[发明专利]孔隙介质材料的温度-湿度-应力-化学耦合试验平台

说明书

技术领域

本发明涉及一种研究岩石和混凝土等孔隙介质材料多场耦合作用的试验平台，尤其是能开展孔隙介质材料在周期性的温度和湿度变化以及空气中含有不同化学污染物（模拟受污染的大气对材料的化学侵蚀作用）等环境条件下的流变力学试验研究。

背景技术

实际工程中的岩石和混凝土等孔隙介质材料处于复杂的物理化学环境中，受温度、湿度、化学等多场的共同作用。湿度的变化，会使材料产生变形，其机理主要是湿度会改变材料毛细孔内的张力和吸附力，进而引起材料内应力的变化。温度对材料力学性质的影响，主要通过其热力学性质体现。对于承受荷载的孔隙介质材料，温度的变化会在材料内部产生很大的应力，进而影响其力学行为。由温度和湿度变化引起的变形在某些条件下，会在材料表面产生裂隙。材料的强度和变形与温度和湿度的变化范围和冷热、干湿循环的加载速率有关。另外，受污染大气中的某些化学物质，会侵蚀和腐蚀材料，也会对材料造成损伤，从而降低材料的力学性能。这些化学物质与材料发生反应，进而通过融解、沉淀和沉积作用，加速材料的劣化和破坏。而自然界中，岩石的风化破碎、混凝土的老化，都是环境温度、湿度和空气中化学物质等的物理化学综合作用的结果。这些作用经年累月，通过环境条件的不断循环变化，最终破坏材料。

对于此类问题，涉及到这样几个方面的研究内容：（1）应力场——材料的长期力学性质；（2）温度和湿度场——温度和湿度对材料力学性质的影响；（3）化学场——大气污染物对材料的化学侵蚀。要研究这些环境因素对材料的影响，就需要一个能够模拟大气环境条件和进行力学加载的试验平台。

目前，能进行材料多场耦合试验的仪器主要是岩石三轴流变力学试验机，但只能进行温度和水渗流耦合条件下的力学试验。若增加化学耦合试验项目，则需预先用化学溶液浸泡试件。因而无法模拟化学物质对材料的渐蚀过程，也无法模拟受污染的大气环境对材料长期力学性质的影响。

为此，我们基于材料力学多场耦合研究的基本理论，提出一个能开展温度和湿度变化以及在空气中添加不同化学污染物的试验平台，以模拟这些环境条件对材料的流变力学性质的影响。

发明内容

本发明的目的在于为孔隙介质材料的长期力学性质研究提供一个多场耦合试验平台。该平台利用一个可密闭的容器模拟受污染的大气环境，并在此容器内对试件进行长期力学试验，以研究其在特定的环境条件下的力学性质。该平台采用稳定性高、独立性强的测试手段，可以确保试验长期连续不间断的进行，试验时间可持续3至5年。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种孔隙介质材料的温度-湿度-应力-化学耦合试验平台；包括密闭容器、承力构架、力学测试系统、环境模拟系统和数据采集系统，所述的承力结构固定在所述的密闭容器上下两端，所述的力学测试系统包括加载装置以及动力装置，所述的加载装置设置在密闭容器内，所述的环境模拟系统包括温度模拟装置和湿度模拟装置，所述的数据采集系统采集所述的力学测试系统以及环境模拟系统的数据，其特征在于：所述的环境模拟系统还包括一化学模拟装置，该化学模拟装置包括一化学气体发生器和输气管路，输气管路的出气口连接至所述的密闭容器内，在所述的密闭容器内还设置有一用于监测气体成分和浓度的气体分析仪。

所述的气体发生器包括化学污染物储藏罐和储气罐，在化学污染物储藏罐和储气罐之间设置有污染物储存罐气阀，所述的输气管路包括进气管和出气管，在所述的进气管上设置有进气管风扇和进气管气阀，在所述的出气管上设置有出气管风扇和出气管气阀，在所述的密闭容器上设置有进气口和出气口，所述的进气管出口与所述的进气口连接，所述的出气口与所述的出气口的进口连接。

所述的承力结构包括刚性上顶板和刚性下顶板，所述的刚性上顶板和刚性下顶板位于所述的密闭容器的上下两端并通过螺栓固定连接。

所述的密闭容器是一个由透明的耐腐蚀有机玻璃制作成的圆柱体：圆柱体的下部是一开口向上的圆筒，圆筒的筒底与刚性下顶板的上底面连接；圆柱体的上部是一个圆形的盖子，盖子的底面与刚性上顶板的下底面相连接。

所述的加载装置包括刚性上压头、刚性下压头、试件轴向位移侧头、环向位移引伸计以及位移计，所述的试件轴向位移侧头固定在所述的刚性下压头上，所述的位移计固定在所述的刚性上压头上，所述的环向位移引伸计设置在试件上；所述的动力装置包括千斤顶以及油泵，所述的千斤顶与油泵通过油压管道连接，在油压管道上还设置有油压表；所述的刚性下压头与所述的千斤顶连接。