虞愛(ài)平， 趙艷林， 王 磊

（1.廣西大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，廣西南寧530004；2.桂林理工大學(xué)廣西礦冶與環(huán)境科學(xué)實(shí)驗(yàn)中心，廣西桂林541004）

鋼筋銹蝕破壞是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)損傷研究中不可回避的問(wèn)題[1].銹蝕反應(yīng)使鋼筋表面出現(xiàn)非均勻分布的點(diǎn)蝕或坑蝕，反應(yīng)物體積膨脹導(dǎo)致鋼筋對(duì)混凝土的徑向壓力增加，從而降低混凝土對(duì)鋼筋的約束，破壞了原有的黏結(jié)并最終引起開(kāi)裂[2].整個(gè)過(guò)程持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，受各種不確定因素影響較多，導(dǎo)致銹蝕分布和界面黏結(jié)的損傷程度各不相同.由于鋼筋的銹蝕在混凝土內(nèi)部發(fā)生，并且銹蝕發(fā)生的位置、分布形態(tài)和銹蝕程度是動(dòng)態(tài)變化的，很難用傳統(tǒng)的方法對(duì)破壞過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，從而也就無(wú)法深入揭示鋼筋混凝土黏結(jié)破壞的機(jī)理.

聲發(fā)射具有動(dòng)態(tài)、實(shí)時(shí)的特點(diǎn)，對(duì)材料內(nèi)部缺陷產(chǎn)生和擴(kuò)展所釋放的瞬態(tài)能量較為敏感，并能通過(guò)定位技術(shù)快速、準(zhǔn)確地確定損傷部位.目前聲發(fā)射技術(shù)已經(jīng)成功應(yīng)用于橋梁工程結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測(cè)[3－5]，以及巖石與素混凝土的損傷機(jī)理研究等方面[6－8].本文利用聲發(fā)射技術(shù)對(duì)鋼筋混凝土加速銹蝕試驗(yàn)過(guò)程進(jìn)行了在線監(jiān)測(cè)，以尋求銹蝕過(guò)程中鋼筋銹蝕位置、分布以及程度情況，并與實(shí)際情況進(jìn)行對(duì)比分析.試驗(yàn)結(jié)果表明：利用聲發(fā)射技術(shù)對(duì)試件的整個(gè)銹蝕過(guò)程進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)是可行的；聲發(fā)射定位結(jié)果圖能夠有效地反映試件銹蝕的位置和分布情況，定位事件數(shù)的大小也能較好地反映試件的實(shí)際銹蝕程度.

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)采用柳鋼生產(chǎn)的φ20的HRB335變形鋼筋（月牙紋）；南寧生產(chǎn)的425＃海螺牌普通硅酸鹽水泥；粗骨料選用最大粒徑為20mm的石灰石碎石，細(xì)骨料選用中砂（普通河砂），細(xì)度模數(shù)M＝2.5；混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度為C25，其配合比為m（水泥）∶m（砂）∶m（石子）∶m（水）＝3.36∶1.90∶1.00∶0.57.

1.2 試件設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用150mm×150mm×150mm的立方體中心拔出試件，鋼筋預(yù)埋部分保留90mm黏結(jié)段，并在黏結(jié)段采用內(nèi)開(kāi)槽貼片技術(shù)黏貼應(yīng)變片，如圖1所示.為減少界面對(duì)鋼筋銹蝕監(jiān)測(cè)的影響，在鋼筋預(yù)埋部分的兩端各設(shè)置30mm的無(wú)黏結(jié)段，并涂刷環(huán)氧樹(shù)脂.為防止?jié)沧r(shí)水泥砂漿進(jìn)入管內(nèi)，先用絕緣膠布包裹無(wú)黏結(jié)段至合適厚度，再套緊PVC塑料管.砂漿澆注完畢后，將試件表面蓋上薄膜，在20℃下養(yǎng)護(hù)3d.拆模后放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)28d，測(cè)得其抗壓強(qiáng)度代表值為33.52MPa.

圖1 試件示意圖Fig.1 Figure of specimen（size：mm）

設(shè)計(jì)4組銹蝕樣品，每組3個(gè)試件，編號(hào)分別為1－1，1－2，1－3，2－1，2－2，2－3，3－1，3－2，3－3，4－1，4－2，4－3.銹蝕試件制作時(shí)在水泥砂漿中摻入5%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同）的NaCl.通過(guò)控制每組試件加速銹蝕的天數(shù)來(lái)獲得不同銹蝕程度.非銹蝕對(duì)照組也采用3個(gè)試件，編號(hào)為0－1，0－2，0－3，均不含NaCl.銹蝕試件浸入5%NaCl溶液中，浸泡3d；對(duì)照試件則放在水中養(yǎng)護(hù)3d.實(shí)測(cè)銹蝕程度根據(jù)JTJ 270—98《水運(yùn)工程混凝土試驗(yàn)規(guī)程》測(cè)定.

1.3 加速銹蝕試驗(yàn)及在線監(jiān)測(cè)方案

將連接鋼筋的導(dǎo)線與恒定直流電源的陽(yáng)極相接，直流電源的陰極則與溶液中的不銹鋼片相連接，通過(guò)5%NaCl溶液形成回路，同時(shí)為了加速銹蝕，試件采用串聯(lián)方式，如圖2所示.在待銹蝕鋼筋的兩端布置兩個(gè)聲發(fā)射傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)銹蝕過(guò)程中的聲發(fā)射信號(hào).對(duì)照試件則放在水中進(jìn)行同步養(yǎng)護(hù).

圖2 加速繡蝕及聲發(fā)射在線監(jiān)測(cè)原理圖Fig.2 Schematic diagram of corrosion and AE online monitoring（size：mm）

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 銹蝕過(guò)程的信號(hào)特征

根據(jù)文獻(xiàn)[9－10]的研究可知，可利用斷鉛來(lái)模擬鋼筋混凝土損傷產(chǎn)生的聲發(fā)射信號(hào).因此，為了揭示銹蝕過(guò)程的信號(hào)特征，在圖2所示2個(gè)測(cè)點(diǎn)（測(cè)點(diǎn)1在鋼筋表面，測(cè)點(diǎn)2在試件表面）各斷鉛15次之后，聲發(fā)射傳感器接受到2個(gè)測(cè)點(diǎn)的斷鉛信號(hào)，特征如圖3所示.

對(duì)非銹蝕對(duì)照組的3個(gè)試件進(jìn)行聲發(fā)射信號(hào)采集，得到斷路信號(hào)能量－平均頻率關(guān)聯(lián)圖，如圖4所示.由圖4可知，在試件的不同位置斷鉛，聲發(fā)射傳感器接受到的斷鉛信號(hào)存在差異，在鋼筋表面斷鉛（測(cè)點(diǎn)1）的信號(hào)能量主要集中在20～30kHz，而在試件表面斷鉛（測(cè)點(diǎn)2）的信號(hào)能量則主要集中在30～50kHz.

圖3 斷鉛信號(hào)波形圖Fig.3 Signal waveforms of pencil lead breaking

在加速銹蝕試驗(yàn)中產(chǎn)生聲發(fā)射信號(hào)的機(jī)制是多種多樣的，如鋼筋表面鈍化膜的破裂，銹蝕生成物的剝落、摩擦，以至銹蝕嚴(yán)重時(shí)銹蝕生成物滲進(jìn)混凝土，混凝土的開(kāi)裂等，它們都可能產(chǎn)生能夠探測(cè)到的聲發(fā)射信號(hào).這些信號(hào)到達(dá)傳感器有兩種途徑：一種是直接通過(guò)鋼筋到達(dá)傳感器，另外一種是通過(guò)在混凝土中折射、反射后通過(guò)鋼筋到達(dá)傳感器，分別對(duì)應(yīng)圖3中兩種斷鉛情況.因此可以認(rèn)為銹蝕信號(hào)能量主要集中在20～50kHz，其中20～30kHz包含著鋼筋輕微銹蝕信號(hào)，主要是鋼筋表面鈍化膜破裂的信號(hào)，30～50kHz包含著鋼筋銹蝕物和混凝土之間相互作用以及混凝土開(kāi)裂的信號(hào).

圖4 斷鉛信號(hào)能量－平均頻率關(guān)聯(lián)圖Fig.4 Energy－average frequency curve of pencil lead breaking

為了驗(yàn)證上述推測(cè)的正確性，選取試件0－1，1－1進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，對(duì)比試件參數(shù)情況如表1所示.聲強(qiáng)分貝數(shù)門(mén)檻設(shè)為40dB，在未通電時(shí)基本沒(méi)有噪聲信號(hào)，對(duì)試件1－1通電24h，試件0－1不通電.由試件能量－平均頻率關(guān)聯(lián)圖（圖5）可以看出，隨著銹蝕天數(shù)的增加，信號(hào)頻段中心從低頻向高頻轉(zhuǎn)移：試件0－1信號(hào)能量主要集中在20～30kHz；試件1－1信號(hào)能量主要集中在20～50kHz.試件0－1為不含NaCl試件，在加速銹蝕過(guò)程中，其鈍化膜緩慢破裂，屬輕微銹蝕信號(hào)；含NaCl試件1－1在通電加速銹蝕后，鋼筋產(chǎn)生銹蝕物并開(kāi)始滲入混凝土中，信號(hào)頻帶變寬，信號(hào)頻段中心往高頻轉(zhuǎn)移.由表1中的定位事件數(shù)也可以看出，通電以后，事件數(shù)明顯增加，說(shuō)明通電后銹蝕速度明顯加快.由圖5也可以看出，這些試件銹蝕信號(hào)的能量主要集中在20～50kHz.這和上述斷鉛試驗(yàn)的結(jié)論是一致的.

表1 試件參數(shù)及其試驗(yàn)結(jié)果Table 1 Parameters and test results of specimens

圖5 試件能量－平均頻率關(guān)聯(lián)圖Fig.5 Energy－average frequency curve of corrosion specimens

2.2 線性定位結(jié)果分析

在鋼筋通電加速銹蝕過(guò)程中，利用聲發(fā)射線性定位技術(shù)進(jìn)行全程在線監(jiān)測(cè)，以確定試件的初始損傷位置.根據(jù)圖2中X方向的線性定位可知，鋼筋黏結(jié)段在150～240mm，混凝土試塊在120～270mm.圖6是各試件初始損傷的聲發(fā)射線性定位結(jié)果，從各試件的初始損傷定位圖及實(shí)際銹蝕情況對(duì)比可以得到以下結(jié)論：

①聲發(fā)射線性定位技術(shù)能夠較準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)試件內(nèi)部鋼筋的銹蝕位置.鋼筋的銹蝕主要發(fā)生在鋼筋黏結(jié)段即150～240mm，而由于試件開(kāi)裂、鋼筋銹蝕物滲入混凝土中，導(dǎo)致鋼筋非黏結(jié)段也會(huì)產(chǎn)生不少事件數(shù)，即定位結(jié)果在120～270mm.

②定位圖形狀可以反映試件內(nèi)部不同位置處的鋼筋銹蝕程度和分布情況.對(duì)于通電3d以上的試件，可以看出大量鋼筋銹蝕物已滲入混凝土中.從銹蝕物的分布大致可以看出不同位置處的銹蝕程度不一致.從定位圖的形狀也可以明顯看出試件中鋼筋銹蝕嚴(yán)重的部位：試件2－3在X＝200mm附近，即試件中部；試件3－1，3－2在X＝150mm附近，即靠近試件加載端.這和試件實(shí)際的銹蝕情況是一致的，如各試件實(shí)際銹蝕情況圖中箭頭所指的位置.

圖6 各試件初始損傷圖Fig.6 Initial damage of specimens

③定位事件數(shù)的大小可以反映實(shí)際鋼筋的銹蝕程度.表1中數(shù)據(jù)表明，隨著通電時(shí)間的加長(zhǎng)，試件定位的總事件數(shù)逐漸增加.圖7給出了試件定位事件計(jì)數(shù)與鋼筋銹蝕程度的歸一化曲線.由圖7可知，事件數(shù)的增加和實(shí)測(cè)的鋼筋銹蝕率是一致的.對(duì)比表1中試件3－1，3－2的事件數(shù)可知，兩者的銹蝕程度相差不大，而事件數(shù)相差較大，這是由于鋼筋銹蝕后，銹蝕物與混凝土的相互作用、試件開(kāi)裂也會(huì)產(chǎn)生大量的聲發(fā)射信號(hào)，所以在銹蝕程度相近時(shí)，事件數(shù)會(huì)有所差別；試件4－1的定位事件數(shù)要明顯大于試件4－3，說(shuō)明試件4－1的銹蝕物滲入混凝土的量明顯較多.

圖7 試件定位事件計(jì)數(shù)、鋼筋繡蝕程度歸一化曲線Fig.7 Normalized curve of the events and corrosion extent

利用聲發(fā)射軟件的濾波功能，可將聲發(fā)射在線監(jiān)測(cè)的定位結(jié)果按時(shí)段進(jìn)行劃分，分別統(tǒng)計(jì)出各時(shí)段的定位事件數(shù)，如表2所示.

圖8為試件3－1在不同時(shí)間段的鋼筋銹蝕分布情況.由圖8可知，鋼筋在不同時(shí)間段的銹蝕速度快慢不同，在鋼筋上的銹蝕位置也具有隨機(jī)性.試件4－1和4－3由于試驗(yàn)前更換了銹蝕溶液，鋼筋前期銹蝕速度加快，通電前3d鋼筋銹蝕明顯，后期銹蝕速度有所減慢.表2的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明聲發(fā)射能較好地監(jiān)測(cè)到不同時(shí)間段的事件數(shù).

表2 各時(shí)間段事件計(jì)數(shù)表Table 2 Number of events during corrosion

從不同銹蝕程度試件的定位結(jié)果和同一試件不同時(shí)段的定位結(jié)果的對(duì)比分析可以看出，聲發(fā)射定位結(jié)果圖和試件銹蝕的位置及分布有較好的一致性，定位事件數(shù)的大小與試件的實(shí)際銹蝕程度有較好的關(guān)聯(lián)性，定位事件數(shù)的增長(zhǎng)與銹蝕程度的增長(zhǎng)較為吻合.

圖8 試件3－1各時(shí)間段銹蝕分布情況Fig.8 Situation of corrosion of specimen 3－1

3 結(jié)論

（1）加速銹蝕過(guò)程中，銹蝕信號(hào)能量主要集中在20～50kHz，其中20～30kHz頻段反映了鋼筋輕微銹蝕信號(hào)，主要是鋼筋表面鈍化膜破裂的信號(hào)，30～50kHz頻段反映了鋼筋銹蝕物和混凝土之間相互作用以及混凝土開(kāi)裂的信號(hào).

（2）聲發(fā)射定位結(jié)果圖可以反映試件銹蝕的位置和分布情況，定位事件數(shù)的大小可以反映試件的實(shí)際銹蝕程度.利用聲發(fā)射技術(shù)對(duì)試件的整個(gè)銹蝕過(guò)程進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)是可行的.

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