CN115290467B - 一种基于加速实验方法的纤维布-混凝土界面长期性能的表征方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于纤维增强混凝土结构耐久性测试技术领域，本发明提供了一种基于加速实验方法的纤维布‑混凝土界面长期性能的表征方法，包含考虑服役循环载荷的纤维布‑混凝土界面性能自然暴露实验；采用室内加速实验方法研究加速环境下纤维布‑混凝土界面耐久性；建立实际服役状态和室内加速环境下纤维布‑混凝土界面剪切性能相关关系。本发明为考虑服役载荷的FRP加固混凝土结构的自然暴露实验的进行和研究提供了实验方法及设备；通过建立FRP‑混凝土界面性能(粘结强度、刚度、断裂能)的加速衰退与自然衰退的相关关系，提出基于仿真加速实验、并以界面破坏机制和加速因子为表征参数的FRP‑混凝土界面长期性能的表征方法。
Description
技术领域
本发明涉及纤维增强混凝土结构耐久性测试技术领域，尤其涉及一种基于加速实验方法的纤维布-混凝土界面长期性能的表征方法。
背景技术
纤维增强复合材料(Fiber reinforced polymer，FRP)由于其轻质高强，耐腐蚀，便于施工等特点，已经被广泛应用在土木工程领域，特别是混凝土结构加固当中。FRP主要通过与混凝土粘贴共同受力，因此FRP-混凝土界面性能是影响FRP加固混凝土结构的关键。FRP加固混凝土结构是在环境与载荷耦合作用下服役的，环境与服役载荷的耦合作用对FRP-混凝土界面的长期性能影响不可忽视。对于长期在具有明显湿热气候特征区域服役的FRP加固混凝土结构，其FRP-混凝土界面性能必然会随着服役时间的增长而变化，从而影响结构整体性能。因此，探明服役状态下FRP-混凝土界面的长期性能演化规律是确保FRP加固混凝土结构在长期服役过程中安全运营的关键。
目前，纤维布-混凝土界面性能的评估和表征都是基于室内加速实验数据进行的。加速实验虽然可以使界面性能快速降低，缩短实验时间，然而加速过程可能存在与界面长期性能不一样的演化机制；另一方面，加速实验均未对加速过程的加速效率进行界定。这样的表征方法由于其无法准确评估加速环境与实际服役环境及其与载荷的交互作用效应的差异，从而给其评估结果带来极大的不确定性。
发明内容
本发明的目的在于为了克服现有技术的不足而提供一种基于加速实验方法的纤维布-混凝土界面长期性能的表征方法，该表征方法能够建立加速实验与自然暴露实验下纤维布-混凝土界面性能演化的关系。
为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
本发明提供了一种基于加速实验方法的纤维布-混凝土界面长期性能的表征方法，包含如下步骤：
1)确定纤维布-混凝土界面剪切性能的实验方法和实验试件；
2)考虑服役循环载荷的纤维布-混凝土界面性能自然暴露实验：
①确定服役循环载荷水平，②确定服役循环载荷的施加方法，③暴露实验场的长期测试，④不同载荷水平与不同自然暴露周期下纤维布-混凝土界面的时变粘贴-滑移模型；
3)采用室内加速实验方法研究室内加速环境下纤维布-混凝土界面耐久性；
4)建立实际服役状态和室内加速环境下纤维布-混凝土界面剪切性能相关关系，得到基于室内加速实验方法的纤维布-混凝土界面长期性能的表征方法。
作为优选，所述实验方法为双剪实验方法；实验试件为纤维布片材-混凝土试块构建的纤维布-混凝土双剪试件。
作为优选，步骤2)中，第①步通过统计分析、分布转换方法和损伤等效的方法得到适用于纤维布加固三点弯曲梁的车辆载荷实验谱，对实验谱下实验梁的纤维布-混凝土界面的剪切应力状态进行分析，确定循环服役载荷水平；
第②步所述施加方法采用适用于双剪试件的自然暴露实验循环加载装置。
作为优选，步骤2)的第③步中，所述暴露实验场为亚热带地区湿热环境，面积为1000～1200m2；
长期性能测试的项目包含暴露实验场的环境参数记录、试件外观和纤维布-混凝土长期相对滑移的观测和记录、定期进行纤维布-混凝土界面双剪实验。
作为优选，所述环境参数包含温度、相对湿度，记录环境参数的间隔时间为8～12min；
试件外观包含色泽、纤维布与混凝土的粘结情况；纤维布-混凝土长期相对滑移为试件中两个混凝土块的间隙宽度变化；
纤维布-混凝土界面双剪实验为5～50年，对双剪试件进行准静态拉伸试验，数字图像相关方法采集的位移-应变场与中轴线密布应变片采集应变数据进行比较验证，通过差分析法得到纤维布-混凝土界面的刚度、粘结强度、断裂能和应力-滑移曲线，通过扫描电镜法观测界面破坏形貌。
作为优选，步骤2)的第④步中，对不同自然暴露周期与不同载荷水平下纤维布-混凝土界面破坏模式与机理进行分析，建立服役循环载荷与自然暴露周期下纤维布-混凝土界面的粘结强度、刚度和断裂能的时变方程以及纤维布-混凝土界面的时变粘贴-滑移模型。
作为优选，步骤3)所述室内加速实验方法中，温度为60±1℃，相对湿度为94～99％RH，双剪试验的持续时间为90天，通过对不同加速周期下纤维布-混凝土界面的破坏模式、粘贴强度、刚度和断裂能进行分析，建立加速环境下纤维布-混凝土界面粘贴强度、刚度和断裂能的时变方程和时变粘贴-滑移模型。
作为优选，步骤4)建立相关关系前包含如下步骤：对比加速环境与实际服役状态下纤维布-混凝土界面剪切破坏模式，探讨加速环境对纤维布-混凝土界面的加速老化机理，评估采用室内加速实验方法研究纤维布-混凝土界面长期性能的合理性。
作为优选，步骤4)中，对比室内加速环境与实际服役状态下纤维布-混凝土界面性能的演化规律，分析室内加速环境对纤维布-混凝土界面性能的加速老化效率和机理，引入环境加速因子，建立实际服役状态和室内加速环境下纤维布-混凝土界面剪切性能相关关系，得到基于室内加速实验方法的纤维布-混凝土界面长期性能的表征方法。
本发明的有益效果包括：
1)本发明用于解决亚热带地区自然暴露湿热环境下承载构件中纤维布-混凝土界面长期性能演化的加速实验表征方法问题，以考虑变幅载荷的纤维布加固混凝土构件的自然暴露实验方法和装置为基础，通过改进的考虑服役载荷的纤维布-混凝土界面自然暴露实验，探讨纤维布-混凝土界面长期性能的演化规律，并与室内加速实验下纤维布-混凝土界面耐久性能实验结果进行比较，建立加速环境与实际服役状态下纤维布-混凝土界面性能演化规律的相关关系，从而提出基于加速实验的纤维布-混凝土界面长期性能的表征方法，提高纤维增强复合材料(FRP)加固混凝土结构的长期性能评估的精度。
2)鉴于以往混凝土结构的自然暴露实验并未考虑服役载荷(活载)的影响，本发明自主设计简易有效的、可进行长期仿真服役载荷加载的FRP-混凝土界面自然暴露实验平台，基于该实验平台提出服役载荷下FRP-混凝土界面长期性能的自然暴露实验及测试方法，为考虑服役载荷的FRP加固混凝土结构的自然暴露实验的进行和研究提供了实验方法及设备。
3)鉴于仿真加速实验数据无法直接对实际服役状态下FRP-混凝土界面长期性能进行评估，本发明基于服役载荷的FRP-混凝土界面的自然暴露实验，得到实际服役状态下FRP-混凝土界面的长期性能演化规律，并与加速实验结果进行对比分析，建立FRP-混凝土界面性能(粘结强度、刚度、断裂能)的加速衰退与自然衰退的相关关系，提出基于仿真加速实验、并以界面破坏机制和加速因子为表征参数的FRP-混凝土界面长期性能的表征方法。
附图说明
图1为本发明的纤维布-混凝土双剪试件的尺寸图，其中，a为正视图，b为侧视图；
图2为本发明的考虑服役载荷的自然暴露实验循环加载装置图；
图3为本发明的纤维布-混凝土界面双剪实验设置图；
图4为本发明的基于加速实验方法的纤维布-混凝土界面长期性能的表征方法的流程图。
具体实施方式
本发明提供了一种基于加速实验方法的纤维布-混凝土界面长期性能的表征方法，包含如下步骤：
1)确定纤维布-混凝土界面剪切性能的实验方法和实验试件；
2)考虑服役循环载荷的纤维布-混凝土界面性能自然暴露实验：
①确定服役循环载荷水平，②确定服役循环载荷的施加方法，③暴露实验场的长期测试，④不同载荷水平与不同自然暴露周期下纤维布-混凝土界面的时变粘贴-滑移模型；
3)采用室内加速实验方法研究室内加速环境下纤维布-混凝土界面耐久性；
4)建立实际服役状态和室内加速环境下纤维布-混凝土界面剪切性能相关关系，得到基于室内加速实验方法的纤维布-混凝土界面长期性能的表征方法。
本发明中，所述实验方法优选为双剪实验方法；实验试件优选为纤维布片材-混凝土试块构建的纤维布-混凝土双剪试件，试件的尺寸如图1所示，其中，a为正视图，b为侧视图，图1的尺寸能够考虑到纤维布的有效粘贴长度；其中，混凝土试块的厚度为0.23mm，混凝土为C30混凝土。
本发明步骤2)中，第①步优选以广东省某高速公路进行1个月的连续现场车辆数据为基础，通过统计分析、分布转换方法和损伤等效的方法得到适用于纤维布加固三点弯曲梁的车辆载荷实验谱，对实验谱下实验梁的纤维布-混凝土界面的剪切应力状态进行分析，确定循环服役载荷水平。
本发明中，考虑到非预应力的FRP加固混凝土结构存在无活载的状态，所以循环载荷应力比考虑为0(实验中循环载荷值为加载水箱自重)；为了探讨自然暴露湿热环境下不同服役载荷水平对纤维布-混凝土界面长期性能的影响，在服役载荷水平上下各增加1载荷水平进行实验研究。
本发明步骤2)中，第②步所述施加方法优选采用适用于双剪试件的自然暴露实验循环加载装置；考虑服役载荷的自然暴露实验循环加载装置如图2所示，利用U型连接件和滑轮组将多个双剪试件连接在一起并放置于活动支座上面，通过滑轮将水箱与试件一端相连，并将上述循环载荷输入单片机控制系统，通过单片机自动控制水泵和电磁阀控制水箱水位变化从而实现长期的循环载荷加载。
本发明步骤2)的第③步中，所述暴露实验场优选为亚热带地区湿热环境，面积优选为1000～1200m2，进一步优选为1100m2；暴露实验场优选为无遮挡、能够避免外界干扰、且能真实反映湿热气候特征的场地；
长期性能测试的项目优选包含暴露实验场的环境参数记录、试件外观和纤维布-混凝土长期相对滑移的观测和记录、定期进行纤维布-混凝土界面双剪实验。
本发明中，所述环境参数优选包含温度、相对湿度，采用温湿度自动记录仪对暴露实验场现场的温度和相对湿度进行记录，记录环境参数的间隔时间优选为8～12min，进一步优选为9～11min，更优选为10min，得到暴露实验场所湿热环境变化谱；
试件外观优选包含色泽、纤维布与混凝土的粘结情况，每个月定期对试件外观通过图片和文字进行记录；纤维布-混凝土长期相对滑移优选为试件中两个混凝土块的间隙宽度变化；
纤维布-混凝土界面双剪实验为5～50年，定期抽取批次进行纤维布-混凝土界面双剪实验(纤维布-混凝土界面双剪实验设置如图3所示)，优选为第0年、第5年、第10年、第15年、第20年(间隔时间为5年)对试件进行双剪实验，，进一步优选为第0年、第5年、第10年、第15年、第25年、第30年、第35年、第40年(间隔时间为5年)对试件进行双剪实验，每批次抽取15根试件。优选采用材料试验机并通过图3所示的夹具对双剪试件进行准静态拉伸试验，数字图像相关方法采集的位移-应变场与中轴线密布应变片采集应变数据进行比较验证，通过差分析法得到纤维布-混凝土界面的刚度、粘结强度、断裂能和应力-滑移曲线，通过扫描电镜法观测纤维布-混凝土界面破坏形貌。
本发明步骤2)的第④步中，优选对不同自然暴露周期与不同载荷水平下纤维布-混凝土界面破坏模式与机理进行分析，探讨不同自然暴露周期与不同载荷水平对纤维布-混凝土界面性能的影响机理，建立服役循环载荷与自然暴露周期下纤维布-混凝土界面的粘结强度、刚度和断裂能的时变方程以及纤维布-混凝土界面的时变粘贴-滑移模型。
本发明中，步骤3)所述室内加速实验方法中，温度优选为60±1℃，进一步优选为60±0.5℃，更优选为60±0.1℃，相对湿度优选为为94～99％RH，进一步优选为96～98％RH，在温湿环境箱中对纤维布-混凝土双剪试件加速老化进行室内加速实验，双剪试验的持续时间优选为90天，进一步优选为分别在第0天、第30天、第60天、第90天抽取试件进行双剪实验，每次抽取试件的数量优选为5根。
本发明中，通过对不同加速周期下纤维布-混凝土界面的破坏模式、粘贴强度、刚度和断裂能进行分析，研究加速环境下纤维布-混凝土界面的破坏机理和性能演化规律，建立加速环境下纤维布-混凝土界面粘贴强度、刚度和断裂能的时变方程和时变粘贴-滑移模型。
本发明中，步骤4)建立相关关系前优选包含如下步骤：对比加速环境与实际服役状态下纤维布-混凝土界面剪切破坏模式，探讨加速环境对纤维布-混凝土界面的加速老化机理，评估采用室内加速实验方法研究纤维布-混凝土界面长期性能的合理性。
本发明步骤4)中，优选对比室内加速环境与实际服役状态下纤维布-混凝土界面性能(粘结强度、刚度、断裂能)的演化规律，分析室内加速环境对纤维布-混凝土界面性能的加速老化效率和机理，引入环境加速因子，建立实际服役状态和室内加速环境下纤维布-混凝土界面剪切性能相关关系，得到基于室内加速实验方法的纤维布-混凝土界面长期性能的表征方法。
本发明的基于加速实验方法的纤维布-混凝土界面长期性能的表征方法的流程如图4所示。
下面结合实施例对本发明提供的技术方案进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。
实施例1
以纤维布片材-混凝土试块来构建纤维布-混凝土双剪试件(试件尺寸如图1所示)，其中，混凝土试块的计算厚度为0.23mm，混凝土配合比按照C30混凝土进行设计；采用纤维布-混凝土界面剪切性能实验方法-双剪实验方法。
以公路桥梁结构来确定服役载荷水平：对广东省内某一高速公路进行为期1个月的连续现场车辆数据收集，通过统计分析、分布转换方法和损伤等效的方法得到了适用于纤维布加固三点弯曲梁的车辆载荷实验谱，对实验谱下实验梁的纤维布-混凝土界面的剪切应力状态进行分析，确定循环服役载荷水平，考虑到非预应力的FRP加固混凝土结构存在无活载的状态，循环载荷应力比考虑为0(实验中循环载荷值为加载水箱自重)。为了探讨自然暴露湿热环境下不同服役载荷水平对纤维布-混凝土界面长期性能的影响，在服役载荷水平上下各增加1载荷水平。
服役循环载荷的施加方法：基于变幅荷载下构件的自然暴露实验装置、系统及方法，对加载装置进行改进，得到适用于双剪试件的自然暴露实验循环加载装置(如图2所示)。利用U型连接件和滑轮组将多个双剪试件连接在一起并放置于活动支座上面，通过滑轮将水箱与试件一端相连，并将上述循环载荷输入单片机控制系统，通过单片机自动控制水泵和电磁阀控制水箱水位变化从而实现长期的循环载荷加载。
暴露实验场的长期测试：暴露实验场选取亚热带地区湿热环境，面积为1100m2，暴露实验场为无遮挡、能够避免外界干扰、且能真实反映湿热气候特征的场地。首先，采用温湿度自动记录仪对暴露实验场现场的温度和相对湿度进行记录，每10分钟记录一个数据，得到暴露实验场所湿热环境变化谱。然后每个月定期对试件的色泽变化、纤维布以及纤维布与混凝土的粘结情况通过图片和文字进行记录，观察是否有脱粘、界面失效情况；通过测量试件中两个混凝土块的间隙宽度变化，记录纤维布-混凝土长期相对滑移情况。最后定期抽取批次进行纤维布-混凝土界面双剪实验，分别在第0年、第5年、第10年、第15年各抽取15根试件(共60根)进行双剪实验。采用材料试验机并通过图3所示的夹具对双剪试件进行准静态拉伸试验，利用数字图像相关方法在试件一侧获得纤维布全局应变，数字图像相关方法采集的位移-应变场与中轴线密布应变片采集应变数据进行比较验证，通过差分析法得到纤维布-混凝土界面的刚度、粘结强度、断裂能和应力-滑移曲线，通过扫描电镜法观测纤维布-混凝土界面破坏形貌。
不同载荷水平与不同自然暴露周期下纤维布-混凝土界面的时变粘贴-滑移模型：基于不同自然暴露周期与不同载荷水平下纤维布-混凝土界面双剪实验，对纤维布-混凝土界面的破坏模式进行比较分析，探讨不同载荷水平与不同自然暴露周期对纤维布-混凝土界面性能的影响机理，建立服役循环载荷与自然暴露湿热环境下纤维布-混凝土界面粘贴强度、刚度和断裂能的时变方程以及纤维布-混凝土界面的时变粘贴-滑移模型。
采用室内加速实验方法研究室内加速环境下纤维布-混凝土界面耐久性：采用温湿环境箱将温度控制为60±1℃，相对湿度为98％RH对纤维布-混凝土双剪试件进行加速老化。分别在第0天、第30天、第60天和第90天各抽取5根试件(共20根试件)进行双剪实验，双剪实验方法与上述实验方法相同。通过对不同加速周期下纤维布-混凝土界面的破坏模式、粘贴强度、刚度和断裂能等界面参数进行分析，探讨加速环境下纤维布-混凝土界面的破坏机理和界面粘贴强度、刚度和断裂能等界面性能的演化规律，建立加速环境下纤维布-混凝土界面粘贴强度、刚度和断裂能的时变方程以及纤维布-混凝土界面的时变粘贴-滑移模型。
通过对比加速环境与实际服役状态下纤维布-混凝土界面剪切破坏模式，探讨加速环境对纤维布-混凝土界面的加速老化机理，评估采用室内加速实验方法研究纤维布-混凝土界面长期性能的合理性；通过对比室内加速环境与实际服役状态下纤维布-混凝土界面性能(粘结强度、刚度、断裂能)的演化规律，分析室内加速环境对纤维布-混凝土界面性能的加速老化效率和机理，引入环境加速因子，建立实际服役状态和室内加速环境下纤维布-混凝土界面剪切性能相关关系，得到基于室内加速实验方法的纤维布-混凝土界面长期性能的表征方法。
实施例2
将实施例1的暴露实验场的长期测试中双剪实验抽取试件的数量改为共90根，分别在第0年、第5年、第10年、第15年、第20年、第25年各抽取15根试件，室内加速实验方法中温度控制为60±0.1℃，相对湿度为95％RH，其他条件和实施例1相同。
实施例3
将实施例1的暴露实验场的长期测试中双剪实验抽取试件的数量改为共120根，分别在第0年、第5年、第10年、第15年、第25年、第30年、第35年、第40年各抽取15根试件，室内加速实验方法中温度控制为60±0.5℃，相对湿度为97％RH，其他条件和实施例1相同。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种基于加速实验方法的纤维布-混凝土界面长期性能的表征方法，其特征在于，包含如下步骤：
1)确定纤维布-混凝土界面剪切性能的实验方法和实验试件；
2)考虑服役循环载荷的纤维布-混凝土界面性能自然暴露实验：
①确定服役循环载荷水平，②确定服役循环载荷的施加方法，③暴露实验场的长期测试，④不同载荷水平与不同自然暴露周期下纤维布-混凝土界面的时变粘贴-滑移模型；
长期测试的项目包含暴露实验场的环境参数记录、试件外观和纤维布-混凝土长期相对滑移的观测和记录、定期进行纤维布-混凝土界面双剪实验；环境参数包含温度、相对湿度，记录环境参数的间隔时间为8～12min；
3)采用室内加速实验方法研究室内加速环境下纤维布-混凝土界面耐久性；
4)建立实际服役状态和室内加速环境下纤维布-混凝土界面剪切性能相关关系，得到基于室内加速实验方法的纤维布-混凝土界面长期性能的表征方法；
步骤1)中，所述实验方法为双剪实验方法；实验试件为纤维布片材-混凝土试块构建的纤维布-混凝土双剪试件；
步骤2)中，第①步通过统计分析、分布转换方法和损伤等效的方法得到适用于纤维布加固三点弯曲梁的车辆载荷实验谱，对实验谱下实验梁的纤维布-混凝土界面的剪切应力状态进行分析，确定循环服役载荷水平；
第②步所述施加方法采用适用于双剪试件的自然暴露实验循环加载装置；利用U型连接件和滑轮组将多个双剪试件连接在一起并放置于活动支座上面，通过滑轮将水箱与试件一端相连，并将上述循环载荷输入单片机控制系统，通过单片机自动控制水泵和电磁阀控制水箱水位变化从而实现长期的循环载荷加载；
步骤2)的第④步中，对不同自然暴露周期与不同载荷水平下纤维布-混凝土界面破坏模式与机理进行分析，建立服役循环载荷与自然暴露周期下纤维布-混凝土界面的粘结强度、刚度和断裂能的时变方程以及纤维布-混凝土界面的时变粘贴-滑移模型；
步骤3)所述室内加速实验方法中，温度为60±1℃，相对湿度为94～99％RH，双剪试验的持续时间为90天，通过对不同加速周期下纤维布-混凝土界面的破坏模式、粘贴强度、刚度和断裂能进行分析，建立加速环境下纤维布-混凝土界面粘贴强度、刚度和断裂能的时变方程和时变粘贴-滑移模型。
2.根据权利要求1所述的表征方法，其特征在于，步骤2)的第③步中，所述暴露实验场为亚热带地区湿热环境，面积为1000～1200m2；
长期性能测试的项目包含暴露实验场的环境参数记录、试件外观和纤维布-混凝土长期相对滑移的观测和记录、定期进行纤维布-混凝土界面双剪实验。
3.根据权利要求2所述的表征方法，其特征在于，所述环境参数包含温度、相对湿度，记录环境参数的间隔时间为8～12min；
试件外观包含色泽、纤维布与混凝土的粘结情况；纤维布-混凝土长期相对滑移为试件中两个混凝土块的间隙宽度变化；
纤维布-混凝土界面双剪实验为5～50年，对双剪试件进行准静态拉伸试验，数字图像相关方法采集的位移-应变场与中轴线密布应变片采集应变数据进行比较验证，通过差分析法得到纤维布-混凝土界面的刚度、粘结强度、断裂能和应力-滑移曲线，通过扫描电镜法观测界面破坏形貌。
4.根据权利要求1所述的表征方法，其特征在于，步骤4)建立相关关系前包含如下步骤：对比加速环境与实际服役状态下纤维布-混凝土界面剪切破坏模式，探讨加速环境对纤维布-混凝土界面的加速老化机理，评估采用室内加速实验方法研究纤维布-混凝土界面长期性能的合理性。
5.根据权利要求1或4所述的表征方法，其特征在于，步骤4)中，对比室内加速环境与实际服役状态下纤维布-混凝土界面性能的演化规律，分析室内加速环境对纤维布-混凝土界面性能的加速老化效率和机理，引入环境加速因子，建立实际服役状态和室内加速环境下纤维布-混凝土界面剪切性能相关关系，得到基于室内加速实验方法的纤维布-混凝土界面长期性能的表征方法。
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