一种混凝土中GFRP筋的长期性能监测方法

摘要

本发明公开了一种混凝土中GFRP筋的长期性能监测方法。是一种用于混凝土构件中GFRP筋的拉伸强度的实时预测、以及混凝土中GFRP筋安全服役期限的预测方法。本方法需要在GFRP筋混凝土构件中的相关位置预埋电极、导线并使其与恒电位仪相连，进而测量并记录相关位置混凝土的电阻值，再进行数据处理，整个过程可以实现对GFRP筋混凝土构件中GFRP筋的耐久性能进行无损的实时监测，同时通过混凝土电阻率与混凝土中GFRP筋的退化对应关系的标定试验的结果进行GFRP筋的性能退化的量化。另本方法也可用于GFRP筋混凝土结构的寿命预测。本发明能够简单有效地监测GFRP筋的性能。

说明书

技术领域

本发明属于GFRP筋性能监测领域，具体而言是基于电阻率法监测、分析混凝土含水率与混凝土结构中GFRP筋受碱性腐蚀退化的，一种混凝土中GFRP筋的长期性能监测方法。

背景技术

GFRP筋混凝土结构作为解决钢筋锈蚀的解决方案，已被大量运用，因此GFRP筋混凝土结构中的GFRP筋的受力性能对其结构的安全至关重要。由于GFRP筋的性能退化主要受碱性环境影响，而土木工程中所使用的混凝土为碱性，因此在河流、海洋以及潮湿环境下使用GFRP筋混凝土的组合结构，GFRP筋的长期性能会有较大的退化。GFRP筋的性能退化会对构筑物的使用安全产生隐患、使用寿命产生较大影响。

GFRP筋混凝土结构的实际工程的使用时间并不长，对其结构的长期性能并没有大量工程案例，尤其是其结构在破坏时表现为突然的脆性破坏，因此对其进行实时的长期监测很有必要。

目前，并没有简单实用的无损监测GFRP筋结构中GFRP筋的性能退化的方法，因为本发明采用了一种基于电阻率法监测、分析混凝土含水率与GFRP筋受碱性腐蚀退化的方法。现有对混凝土含水率的监测方法以采用干湿球湿度计测量混凝土内部湿度为主的方法，这中方法的精度难以保证，同时干湿球湿度计直接测量的是混凝土内部的湿度，并不能很好的测量混凝土中实际含水率。

发明内容

本发明的目的是提供一种简单有效的混凝土中GFRP筋的长期性能监测方法。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种混凝土中GFRP筋的长期性能监测方法，包括以下几个步骤，

步骤一：将N组电极预埋至GFRP筋混凝土中靠近GFRP筋的位置，每组电极包括电极A、电极B和电极C，记录电极A和电极B的间距L，第一恒电位仪连接电极A和电极B采集到电阻值F1，第二恒电位仪连接电极C采集到电阻值F2，第一恒电位仪和第二恒电位仪采集的时间间隔均为E；

步骤二：将电阻值F1与电阻值F2传送到计算机进行计算，得到实际电阻值F＝F1-F2，统计电阻值F1的取值为相同值时出现的次数H，计算电阻值F1的取值为相同值时的时长I＝E×H；

步骤三：将实际电阻值F转换成实际电阻率ρ；

步骤四：制作GFRP筋混凝土试件，进行标定试验，得到GFRP筋拉伸强度的保留率及其与电阻率的对应关系；

步骤五：根据实际电阻率ρ从标定试验中得到的GFRP筋拉伸强度的保留率及其与电阻率的对应关系中，实际电阻率ρ的具体取值，可分别记作ρ1、ρ2……ρn，找出实际GFRP筋的拉伸性能保留率Z。

本发明一种混凝土中GFRP筋的长期性能监测方法，还可以包括：

1、制作GFRP筋混凝土试件，进行标定试验步骤为：

步骤一：制作GFRP筋混凝土试件n个，每个试件中安装有一组电极，每组电极包括电极A、电极B和电极C；

步骤二：采用加速方法，利用恒电位仪采集试件在试验周期内的电阻值；

步骤三：将电阻值按公式计算成电阻率；

步骤四：在时间节点t对GFRP筋混凝土试件的GFRP筋进行张拉试验，得到此时GFRP筋的拉伸强度Q，计算此时GFRP筋拉伸强度的保留率D＝Q/M，其中M为极限抗拉强度。

2、实际GFRP筋的拉伸性能保留率Z为：

Z＝α1D1×α2D2×α3D3×……×αnDn，

参数α＝实际测量中时长I/标定试验中的时长。

有益效果： 

本发明可以用于对GFRP筋混凝土结构中GFRP筋的服役寿命进行预测。随着实际监测的进行，会得到GFRP筋性能退化Z随整个检测时间的变化，由于结构服役过程中，服役环境随四季会有一个周期性的变化，因此在得到一个或几个周期的检测结果之后，可以对混凝土构件中GFRP筋的寿命进行简单预测，同时可以根据后续监测电阻值的与之前记录的电阻值，不断调整修正寿命预测的准确性。

附图说明

图1是实施监测方法的具体装置示意图；

图2是实例试件的剖面示意图；

图3为混凝土的配合比表；

图4为电阻值—GFRP筋拉伸强度退化对应关系(时间对应室温持续1年)。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明做进一步详细说明。

本发明所提供的GFRP筋混凝土构件中GFRP筋性能监测的方法是一种无损检测及预测的方法。在GFRP筋混凝土构件中GFRP筋周围的混凝土中预埋电极，用导线与数据采集系统相连，并结构Matlab等数据处理软件的使用，对GFRP筋混凝土构件中GFRP筋的性能进行长期监测。

本发明采用的技术方案是：

步骤1)将一组三个相同的电极(分别编号为A、B、C)预埋至GFRP筋混凝土中靠近GFRP筋的位置，记录A、B电极有效面积(S)、A、B电极布置的间距(L)，其中分别将编号A、B的电极的一端用导线连接至外部恒电位仪，将编号C的电极的两端用导线连接至外部另一个恒电位仪。可将多组电极布置在不同的关键位置，以实现不同关键位置的监测，如图1和图2所示，包括电极A1、电极B2、电极C的一端3、电极C的另一端4、混凝土构件5、GFRP筋6、恒电位仪7、恒电位仪8和计算机9，。

步骤2)使用恒电位仪以相同的时间间隔(E)，同时采集并记录(由对应A、B电极、导线、恒电位仪组成的回路的)电阻值F1与(由对应C电极、导线、恒电位仪组成的回路的)电阻值F2。

由于实际使用过程与电阻值数据采集过程中，环境温度是变化的，而温度变化对电阻值有明显的影响，因此电极A、B与恒电位仪所成回路采集的电阻值需要排除温度变化的影响，而电极C与恒电位仪所成回路采集的电阻值正是用于排除温度变化对前一电阻值的影响。

步骤3)将恒电位仪采集的电阻数据传输至计算机，使用计算机计算得到以下两个对应结果:。结果1(表示排除温度变化影响的实际电阻值：F)，F＝F1-F2。结果2(表示同一电阻值在F1在GFRP筋混凝土中出现的时长：I)，此结果需要先计算整理相同电阻值F1出现的次数H，然后计算得到：I＝F1×H。

结果1与对应结果2，即为全部采集的不同电阻值F与其出现的时长I的对应成组数据。另可用如下公式，将电阻值F转化为电阻率值。

F＝ρL/s其中的ρ就是电阻率，L为电极材料的长度，S为电极材料的有效面积。

步骤4)标定试验。 

确定不同混凝土电阻率对应混凝土GFRP筋构件中GFRP筋的性能退化，需要进行相关试验标定：

I)制作GFRP筋混凝土试件若干，将每组电极分别放置到指定位置，同时确定电极有效面积、大小、间距(可采用与监测试件相同的布置尺寸也可以不同尺寸；该GFRP筋混凝土试件与带监测的GFRP筋混凝土结构的混凝土类型、组分、龄期相同，GFRP筋的直径、组分与带监测的GFRP筋混凝土结构的相同。

II)使用恒电位仪进行电阻值的采集，由于本发明的目的之一是进行长期的结构性能监测(如50年)，且同一电阻值下对应GFRP筋的性能退化也需要在一个相对较长的时间才能有效反映，所以在此电阻率对应GFRP筋性能退化的标定试验中，可以采用实验室加速的方法(如在60摄氏度的环境试验箱内进行试验)。若干试件放置在不同湿度的环境试验箱内进行 试验。所需采集的数据同步骤3。此过程将混凝土试件不宜过厚，这样在试验周期内可以得到一个稳定的电阻值。由此得到一组数据：包括一个电阻值F与对应时间I。

III)在不同时间节点对GFRP筋混凝土试件的GFRP筋进行张拉试验，得到不同时间之后GFRP筋的拉伸强度Q。同时根据GFRP筋制作完成、未未经过使用退化的极限抗拉强度(M)，来计算此时GFRP筋拉伸强度的保留率(D)：D＝Q/M，D为一个百分数。

IV)将每一个标定试件在(过程II)、(过程III)中得到的数据一一对应。即D与历经时长I的电阻值F的对应关系。即混凝土电阻率与混凝土中GFRP筋的退化对应关系的标定。

步骤5)在实际检测过程中，需要将上面两个自然段的数据进行对应的处理，基本过程如下：首先罗列出在实际检的处理后的数据中的全部电阻率ρ，然后，在标定试验最后得到的数据中，分别找到相同电阻率ρ所对应的对应GFRP筋拉伸强度的保留率(D)，同时找到这一相同电阻率在两个过程中对应的I值，然后用实际检测过程中的I除以标定过程中的I，(可以定义这两个I相除后的值为α)。

最后，得到实时监测的GFRP筋混凝土结构中GFRP筋的拉伸性能保留率Z(Z是百分数)。Z＝α1D1×α2D2×α3D3×……×αnDn。(式中1、2、3……n指代不同的电阻率对应的不同α和D)

此时混凝土结果中的GFRP筋保留的拉伸强度为(Z×M)。

在实际监测过程中，最后数据整理成为如下数据：定义相同大小的电阻率ρ与其出现的时长I为一组对应数据，有多少组不同大小的电阻率ρ就有多少组对应的数据。这些组数据共同组成了在实际监测过程中最后得到的数据。

在标定试验过程中，最后数据整理成为如下数据：定义相同大小的电阻率ρ、与其出现的时长I、以及对应的GFRP筋的强度保留率Z为一组数据，有多少组不同大小的电阻率ρ就有多少组对应的数据。这些组数据共同组成了在标定试验过程中最后得到的数据。

该方法首先是基于电阻率法原理：混凝土中存在大量的离子，当混凝土内部有水分的存在时，在外部电路的作用下，离子就会发生定向移动，从而混凝土会表现出一定的导电能力，同时，当混凝土内部的含水率发生变化时，混凝土的导电能力也会发生变化，即混凝土的电阻率在内部含水率发生变化时会有明显的变化。同时基于GFRP筋在碱性环境下腐蚀破坏的机理：

由于在实际工程中的GFRP筋混凝土结构中，混凝土所提供的OH^-相大于对于GFRP筋 腐蚀破坏所需要的OH^-，同时在GFRP筋破坏的过程中，GFRP筋周围混凝土的孔溶液的PH值几乎没有改变，因此GFRP筋周围的混凝土的含水率将直接影响GFRP筋的性能退化程度。

实例：

步骤1：本试验制作了外包混凝土的GFRP筋试件，混凝土的配合比如图3所示，GFRP筋直径9.5mm、全长620mm，在GFRP筋中部200mm段外包混凝土，混凝土的直径154mm。预埋电极，本实例采用铜棒作为电极，电极位置及试件的剖面示意图如图2所示。本实例中采用的是2组6个电极，成对称布置，电极采用铜棒，且铜棒外漏以方便连导线。

步骤2：为了得到不同混凝土的电阻值，故将试件放到三种外部湿度环境实验箱，实验箱的分别是：相对湿度65％、相对湿度85％、相对湿度95％，温度60摄氏度。

步骤3：分别试验30天、60天、90天、120天后进行GFRP筋的拉伸试验，得到极限拉伸强度值。注意以上时间为加速试验的时间。

步骤4：分析处理数据得到不同电阻值—GFRP筋拉伸强度退化对应关系的标准值如图4。此次试验中，每一组数据的持续试验时间为30天。

步骤5：则所监测的GFRP筋混凝土构件中GFRP筋的性能退化Z，即为Z＝D1×D2×D3×……×Dn(Dn按图4中的对应数据取值)。