童 晶，金賢玉，田 野，金南國(guó)

（浙江大學(xué) 建筑工程學(xué)院，浙江 杭州310058）

在氯鹽侵蝕與混凝土碳化作用下，由于鋼筋銹蝕導(dǎo)致混凝土保護(hù)層開(kāi)裂破壞是造成混凝土結(jié)構(gòu)服役性能下降的一個(gè)重要原因.由于鋼筋銹蝕產(chǎn)物體積是鋼筋機(jī)體體積的2～6倍［1-2］，銹蝕產(chǎn)物體積膨脹產(chǎn)生的拉應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致混凝土保護(hù)層開(kāi)裂，進(jìn)而加速鋼筋的銹蝕過(guò)程，最終影響結(jié)構(gòu)的耐久性，因此混凝土保護(hù)層銹脹開(kāi)裂全過(guò)程的研究對(duì)分析鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的服役壽命與服役性能具有重要意義.

國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者對(duì)鋼筋混凝土梁銹蝕開(kāi)裂過(guò)程進(jìn)行研究.Andrande等［3］通過(guò)加速銹蝕的方法，研究了鋼筋銹蝕過(guò)程中導(dǎo)致保護(hù)層開(kāi)裂所需的銹蝕量，對(duì)混凝土保護(hù)層開(kāi)裂時(shí)刻的鋼筋臨界銹蝕深度進(jìn)行預(yù)測(cè).還有學(xué)者通過(guò)試驗(yàn)的方法［4-5］，研究了鋼筋銹蝕過(guò)程中影響混凝土保護(hù)層開(kāi)裂的因素.Malumbela等［6-9］對(duì)混凝土表面應(yīng)變發(fā)展及保護(hù)層銹脹開(kāi)裂全過(guò)程進(jìn)行研究，指出銹蝕初期靠近鋼筋側(cè)保護(hù)層產(chǎn)生拉應(yīng)變.但是以上的研究都采用張貼應(yīng)變片的方法，雖然這個(gè)方法具有靈敏度高、操作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，但是采用應(yīng)變片測(cè)量的方法僅能取得應(yīng)變片標(biāo)距范圍內(nèi)的平均應(yīng)變，并且只能測(cè)量混凝土在開(kāi)裂前的應(yīng)變，隨著混凝土表面開(kāi)裂，應(yīng)變片也隨之?dāng)嗔?，因此無(wú)法表征開(kāi)裂后混凝土的損傷與變形.同時(shí)張貼應(yīng)變片的方法只能測(cè)量應(yīng)變片長(zhǎng)度方向上的應(yīng)變，如果描述二維應(yīng)變場(chǎng)就需要在混凝土表面張貼大量的應(yīng)變片.由于混凝土應(yīng)變片在測(cè)量時(shí)間與空間上都存在明顯缺陷，因此很難用來(lái)描述鋼筋混凝土銹蝕開(kāi)裂全過(guò)程的損傷演化規(guī)律.

近幾十年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，人們開(kāi)發(fā)了一種高精度的現(xiàn)代光測(cè)力學(xué)技術(shù)—數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)（digital image correlation，DIC）來(lái)對(duì)材料全場(chǎng)變形進(jìn)行非接觸式的精確測(cè)量.DIC 技術(shù)在20世紀(jì)80年代初由日本的Yamaguchi［10］及美國(guó)南卡羅來(lái)納大學(xué)的Peter和Ranson等［11］相繼提出.它可以通過(guò)圖像相關(guān)匹配的方法來(lái)分析變形前后的散斑圖像，跟蹤試件表面的標(biāo)記點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)來(lái)得到變形場(chǎng)，即位移分布.隨著DIC 技術(shù)的不斷完善，已經(jīng)有不少學(xué)者用DIC技術(shù)來(lái)研究混凝土的變形和破壞.John等［12］利用DIC技術(shù)研究受壓混凝土三維損傷情況.劉寧等［13］將DIC技術(shù)用于混凝土梁的實(shí)驗(yàn)研究.Guo等［14-15］利用DIC技術(shù)研究了混凝土表面的裂紋擴(kuò)展情況及壽命預(yù)測(cè).Helm 等［16］采用DIC 技術(shù)研究了混凝土材料試件的多向復(fù)雜裂縫的增長(zhǎng).但目前還未有人將DIC 技術(shù)應(yīng)用于鋼筋混凝土梁保護(hù)層銹脹開(kāi)裂全過(guò)程的研究.

本文基于DIC技術(shù)，研究鋼筋混凝土試件在通電銹蝕過(guò)程中，試件表面廣義應(yīng)變場(chǎng)的時(shí)變規(guī)律，描述混凝土保護(hù)層銹脹開(kāi)裂的全過(guò)程.利用DIC 技術(shù)分析混凝土保護(hù)層初裂時(shí)刻以及初裂位置，并研究了箍筋與縱筋的銹蝕對(duì)試件表面廣義主應(yīng)變的影響，探討了銹脹力對(duì)混凝土表面產(chǎn)生廣義主拉應(yīng)變的影響范圍，確定混凝土表面可能產(chǎn)生銹脹裂縫的區(qū)域.

1 DIC技術(shù)原理

DIC技術(shù)的原理是通過(guò)數(shù)字圖像匹配的方法分析試件表面的位移場(chǎng).在試件變形之前，DIC技術(shù)首先以參考點(diǎn)（x，y）為中心選取邊長(zhǎng)為（2 M＋1）個(gè)像素點(diǎn)（M 為局部位移場(chǎng)中各數(shù)據(jù)點(diǎn)的局部坐標(biāo)）的矩形區(qū)域?yàn)閰⒖紙D子區(qū).在試件變形后，通過(guò)亞像素搜索的方法，采用與圖像灰度有關(guān)的相關(guān)系數(shù)C 分析此區(qū)域的變形與位移，并確定參考點(diǎn)變形后的坐標(biāo)（x′，y′），計(jì)算參考點(diǎn)的位移分量（u，v）.

相關(guān)系數(shù)C 的取值越高，變形前后參考子區(qū)域的相似度越高，圖像匹配精確性也就越高.相關(guān)系數(shù)C 的表達(dá)式為

對(duì)變形前后2幅圖像計(jì)算區(qū)域內(nèi)的所有點(diǎn)進(jìn)行相關(guān)匹配后，就可以獲得這些點(diǎn)在變形前后空間幾何位置的變化，即獲得測(cè)量區(qū)域的位移場(chǎng)分布，并采用局部最小二乘法對(duì)亞像素區(qū)域位移場(chǎng)求導(dǎo)獲得廣義總應(yīng)變場(chǎng)［17］，采用這種處理方法，可以更好地濾除數(shù)據(jù)中的噪聲，所得的計(jì)算結(jié)果與真實(shí)應(yīng)變非常吻合［18-19］.在傳統(tǒng)意義上，應(yīng)變指試件為連續(xù)介質(zhì)時(shí)某兩點(diǎn)的相對(duì)變形量.受限于測(cè)試手段與技術(shù)，在試件開(kāi)裂破壞后，就無(wú)法量化表征試件的應(yīng)變.而通過(guò)DIC技術(shù)，可以測(cè)量試件在開(kāi)裂前與開(kāi)裂后的相對(duì)變形.因此，本研究中定義“廣義主應(yīng)變”的概念來(lái)描述混凝土試件開(kāi)裂破壞前與破壞后的相對(duì)變形值.廣義主應(yīng)變?chǔ)?可以寫(xiě)為

式中：εx為垂直縱筋方向的橫向廣義應(yīng)變，εx＝?u／?x；εy為沿縱筋方向的縱向廣義應(yīng)變，εy＝?v／?y；γxy為廣義剪應(yīng)變，γxy＝?u／?y＋?v／?x.

試驗(yàn)運(yùn)用三維數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)，采用2個(gè)數(shù)字CCD 相機(jī)，根據(jù)雙目立體視覺(jué)的原理，通過(guò)立體視覺(jué)成像技術(shù)，來(lái)實(shí)現(xiàn)試件三維坐標(biāo)的獲取，因此試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果可獲得試件豎向位移.

2 試驗(yàn)方法

2.1 試驗(yàn)設(shè)備

在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中采用2個(gè)德國(guó)BASLER 牌A406K 型號(hào)CCD 相機(jī)，搭配Nikon IF Aspherical MACRO（1∶2）Φ72鏡頭，實(shí)時(shí)記錄試件表面散斑場(chǎng)的變化.采集后處理分析軟件為Correlated Solutions公司的VIC-3D 軟件.軟件計(jì)算時(shí)采用的計(jì)算步長(zhǎng)為5個(gè)像素，每個(gè)像素點(diǎn)邊長(zhǎng)為0.2mm，因此本研究中的計(jì)算步長(zhǎng)為1.0mm.

2.2 試件制作

混凝土中水泥、水、細(xì)骨料與粗骨料的配合比為1∶0.53∶2∶3.水泥采用湖北華新水泥廠生產(chǎn)的P·O52.5級(jí)普通硅酸鹽水泥；細(xì)骨料為河砂，細(xì)度模數(shù)為2.64；粗骨料為碎石，5～20mm 連續(xù)級(jí)配；水為自來(lái)水.混凝土28d抗壓強(qiáng)度為46.3 MPa.混凝土梁中縱筋采用一根Φ10HPB235 鋼筋，箍筋為Φ6＠100，試件尺寸為100mm×100mm×400mm，試件配筋如圖1所示.

圖1 試件尺寸及配筋Fig.1 Configuration of specimen and reinforcement

試件表面的散斑通過(guò)人工方法制作，由于鋼筋混凝土在半浸泡加速銹蝕過(guò)程中混凝土表面的濕度變化會(huì)影響試件表面的灰度.因此試驗(yàn)中，在混凝土表面涂上一層薄石膏（0.5mm），在石膏完全干燥后用黑色油漆筆隨機(jī)點(diǎn)上黑點(diǎn)作為散斑，混凝土梁的散斑圖像如圖2所示.

圖2 試件表面散斑圖像Fig.2 Speckle image on surface of specimen

2.3 試驗(yàn)步驟

試驗(yàn)前首先在外露鋼筋處焊接導(dǎo)線，再采用環(huán)氧樹(shù)脂對(duì)鋼筋外露部分進(jìn)行密封處理，完成后將混凝土試件浸泡在5%的NaCl溶液中72h.試驗(yàn)采用半浸泡外加電流加速銹蝕方法，將鋼筋混凝土試件部分置于濃度為5%的NaCl電解質(zhì)溶液中，混凝土試件底面到水面的高度為36mm，同時(shí)在溶液中放入不銹鋼筋作為輔助電極（陰極），接穩(wěn)定電流儀的負(fù)極，混凝土試塊內(nèi)待銹鋼筋作為陽(yáng)極，接穩(wěn)定電流儀正極.試驗(yàn)銹蝕方法如圖3所示.在試驗(yàn)過(guò)程中，每12h定時(shí)進(jìn)行檢查，保證整個(gè)電解池中NaCl溶液液面高度和溶液濃度不變，同時(shí)定時(shí)對(duì)陰極不銹鋼筋上附著的銹蝕物進(jìn)行清除，保證加速銹蝕效率.為了消除晝夜光線變化對(duì)散斑圖像分辨率的影響，實(shí)驗(yàn)室

圖3 試驗(yàn)工作系統(tǒng)示意圖Fig.3 Schematic diagram of experimental working system

窗戶的窗簾始終關(guān)閉，再通過(guò)實(shí)驗(yàn)室里面的日光燈提供穩(wěn)定的白光.

本試驗(yàn)采用三維DIC 技術(shù)，在使用CCD 相機(jī)進(jìn)行鋼筋混凝土銹脹過(guò)程拍攝之前，使用圓點(diǎn)標(biāo)靶對(duì)相機(jī)的內(nèi)外參數(shù)（光心、焦距、兩相機(jī)的相對(duì)位置）進(jìn)行標(biāo)定.標(biāo)定結(jié)束以后開(kāi)始通電，電流大小為0.2 A.圖像采集系統(tǒng)的采集速率為1幀／min，試驗(yàn)的工作系統(tǒng)見(jiàn)圖4.

圖4 試驗(yàn)工作系統(tǒng)Fig.4 Experimental working system

3 試驗(yàn)現(xiàn)象分析

3.1 混凝土上表面廣義主應(yīng)變場(chǎng)時(shí)變演化過(guò)程分析

通過(guò)DIC技術(shù)可以直觀地觀察到由于鋼筋銹蝕導(dǎo)致混凝土試件上表面損傷開(kāi)裂的全過(guò)程.如圖5所示展示了從開(kāi)始通電到銹脹裂縫貫通試件全過(guò)程中混凝土試件上表面廣義主應(yīng)變場(chǎng)的時(shí)變演化規(guī)律.

如圖5（a）所示，剛開(kāi)始進(jìn)行加速銹蝕試驗(yàn)時(shí)，混凝土試件表面的廣義主應(yīng)變場(chǎng)分布比較均勻，且基本為0.由于部分箍筋直接浸泡在NaCl溶液中，

圖5 試件上表面廣義主應(yīng)變發(fā)展全過(guò)程Fig.5 Whole process of generalized principal strain on surface of specimen

因此箍筋銹蝕較快，箍筋銹蝕產(chǎn)物的累積導(dǎo)致混凝土受到銹脹應(yīng)力，試件上表面箍筋處出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，如圖5（b）所示，在通電加速銹蝕時(shí)間t＝100h時(shí)，隨著箍筋銹蝕產(chǎn)物的不斷累積，箍筋上方混凝土承受的銹脹應(yīng)力達(dá)到極限抗拉強(qiáng)度，保護(hù)層初始開(kāi)裂，混凝土由連續(xù)介質(zhì)逐漸向非連續(xù)介質(zhì)轉(zhuǎn)變，試件上表面出現(xiàn)了裂紋，但此時(shí)的裂紋還屬于肉眼不可見(jiàn)裂紋，而此時(shí)縱筋處并沒(méi)有產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象.隨后箍筋處的廣義主應(yīng)變開(kāi)始下降，縱筋銹蝕對(duì)試件表面損傷起主要作用.本研究中，如圖5（c）所示，在t＝158h時(shí)，混凝土梁的縱向鋼筋在與左端箍筋搭接位置附近首先產(chǎn)生局部應(yīng)力集中現(xiàn)象.由圖5（d）可知，隨后在初始開(kāi)裂點(diǎn)處的廣義主應(yīng)變?cè)龃?，?yīng)力集中區(qū)逐漸擴(kuò)大，形成初始裂紋，裂紋形成后，裂紋的端部進(jìn)一步形成開(kāi)裂過(guò)程區(qū).裂紋尖端出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，而裂紋中部附近的應(yīng)力得到釋放，裂紋沿著縱向鋼筋向試件端部擴(kuò)展.在通電銹蝕時(shí)間達(dá)到230h時(shí)，如圖5（e）所示，由于縱向裂縫初始產(chǎn)生位置接近混凝土試件左端，因此裂縫首先擴(kuò)展達(dá)到混凝土試件左端.隨著銹蝕產(chǎn)物不斷產(chǎn)生以及累積，在t＝336h時(shí)，縱向裂縫最終貫穿整個(gè)混凝土試件，見(jiàn)圖5（f）.由以上分析可知，使用DIC技術(shù)可以準(zhǔn)確地判斷試件表面應(yīng)力集中的時(shí)刻和位置，混凝土保護(hù)層初裂的位置、裂紋的走向.而且采用DIC技術(shù)，可以分析開(kāi)裂全過(guò)程中混凝土試件表面廣義主應(yīng)變場(chǎng)的時(shí)變演化規(guī)律，這對(duì)于量化分析箍筋與縱筋對(duì)鋼筋混凝土構(gòu)件銹蝕過(guò)程的影響具有重要意義.

3.2 箍筋銹蝕過(guò)程分析

在銹蝕過(guò)程中縱筋與箍筋接觸，所以箍筋也有外加電流流過(guò)，試件上表面混凝土由于箍筋銹蝕產(chǎn)生銹脹力而處于受拉狀態(tài).為研究在銹蝕過(guò)程中，箍筋銹蝕對(duì)試件表面廣義主應(yīng)變的影響，由圖5（b）確定箍筋應(yīng)力集中的位置如圖6所示，觀測(cè)裂縫處廣義主應(yīng)變的發(fā)展情況.圖6中的觀測(cè)位置a、b、c處的廣義主應(yīng)變?chǔ)?隨時(shí)間的變化如圖7所示.

圖6 廣義主應(yīng)變觀測(cè)位置Fig.6 Observation position of generalized principal strain

由圖7可知，試件箍筋處的廣義主應(yīng)變從試驗(yàn)開(kāi)始經(jīng)過(guò)一小段平緩期后快速增長(zhǎng)，在100h左右達(dá)到峰值，此時(shí)a、b、c 各點(diǎn)的峰值應(yīng)變分別為2 670×10-6、1 726×10-6、2 980×10-6.此后點(diǎn)a、b、c處的廣義主應(yīng)變同時(shí)開(kāi)始急劇下降，在150h以后，試件箍筋處廣義主應(yīng)變趨于平緩，維持在-250×10-6左右.當(dāng)上表面最大廣義主拉應(yīng)變達(dá)到峰值后，開(kāi)始出現(xiàn)下降的現(xiàn)象，這與試件的側(cè)面、底面混凝土開(kāi)裂情況有關(guān).

圖7 箍筋上方試件表面廣義主應(yīng)變Fig.7 Generalized principal strain on surface of specimen above stirrups

混凝土破壞包括裂縫的產(chǎn)生、擴(kuò)展、聚合直到不穩(wěn)定擴(kuò)展破壞等過(guò)程.混凝土的初始開(kāi)裂時(shí)刻是銹蝕鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的全壽命預(yù)測(cè)中的一個(gè)關(guān)鍵時(shí)間點(diǎn).徐世烺［20］將混凝土的破壞分為3個(gè)階段：1）彌散化階段，結(jié)構(gòu)內(nèi)部的微裂縫表現(xiàn)得都很活躍，各自發(fā)展；2）集中化階段，部分微裂縫出現(xiàn)貫通趨勢(shì)；3）局部化階段，微裂紋集中在某一局部區(qū)域內(nèi)發(fā)展，有大變形，形成宏觀裂縫.點(diǎn)c處廣義主應(yīng)變的發(fā)展規(guī)律（從試驗(yàn)通電銹蝕開(kāi)始到混凝土表面出現(xiàn)最大廣義主拉應(yīng)變）如圖8所示.

圖8 試件表面廣義主應(yīng)變Fig.8 Generalized principal strain on surface of specimen

由圖8可知，在前60h，結(jié)構(gòu)內(nèi)部裂縫處于彌散化階段，混凝土表現(xiàn)為彈性變形，混凝土表面的應(yīng)變與時(shí)間近似呈線性增長(zhǎng).隨著時(shí)間增長(zhǎng)，銹蝕產(chǎn)物累積產(chǎn)生銹脹力致使部分微裂縫開(kāi)始貫通，裂縫發(fā)展進(jìn)入集中化階段.在60h時(shí)混凝土表面廣義主應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)到開(kāi)裂的極限應(yīng)變，混凝土裂紋發(fā)展進(jìn)入局部化階段，微裂紋在局部區(qū)域內(nèi)形成宏觀裂縫，廣義主應(yīng)變開(kāi)始陡增，結(jié)合Goitseone Malumbela［6］的研究，試件表面應(yīng)變突增伴隨著表面出現(xiàn)初裂現(xiàn)象，由此可以認(rèn)為此拐點(diǎn)代表混凝土出現(xiàn)了宏觀裂紋.當(dāng)廣義主應(yīng)變達(dá)到500×10-6左右，試件表面產(chǎn)生裂紋.在工程中一般認(rèn)為出現(xiàn)肉眼可見(jiàn)裂縫的寬度為0.03～0.05 mm，由于在本研究中計(jì)算步長(zhǎng)取為1.0mm，因此在本研究中認(rèn)為試件表面出現(xiàn)肉眼可見(jiàn)裂縫的廣義主應(yīng)變?nèi)? 000×10-6左右.而箍筋上方試件表面廣義主應(yīng)變最大只有3000×10-6左右，說(shuō)明此處出現(xiàn)了肉眼不可見(jiàn)的裂縫.傳統(tǒng)上以結(jié)構(gòu)表面出現(xiàn)肉眼可見(jiàn)裂縫認(rèn)為結(jié)構(gòu)開(kāi)裂，實(shí)際上混凝土結(jié)構(gòu)表面出現(xiàn)肉眼可見(jiàn)裂縫的時(shí)間比混凝土產(chǎn)生初始裂紋晚.混凝土裂紋為外界有害介質(zhì)進(jìn)入混凝土內(nèi)部提供了通道，初裂時(shí)刻是混凝土結(jié)構(gòu)壽命退化的一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)，初裂時(shí)刻的判斷尤為關(guān)鍵.使用DIC技術(shù)實(shí)現(xiàn)在混凝土結(jié)構(gòu)表面出現(xiàn)肉眼可見(jiàn)裂縫前，準(zhǔn)確判斷初裂的時(shí)間和位置，對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)耐久性壽命預(yù)測(cè)具有重要意義.

由于試驗(yàn)采用的是半浸泡的銹蝕方法，如圖9所示，試件下部和部分側(cè)面的箍筋直接浸泡在NaCl溶液中，導(dǎo)致試件底部和側(cè)面的箍筋較液面以上的箍筋銹蝕更嚴(yán)重，因此試件底部和側(cè)面混凝土先開(kāi)裂.裂縫從側(cè)面水位以下向水位以上延伸，圖9中試件底部和側(cè)面均開(kāi)裂，箭頭表示裂縫從側(cè)面開(kāi)始由水位以下向水位以上延伸，達(dá)到上表面的邊緣，再向上表面的內(nèi)側(cè)發(fā)展，所以在試件的上表面邊緣處先發(fā)生應(yīng)力集中現(xiàn)象.

圖9 試件開(kāi)裂示意圖Fig.9 Sketch map of cracking

為研究試件側(cè)面及底面的裂縫發(fā)展與箍筋銹蝕的關(guān)系，在銹蝕試驗(yàn)結(jié)束以后，將試件破型，取出銹蝕以后的縱筋和箍筋，如圖10所示.

圖10 銹蝕后的鋼筋形態(tài)圖Fig.10 Topography of corroded reinforcement

從圖10中可以觀察到在縱筋與箍筋的搭接處，縱筋銹蝕程度很輕.而在搭接處的兩側(cè)，銹層較厚，銹蝕產(chǎn)物較多，縱筋銹蝕程度嚴(yán)重.在水面以下的箍筋比水面以上的箍筋銹蝕更嚴(yán)重，部分已經(jīng)銹斷.由于箍筋銹蝕導(dǎo)致混凝土側(cè)面及底面開(kāi)裂，造成試件的剛度下降，產(chǎn)生豎向位移.由DIC 技術(shù)獲得試件豎向的位移并確定產(chǎn)生最大豎向位移的位置點(diǎn)M，點(diǎn)M 的豎向位移fM發(fā)展變規(guī)律如圖11所示.

圖11 試件豎向位移Fig.11 Vertical displacement of specimen

由圖11可知，在通電銹蝕的前25h內(nèi)，試件的豎向位移幾乎為0，隨著箍筋銹蝕加劇，試件底部的混凝土產(chǎn)生橫向裂縫，使梁的剛度下降.在t＝100h左右，試件的剛度急劇下降，在自重作用下，試件的豎向位移陡增，試件底面的混凝土受拉，上表面混凝土受壓，因此在100h以后，點(diǎn)a、b、c處的廣義主應(yīng)變開(kāi)始下降.在試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，試件的最大豎向位移達(dá)到0.326mm，試件最終豎向位移云圖見(jiàn)圖12.

圖12 試件最終豎向位移圖Fig.12 Final vertical displacement of specimen

在箍筋處混凝土銹脹開(kāi)裂的過(guò)程中，雖然箍筋銹蝕程度繼續(xù)增大，但自重產(chǎn)生的壓應(yīng)力超過(guò)箍筋銹蝕產(chǎn)生的銹脹拉應(yīng)力，所以在試件箍筋處上表面的廣義主應(yīng)變迅速下降，由拉應(yīng)變轉(zhuǎn)變?yōu)閴簯?yīng)變，試件上表面產(chǎn)生的壓應(yīng)力基本剛好抵消箍筋銹脹產(chǎn)生的拉應(yīng)力，最終試件上表面的廣義主壓應(yīng)變基本穩(wěn)定于250×10-6左右.

3.3 縱筋銹蝕過(guò)程分析

3.3.1 縱筋銹蝕對(duì)試件表面廣義主應(yīng)變的影響分析 為研究在銹蝕過(guò)程中，縱筋銹蝕對(duì)試件表面廣義主應(yīng)變的影響，由圖5（f）確定縱向裂縫的開(kāi)展位置，觀察縱向裂縫上不同位置處廣義主應(yīng)變的發(fā)展情況，觀察位置如圖6所示，從電流輸入端開(kāi)始，每隔80mm取一個(gè)觀測(cè)點(diǎn)，點(diǎn)2 為縱向初始開(kāi)裂點(diǎn).如圖13所示為試件表面6個(gè)不同位置處的廣義主應(yīng)變.

圖13 縱筋處試件表面廣義主應(yīng)變Fig.13 Generalized principal strain on surface of specimen above longitudinal reinforcement

由圖13可知，在通電銹蝕前期，試件表面廣義主應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)緩慢，隨著銹蝕產(chǎn)物的不斷生成和累積，當(dāng)廣義主應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)到500×10-6左右時(shí)，廣義主應(yīng)變的增長(zhǎng)出現(xiàn)一個(gè)拐點(diǎn).在拐點(diǎn)之前，廣義主應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)速率遠(yuǎn)小于拐點(diǎn)之后的增長(zhǎng)速率，說(shuō)明在拐點(diǎn)出現(xiàn)之后，廣義主應(yīng)變出現(xiàn)失穩(wěn)狀態(tài)，由此可以判斷試件表面在拐點(diǎn)時(shí)刻開(kāi)裂.在試件開(kāi)裂之后，裂縫寬度的增長(zhǎng)速率與混凝土開(kāi)裂模式有關(guān)，本試驗(yàn)中試件上表面有一條平行縱筋的裂縫，而試件側(cè)面未出現(xiàn)平行縱筋的裂縫，在這種開(kāi)裂模式下，試件表面的裂縫寬度以一個(gè)近似穩(wěn)定的速率增長(zhǎng)［21］.

3.3.2 縱筋銹蝕對(duì)混凝土表面廣義主應(yīng)變場(chǎng)影響范圍分析 由圖12可知當(dāng)縱筋上方混凝土表面初裂以后，廣義主應(yīng)變急劇發(fā)展，裂縫失穩(wěn)發(fā)展.但是初裂時(shí)刻初裂點(diǎn)兩側(cè)廣義主應(yīng)變分布情況具有重要意義，根據(jù)圣維南原理：荷載的具體分布只影響荷載作用區(qū)附近的應(yīng)力分布，在遠(yuǎn)離荷載作用區(qū)的地方，應(yīng)力就幾乎為零.混凝土由于鋼筋銹蝕產(chǎn)生銹脹力受拉，拉應(yīng)力的作用區(qū)域應(yīng)該有一個(gè)影響范圍.如圖14所示為試件縱筋初始開(kāi)裂時(shí)刻混凝土表面廣義主應(yīng)變延試件寬度方向（X 方向）與長(zhǎng)度方向（Y方向）的分布情況.

圖14 試件表面廣義主應(yīng)變場(chǎng)分布（t＝158h）Fig.14 Generalized principal strain distribution field on surface of specimen（t＝158h）

初裂時(shí)刻混凝土表面的應(yīng)變分布具有圣維南特性，在開(kāi)裂位置附近廣義主拉應(yīng)變較大，而遠(yuǎn)離開(kāi)裂位置處廣義主拉應(yīng)變很小.在本研究中，測(cè)得遠(yuǎn)離縱向鋼筋銹蝕區(qū)域的廣義主壓應(yīng)變?cè)?100～-300×10-6之間，這個(gè)數(shù)量級(jí)的壓應(yīng)變說(shuō)明混凝土仍處于彈性狀態(tài)，因此在遠(yuǎn)離縱筋的混凝土梁上表面不會(huì)出現(xiàn)損傷.初裂時(shí)刻初裂點(diǎn)處沿x 軸方向兩側(cè)產(chǎn)生廣義主拉應(yīng)變的范圍為28mm，試件表面產(chǎn)生廣義主拉應(yīng)變的范圍與保護(hù)層厚度有關(guān)，將在后續(xù)的論文中繼續(xù)研究.使用DIC技術(shù)確定產(chǎn)生試件表面廣義主拉應(yīng)變的范圍，獲得可能產(chǎn)生銹脹裂縫的區(qū)域，可以減少監(jiān)測(cè)范圍，提高工作效率，同時(shí)確定試件表面可能開(kāi)裂的范圍對(duì)于混凝土結(jié)構(gòu)的修復(fù)也具有重要意義.

4 結(jié) 論

采用DIC 技術(shù)研究銹蝕鋼筋混凝土表面損傷場(chǎng)時(shí)變規(guī)律，可以得出以下結(jié)論：

（1）通過(guò)DIC技術(shù)測(cè)得試件表面廣義主應(yīng)變?cè)茍D，可以直觀的觀察到由于鋼筋銹蝕導(dǎo)致混凝土表面損傷開(kāi)裂的全過(guò)程，可以精確地判斷混凝土表面初裂的位置和裂紋的走向.

（2）當(dāng)廣義主拉應(yīng)變達(dá)到500×10-6左右，混凝土表面初裂，此時(shí)結(jié)構(gòu)表面未出現(xiàn)肉眼可見(jiàn)裂縫，使用DIC技術(shù)可以在混凝土結(jié)構(gòu)表面出現(xiàn)肉眼可見(jiàn)裂縫前，準(zhǔn)確判斷初裂的時(shí)間和位置.

（3）箍筋銹蝕產(chǎn)生銹脹應(yīng)力使箍筋處混凝土表面出現(xiàn)廣義主拉應(yīng)變.由于箍筋上方的混凝土已產(chǎn)生肉眼無(wú)法觀測(cè)到的橫向裂縫，箍筋銹蝕產(chǎn)生銹脹應(yīng)力得到部分或全部的釋放，即箍筋銹蝕產(chǎn)生的拉應(yīng)力隨著裂縫的產(chǎn)生而降低或消失.縱筋、箍筋銹蝕導(dǎo)致保護(hù)層開(kāi)裂后剛度降低，試件產(chǎn)生向下的撓度，導(dǎo)致混凝土上表面受壓，從而箍筋處試件上表面最終呈現(xiàn)廣義主壓應(yīng)變.

（4）DIC技術(shù)可以獲得混凝土試件表面產(chǎn)生廣義主拉應(yīng)變的范圍.根據(jù)廣義主拉應(yīng)變的范圍確定試件表面開(kāi)裂可能性最大區(qū)域，對(duì)于混凝土結(jié)構(gòu)的監(jiān)測(cè)以及修復(fù)具有重要意義.

（

）：

［1］SUDA K，MISRA S，MOTOHASHI K.Corrosion products of reinforced bars embedded in concrete［J］.Corrosion Science，1993，35（5／8）：1543-1549.

［2］ZHAO Yu-xi，REN Hai-yang，DAI Hong.Composition and expansion coefficient of rust based on X-ray diffraction and thermal analysis［J］.Corrosion Science，2011，53（1）：1646–1658.

［3］ANDRADE C，ALONSO C，MOLINA F J.Cover cracking as a function of bar corrosion：Part 1-experimental test［J］.Materials and Structures，1993，26（8）：453-464.

［4］ALONSO C，ANDRADE C，RODRIGUEZ J.Factors controlling cracking of concrete affected by reinforcement corrosion［J］.Materials and Structures，1998，31（8／9）：435-441.

［5］ RASHEEDUZZAFAR，AL-SAADOUN S S，ALGAHTANI A S.Corrosion cracking in relation to bar diameter，cover，and concrete quality［J］.Journal of Materials in Civil Engineering，1992，4（4）：327-342.

［6］MALUMBELA G，MOYO P，ALEXANDER M .Lateral deformation of RC beams under simultaneous load and steel corrosion［J］.Construction and Building Materials，2010，24（1）：17-24.

［7］MALUMBELA G，ALEXANDER M，MOYO P.Influence of corrosion crack patterns on the rate of crack widening of RC beams［J］.Construction and Building Materials，2011，25（5）：2540-2553.

［8］MALUMBELA G，MOYO P，ALEXANDER M .Behaviour of RC beams corroded under sustained service loads［J］.Construction and Building Materials，2009，23（11）：3346-3351.

［9］MALUMBELA G，MOYO P，ALEXANDER M .Longitudinal strains and stiffness of RC beams under load as measures of corrosion levels［J］.Engineering Structures，2012，35：215-227.

［10］YAMAGUCHI I.A laser-speckle strain gauge［J］.Journal of Physics（E）：Scientific Instruments，1981，14（5）：1270-1273.

［11］PETERS W H，RANSON W F.Digital imaging techniques in experimental stress analysis［J］.Optical Engineering，1982，21（3）：427-431.

［12］LAWLER J S，KEANE D T，SHAH S P.Measuring three-dimensional damage in concrete under compression［J］.Materials Journal，2001，98（6）：465-475.

［13］劉寧，趙穎華，金觀昌.碳纖維布加固鋼筋混凝土梁的DSCM 實(shí)驗(yàn)研究［J］.工程力學(xué)，2004，21（4）：179-183.LIU Ning，ZHAO Ying-hua，JIN Guan-chang.Experimental study of concrete beams strengthened with carbon fiber sheet using digital speckle correlation method［J］.Engineer Mechanics，2004，21（4）：179-183.

［14］GUO Li-ping，SUN Wei，HE Xiao-yuan.Application of DSCM in prediction of potential fatigue crack path on concrete surface［J］.Engineering Fracture Mechanics，International Conference in Crack Paths，2008，75（3／4）：643-651.

［15］GUO Li-ping，SUN Wei，CARPINTERI A.Latent crack path and service life predictions for unnotched concrete under bending by digital speckle correlation method［J］.Fatigue and Fracture of Engineering Materials and Structures，2008，31（1）：29-37.

［16］HELM J D.Digital image correlation for specimens with multiple growing cracks［J］.Experimental Mechanics，2008，48（6）：753-762.

［17］潘兵，謝惠民.數(shù)字圖像相關(guān)中基于位移場(chǎng)局部最小二乘擬合的全場(chǎng)應(yīng)變測(cè)量［J］.光學(xué)學(xué)報(bào)，2007，27（11）：1980-1986.PAN Bing，XIE Hui-min.Full-field Strain Measurement Based on least-square fitting of local displacement for digital image correlation method［J］.Acta Optica Sinica，2007，27（11）：1980-1986.

［18］LU H，CARY P D.Deformation measurements by digital image correlation：implementation of a second-order displacement gradient［J］.Experimental echanics，2000，40（4）：393-400.

［19］SUN Zili，LYONS J S，MCNEILL S R.Measuring microscopic deformations with digital image correlation［J］.Optics and Lasers in Engineering，1997，27（4）：409-428.

［20］徐世烺.混凝土斷裂力學(xué)［M］.北京：科學(xué)出版社，2011，439-450.

［21］MALUMBELA G，ALEXANDER M，MOYO P .Interaction between corrosion crack width and steel loss in RC beams corroded under load［J］.Cement and Concrete Research，2010，40（9）：1419-1428.