CN109669028B - 一种钢筋锈胀引起混凝土开裂锈胀力的测量方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于混凝土锈蚀技术领域，涉及一种钢筋锈胀引起混凝土开裂锈胀力的测量方法，基于数字图像相关方法拍摄钢筋混凝土表面变形，分析计算混凝土表面的全场位移及应变，通过建立完成的理论模型，找到锈胀力与混凝土表面应变的关系，计算出钢筋锈胀力并分析其变化规律；其方法简便，操作安全可靠，原理科学，成本低，能实时监测钢筋混凝土锈蚀膨胀过程中锈胀力的变化。

Description

一种钢筋锈胀引起混凝土开裂锈胀力的测量方法
技术领域:
本发明属于混凝土锈蚀技术领域，涉及一种通过无损监测实现混凝土内钢筋锈蚀过程中锈胀力的测量方法，特别是一种钢筋锈胀引起混凝土开裂锈胀力的测量方法，采用数字图像相关方法，对钢筋混凝土表面的位移及应变等信息进行实时监测，并通过建立的理论模型推导出混凝土内部钢筋锈胀力，从而分析出钢筋在锈蚀过程中的锈胀力变化规律。
背景技术：
19世纪初期，钢筋混凝土材料在建筑领域引起了一场革命，越来越多的建筑物采用钢筋混凝土材料进行建造。钢筋有着良好的抗拉性能，混凝土则有着良好的抗压性和可塑性。并且两者具有优良的粘结性，使得混凝土和钢筋的结合成为可能。钢筋混凝土材料充分发挥了混凝土和钢筋的优点并弥补了对方的不足，钢筋嵌入混凝土中可以增加混凝土的抗拉强度和抗弯强度，混凝土则为钢筋提供碱性环境，防止钢筋发生腐蚀，混凝土保护层还能起到很好的隔热作用，能够有效的防止钢筋由于受热导致性能下降，这些特点使得钢筋混凝土材料成为工业和民用中最常见的建筑材料。混凝土水化物所形成的碱性环境以及钢筋表面存在的钝化膜能使钢筋免于腐蚀，因此一般认为钢筋混凝土结构不会因为自然原因发生锈蚀，导致混凝土保护层开裂。但是随着钢筋混凝土材料应用场景的增多，服役于沿海港口等湿润潮湿环境下的钢筋混凝土结构，受到氯盐侵蚀使混凝土产生的碱性环境失效、钢筋钝化膜破裂，导致钢筋发生锈蚀，最终钢筋锈蚀产物引起混凝土保护层开裂。因此近年来钢筋锈蚀问题受到了众多学者的广泛关注和重视，成为国内外研究者关心的热点话题。
目前针对钢筋锈胀力的研究，获取钢筋锈胀力的途径主要有三种方法：一是通过钢筋锈蚀产物厚度、混凝土碳化深度等钢筋混凝土结构内部数据获取锈胀力；二是在试件内部预埋仪器获得钢筋电流或应变的形式来计算锈胀力；三是通过建立模型获得开裂瞬时的锈胀力。但是这些现有方法不能实时监测锈胀力的变化，而且实施起来难度较大，成本也比较高。因此，亟待设计一种操作简单、成本低的由于钢筋锈胀引起混凝土开裂过程中锈胀力的测量方法。而数字图像相关方法(Digital Image Correlation，DIC)的非接触无损监测的特点，有效的弥补现有方法的不足，能够实时监测变化过程，使得无损监测混凝土开裂过程中的锈胀力成为一种可能。
发明内容：
本发明目的在于克服现有技术存在的缺点，试图提供一种简便、易操作的方法测量钢筋混凝土锈蚀膨胀过程中锈胀力的大小，基于数字图像相关方法拍摄钢筋混凝土表面变形，分析计算混凝土表面的全场位移及应变，通过建立完成的理论模型，找到锈胀力与混凝土表面应变的关系，计算出钢筋锈胀力并分析其变化规律。
为了实现上述目的，本发明测量钢筋混凝土锈蚀膨胀过程中锈胀力的具体步骤为：
(1)先将钢筋固定在100mm×100mm×300mm模具中间位置，同时将一根不锈钢钢筋作为电加速的电极使用，再浇筑搅拌好的混凝土，使钢筋的截面与混凝土的表面齐平后放到振动台上振动5min，静置24h后脱模并放入蒸汽养护室进行养护两个月得到混凝土试块，在制作好的混凝土试块两个侧面、底面和背面上黏贴应变片；
(2)配备两台CCD相机以及一台与相机相连接的电脑，其中CCD相机包括机身和镜头，调整好两台CCD相机的位置，使CCD相机正好拍摄到混凝土试块未黏贴应变片的正面和上表面，同时调整CCD相机镜头的焦距使镜头与混凝土试块的距离保持在合适范围内，以获得更清晰有效的图像；并减弱室内光强，外加一个光源，调节外加光源的光强使得混凝土试块表面散斑处于既不能过饱和又不能过暗，满足数字图像相关方法中对散斑的要求，混凝土试块完全由外加光源提供光线，以降低昼夜交替带来的光线强度影响；
(3)在开始实验前，先分别用两台CCD相机拍摄两张初始图片作为参考图像，命名为f0，s0，保存图片格式为bmp格式；
(4)随着钢筋的锈蚀，锈胀力不断发生变化，混凝土试块表面位移和应变也不断发生着变化，两台CCD相机每间隔一段时间t0自动采集一张图片，从0时刻开始实验，在t0时刻自动采集两幅图像f1，s1；
(5)随着实验的进行，锈胀力不断增大，混凝土试块表面的应变不断增大，采集到的图像也越来越多，在2t0、3t0、4t0……nt0时刻自动采集图像为f2、s2、f3、s3、f4、s4……fn、sn，将这些采集的图像作为计算时的目标图像；
(6)利用自行编制的数字图像相关方法进行计算，获得每一幅图像的全场位移值及全场应变值；
(7)根据弹性力学及混凝土变形理论，建立理论模型，从而求出钢筋锈胀力和混凝土表面的应变关系；
(8)最后根据建立的理论模型以及数字图像相关方法得出的全场位移值和全场应变值，计算出钢筋锈胀力的大小并总结钢筋锈胀力的变化规律。
本发明所述自行编制的数字图像相关方法工作原理为：在变形前后采集两幅变形场图像，对变形前后采集图像上的散斑点进行相关匹配计算，跟踪点的运动，获得物体表面的位移信息，具体为：在变形前的图像中选择待测点P(x,y)为中心的(2N+1)×(2N+1)大小的计算子区S，让该计算子区S在变形后的目标图像中移动，按归一化的最小平方距离相关函数进行相关计算，寻找相关系数C出现极值时所对应的点P‘(x+u,y+v)为中心的(2N+1)×(2N+1)大小的目标子区S′，则u、v分别为点P(x,y)沿x方向和y方向的位移；归一化的最小平方距离相关函数公式：
Figure BDA0001983944080000031
Figure BDA0001983944080000032
Figure BDA0001983944080000033
Figure BDA0001983944080000034
Figure BDA0001983944080000035
其中，A(x,y)是变形前计算子区S的中心点P(x,y)的灰度值，B(x,y)是变形后目标子区S′中心点P‘的灰度值；Am和Bm是变形前子区和变形后目标子区的灰度平方的平均值；N是正整数，N的具体数值可以在计算过程中自行设置。ΔA是变形前各点灰度与平均灰度的差的平方和，ΔB是变形后各点灰度与相应平均灰度的差的平方和，CZNSSD代表归一化的最小平方距离相关函数公式。
本发明建立理论模型的具体过程为：先以钢筋截面圆心为坐标原点建立坐标系，其中x轴和y轴与钢筋混凝土试件的正方形截面的两条边平行，根据弹性力学半逆解法，设应力分量的函数形式为σy＝f1(y)g1(x)q，
带入应力公式
Figure BDA0001983944080000041
及相容方程
Figure BDA0001983944080000042
得
Figure BDA0001983944080000043
考察边界条件，在上下两个边界上，应力条件必须完全得到满足；考虑正面上的边界条件，该模型满足弹性力学完全接触问题，即上下两部分既不相互脱离也不相互滑动，最终得应力函数与应力分量为：
Figure BDA0001983944080000044
代入弹性力学物理方程如下：
Figure BDA0001983944080000045
得到混凝土表面应变与钢筋锈胀力关系模型：
Figure BDA0001983944080000046
其中，Ec是混凝土弹性模量，为减小不同混凝土试块对模型的影响，对上述模型进行修正，得到:
Figure BDA0001983944080000047
式中，k为修正系数，Ec是混凝土弹性模量；d为混凝土表面边长；r为钢筋外半径，εx，εy，γxy分别为点的x方向应变、y方向应变和剪切应变；σx，σy，τxy分别为点的x方向应力、y方向应力和剪切应力，E为弹性模量，μ为泊松比，f1(y)为关于y的待定函数，g1(x)为关于x的待定函数；这样根据数字图像相关方法得到的钢筋混凝土试件表面应变值εx可以计算得到任一时刻钢筋锈胀力大小q。
本发明与现有技术相比，其方法简便，操作安全可靠，原理科学，成本低，能实时监测钢筋混凝土锈蚀膨胀过程中锈胀力的变化。
附图说明：
图1为本发明的工作原理流程示意框图。
图2为本发明实施例所述钢管(a)及其剖面图(b)。
图3为本发明所述混凝土试块及拍摄系统示意图。
图4为本发明所述混凝土试块正面的拍摄示意图。
图5为本发明实施例所述参考锈胀力与测点锈胀力对比图。
具体实施方式：
下面通过实施例并结合附图对本发明做进一步说明。
实施例：
本实施例所述钢筋选用中空结构的钢管，钢管的内径为10mm，外径为16mm，在钢管内部黏贴应变片1，用来测量钢筋内壁的应变，利用弹性力学理论推导出钢筋表面锈胀力，以便与本实施例所述方法获取的锈胀力进行对比以验证测量结果的有效性，具体操作步骤如下：
(1)先将钢管沿轴线纵向剖开，根据实际需要在钢管内部环贴数个应变片1，用于测量钢管内部应变；
(2)制作中间位置嵌有钢管3的方形混凝土试块2，钢管3的截面与混凝土试块的表面齐平，养护养护两个月后，将混凝土试块2左右两个侧面、下表面和后端部都黏贴应变片，只保留混凝土试块2正面和上表面不黏贴应变片，用于CCD采集变形图像；
(3)将混凝土试块2放在实验台上，在混凝土试块2的正面放置第一CCD相机4，使第一CCD相机4刚好能够拍摄混凝土试块2的正面全场，如图4所示，在混凝土试块2的正上方放置第二CCD相机5，使第二CCD相机5刚好能够拍摄混凝土试块2的上表面，由于混凝土开裂的周期比较长，需要昼夜不间断的拍照，为降低昼夜交替带来的光线强度的影响，减弱实验室的光强，外加一个光源6；调节外加光源的光强使得试件表面散斑处于既不能过饱和又不能过暗，满足数字图像相关方法中对散斑的要求即可；
(4)用外接的应变采集仪连接所有应变片，以便在实验开展过程中采集应变片数据并实时保存；
(5)开始进行实验，在开始实验之初，用第一CCD相机4和第二CCD相机5拍摄两张初始图片作为参考图像，命名为f0，s0，保存图片格式为bmp格式；
(6)随着钢筋的腐蚀，锈胀力不断发生变化，混凝土试块2的表面位移和应变也不断发生着变化，为了能够拍摄混凝土开裂的整个过程，第一CCD相机4和第二CCD相机5每间隔一段时间t0＝0.5s采集一张图片，从0时刻开始实验，在0.5s时两台CCD相机自动采集两幅图像f1，s1；
(7)随着实验的进行，锈胀力不断增大，混凝土试块的表面应变不断增大，采集到的图像也越来越多，在2t0、3t0、4t0……nt0时刻CCD相机分别自动采集图像，命名为f2、s2、f3、s3、f4、s4……fn、sn作为计算的目标图像；
(8)利用自行编制的数字图像相关方法相关软件进行计算，获得每一幅图像的全场位移值及全场应变值；
(9)根据弹性力学及混凝土变形理论，建立理论模型，从而求出钢筋锈胀力和混凝土表面的应变关系；
(10)根据建立的理论模型以及数字图像相关方法得出的全场位移值及全场应变值，计算出钢筋锈胀力的大小并总结钢筋锈胀力的变化规律；
(11)将得出的锈胀力实验结果与钢管内壁应变片推导得到的锈胀力进行对比，以验证结果的有效性，具体实验结果如下：
将混凝土表面应变数据代入公式4，其中Ec＝3×104MPa，k＝0.6，μ＝0.3，d＝500mm，结果如图5所示，其中由钢管内部环贴的应变片计算得到的钢管表面锈胀力作为参考锈胀力混凝土出现裂缝前，混凝土出现由测点a、b、c的应变推导出的锈胀力与参考锈胀力基本一致，一致性良好，其中a,c测点受到混凝土边界的影响，计算出的锈胀力与参考锈胀力有一定的出入，而位于混凝土表面中间的测点b则与参照锈胀力吻合较好。混凝土出现裂缝后，模型失效不能够再继续使用拉梅解答进行简化，因此混凝土表面应变推导的锈胀力开始逐渐脱离参考锈胀力，直到混凝土完全开裂后，混凝土不再受到环向的拉应力，此时测点得到的锈胀力完全脱离参考锈胀力，属于正常现象，由此可见本实施例提出的方法在钢筋混凝土结构出现裂缝前具有较好的适用性。

Claims (1)

1.一种钢筋锈胀引起混凝土开裂锈胀力的测量方法，其特征在于具体步骤为：
(1)先将钢筋固定在100mm×100mm×300mm模具中间位置，同时将一根不锈钢钢筋作为电加速的电极使用，再浇筑搅拌好的混凝土，使钢筋的截面与混凝土的表面齐平后放到振动台上振动5min，静置24h后脱模并放入蒸汽养护室进行养护两个月得到混凝土试块，在制作好的混凝土试块两个侧面、底面和背面上黏贴应变片；
(2)配备两台CCD相机以及一台与相机相连接的电脑，其中CCD相机包括机身和镜头，调整好两台CCD相机的位置，使CCD相机正好拍摄到混凝土试块未黏贴应变片的正面和上表面，同时调整CCD相机镜头的焦距使镜头与混凝土试块的距离保持在合适范围内，以获得更清晰有效的图像；并减弱室内光强，外加一个光源，调节外加光源的光强使得混凝土试块表面散斑处于既不能过饱和又不能过暗，满足数字图像相关方法中对散斑的要求，混凝土试块完全由外加光源提供光线，以降低昼夜交替带来的光线强度影响；
(3)在开始实验前，先分别用两台CCD相机拍摄两张初始图片作为参考图像，命名为f0，s0，保存图片格式为bmp格式；
(4)随着钢筋的锈蚀，锈胀力不断发生变化，混凝土试块表面位移和应变也不断发生着变化，两台CCD相机每间隔一段时间t0自动采集一张图片，从0时刻开始实验，在t0时刻自动采集两幅图像f1，s1；
(5)随着实验的进行，锈胀力不断增大，混凝土试块表面的应变不断增大，采集到的图像也越来越多，在2t0、3t0、4t0……nt0时刻自动采集图像为f2、s2、f3、s3、f4、s4……fn、sn，将这些采集的图像作为计算时的目标图像；
(6)利用自行编制的数字图像相关方法进行计算，获得每一幅图像的全场位移值及全场应变值；
(7)根据弹性力学及混凝土变形理论，建立理论模型，从而求出钢筋锈胀力和混凝土表面的应变关系；
(8)最后根据建立的理论模型以及数字图像相关方法得出的全场位移值和全场应变值，计算出钢筋锈胀力的大小并总结钢筋锈胀力的变化规律；
所述自行编制的数字图像相关方法工作原理为：在变形前后采集两幅变形场图像，对变形前后采集图像上的散斑点进行相关匹配计算，跟踪点的运动，获得物体表面的位移信息，具体为：在变形前的图像中选择待测点P(x,y)为中心的(2N+1)×(2N+1)大小的计算子区S，让该计算子区S在变形后的目标图像中移动，按归一化的最小平方距离相关函数进行相关计算，寻找相关系数C出现极值时所对应的点P‘(x+u,y+v)为中心的(2N+1)×(2N+1)大小的目标子区S′，则u、v分别为点P(x,y)沿x方向和y方向的位移；归一化的最小平方距离相关函数公式：
Figure FDA0003030682950000021
Figure FDA0003030682950000022
Figure FDA0003030682950000023
Figure FDA0003030682950000024
Figure FDA0003030682950000025
其中，A(xi,yj)是变形前计算子区S的中心点P(x,y)的灰度值，B(xi′,yj′)是变形后目标子区S′中心点P‘的灰度值；Am和Bm是变形前子区和变形后目标子区的灰度平方的平均值；N是正整数，N的具体数值可以在计算过程中自行设置；ΔA是变形前各点灰度与平均灰度的差的平方和，ΔB是变形后各点灰度与相应平均灰度的差的平方和，CZNSSD代表归一化的最小平方距离相关函数公式；
建立理论模型的具体过程为：先以钢筋截面圆心为坐标原点建立坐标系，其中x轴和y轴与钢筋混凝土试件的正方形截面的两条边平行，根据弹性力学半逆解法，设应力分量的函数形式为σy＝f1(y)g1(x)q，
带入应力公式
Figure FDA0003030682950000026
及，对x积分得到
Φ＝[f1(y)g3(x)+xf2(y)+f3(y)]q (1)
式中：
Figure FDA0003030682950000031
xf2(y)+f3(y)为积分过程中产生的二次项，将公式(1)带入相容方程
Figure FDA0003030682950000032
得
Figure FDA0003030682950000033
考察边界条件，在上下两个边界上，应力条件必须完全得到满足；考虑正面上的边界条件，该模型满足弹性力学完全接触问题，即上下两部分既不相互脱离也不相互滑动，最终得应力函数与应力分量为：
Figure FDA0003030682950000034
代入弹性力学物理方程如下：
Figure FDA0003030682950000035
得到混凝土表面应变与钢筋锈胀力关系模型：
Figure FDA0003030682950000036
其中，Ec是混凝土弹性模量，为减小不同混凝土试块对模型的影响，对上述模型进行修正，得到:
Figure FDA0003030682950000037
式中，k为修正系数，Ec是混凝土弹性模量；d为混凝土表面边长；r为钢筋外半径，εx，εy，γxy分别为点的x方向应变、y方向应变和剪切应变；σx，σy，τxy分别为点的x方向应力、y方向应力和剪切应力，E为弹性模量，μ为泊松比，f1(y)为关于y的待定函数，g1(x)为关于x的待定函数；这样根据数字图像相关方法得到的钢筋混凝土试件表面应变值εx可以计算得到任一时刻钢筋锈胀力大小q。
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