时间，大幅度降低能耗，有效的降低试验成本，与现有的快速的材料开发和运用计划相兼容。

2、消除了由于多次测试多个样本产生的测量误差，更加精确地测试土工合成材料蠕变变形。

3、能够进行连续升温或者降温，实现运用分级等温测试土工合成材料蠕变变形，试验周期短，效率高，能耗低。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1是本发明实施例提供的一种测试土工合成材料蠕变性能的试验设备的结构示意图；

图2是图1的右视图；

图中：1、主控制箱；2、箱门；3、杠杆加载装置；31、支撑架；32、杠杆；33、横梁；34、支柱；4、上夹具；5、观察窗口；6、底座；7、温度控制面板；8、加载托盘；9、下夹具；10、温控箱；11、连杆；12、温度监控柜。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1、2所示的一种测试土工合成材料蠕变性能的试验设备，包括主控箱1、试样夹持装置、杠杆加载装置3和用于控制土工合成材料试验样条温度的温控箱10，所述试样夹持装置能够夹持多个试验样条并设置于温控箱10内，所述杠杆加载装置3设置于温控箱10的外部，所述杠杆加载装置3的前部与试样夹持装置相连、尾部与用于对试验样条加载的加载托盘8相连；所述温控箱10设置于底座6上，所述底座6内设有多个用于检测试验样条蠕变性能的测量元件，分别为显示温控箱内温度的温度传感器、用于测量试验样条蠕变性能的形变传感器及电子伸长计等；所述主控箱1与温控箱10、测量元件电连接。

作为一种优选方案，所述杠杆加载装置3包括支撑架31和多个并列设置的杠杆32，所述杠杆32横跨于温控箱10的顶部，所述杠杆32设置于支撑架31上，所述支撑架31设置于温控箱10的外侧；所述试样夹持装置和加载托盘8的数量与杠杆32的数量相对应，所述杠杆32的前部与对应的试样夹持装置相连、尾部与对应的加载托盘8相连，所述加载托盘8通过连接件与杠杆的尾部相连，所述加载托盘8上放置砝码。杠杆以与支撑架相交点为支点，通过在加载托盘上放置砝码，实现对试验样条的加载。其中，杠杆为三个，三个杠杆均与横梁转动连接。

为了方便支撑杠杆，所述支撑架31包括横梁33及其两侧的支柱34，所述横梁33垂直于杠杆32、且与杠杆32转动连接；所述支柱为六个，六个支柱分三组并列设置，中部的两个支柱顶部通过横梁相连，前部的两个支柱靠近中部的两个支柱，前部两个支柱和后部两个支柱顶部均设有辅助梁，辅助梁的高度低于中部横梁的高度，避免杠杆前后翘动幅度过大。

如图1、2所示，所述试样夹持装置包括用于夹持试验样条上下端的上夹具4和下夹具9，所述上夹具4通过连杆11与杠杆32相连，所述下夹具9与滑杆相连，所述滑杆的下端设置于底座6内，所述滑杆与底座6内的测量元件相连。其中，上夹具4和下夹具9的结构相同，均包括上夹板和下夹板，上夹板与下夹板固定于螺钉上，且上夹板与下夹板的相对面上均设有凹凸嵌合结构，试验样条的端部内置于凹槽内，利用螺钉进行紧固，以便夹持固定试验样条。下夹具下端的滑杆与移动机构相连，移动机构由电机驱动，借助电机在底座内移动，方便调整下夹具的位置，保证试验样条处于垂直状态。

在本发明的一个具体实施例中，所述底座6与温控箱10之间设有用于对温控箱升温的加热器和用于对温控箱降温的制冷机，通过加热器对温控箱进行升温；将通有制冷剂的盘管铺设有温控箱下方，通过制冷机对温控箱进行降温。所述温控箱10后部设有温度监控柜12，所述温度监控柜12的侧面设有温度控制面板7，所述加热器和制冷机均与温度监控柜12电连接，用于控制并显示温控箱内温度；所述温度监控柜12与主控箱1电连接。

所述温控箱10包括箱门2和中空的壳体，箱门和壳体均采用冷轧钢板制作而成；所述壳体内壁设有隔热层，隔热层内填充聚氨酯发泡塑料，避免温控箱内外空气进行热交换；所述箱门2上设有三个观察窗5，所述观察窗5与温控箱10内的试验样条相对应，同时在温控箱内安装照明灯，方便观察温控箱内试验情况。

本发明还提供一种测试土工合成材料蠕变性能的试验方法，应用上述测试土工合成材料蠕变性能的试验设备，对土工合成材料的试验样条进行蠕变性能的测试，包括以下步骤：

第一阶段，利用试样夹持装置将试验样条夹持在温控箱10内的试验测试温度下静置12-24h，优选24h，具体步骤如下：

a、按试验规范要求裁剪土工合成材料的试验样条，通过主控制箱1调节上侧夹具4和下侧夹具9间距，满足试验样条长度，将试验样条夹持在上夹具与下夹具之间，关闭温控箱10的箱门2。

b、启动温度监控柜12，在温度控制面板7上设置试验所需温度，在温控箱10温度达到所需温度时，使试验样条在该温度下静置24小时。

第二阶段，对试验样条加载并分级提升温控箱内温度：

c、在主控箱1的面板上设置试验参数，试验参数包括荷载、试验时间、初始张力和温度等数值，然后在加载托盘上放置试验方案所需的荷载砝码数量。

d、在主控箱1的面板上按下启动按钮，杠杆加载装置的杠杆与以温控箱顶部的横梁为支点，砝码放到加载托盘上，通过杠杆前部的上夹具对样条施加拉力，样条的下端夹持在下夹具上，下夹具移动，上夹具通过杠杆开始进行加载，达到试验方案所需荷载后，开始记录数据；数据采集和记录时间和试验样条伸长率数据的最小速率不低于每秒两个读数，试验样条所受荷载通过杠杆加载装置中砝码自重产生，不需要定期测量荷载值。

e、分级升高温控箱10的温度，记录试验样条伸长率随时间的变化数据；每级温度下试验样条拉伸时间相同，并且每级提升温度温差相等；每级等温停留时间不应小于10000秒，试验在断裂前，试验样条在温控箱内的总时间不得少于60000秒。

f、试验完成后，在主控制箱1的面板上按下结束按钮，杠杆加载装置停止加载，打开试样夹持装置并将下夹具下降至试验前位置，取下试验样条。

g、通过主控箱1上数据与输出装置上的usb数据线接口与计算机链接，为了方便可使用笔记本电脑，将试验数据传输至笔记本电脑，或者直接将试验数据通过配带的打印机打印输出，完成数据的传输与处理。

h、关闭电源，擦拭温控箱10内壁，检修试验设备。

注意：在步骤b和步骤e中，温度监控柜12可实现两分钟内提升温度15°c，温控箱内温度误差范围在±1°c以内；用于聚酯土工合成材料的每级温差不应超过14°c，聚烯烃土工合成材料的每级温差不应超过7°c。

在上面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受上面公开的具体实施例的限制。