一种纤维增强聚合物筋与混凝土粘结性能的表征方法与流程

本发明涉及测量技术领域，尤其涉及一种纤维增强聚合物筋与混凝土粘结性能的表征方法。

背景技术：

钢筋混凝土结构具有承载力大、受力性能良好、造价低廉、服役寿命长等诸多优点，是现在土建、港口、桥梁和一些特种结构等领域的主要结构形式。但是随着钢筋混凝土结构应用的不断推广，越来越多的结构面临着外力的破坏和自然环境的侵蚀问题，比如：风、浪、海啸、地震、碰撞等外力，海洋工程及近海工程面临的氯离子、硫酸盐侵蚀，寒冷地区面临的冻融损害，混凝土的碳化、化学侵蚀、碱集料反应以及钢筋锈蚀等等。而钢筋锈蚀是影响混凝土耐久性下降的主要因素。由于钢筋锈蚀带来巨大的危害，20世纪60年代国内外学者开始寻求各种解决办法，经过半个多世纪的研究，得到了诸多防止或延缓钢筋锈蚀的措施，其中纤维增强聚合物(FRP)筋代替钢筋使用在混凝土结构是一种从根本上解决钢筋的腐蚀问题，广受学者关注，也得到了许多工程应用。

FRP筋是一种新型的复合材料，它是采用连续纤维通过拉挤工艺和合成树脂按照一定的比例胶合而成。其中合成树脂为基体材料，用于保护纤维和固定材料形状，而纤维为增强材料，决定着FRP筋的力学性能和刚度。FRP筋代替钢筋应用在混凝土结构中的一个关键技术就是FRP筋与混凝土的粘结，这是两种材料能够复合成新型结构共同受力的基本前提，是关于两种材料能够共同使用的匹配性研究。一般来说，外力很难直接作用到FRP筋上，基本都是通过周围混凝土的传递，传递主要通过筋与混凝土之间的粘结力来实现，因此FRP筋与混凝土的粘结界面对于两者的粘结性能研究十分重要。若是两者的粘结强度遭到破坏，构件就会变形加剧，裂缝剧烈展开，从而导致整体结构的提前破坏。随着FRP筋在混凝土结构中越来越多的应用，诸多研究者主要参考的还是《混凝土结构试验方法标准》(GB 50152-92)的钢筋粘结性能试验方法，选择进行中心拔出试验，从而计算FRP筋与混凝土的粘结强度，微观上通常也是使用扫描电子显微镜(SEM)进行一些破坏形态的描述，该方法虽然可以描述FRP筋与混凝土的粘结性能，但是试验繁琐，成型复杂，工程量大，同时也无法在试件保持完整的情况下观测到FRP筋与混凝土的粘结界面。综上所述，目前急需要一种较好的无损检测FRP筋与混凝土粘结部位的表征方法。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中测量方法繁琐，成型复杂，切工程量大的缺陷，提供一种纤维增强聚合物筋与混凝土粘结性能的表征方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

本发明提供一种纤维增强聚合物筋与混凝土粘结性能的表征方法，包括以下步骤：

S1、制备FRP筋增强混凝土结构试件，试件包括混凝土和设置在混凝土中的FRP筋；

S2、对FRP筋增强混凝土结构试件进行X-CT扫描，得到试件的多幅二维断层扫描图像；

S3、通过CT数据分析和可视化软件对二维断层扫描图像进行分析，并对其进行三维体重建，得到得到FRP筋增强混凝土的三维体结构；

S4、以三维体结构中FRP筋的轴心为中心线，统计距离FRP筋表面一定距离的圆环内的混凝土孔隙体积，通过计算单位长度的FRP筋与混凝土粘结界面的单位孔隙体积，对FRP筋与混凝土的粘结性能进行表征。

进一步地，本发明的步骤S1的具体方法为：

S11、制备边长为150mm的立方体混凝土试件，在浇注混凝土之前将FRP筋固定于对立侧平面中心钻孔的模具中，所有试验试件需要进行同一批浇注，同时进行振捣，忽略混凝土成型过程中造成的孔隙不均的影响；成型后带模养护1天，然后拆模并将试件放入标准养护室，养护温度为20±2℃，相对湿度为95％以上，养护28天后取出备用；

S12、对待检测的试件进行预处理，在试件待进行X-CT扫描的截面位置，使用切割机，从试件边缘至轴心切割50mm的切口，切口用于提高X-CT扫描图像的分辨率。

进一步地，本发明的步骤S4中圆环的外径距离FRP筋表面的距离为1d-2d，d为FRP筋的直径。

进一步地，本发明的步骤S4的具体方法为：

S41、根据二维断层扫描图像的灰度值差别，对FRP筋增强混凝土的三维体结构进行分相，用黑色表示孔隙；

S42、以三维体结构中FRP筋的轴心为中心线，统计距离FRP筋表面一定距离的圆环内的混凝土孔隙体积，记作Vp；测量三维体结构中FRP筋的长度，记作l；

S43、根据孔隙体积Vp和FRP筋长度，计算单位长度内FRP筋与混凝土粘结界面的单位孔隙体积V，计算公式为：V＝Vp/l；

S44、对于同种类别的FRP筋增强混凝土试件，计算多个试件的单位孔隙体积的平均值；对于不同种类的FRP筋增强混凝土试件，重复步骤S42和步骤S43，得到不同类型FRP筋增强混凝土试件的单位孔隙体积，对结果进行比较即可表征不同类型FRP筋增强混凝土试件的粘结性能。

进一步地，本发明的步骤S2中对FRP筋增强混凝土结构试件进行X-CT扫描的扫描层厚度为40um-60um。

进一步地，本发明的步骤S3中CT数据分析和可视化软件为my-VGL软件。

进一步地，本发明的步骤S4中单位长度的FRP筋与混凝土粘结界面的单位孔隙体积越大，FRP筋增强混凝土结构试件的粘结力越弱。

进一步地，本发明的该方法还包括对表征结果进行验证的方法，具体为：

S5、通过FRP筋增强混凝土结构试件拉拔装置对FRP筋和混凝土的粘结力进行测量，通过比较测量得到的粘结力和计算得到的单位孔隙体积，对该表征方法进行验证；

FRP筋增强混凝土结构试件拉拔装置包括试件、固定件、锚固端和加载端；其中：

试件包括混凝土和设置在混凝土内部的FRP筋，FRP筋通过两段设置在混凝土内的PVC套管与混凝土固定连接；

固定件包括下固定件、上固定件和竖直固定件，竖直固定件对下固定件和上固定件进行支撑，试件放置在下固定件上，下固定件中心开孔；

FRP筋下端穿过开孔与锚固端固定连接，FRP筋上端设置有锚固钢管，锚固钢管上固定有位移计，加载端对锚固端施加压力，通过测量位移计的位移值，根据位移值计算得到FRP筋和混凝土的粘结力。

本发明产生的有益效果是：本发明的纤维增强聚合物筋与混凝土粘结性能的表征方法，能够在不损坏试件的前提下能够得出FRP筋与混凝土界面的粘结界面的断面图像；该方法精度较高，能够准备的表征和计算不同环境下FRP筋与混凝土粘结界面的孔隙情况，能够从微观的角度做出对比；该方法操作较为简单，可行性强，对于在FRP筋与混凝土界面结合的特征和粘结机理具有一定的指导意义。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明所用FRP筋增强混凝土结构的X-CT试验试件成型说明图；

图2是本发明具体实施实例所用FRP筋增强混凝土结构的宏观拉拔试验试件成型说明图；

图3是本发明具体实施实例中FRP筋增强混凝土结构的拉拔试验加载装置简图；

图4是本发明具体实施实例中不同种类GFRP筋与混凝土粘结力大小图；

图5是本发明具体实施实例中自然环境下GFRP筋增强混凝土结构的二维断层截面图；

图6是本发明具体实施实例中强碱环境下GFRP筋增强混凝土结构的二维断层截面图；

图7是本发明具体实施实例中盐碱复合环境下GFRP筋增强混凝土结构的二维断层截面图；

图8是本发明具体实施实例中不同种类单位长度GFRP筋与混凝土粘结界面孔隙体积图；

图9是本发明具体实施实例的方法流程图；

图中：1-FRP筋；2-混凝土；3-PVC套管；4-锚固钢管；5-下固定件；6-位移计；7-加载端；8-锚固端；9-上固定件；10-竖直固定件。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明实施例的纤维增强聚合物筋与混凝土粘结性能的表征方法，包括以下步骤：

S1、制备FRP筋增强混凝土结构试件，试件包括混凝土和设置在混凝土中的FRP筋；

S11、制备边长为150mm的立方体混凝土试件，在浇注混凝土之前将FRP筋固定于对立侧平面中心钻孔的模具中，所有试验试件需要进行同一批浇注，同时进行振捣，忽略混凝土成型过程中造成的孔隙不均的影响；成型后带模养护1天，然后拆模并将试件放入标准养护室，养护温度为20±2℃，相对湿度为95％以上，养护28天后取出备用；

S12、对待检测的试件进行预处理，在试件待进行X-CT扫描的截面位置，使用切割机，从试件边缘至轴心切割50mm的切口，切口用于提高X-CT扫描图像的分辨率。

S2、对FRP筋增强混凝土结构试件进行X-CT扫描，得到试件的多幅二维断层扫描图像；对FRP筋增强混凝土结构试件进行X-CT扫描的扫描层厚度为40um-60um，本实施例中优选50um。

S3、通过CT数据分析和可视化软件对二维断层扫描图像进行分析，并对其进行三维体重建，得到得到FRP筋增强混凝土的三维体结构；CT数据分析和可视化软件为my-VGL软件。

S4、以三维体结构中FRP筋的轴心为中心线，统计距离FRP筋表面一定距离的圆环内的混凝土孔隙体积，通过计算单位长度的FRP筋与混凝土粘结界面的单位孔隙体积，对FRP筋与混凝土的粘结性能进行表征。

步骤S4中圆环的外径距离FRP筋表面的距离为1d-2d，d为FRP筋的直径，本实施例中优选1.5d。

步骤S4的具体方法为：

S41、根据二维断层扫描图像的灰度值差别，对FRP筋增强混凝土的三维体结构进行分相，用黑色表示孔隙；

S42、以三维体结构中FRP筋的轴心为中心线，统计距离FRP筋表面一定距离的圆环内的混凝土孔隙体积，记作Vp；测量三维体结构中FRP筋的长度，记作l；

S43、根据孔隙体积Vp和FRP筋长度，计算单位长度内FRP筋与混凝土粘结界面的单位孔隙体积V，计算公式为：V＝Vp/l；

S44、对于同种类别的FRP筋增强混凝土试件，计算多个试件的单位孔隙体积的平均值；对于不同种类的FRP筋增强混凝土试件，重复步骤S42和步骤S43，得到不同类型FRP筋增强混凝土试件的单位孔隙体积，对结果进行比较即可表征不同类型FRP筋增强混凝土试件的粘结性能。

步骤S4中单位长度的FRP筋与混凝土粘结界面的单位孔隙体积越大，FRP筋增强混凝土结构试件的粘结力越弱。

该方法还包括对表征结果进行验证的方法，具体为：

S5、通过FRP筋增强混凝土结构试件拉拔装置对FRP筋和混凝土的粘结力进行测量，通过比较测量得到的粘结力和计算得到的单位孔隙体积，对该表征方法进行验证；

FRP筋增强混凝土结构试件拉拔装置包括试件、固定件、锚固端8和加载端7；其中：

试件包括混凝土2和设置在混凝土2内部的FRP筋1，FRP筋1通过两段设置在混凝土2内的PVC套管3与混凝土2固定连接；

固定件包括下固定件5、上固定件9和竖直固定件10，竖直固定件10对下固定件5和上固定件9进行支撑，试件放置在下固定件5上，下固定件5中心开孔；

FRP筋1下端穿过开孔与锚固端8固定连接，FRP筋1上端设置有锚固钢管4，锚固钢管4上固定有位移计6，加载端7对锚固端8施加压力，通过测量位移计6的位移值，根据位移值计算得到FRP筋和混凝土的粘结力。

在本发明的另一个具体实施例中：

鉴于现有技术存在的不足与存在的一系列问题，本发明的目的在于设计提供一种FRP筋与混凝土粘结性能的表征方法。该方法基于X射线断层扫描技术(X-CT)，X-CT技术可以利用灰度表征试样内部结构密度，对材料的结构进行三维重构，可以实现材料的无损检测，该技术在混凝土材料的结构识别与检测中已有诸多应用，特别是应用在混凝土的孔隙结构表征与测试中，因此可以利用X-CT技术对FRP筋与混凝土结构的粘结性能进行表征，旨在解决目前测试方法的操作繁琐及无法进行界面表征等问题。

为了验证本发明与实际情况具有相符合性，本实施实例另外补充了FRP筋与混凝土的粘结力测试的宏观试验进行验证。本实施实例具体操作步骤如下：

(1)成型GFRP筋增强混凝土试样，所用混凝土设计强度等级为C80，水胶比为0.23，其中水泥:粉煤灰:硅灰:砂子:石子:水:减水剂＝0.7:0.2:0.1:1.2:1.8:0.25:0.005(水泥采用江南小野田P.Ⅱ52.5水泥；粉煤灰采用南京热电厂生产的I级粉煤灰；硅灰采用埃肯公司生产的微硅粉；砂子采用连续级配普通河砂；石子采用石灰岩碎石，5-20mm连续级配；拌合水为自来水；减水剂采用西卡公司生产的聚羧酸高效减水剂，固含量为40％，减水率在40％以上。)，选用的GFRP筋为深圳海川新材料科技有限公司提供的直径为12mm的GFRP筋，其基体材料为乙烯基树脂，约为30％，增强材料部E-glass纤维，约占65％。

(2)综合参考文献，考虑到GFRP筋增强混凝土结构的耐久性较好，若在盐碱环境下达到粘结强度变化所需要周期较长，本具体实施实例采取溶液浸泡腐蚀后的GFRP筋进行混凝土结构成型试验。将GFRP筋分别放置在自然环境、强碱环境、盐碱复合环境中90d(强碱环境：具体含有氢氧化钠1.72g/L，氢氧化钾16.8g/L，氢氧化钙2.0g/L，测得溶液的pH为13.68；盐碱复合环境：具体含有氢氧化钠1.72g/L，氢氧化钾16.8g/L，氢氧化钙2.0g/L，氯化钠37.0g/L。)，以备成型使用。成型的GFRP筋增强混凝土X-CT试验试样与拉拔试验试样详细见附图1与附图2，每种环境下均成型试件5个；

(3)将(2)中成型并在标准养护室养护28d后的试件取出，其中宏观拉拔试验的加载图见附图3，依据《混凝土结构试验方法标准》(GB 50152-2012)的钢筋粘结性能试验方法，测出三种不同环境下GFRP筋与混凝土的粘结力(已求取平均值)分别为：自然环境：29.58MPa，强碱环境：23.28MPa，盐碱复合环境：16.37MPa。测试结果详细见附图4：

(4)对(2)中用于做X-CT的混凝土试件进行切割，使得每个测试试件大小尽可能控制接近为50mm的立方体，对所有切割好的试件进行X-CT扫描，附图5、附图6和附图7分别列举了自然环境、强碱环境、盐碱复合环境的GFRP筋增强混凝土结构的一张二维断层截面图；

(5)利用my-VGL软件对扫描结果进行三维构造，根据X-CT技术对应的灰度值差别对构造出的三维体进行分相，以三维体结构中FRP筋轴心为中心线，利用my-VGL软件统计距GFRP筋表面18mm半径环中的孔隙体积，记作Vp，再测量构建出三维体中GFRP筋的长度，记作l。根据所述孔隙值Vp和筋长度l，计算单位长度内GFRP筋与混凝土粘结界面的孔隙体积：V＝Vp/l，其中同种类型的GFRP筋增强混凝土试件计算平均值即可；

(6)重复上述步骤，测出所有类型试件的孔隙值Vp和筋长度l，计算单位长度内GFRP筋与混凝土粘结界面的孔隙体积：V＝Vp/l，同种类型的GFRP筋增强混凝土试件求其平均值，结果为：自然环境：4.411mm²，强碱环境：5.242mm²，盐碱复合环境8.092mm²，测试结果详细见附图8。

通过试验的结果，发现经过不同环境侵蚀后的GFRP筋与混凝土的粘结力是不同的，并且粘结力的大小随着单位长度内GFRP筋与混凝土粘结界面的孔隙体积的增大而减小，即界面孔隙越少，结合越紧密，粘结力越大，与宏观拉拔试验结果相稳合。

与现有的宏观方法测试FRP筋与混凝土粘结性能的试验相比，本发明具有以下效果和优点：

1.本发明在不损坏试件的前提下能够得出FRP筋与混凝土界面的粘结界面的断面图像；

2.本发明的精度较高，能够准备的表征和计算不同环境下FRP筋与混凝土粘结界面的孔隙情况，能够从微观的角度做出对比；

3.本发明提供的测试方法操作较为简单，可行性强，对于在FRP筋与混凝土界面结合的特征和粘结机理具有一定的指导意义。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。