一种基于力学性能变化的桥梁缆索护套材料服役寿命预测方法

技术领域

本发明涉及一种桥梁缆索护套材料的服役寿命预测方法，具体指通过太阳跟踪聚光加速老化试验，获取护套材料在严酷气候环境下老化的拉伸强度衰减数据，建立拉伸强度在老化过程中的衰减模型，基于拉伸强度的变化，预测护套材料的服役寿命预测。

背景技术

缆索是大跨径斜拉桥和悬索桥的主要承重结构，缆索由内部起承重作用的钢索和外部起防护作用的护套组成。护套封装在钢索上，通过隔绝水、大气污染物等腐蚀介质防止钢索腐蚀。护套通常采用高密度聚乙烯(HDPE)材料制作，HDPE材料在自然界的紫外光、温度和水等环境因素作用下会发生老化，产生裂纹甚至断裂。护套出现裂纹后，水气、腐蚀气体和盐雾等腐蚀介质容易进入缆索内部，造成承重的钢索腐蚀，危及桥梁的安全，严重时可能发生桥梁坍塌，造成重大安全灾难。缆索腐蚀到一定程度时必须缆索，更换缆索费用极高，将造成重大的经济损失。因此，缆索护套的耐候稳定性至关重要。

桥梁设计使用年限标准一般为50年或100年，行业迫切需要一种可以准确预测护套材料服役寿命的方法，用于选材、质量管控和后期护套运维评估，以保障护套材料的安全可靠服役，降低经济损失和灾害。以往，缆索护套材料的服役寿命主要通过人工加速老化实验来实现，试验方法包括高温老化法、氙灯加速老化、荧光紫外灯加速老化、金属卤素灯加速老化等。人工加速老化试验虽然周期短、时效快，但是，因为人工模拟的老化试验条件与自然环境存在差异，比如试验光源与太阳光谱存在差异，同时忽略了昼夜温差、季节变化及空气活性组分等因素的影响，不能完全、真实地反映自然环境中全部因素，服役寿命预测过于保守，导致更换成本增加。而太阳跟踪聚光加速老化试验是一种利用太阳跟踪聚光装置，聚集太阳光中的紫外线，同时增加样品表面温度，通过强化紫外线辐射量和温度实现加速老化试验的目的，通常加速倍率可达8～10倍。太阳聚光加速试验直接使用太阳光源，且在自然环境下进行，因而试验结果与实际服役结果有较好的相关性，是预测高分子材料服役寿命的良好试验手段，具有准确性高、试验成本低等优点。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于力学性能变化的桥梁缆索护套材料服役寿命预测方法。该方法以缆索护套材料为评估对象，在严酷气候环境下，通过太阳跟踪聚光加速老化试验增加紫外线辐射量和温度加速材料老化，获得材料老化过程中拉伸强度与紫外线辐射量、温度的对应关系数据，以此建立材料老化过程中拉伸强度衰减模型。结合拉伸强度衰减模型和环境严酷度模型，预测护套材料在服役地区的拉伸强度随服役时间演变规律。依据缆索护套材料拉伸强度失效临界值判据，评估护套材料的服役寿命。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种基于力学性能变化的桥梁缆索护套材料服役寿命预测方法，包括以下步骤：

(1)制备试验样品；

(2)在气候环境试验基准站开展太阳跟踪聚光加速老化试验，定期测量的样品拉伸强度，同时记录每次试验的紫外线辐射量；

(3)分析老化过程中样品拉伸强度变化规律，获得样品老化一定时间的拉伸强度保持率，绘制样品拉伸强度保持率与加速老化试验时间的变化曲线图，同时构建样品拉伸强度保持率与加速老化试验时间的模型公式；

(4)分析样品在加速老化试验条件下的服役寿命，可以采用如下两种方法：

其一：将样品通过步骤(2)的加速老化试验进行至样品失效，失效的判据通常为拉伸强度下降至初始值的50％或者设定的失效值，记录试验时间t1，t1即为样品在加速老化试验条件下的寿命；

其二：基于步骤(3)建立的模型公式，采用外推法，推测样品拉伸强度下降至初始值的50％或者设定的失效值的时间t2，t2即为样品在加速老化试验条件的外推寿命；

(5)预测样品在使用地区的服役寿命：

基于环境严酷度模型，量化步骤(2)的加速老化试验相对于使用地区的加速倍率a，样品的服役寿命即为加速老化试验下的寿命乘以加速倍率，即

LT＝a*t1(公式1)

或LT＝a*t2(公式2)

式中：

LT为服役寿命，以年为单位，不足一年的，四舍五入取整；

a为加速倍率；

t1为直接试验得到的加速老化寿命；

t2是通过外推法得到的加速老化寿命；

所述环境严酷度模型的模型公式如公式4所示：

式中：

a为加速试验相对于自然老化的加速倍率；

I

I

x为有效紫外线辐射因子；

T

T

T

其中，x和T

本发明所述步骤(1)中，试验样品的材质包括但不限于高密度聚乙烯(HDPE)及其改性塑料，将原料按注塑法成拉伸强度测试的标准哑铃型样条，或者按压膜法，裁剪成准哑铃型样条，每种样品每次拉伸强度测试至少为5根；对于HDPE材料，公式4中，T

所述步骤(2)的具体过程如下：

试验样品在试验设备安装在一个平面上，每根样品之间留有至少3mm间隙；试验条件设置为最高紫外线辐射量为6～10倍地面太阳紫外辐射量，最高试验温度设置为100℃；试验过程中，持续监测记录试验紫外线辐射量和环境温度，定期测量样品拉伸强度；对于紫外线辐射量，可以通过安装在太阳跟踪聚光加速老化试验设备上的紫外线辐射表直接测量，也可以通过计算间接获得，计算方法：地面紫外辐射量乘以加速试验设备紫外反射镜数量再乘以反射镜的紫外线反射效率计算得到，见公式3；样品的拉伸强度用力学性能试验机测量，每隔1个月，从设备上取下样品，在室温状态调节，测量拉伸强度；试验进行1年或者当拉伸强度降至初始值的50％结束；

I

式中：

I

n为加速老化设备紫外反射镜数量；

I

R为加速老化设备反射镜的紫外线反射效率，单位为％。

所述步骤(3)中，样品老化一定时间的拉伸强度保持率由老化后的拉伸强度除以老化前的拉伸强度获得，单位为％，以拉伸强度保持率为纵坐标，加速老化时间为横坐标，绘制样品拉伸强度保持率随加速老化时间变化曲线。采用最小二乘法、多项式拟合、逐步回归、对数拟合中的其中一种方法对变化曲线图进行拟合，得到样品拉伸强度保持率与加速老化试验时间的模型公式。

对于步骤(4)，即可以通过加速老化试验直接获得加速老化寿命，也可以通过外推法获得加速老化条件的外推寿命。采用哪种方法，取决于对准确度和试验时间的要求。直接获得法通常耗时长但结果更准确，外推法试验时间短但误差稍微高。

对于步骤(5)，HDPE材料在基准试验站的太阳跟踪聚光加速老化相对于在服役地区A自然老化的加速倍率，通过环境严酷度模型进行计算。环境严酷度模型考虑影响HDPE拉伸强度衰减的主要环境因素，即紫外线辐射量和温度。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

(1)本方法采用的太阳跟踪聚光加速老化试验，和普通自然老化试验相比，能够有效节省试验时间；与高温试验、氙灯等人工加速老化试验相比，试验环境条件来自于与真实的自然环境，加速老化与自然老化相关性高，评估的准确度高；

(2)本方法应用范围更广。本方法提供了HDPE材料太阳跟踪聚光加速老化相对于服役地区的自然老化的加速倍率技术方法，只要能获得服役地区的年紫外线辐射量和温度数据，即可预测HDPE材料在使用地区的服役寿命，无需在服役地区进行自然暴露试验积累数据进行服役寿命推算。

(3)本方法简化了加速老化试验的参数，主要以影响HDPE材料拉伸强度退变的紫外辐射量和温度为参数，模型较简单，操作性更强。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的详细说明。

图1是本发明实施例1中HDPE材料在加速老化过程中拉伸强度保持率与老化时间的关系变化曲线图。

具体实施方式

实施例1

开展桥梁缆索护套材料在沙特利雅得市的服役寿命预测，步骤如下：

(1)采用注塑工艺，将HDPE护套材料注塑成哑铃型样条，13组共65根，每组5根，1组用于初始拉伸强度测试，其余用于加速老化试验。

(2)采用力学性能试验机测试样品老化前的拉伸强度，取1组5根样品拉伸强度的平均值作为样品老化前的拉伸强度。然后将剩余的12组哑铃型样条按组并排平行固定在太阳跟踪聚光加速老化设备上，样品间距3mm，设置最高试验紫外线辐射量为10倍地面紫外辐射量，最高试验温度为95℃，试验过程监测记录紫外线辐射量和温度。试验每隔1个月取下一组样品，用力学性能试验机测试样品拉伸强度，用每次测试的5根样品拉伸强度的平均值除以老化前的拉伸强度，得到样品拉伸强度保持率。

本实施例中，样品老化前的拉伸强度为33.65MPa，老化不同时间测得的拉伸强度保持率和对应的加速老化时间数据对分别为(100，0)、(107.86，1)、(104.42，2)、(101.20，3)、(99.61，4)、(98.82，5)、(99.34，6)、(97.98，7)、(95.24，8)、(90.11，9)和(87.25，10)，(82.41，11)和(76.24，12)。拉伸强度保持率的单位为％，加速老化时间的单位为月。可见，加速试验进行1年时，样品的拉伸强度保持率约为76％。

(3)以加速老化时间为横坐标，拉伸强度保持率为纵坐标，绘制样品加速老化拉伸强度保持率随老化时间变化曲线图，如图1所示。采用指数拟合建模，获得拉伸强度保持率与加速老化时间模型为：

y＝3.63991exp(3.3355+0.01146x-0.00284x

式中：

x为加速老化时间，单位：月；

y为拉伸强度保持率，单位：％。

(4)本案例护套材料的失效判据为拉伸强度保持率降至50％，而经过一年加速老化试验，样品的拉伸强度保持率为76％，未达到失效判据。所以，采用外推法，根据公式5，即拉伸强度保持率与加速老化时间模型，推测HDPE材料在加速老化试验条件下，拉伸强度保持率降至50％的时间约为18个月，折合1.5年，即HDPE材料在加速老化试验下的外推寿命t2＝1.5年。

(5)计算加速老化试验相对于沙特利雅得自然老化的加速倍率。加速老化试验1年的紫外线辐射量I

I

T

沙特利雅得一年的紫外线辐射量和平均温度通过测量得到，分别为

I

T

依据公式4，加速老化试验相对于利雅得地区自然老化的加速倍率

依据公式2，计算HDPE材料在利雅得地区的服役寿命

LT＝a*t2

＝4.32*1.5

≈6

实施例2

开展桥梁缆索护套材料在中国广东省广州市的服役寿命预测，步骤如下：

(1)采用注塑工艺，将HDPE护套材料注塑成哑铃型样条，13组共65根，每组5根，1组用于初始拉伸强度测试，其余用于加速老化试验。

(2)采用力学性能试验机测试样品老化前的拉伸强度，取1组5根样品拉伸强度的平均值作为样品老化前的拉伸强度。然后将剩余的12组哑铃型样条按组并排平行固定在太阳跟踪聚光加速老化设备上，样品间距3mm，设置最高试验紫外线辐射量为10倍地面紫外辐射量，最高试验温度为90℃，试验过程监测记录紫外线辐射量和温度。试验每隔1个月取下一组样品，用力学性能试验机测试样品拉伸强度，用每次测试的5根样品拉伸强度的平均值除以老化前的拉伸强度，得到样品拉伸强度保持率。根据测试数据得知，加速试验进行至360天时，样品拉伸强度保持率下降至54％，约为50％，相当于样品在加速老化条件下的服役寿命t1＝1年。

(3)计算加速老化试验相对于广州自然老化的加速倍率。加速老化试验1年的紫外线辐射量I

I

T

广东省广州市一年的紫外线辐射量和平均温度通过测量得到，分别为

I

T

依据公式4，加速老化试验相对于广州自然老化的加速倍率

(4)计算HDPE材料在广州地区的服役寿命。依据公式1，HDPE在广州地区的服役寿命

LT＝a*t1

＝9*1

＝9

本实施例中对HDPE护套材料在利雅得和广州的服役寿命方法同样可以应用于HDPE在其它地区的稳定性评估，其评估方法与本实施例相同。

本发明的上述实施例并不是对本发明保护范围的限定，本发明的实施方式不限于此，凡此种种根据本发明的上述内容，按照本领域的普通技术知识和惯用手段，在不脱离本发明上述基本技术思想前提下，对本发明的方法做出的其它多种形式的修改、替换或变更，均应落在本发明的保护范围之内。