一种防水材料多向拉伸的试验系统及试验方法与流程

本发明属于防水材料力学测试技术领域，更具体地，涉及一种防水材料多向拉伸的试验系统及试验方法。

背景技术：

防水材料由于自身弹性模量较低，实际的工程中需要铺设于垫层之上。在外力的作用下，垫层结构产生形变，铺设于垫层上的防水材料亦随之变形。大多数的工程中变形后的防水材料处于双向拉伸的状态下。因此防水材料的多向拉伸性能关系着整个防渗结构的安全。

目前已有的防水材料双向拉伸实验设备主要有传统的平面十字试样双向拉伸试验，通过正交的两台拉力机来实现对十字形的试样拉伸获取试验的力学特性。该方法简单、直观，但是由于应力集中的问题，中心试验区域很难破坏，同时防水材料拉伸过程中很难实现按照设计的应力路径屈服。

另一种防水材料双向拉伸试验设备是圆筒形设备，通过预先准备的圆筒形试样，通过往试样内加注一定压力的液体或气体，实现试样的鼓胀，在加注液体/气体同时拉伸圆柱体上下两个圆形盖与底，最终实现试样的双向拉伸。该方法可以实现试样中心区域的屈服，且应力应变均可精确测量，但是该方法实验过程中充气方向的变形由应力控制，拉伸的圆柱体上下由应变控制，其应力路径难以精确重现常规工程中防水材料双向受力后的变形。同时由于试验过程中的材料会畸变，导致其应力应变均难以按需加载。

防水材料双向拉伸存在如下两个难点：1防水材料双向拉伸下应变往往超过100％，常规的测试一起很难让防水材料试验区域产生如此巨大的应变。2防水材料试验往往在应力最复杂的区域开始屈服，而应力最复杂的区域往往并非试验中试样的中心试验区域。目前常规的液胀试验一般用于材料的定性判断，基于液胀试验的深入研究往往也是假设试验材料为各项同性且均匀。假设试样在受压变形后为标准正球形。然后由于材料及试验设备的限制，实际的液胀试验在初期基本保持正球形，随着压力的增加，试验试样往往发生畸变，基于正球形的假设会带来不可忽视的误差。因此需要研制一种试验仪器，解决试验过程中试样试验中心指定区域发生屈服破坏，同时又能对试样进行精确分析的仪器及配套试验方法。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种可以实现不同应力路径下防水材料双向拉伸的试验装置及配套力学特性分析方法。

为了实现上述目的，本发明的一方面提供一种防水材料多向拉伸的试验系统，该试验系统包括：试样锚固装置、加压及调节装置、三维扫描仪、厚度测量仪和数据处理装置；

所述试样锚固装置包括：气缸和设置于所述气缸上的法兰盘；用于固定待测试样；

所述加压及调节装置包括：压力提供单元和气压调节单元，所述压力提供单元与气压调节单元连通，所述气压调节单元与所述气缸连通；用于给待测试样提供变形气压；

所述三维扫描仪用于扫描待测试样初始和不同气压下形变后的轮廓，进而获得待测试样的初始和不同气压下形变轮廓方程；

所述厚度测量仪用于测量待测试样的初始和不同气压下形变顶胀最高位置的厚度；

所述数据处理装置基于待测试样中心标记点与最靠近所述中心标记点的标记点之间的距离、待测试样不同气压下形变后的顶胀最高位置的点与最靠近所述顶胀最高位置的点之间的距离、待测试样的初始和不同气压下形变轮廓方程，以及待测试样的初始和不同气压下形变顶胀最高位置的厚度，进行数据处理，获得待测试样在不同气压下的应力和应变值，进而获得待测试样的应力应变曲线。

本发明的另一方面提供一种防水材料多向拉伸的试验方法，利用上述试验系统进行测试，该试验方法包括：

(1)对待测试样进行标记；

(2)将所述待测试样固定于所述试样锚固装置中，测量待测试样的中心标记点和最靠近所述中心标记点的标记点之间的距离，利用所述三维扫描仪扫描待测试样初始轮廓，获得待测试样的初始轮廓方程，利用厚度测量仪测量待测试样的初始厚度；

(3)利用加压及调节装置提供试样初始变形气压，待所述待测试样变形稳定后，利用所述三维扫描仪扫描待测试样形变后的轮廓，进而获得待测试样的形变轮廓方程；测量形变顶胀最高位置的点与最靠近所述形变顶胀最高位置的点之间的距离；利用厚度测量仪测量形变顶胀最高位置的厚度；

(4)调节气压调节单元，增加气压，待所述待测试样变形稳定后，重复步骤(3)中所述的测量，获得步骤(3)所述测量数据；

(5)重复步骤(4)，直至待测试样完全破坏；

(6)基于待测试样中心标记点与最靠近所述中心标记点的标记点之间的距离，待测试样不同气压下形变后的顶胀最高位置的点与最靠近所述顶胀最高位置的点之间的距离，待测试样的初始和不同气压下形变轮廓方程，以及待测试样的初始和不同气压下形变顶胀最高位置的厚度，利用数据处理装置进行数据处理，获得待测试样在不同气压下的应力和应变值，进而获得待测试样的应力应变曲线。

本发明的技术方案具有如下有益效果：

(1)本发明通过对传统气胀实验的测量手段、计算手段的改进，从而实现了测量出试样从形变开始到最终失效破坏的全过程应力应变，解决了传统实验很难精确测量试样失效全过程应力应变的问题。

(2)本发明的方法对于非均匀、非线性、各项异性材料同样具有很强的适用性，解决了传统方法对上述材料进行实验误差偏大的问题。

本发明的其它特征和优点将在随后具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

通过结合附图对本发明示例性实施方式进行更详细的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本发明示例性实施方式中，相同的参考标号通常代表相同部件。

图1示出了根据本发明的气涨拉伸求解示意图。

图2示出了根据本发明的一个实施例的防水材料多向拉伸的试验系统的示意图。

图3示出了根据本发明的一个实施例的防水材料多向拉伸的试验系统的试样锚固装置示意图。

图4示出了根据本发明的一个实施例的防水材料多向拉伸的试验系统的试样锚固装置与三维扫描仪示意图。

附图标记说明：

1、压力提供单元2、气压调节单元3、气缸4、待测试样5、三维扫描仪6、厚度测量仪7、法兰盘

具体实施方式

下面将更详细地描述本发明的优选实施方式。虽然以下描述了本发明的优选实施方式，然而应该理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了使本发明更加透彻和完整，并且能够将本发明的范围完整地传达给本领域的技术人员。

本发明的一方面提供一种防水材料多向拉伸的试验系统，该试验系统包括：试样锚固装置、加压及调节装置、三维扫描仪、厚度测量仪和数据处理装置；

所述试样锚固装置包括：气缸和设置于所述气缸上的法兰盘；用于固定待测试样；

所述加压及调节装置包括：压力提供单元和气压调节单元，所述压力提供单元与气压调节单元连通，所述气压调节单元与所述气缸连通；用于给待测试样提供变形气压；

所述三维扫描仪用于扫描待测试样初始和不同气压下形变后的轮廓，进而获得待测试样的初始和不同气压下形变轮廓方程；

所述厚度测量仪用于测量待测试样的初始和不同气压下形变顶胀最高位置的厚度；

所述数据处理装置基于待测试样中心标记点与最靠近所述中心标记点的标记点之间的距离、待测试样不同气压下形变后的顶胀最高位置的点与最靠近所述顶胀最高位置的点之间的距离、待测试样的初始和不同气压下形变轮廓方程，以及待测试样的初始和不同气压下形变顶胀最高位置的厚度，进行数据处理，获得待测试样在不同气压下的应力和应变值，进而获得待测试样的应力应变曲线。

本发中，试样锚固装置由正圆形法兰盘及配套的气缸组成，试验中防水材料试样通过法兰盘固定在气缸上，加压及调节装置连接气缸，试验中通过调节不同气压，实现试验在不同应力大小下的拉伸。

本发明中，通过气压调节单元可以时时调节试验过程中需要的气压力。

根据本发明，优选地，所述气缸的出气口上方设置有所述法兰盘，所述气缸和所述法兰盘固定连接。

本发明中，所述气缸和所述法兰盘通过螺栓固定连接。测试时，将待测薄膜置于气缸与法兰盘之间，使待测薄膜完全覆盖住气缸的出气口，并用法兰盘将待测薄膜固定于气缸上。

本发明中，三维扫描仪可以为本领域中常用的三维扫描仪，测量时，将待测试样置于三维扫描仪的扫描半径内进行三维扫描获得待测试样初始和不同气压下形变后的轮廓构象，基于获得的轮廓构象，选取多个轮廓点，通过拟合获得相应的轮廓方程。

根据本发明，优选地，所述压力提供单元与气压调节单元通过管路连通，所述气压调节单元与所述气缸侧壁通过管路连通。

本发明中，测试时，气体通过气缸侧壁进入气缸，当气缸内充分气体后，随着气体的继续通入，使得覆盖在气缸上的待测薄膜在压力的作用下向上鼓起，发生形变。

本发明中，优选地，气缸的内腔为圆柱型，法兰盘为正圆形。

本发明中，所述气压调节单元为调压阀。

根据本发明，优选地，所述压力提供单元为空压机。

根据本发明，优选地，所述厚度测量仪为超声波测厚仪。

本发明中，将超声波测厚仪的测量探头置于被测点上进行测量，获得待测试样的初始和不同气压下形变顶胀最高位置的厚度。

本发明的另一方面提供一种防水材料多向拉伸的试验方法，利用上述试验系统进行测试，该试验方法包括：

(1)对待测试样进行标记；

(2)将所述待测试样固定于所述试样锚固装置中，测量待测试样的中心标记点和最靠近所述中心标记点的标记点之间的距离，利用所述三维扫描仪扫描待测试样初始轮廓，获得待测试样的初始轮廓方程，利用厚度测量仪测量待测试样的初始厚度；

(3)利用加压及调节装置提供试样初始变形气压，待所述待测试样变形稳定后，利用所述三维扫描仪扫描待测试样形变后的轮廓，进而获得待测试样的形变轮廓方程；测量形变顶胀最高位置的点与最靠近所述形变顶胀最高位置的点之间的距离；利用厚度测量仪测量形变顶胀最高位置的厚度；

(4)调节气压调节单元，增加气压，待所述待测试样变形稳定后，重复步骤(3)中所述的测量，获得步骤(3)所述测量数据；

(5)重复步骤(4)，直至待测试样完全破坏；

(6)基于待测试样中心标记点与最靠近所述中心标记点的标记点之间的距离，待测试样不同气压下形变后的顶胀最高位置的点与最靠近所述顶胀最高位置的点之间的距离，待测试样的初始和不同气压下形变轮廓方程，以及待测试样的初始和不同气压下形变顶胀最高位置的厚度，利用数据处理装置进行数据处理，获得待测试样在不同气压下的应力和应变值，进而获得待测试样的应力应变曲线。

本发明中，不同的形变气压对应着不同的形变轮廓，进而对应着不同的形变轮廓方程，基于不同的形变轮廓方程能够获得不同的应力和应变值，基于不同的应力应变值绘制应力应变曲线。

本发明中，利用三维扫描仪进行扫描，获得待测试样的初始轮廓和形变后的轮廓，基于获得的轮廓构象，选取多个轮廓点，通过拟合获得相应的轮廓方程。

本发明的主要改进在于放弃原有的球形顶涨假设，采用数字化量测方法，通过求解试样变形后的轮廓方程并结合超声波测厚仪精确测量出的厚度，可以精确求解出其应力。从而使得试验方法适用于非线性、非均匀高分子材料。

本发明中，步骤(4)中，复步骤(3)中所述的测量，获得步骤(3)所述测量数据是指利用所述三维扫描仪扫描待测试样形变后的轮廓，获得待测试样的形变轮廓方程；测量形变顶胀最高位置的点与最靠近所述顶胀最高位置的点之间的距离；利用厚度测量仪测量形变顶胀最高位置的厚度。

根据本发明，优选地，步骤(1)为在待测试样表面标记一个中心标记点和多个任选标记点。

本发明中，使在待测试样表面标记的多个标记点能够覆盖整个待测试样表面。

本发明中，步骤(2)中，将所述待测试样固定于气缸和法兰盘之间。

根据本发明，优选地，步骤(3)中，所述试样初始变形气压为1-10kpa、优选为1-5kpa，进一步优选为1-2kpa；

步骤(4)中，所述增加气压为每次增加1-10kpa、优选为1-5kpa，进一步优选为1-2kpa。

根据本发明，优选地，步骤(3)和步骤(4)中，待所述待测试样变形稳定后，静置2-3min，再进行数据测量。

根据本发明，优选地，步骤(6)中，所述数据处理包括如下数据处理公式：

其中，f2代表每一次形变后的顶胀最高位置的点的水平力，p代表每一次对待测试样施加的形变气压，f(x)代表待测试样的初始轮廓方程或每一次的形变轮廓方程，x1代表每一次形变后的与最靠近所述顶胀最高位置的点在待测试样的轮廓方程上的坐标点，x2代表每一次形变后的顶胀最高位置的点在待测试样的轮廓方程上的坐标点，lt代表每一次形变后的顶胀最高位置的点与最靠近所述顶胀最高位置的点之间的距离，l代表待测试样的中心标记点和最靠近所述中心标记点的标记点之间的距离，σ代表待测试样的每一次形变应力，a代表待测试样的初始厚度或每一次形变顶胀最高位置的厚度，ε代表待测试样的每一次应变。

本发明中，如图1所示，其中2号点为扫描图像中形变后顶胀最高位置点，1号点为图像中最接近2号点的相邻点。对试样进行受力分析，试样顶胀最高位置点只受x方向的拉力，1号点处的拉力可以分解为x、y方向；试样试验过程中在气压p下保持静止，依据力学平衡方程可知：气压p作用于试样上的力fpy的合力等于1点处f1在y轴方向的力。气压p作用于试样上的力fpx加上1点处f1在x轴方向的力等于f2。对试样顶胀后的轮廓进行函数拟合后创建函数f(x)。气压p作用于试样上的力通过对函数f(x)微分后再对x、y方向分别积分的方式可以求出。具体计算过程如下：

其中，fspy是每一次对待测试样施加的形变气压p的竖直分力在试样形变轮廓线上的积分，fspx是每一次对待测试样施加的形变气压p的水平分力在试样形变轮廓线上的积分；f1y是1点所受的竖直方向上的力(即y轴方向所受的力)，f1x是1点所受的水平方向上的力(即x轴方向所受的力)。

求解出力f2，再结合试样的厚度即可求解出试样的应力(见公式(2))；

公式(3)和公式(4)是指应变计算方程。

本发明中，当未对试样施加压力时，获得的初始轮廓方程为一条直线，即进行数据处理时，可以将待测试样的初始轮廓方程和初始厚度代入公式(1)至公式(4)中，也可以不代入；如果代入，则获得的f2、应力和应变值均为0；如果不代入，因为未对试样施加压力，所以试样并未受到应力，未发生应变，因此，此时的应力、应变值仍均为0。

以下通过实施例进一步说明本发明：

实施例

如图2-4所示，本实施例提供一种防水材料多向拉伸的试验系统，该试验系统包括：试样锚固装置、加压及调节装置、三维扫描仪5、厚度测量仪6和数据处理装置(未示出)；所述试样锚固装置包括气缸3和设置于所述气缸3上的法兰盘7；用于固定待测试样4；所述加压及调节装置包括压力提供单元1和气压调节单元2，所述压力提供单元1与气压调节单元2通过管路连通，所述气压调节单元2与所述气缸3侧壁通过管路连通；用于给待测试样提供变形气压；所述三维扫描仪5用于扫描待测试样4初始和不同气压下形变后的轮廓，进而获得待测试样的初始和不同气压下形变轮廓方程；所述厚度测量仪6用于测量待测试样4的初始和不同气压下形变顶胀最高位置的厚度；所述数据处理装置基于待测试样中心标记点与最靠近所述中心标记点的标记点之间的距离、待测试样不同气压下形变后的顶胀最高位置的点与最靠近所述顶胀最高位置的点之间的距离、待测试样的初始和不同气压下形变轮廓方程，以及待测试样的初始和不同气压下形变顶胀最高位置的厚度，进行数据处理，获得待测试样在不同气压下的应力和应变值，进而获得待测试样的应力应变曲线。其中，所述气缸3的出气口上方设置有所述法兰盘7，所述气缸3和所述法兰盘7固定连接；气缸的内腔为圆柱型，法兰盘为正圆形；所述压力提供单元1为空压机；所述气压调节单元2为调压阀；所述厚度测量仪6为超声波测厚仪。

利用上述试验系统进行测试，具体的防水材料多向拉伸的试验方法包括如下步骤：

(1)在待测试样表面标记一个中心标记点和多个任选标记点，使在待测试样表面标记的多个标记点能够覆盖整个待测试样表面。

(2)将所述待测试样固定于所述试样锚固装置中，测量待测试样的中心标记点和最靠近所述中心标记点的标记点之间的距离，架设三维扫描仪5，利用所述三维扫描仪5扫描待测试样4初始轮廓，获得待测试样4的初始轮廓方程，利用厚度测量仪6测量待测试样4的初始厚度；其中，使用螺栓将所述待测试样4固定于气缸3和法兰盘7之间。

(3)打开空压机，开启气压调节单元2，调节初始气压为2kpa，试验开始：利用加压及调节装置提供试样初始变形气压2kpa，待所述待测试样变形稳定后，静置2min，利用所述三维扫描仪5扫描待测试样形变后的轮廓，获得待测试样的形变轮廓方程；然后，测量形变顶胀最高位置的点与最靠近所述形变顶胀最高位置的点之间的距离；利用厚度测量仪6测量形变顶胀最高位置的厚度；

(4)调节气压调节单元2，增加气压2kpa，待所述待测试样变形稳定后，静置2min，利用所述三维扫描仪5扫描待测试样形变后的轮廓，获得待测试样的形变轮廓方程；然后，测量形变顶胀最高位置的点与最靠近所述顶胀最高位置的点之间的距离；利用厚度测量仪6测量形变顶胀最高位置的厚度；

(5)重复步骤(4)，直至待测试样完全破坏；

(6)基于待测试样中心标记点与最靠近所述中心标记点的标记点之间的距离，待测试样不同气压下形变后的顶胀最高位置的点与最靠近所述顶胀最高位置的点之间的距离，待测试样的初始和不同气压下形变轮廓方程，以及待测试样的初始和不同气压下形变顶胀最高位置的厚度，利用数据处理装置进行数据处理，获得待测试样在不同气压下的应力和应变值，进而获得待测试样的应力应变曲线；其中，所述数据处理包括如下数据处理公式：

其中，f2代表每一次形变后的顶胀最高位置的点的水平力，p代表每一次对待测试样施加的形变气压，f(x)代表待测试样的初始轮廓方程或每一次的形变轮廓方程，x1代表每一次形变后的与最靠近所述顶胀最高位置的点在待测试样的轮廓方程上的坐标点，x2代表每一次形变后的顶胀最高位置的点在待测试样的轮廓方程上的坐标点，lt代表每一次形变后的顶胀最高位置的点与最靠近所述顶胀最高位置的点之间的距离，l代表待测试样的中心标记点和最靠近所述中心标记点的标记点之间的距离，σ代表待测试样的每一次形变应力，a代表待测试样的初始厚度或每一次形变顶胀最高位置的厚度，ε代表待测试样的每一次应变。

以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。