第一指导教师主要成果:
指导国家级创新创业训练项目:
指导2016年国家级大学生创新创业训练项目:应用建筑垃圾制作新型透水砖,结题
指导竞赛:
指导作品《混凝土构件中钢筋加速锈蚀控制及监测方法》在第十五届“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛江西赛区决赛中,荣获自然科学论文类学术论文三等奖(本科生组);
主持参与的科研项目:
1)基于损伤理论锈蚀钢筋混凝土柱地震作用下滞回行为研究(GJJ171036)江西省教育厅科学技术研究项目-青年项目,2018年1月,主特人,立项;
2)碎片化学习时代微视频课程的内容设计—以《房屋建筑学》课程为例(JY1543)校级教改课题,冷玲倻、张鹏飞、刘方华、李曼曼,2017年1月,主特人,结题;
3)适用于农村和小城镇低层建筑砌块砌体结构中的半预制圈梁研究(GJJ151163)江西省教育厅科学技术研究项目,王春涛……,2016年1月,参与,立项;
4)大跨预应力混凝土连续刚构桥跨中下挠的控制研究(GJJ151156)江西省教育厅科学技术研究项目-青年项目,刘方华……,2016年1月,参与,结题;
5)案例教学在《钢结构》教学中的应用研究(JY1505)校教改,温婷、张鹏飞、冷玲倻,2017年1月,结题;
论文和著作
1. Lingye Leng, Pengfei Zhang. Research on CFRP Strengthening Corroded Reinforced Concrete Columns in Seismic Performance(Applied Mechanics and Materials),2014 年EI光盘收录;
2. 张鹏飞, 冷玲倻. CFRP加固锈蚀钢筋混凝土柱抗震性能数值模拟研究[J]. 江西科技学院学报, 2014.3;
3. 张鹏飞, 冷玲倻. 基于ADINA热力管道破坏预测的研究[J]. 江西科技学院学报, 2014.9;
4. 张鹏飞, 冷玲倻.案例教学法在混凝土结构课程中的探索与实践[J].黑龙江科技信息,2014,4;
5. 张鹏飞, 冷玲倻. 混凝土构件恢复力模型的研究现状及展望[J]. 黑龙江科技信息,2014,4;
6. 陈艳华, 张鹏飞, 杨梅, 冷玲倻. CFRP加固锈蚀钢筋混凝土柱抗震性能研究[J]. 土木工程学报, 2013,3. EI检索;
7. Mei Yang, Lingye Leng, Pengfei Zhang. Research on Accelerated Corrosion of Steel Bar in Reinforced Concrete Components[J]. Advanced Engineering Materials, 2012, 535-537. EI检索;
8. Mei Yang, Lingye Leng, Youpo Su. Corroded Reinforced Concrete Column Seismic Strengthening Nature of the Research Situation[J]. Proceeding of the 2011 International Conference on Engineering and Risk Management, Toronto Canada, 2011, 180-183. ISTP检索;
9. 陈艳华, 张鹏飞, 冷玲倻. 加速混凝土构件中钢筋锈蚀的研究[J]. 河北联合大学学报(自然科学版). ISTP检索。
一、申请理由:
1.知识条件
本作品采用该一套实时控制与监测装置可以保守得出混凝土构件中钢筋的锈蚀质量,量化处钢筋的锈蚀程度,并可以通过预设阀值自动控制锈蚀过程的启停。通过电化学锈蚀制备大量的试件解决在通过实际生活中拆除试件难这一问题。
2.已有成果
本作品已获得第十四届挑战杯江西省三等奖,第十五届挑战杯江西省三等奖, 申报实用新型专利一项,故已具备申报条件。
二、项目方案:
1、项目研究背景
(1)国内外的研究现状及研究意义
目前制备锈蚀钢筋混凝土构件的方法有两种:电化学腐蚀和仿自然条件的钢筋锈蚀。被广泛应用和接受的方法是电化学加速锈蚀。学者针对加速混凝土构件中钢筋锈蚀的研究做了一定的研究,例如:国家知识产权局2008年12月3日授权的“一种快速评定钢筋混凝土抗腐蚀性能的装置”(专利号:ZL200820079115.4),该装置通过施加直流电压加速氯离子渗透到钢筋表面引起钢筋锈蚀,试验结果为宏电流数据和达到宏电流值所用时间。此试验数据采集系统复杂,试验结果只能用于平行比较,试验过程中无法实施掌握钢筋的实际锈蚀程度。 国家知识产权局2009年1月7日公开的“滨海地区混凝土钢筋锈蚀状况的电化学测试方法”(申请号200810041765.4),提出采用测试混凝土电阻率和钢筋腐蚀电位相结合的方法推断混凝土内钢筋的锈蚀状况,并推导出钢筋平均锈蚀深度和平均截面损失率计算公式,该方法仅适用于既有结构的锈蚀监测。 国家知识产权局2010年1月6日公开的“氯盐腐蚀混凝土中钢筋加速锈蚀控制试验方法”(申请号200810040198.0),提出了一种由直流稳压电源、锈蚀标准试件、氯盐溶液试验箱、电化学反应阴极板组成的试验装置,其特征在于通过控制钢筋表面电流密度、电压、时间等实现对钢筋的加速锈蚀。该方法只能通过试件表观特征(锈斑、裂缝等)定性判断钢筋的锈蚀状况。 国家知识产权局2013年3月21日公开的“钢筋混凝土结构中钢筋加速锈蚀实时控制监测装置及方法”(201310091147.),提供了一种钢筋混凝土结构中钢筋加速锈蚀实时控制方法,包括根据影响因子的实时变化完成对钢筋的理论腐蚀失重率进行实时修正,得到钢筋的实际腐蚀失重率。该方法只能控制锈蚀速率的大小,对锈蚀程度的监测仍是空白,即该装置监测不到钢筋的实际锈蚀程度。
现阶段锈蚀钢筋混凝土结构的力学性能的研究备受学者的关注。但是由于自然条件下钢筋锈蚀是一个缓慢的过程,要想进行这一课题的研究,则需要从工程中拆除旧试件进行试验,这样进行研究有很多的不便之处,因此研究混凝土中钢筋快速锈蚀的试验方法是很有必要的。
本作品从混凝土中钢筋锈蚀的机理出发,根据钢筋电化学腐蚀原理和电化学试验,拟实现对多组钢筋混凝土结构中的钢筋进行同时实时控制监测,通过预设阀值的方法实现控制装置的自动启停,并通过实时修正得到精确的钢筋实际腐蚀锈蚀率。同时,为解决混凝土结构耐久性问题而提供一种结构简单,但控制、监测精确的钢筋混凝土结构中钢筋加速锈蚀实时控制监测的方法。
(2)项目已有的基础和已取得的成绩
1)在第十四届“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛江西赛区决赛中,荣获自然科学论文类学术论文三等奖。
2)在第十五届“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛江西赛区决赛中,荣获自然科学论文类学术论文三等奖。
3)申报实用新型专利一项。
(3)已具备的条件
本作品已获得第十四届挑战杯江西省三等奖,第十五届挑战杯江西省三等奖,申报实用新型专利一项。故已具备申报条件。
(4)尚缺少的条件及解决方法
尚缺少的条件及解决方法,影响因素的定量分析,通过实验与大量模拟来解决。
2、项目研究目标及主要内容
本作品目的是研究影响钢筋锈蚀速率的因素和控制过程。试验采用的试件为钢筋混凝土柱,混凝土的标号为C30,钢筋直径为12mm,Z5和Z6的混凝土的保护层厚度为15mm, Z7和Z8的混凝土的保护层厚度为20mm配筋率为0.57%,电解液采用氯化钠溶液,浓度3%-5%。混凝土构件中钢筋加速锈蚀实时控制与监测装置包括以下部分:电源模块、控制器、供电接口、信号采集器、试验槽、阴极板,监测单元、转换单元、信号处理单元和显示储存单元。钢筋混凝土结构中钢筋加速锈蚀实时控制装置包括电源模块、控制器模块、供电接口模块、信号采集器、试验槽及阴极板,其中电源模块用于将交流电转变为直流电源,供电接口可以输出多个不同电压的直流电源,该供电接口包括多个正极输出端和一个阴极输出端;信号采集器用于采集供电接口的各正极电源输出端的电流/电压信息及对应的供电时间信息;试验槽用于内装锈蚀液和混凝土构件;阴极板置于试验槽内并与供电接口中的负极电源输出线端连接。钢筋锈蚀监测装置包括监测单元,与监测单元连接的转换单元,与转换单元连接的信号处理单元,与信号处理单元连接的存储单元,与存储单元连接的显示单元。该装置可以监测锈蚀电位和电阻率两种参数,采用的是梯度电位监测方式,无序破损建筑结构表面即可监测锈蚀电位。锈蚀监测装置采用的梯度电位监测法,把加速锈蚀的构件露在液面上的表面清扫干净,在测区上布置测试网格,将网格的交叉点设置为测点,梯度电位测试不许凿开混凝土,只需将两个铜-硫酸铜电极之间用固定距离的连接杆连接,把电位电极放在测区测点上,使电位电极与测试混凝土表面垂直,并施加压力,待电位值稳定后按确定键,即完成改点测试,连接好两个电极开始测试后,两个电极的前后顺序不可调换,依次测量剩下的测点。测量数据通过转换单元进行转换后,最终通过显示和储存单元保存下来,存储的数据可以生成数据表格、电位等位线图、电位统计图及锈蚀量统计等。
本作品拟实现一种钢筋混凝土结构中钢筋加速锈蚀实时控制监测方法,主要包括电源模块、控制器、供电接口、信号采集器、试验槽和阴极板,其中,供电接口包括多个正极电源输出端和一个负极电源输出端,阴极板置于试验槽内并与供电接口中的负极电源输出端连接,信号采集器的信号输出端与控制器的信号输入端连接,控制器的电源输出端与供电接口的电源输出端的内端连接。作品还给出了一种钢筋混凝土结构中钢筋加速锈蚀实时控制监测方法,包括根据影响因子的实时变化完成对钢筋的理论腐蚀失重率进行实时修正,得到钢筋的实际腐蚀失重率。作品能够实现对多组钢筋混凝土结构中的钢筋进行同时实时控制监测,采用该套装置可以的得出混凝土构件中钢筋的锈蚀质量,量化处钢筋的锈蚀程度,并可以通过预设阀值自动控制锈蚀过程的启停。
通过预设阀值的方法来控制装置的自动启停,拟实现对多组钢筋混凝土结构中的钢筋进行同时实时控制监测,并通过实时修正得到精确的钢筋实际锈蚀率,从而为解决混凝土结构耐久性问题提供一种结构简单,但控制、监测精确的钢筋混凝土结构中钢筋加速锈蚀实时控制监测的方法。
3、项目创新特色概述
本作品与同类产品的区别在于,本作品实现了通过预设阀值控制钢筋加速锈蚀的全过程,并对锈蚀率进行监测,该方法的关键技术如下:钢筋混凝土结构中钢筋加速锈蚀实时控制与监测组合装置是将控制装置和监测装置组合在一起,组合后的装置的电源模块的电压统一调大,这样可以满足更多情况下的试验。组合后的控制与监测装置的关键技术在于:控制装置的阳极输出端口前安装了一个自动控制开关,该开关与钢筋锈蚀监测单元相连;钢筋锈蚀监测单元通过转化单元把电位差转化为锈蚀量,并可以在显示器上直接显示锈蚀量,然后通过编设的机器语言程序,在程序中设置控制试验启停的阀值,当监测单元监测值达到阀值时,程序向阳极输出端前的自动控制开关发送命令,从而实现自动启停的效果。
该控制与监测装置与同类试验装置的区别如下:
1)该控制与监测装置可以实现锈蚀速率的控制和锈蚀量的监测工作,通过控制装置的显示器可以实时的显示控制电路中的电流、电压和通电时间,通过监测装置的显示器可以实时显示钢筋的实际锈蚀量。
2)该控制和监测装置通过预设阀值的方法自动控制启停,实现了加速锈蚀工作的自动化。
3)该控制与监测装置的阳极输出端可以增加,可以满足多组混凝土构件的同时制备,并且可以实现多组混凝土构件不同锈蚀速率的控制与监测,即每一个支路的单独控制,这样使得在一次制备中可以实现不同锈蚀率的混凝土构件的制备。
作品所述的钢筋混凝土结构中钢筋加速锈蚀实时控制监测装置具有多个试验通道,能够实现同时对多组钢筋混凝土结构中的钢筋进行试验,并对其分别进行实时控制监测,通过软件可手动或自动控制每一组试验的输入电压及通电时间等,能够实现钢筋的加速锈蚀和对其腐蚀锈蚀率的实时显示;通过根据影响因子的实时变化完成对钢筋的理论腐蚀失重率进行实时修正,能够得到更加精确的钢筋实际腐蚀失重率,便于管理者简单、直观、快速地了解钢筋混凝土结构中的精确钢筋实际腐蚀失重率,对于混凝土结构的耐久性问题研究具有极其重要的作用。
采用该套装置不仅可以得出混凝土构件中钢筋的锈蚀质量,量化处钢筋的锈蚀程度,而且还可以通过预设阀值自动控制锈蚀过程的启停。
4、项目研究技术路线
拟解决问题:本作品创新性地提出了一种控制、监测精确的钢筋混凝土结构中钢筋加速锈蚀实时控制监测的方法。该方法可以实现锈蚀速率的控制和锈蚀量的监测工作,且该方法通过预设阀值的方法自动控制启停,实现了加速锈蚀工作的自动化,为解决混凝土结构耐久性问题而提供一种结构简单,但控制、监测精确的钢筋混凝土结构中钢筋加速锈蚀实时控制监测的方法。
5、研究进度安排
2018.04.15—2018.05.30 设计一套实时控制监测系统,拟设计的实时控制监测系统包括:电源、控制器、信号采集器、阴极板等。
2018.06.01—2018.09.30 制作混凝土试件,运用实时控制监测系统进行试验研究,整理所得的数据进行分析,得出各个影响因素及影响结果。
2018.10.01—2018.10.31 反复调试运行后,最终确定实时控制监测系统的各参数的取值。
2018.11.01—2019.02.31 数据处理,编辑程序制做控制与监测装置。
2019.03.01—2019.10.31 控制与监测装置应用修证及完善。
6、项目组成员分工
姓名
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性别
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技术职务
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专业班级
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从事专业
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项目分工
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郭旭腾
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男
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学生
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15本土木5班
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土木工程
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控制与监测装置的制作
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黄志勇
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男
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学生
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15本土木5班
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土木工程
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数据处理
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李宇星
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男
|
学生
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15本土木1班
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土木工程
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数据处理、编辑程序
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张奇
|
男
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学生
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17本土木1班
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土木工程
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混凝土试件的制作、试验
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王强
|
男
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学生
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17本土木1班
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土木工程
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混凝土试件的制作、试验
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冷玲倻
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女
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指导老师
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-
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结构工程
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确定试验材料、技术指导
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三、学校提供条件:
1、土木工程学院现拥有南昌市重点材料研究与结构检测实验室,为项目进行相关试验研究提供基础;
2、本项目来源指导老师省自然科技课题的子项目,有一定经费支持;
3、学校大力支持大学生创新创业并给予相应的支持与经费。
四、预期成果:
1、采用该套装置可以保守的得出混凝土构件中钢筋的锈蚀质量,量化处钢筋的锈蚀程度,并可以通过预设阀值自动控制锈蚀过程的启停;
2、通过电化学锈蚀制备大量的试件解决在通过实际生活中拆除试件难这一问题;
3、电化学锈蚀控制与监测套装置申报专利一项。
五、经费预算:
1、制备6个试件(钢筋混凝土柱):
①保护层厚度不同,其他因素相同;
②电流密度不同,其他因素相同;
③电解液浓度、裂缝的影响,其他因素相同。每个试件600元, 预计:3600元。
2、砌筑试卷池人工费、材料费 预计:1000元
3、购食盐一袋,电线若干,环氧树脂一桶,直流电源一个,滑动电阻器若干,角磨机一个,电压表一个等 预计:5000元
4、控制与监测装置制作(电路板及编程) 预计:5000元
5、控制与监测应用验证试验 预计:1200元
专利一项(实用新型) 预计: 800元
论文一篇 预计:2000元
合预计:20000元