金偉良，項(xiàng)凱瀟，毛江鴻，徐方圓，張 軍, 2

(1. 浙江大學(xué) 寧波理工學(xué)院，浙江 寧波 315100; 2. 浙江大學(xué) 結(jié)構(gòu)工程研究所，浙江 杭州 310058)

基于壓磁效應(yīng)的銹蝕鋼筋應(yīng)力狀態(tài)檢測試驗(yàn)研究

金偉良1，項(xiàng)凱瀟1，毛江鴻1，徐方圓1，張 軍1, 2

(1. 浙江大學(xué) 寧波理工學(xué)院，浙江 寧波 315100; 2. 浙江大學(xué) 結(jié)構(gòu)工程研究所，浙江 杭州 310058)

鋼筋銹蝕是嚴(yán)重威脅結(jié)構(gòu)安全的耐久性問題，基于壓磁效應(yīng)，研究均勻銹蝕和坑蝕兩種銹蝕鋼筋的應(yīng)力狀態(tài)與壓磁場變化的關(guān)系。首先，采用通電加速銹蝕方法進(jìn)行鋼筋均勻銹蝕和點(diǎn)蝕試驗(yàn)；然后，通過軸向拉伸靜載試驗(yàn)和疲勞加載試驗(yàn)，分析銹蝕鋼筋的壓磁信號(hào)特征。試驗(yàn)結(jié)果顯示，磁感強(qiáng)度與鋼筋應(yīng)力狀態(tài)之間具有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，屈服階段不同銹蝕率下的鋼筋磁感強(qiáng)度曲線有較明顯區(qū)別，疲勞荷載作用下銹蝕鋼筋的法向殘余磁感強(qiáng)度和磁滯回環(huán)面積均呈現(xiàn)疲勞三階段變化規(guī)律，可進(jìn)一步運(yùn)用于鋼筋應(yīng)力狀態(tài)的檢測中。

均勻銹蝕；坑蝕壓磁效應(yīng)；磁感強(qiáng)度；磁滯回環(huán)；鋼筋銹蝕；應(yīng)力狀態(tài)

鋼筋銹蝕是沿海工程鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)性能劣化的最主要原因，因而銹蝕鋼筋的力學(xué)性能一直是國內(nèi)外學(xué)者關(guān)心的重要問題[1]。Uomoto等[2]對(duì)受環(huán)境影響的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的銹蝕鋼筋進(jìn)行試驗(yàn)測試，發(fā)現(xiàn)鋼筋銹蝕后，屈服強(qiáng)度和極限強(qiáng)度發(fā)生5%～10%的下降。Abdullah[3]利用通電加速銹蝕混凝土中鋼筋的方法，對(duì)銹蝕率從0%～80%的鋼筋進(jìn)行了抗拉測試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示當(dāng)銹蝕率到達(dá)一定程度時(shí)，名義應(yīng)力強(qiáng)度和延性都將降低。Castel等[4-5]對(duì)已服役14年的鋼筋混凝土梁進(jìn)行試驗(yàn)測試，發(fā)現(xiàn)銹蝕會(huì)導(dǎo)致鋼筋截面積減小，鋼筋混凝土梁剛度降低、承載力下降。袁迎曙等[6]通過現(xiàn)場采樣、實(shí)驗(yàn)室加速銹蝕及模擬制作三個(gè)途徑獲取銹蝕鋼筋，試驗(yàn)結(jié)果表明銹后鋼筋的屈服強(qiáng)度、極限強(qiáng)度、延伸率均顯著下降。張克波等[7]對(duì)361根銹蝕鋼筋進(jìn)行試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)銹后的帶肋鋼筋比光圓鋼筋性能下降更快，加速銹蝕試件比自然銹蝕試件性能下降更快。陳才生[8]對(duì)重載及腐蝕梁進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，結(jié)果表明梁中銹蝕鋼筋對(duì)疲勞損傷十分敏感，構(gòu)件整體性能加速劣化。實(shí)際混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋的銹蝕以坑蝕為主[9]，導(dǎo)致鋼筋截面損失與力學(xué)性能退化[10-11]。易偉建等[12]通過銹蝕鋼筋混凝土梁的疲勞試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，疲勞破壞發(fā)生在應(yīng)力幅最大且表面有蝕坑的鋼筋截面。雖然目前可以通過分布式光纖技術(shù)(需要預(yù)埋光纖)等方式對(duì)鋼筋銹脹過程的混凝土應(yīng)力進(jìn)行監(jiān)測[13-15]，但是鋼筋的受力狀態(tài)以及銹蝕程度往往難以準(zhǔn)確評(píng)估。

壓磁效應(yīng)最早由Villari[16]發(fā)現(xiàn)，反映了鐵磁性材料在恒定弱磁場下的力與磁相互關(guān)系。英國學(xué)者Wilson等[17]通過檢測拉伸試件的殘余磁場來評(píng)估其應(yīng)力狀態(tài)，結(jié)果顯示磁場與應(yīng)力之間有良好的相關(guān)性。Carik等[18]對(duì)鐵、鎳等多種鐵磁性材料施加拉壓應(yīng)力后發(fā)現(xiàn)，磁場曲線滯回特性明顯，且拉應(yīng)力引起的磁場變化要大于同等級(jí)壓應(yīng)力引起的磁場變化。金偉良等[19-20]首次提出可以將壓磁效應(yīng)應(yīng)用于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的疲勞研究，并通過試驗(yàn)研究證明了這種方法的可行性。

對(duì)銹蝕鋼筋受拉過程中的壓磁場進(jìn)行監(jiān)測，研究均勻銹蝕和點(diǎn)蝕兩種情況下銹蝕鋼筋應(yīng)力狀態(tài)與壓磁場變化之間的關(guān)系，結(jié)果表明，壓磁場對(duì)鋼筋受力狀態(tài)的改變是十分敏感的。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與過程

1.1鋼筋通電加速銹蝕試驗(yàn)

目前，銹蝕鋼筋的獲取方法主要有老化構(gòu)件替換法、長期暴露試驗(yàn)法與通電加速銹蝕法。獲取老化構(gòu)件數(shù)量往往有限，長期暴露試驗(yàn)法周期又太長，所以這里采用溶液模擬加速通電銹蝕的方法獲取銹蝕鋼筋，既可較好地控制預(yù)期銹蝕率，又與實(shí)際銹蝕狀況相近。均勻銹蝕和點(diǎn)蝕鋼筋的電通電加速試驗(yàn)如圖1所示。

圖1 鋼筋均勻銹蝕模擬試驗(yàn)和點(diǎn)蝕模擬試驗(yàn)Fig. 1 Steel bar uniform corrosion method and pitting corrosion method

為了防止鋼筋兩端出現(xiàn)銹蝕影響試驗(yàn)加載，鋼筋兩端套入PVC管中并采用玻璃膠密封以隔絕氧氣和有害離子的進(jìn)入。均勻銹蝕試驗(yàn)時(shí)，無PVC管保護(hù)度段取為300 mm，該區(qū)域鋼筋與吸水海綿直接接觸，吸水海綿會(huì)將容器中5.0%氯化鈉溶液帶到鋼筋表面。點(diǎn)蝕試驗(yàn)時(shí)，無PVC管保護(hù)度長度為30 mm，該區(qū)域全部用玻璃膠密封，待膠體凝固后在中間挖取不同尺寸的孔，模擬不同大小的蝕坑。容器內(nèi)放置的不銹鋼板作為陰極，鋼筋試件作為陽極，進(jìn)行通電加速銹蝕，根據(jù)法拉第定律計(jì)算通電時(shí)間：

式中：ΔωS為鋼筋銹蝕引起的質(zhì)量損失，g；MFe為鐵的摩爾質(zhì)量，取56 g/mol；t為通電時(shí)間，s；ZFe為鐵的化合價(jià)，取2；F為法拉第常量，取9.65×104A·s；I為腐蝕電流，mA；A為蝕坑處鋼筋表面積，cm2。

1.2加載與測試系統(tǒng)

試驗(yàn)在全數(shù)字控制250 kN電液伺服疲勞試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，通過引伸計(jì)記錄鋼筋在荷載作用下的變形。靜力試驗(yàn)加載采用位移控制，加載速率為2 mm/min，試件拉斷后試驗(yàn)終止；疲勞試驗(yàn)加載采用應(yīng)力控制方式，加載頻率為2.0 Hz，鋼筋斷裂后試驗(yàn)終止。

壓磁場與鋼筋受力狀態(tài)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，實(shí)質(zhì)上是力與磁能之間的轉(zhuǎn)化[21-22]。當(dāng)應(yīng)力能發(fā)生改變時(shí)，磁彈性能便會(huì)因?yàn)椴牧蟽?nèi)部磁疇結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)向與運(yùn)動(dòng)發(fā)生相應(yīng)的改變。通過兩臺(tái)美國Applied Physics System公司的APS428D磁通門磁力儀采集系統(tǒng)及配備的APS460磁探頭測量鋼筋周圍的法向磁場信號(hào)，接入IMC動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集儀中供后續(xù)分析，采集頻率為1 000 Hz。試件周圍設(shè)置屏蔽環(huán)以降低環(huán)境磁噪聲，量測裝置安裝如圖2所示。

圖2 加載及量測系統(tǒng)Fig. 2 Loading and measuring system

2 壓磁效應(yīng)檢測的干擾影響分析

2.1地磁場中環(huán)境磁噪聲影響

試驗(yàn)過程中壓磁信號(hào)不可避免會(huì)受到外界環(huán)境磁噪聲的干擾。圖3為地磁場下加載未開始前法向磁場受環(huán)境磁噪聲影響所產(chǎn)生的波動(dòng)，從圖中可看出法向磁感強(qiáng)度波動(dòng)約為0.3 mG，該變化值遠(yuǎn)小于試驗(yàn)中磁感強(qiáng)度變化的量級(jí)。

2.2探頭提離值影響

圖4給出了不同提離值(磁探頭與試件表面距離)下法向磁場沿鋼筋長度方向的變化規(guī)律。提離值的增大并未改變磁場分布規(guī)律，但法向磁場的變化幅度均隨提離值增大而減小，意味著壓磁場信號(hào)對(duì)提離值較敏感，距離的增大使信號(hào)強(qiáng)度減弱，因此，試驗(yàn)時(shí)應(yīng)避免提離值過大。考慮實(shí)際工程中混凝土保護(hù)層的厚度，本文試驗(yàn)的提離值取為33 mm。

圖3 地磁場中環(huán)境磁噪聲對(duì)法向磁場影響Fig. 3 Effect of environmental magnetic noise

圖4 不同提離值下法向磁場分布規(guī)律Fig. 4 Distribution of normal magnetic field under different liftoffs

2.3試驗(yàn)機(jī)作動(dòng)頭影響

試驗(yàn)機(jī)的加載作動(dòng)頭是鐵磁性材料，相對(duì)位置的改變會(huì)引起磁信號(hào)的改變。本試驗(yàn)過程中，測量了固定提離值下作動(dòng)頭位移所產(chǎn)生的磁感強(qiáng)度變化，對(duì)試件拉伸過程中量測的磁信號(hào)進(jìn)行修正。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

首先對(duì)光圓鋼筋進(jìn)行軸向靜載拉伸試驗(yàn)，分析均勻銹蝕鋼筋和點(diǎn)蝕鋼筋的壓磁場分布特征；然后進(jìn)行不同直徑銹蝕鋼筋的疲勞拉伸試驗(yàn)，分析銹蝕鋼筋在不同疲勞階段的壓磁信號(hào)演變規(guī)律。

3.1靜力作用下鋼筋應(yīng)力狀態(tài)的壓磁特征

在對(duì)φ10光圓鋼筋進(jìn)行加速銹蝕試驗(yàn)后，進(jìn)行了銹蝕與未銹蝕鋼筋的軸向靜載拉伸試驗(yàn)。表1為靜載試驗(yàn)中各鋼筋的銹蝕程度及屈服荷載、極限荷載、伸長率等靜力性能測試結(jié)果。

表1 靜載試驗(yàn)的鋼筋試驗(yàn)參數(shù)和力學(xué)性能指標(biāo)Tab. 1 Static loading test parameters and mechanical properties of steel bars

3.1.1 未銹蝕鋼筋的壓磁信號(hào)

圖5為未銹蝕光圓鋼筋的荷載—變形曲線和法向磁感強(qiáng)度—變形曲線。其中，荷載—變形曲線均表現(xiàn)了鋼筋彈性—屈服—強(qiáng)化—斷裂四個(gè)階段，而鋼筋的磁感強(qiáng)度—變形曲線發(fā)展趨勢卻并不相同。

圖5 未銹蝕鋼筋荷載—變形曲線和磁感強(qiáng)度—變形曲線Fig. 5 Load-deflection curve and magnetic intensity-deflection curve of non-corrosion steel bar

圖5中，S0-1和S0-2鋼筋在彈性階段最大法向磁感應(yīng)強(qiáng)度分別為559.3 mG和381.5 mG，在屈服階段前半段，磁能在鋼筋中累計(jì)，磁感強(qiáng)度增加，當(dāng)變形到達(dá)6.6 mm左右時(shí)，法向磁感強(qiáng)度到達(dá)峰值，隨后逐漸下降。S0-3磁感強(qiáng)度在強(qiáng)化階段仍有較小幅度的增長?？梢钥吹?，磁感強(qiáng)度在彈性階段由于磁彈性能的累積而不斷增加；進(jìn)入屈服階段，出現(xiàn)晶體滑移，累積的部分能量得到釋放，當(dāng)?shù)竭_(dá)某個(gè)閾值后，盡管此時(shí)變形還在增大，但磁感應(yīng)強(qiáng)度已不再增加。進(jìn)入強(qiáng)化階段后，位錯(cuò)滑移持續(xù)累積，當(dāng)磁能釋放速率大于新增磁能時(shí)表現(xiàn)為磁感強(qiáng)度的下降，若滑移不充分，磁能釋放速率小于新增磁能時(shí)，則磁感繼續(xù)增加。

3.1.2 均勻銹蝕鋼筋應(yīng)力狀態(tài)的壓磁檢測

在檢測均勻銹蝕鋼筋的磁信號(hào)時(shí)，將磁探頭布置在銹蝕段三分之一處。圖6為靜載拉伸試驗(yàn)中均勻銹蝕鋼筋的荷載—變形曲線及法向磁感強(qiáng)度—變形曲線。

圖6 不同銹蝕率的光圓鋼筋荷載—變形曲線和磁感強(qiáng)度—變形曲線Fig. 6 Load-deflection curve and magnetic intensity-deflection curve of plain bar with different uniform corrosion ratios

由圖6可知，均勻銹蝕對(duì)光圓鋼筋力學(xué)性能存在較大影響，屈服荷載、極限荷載均隨銹蝕率增大而降低，銹蝕率達(dá)13.1%時(shí)的變形能力僅為未銹蝕試件的14.4%。從荷載—變形曲線(圖6(a))可以看出，銹蝕率較大時(shí)(SU-2和SU-3)，該鋼筋的屈服平臺(tái)已經(jīng)消失，彈性階段結(jié)束后直接進(jìn)入強(qiáng)化階段。磁感強(qiáng)度—變形曲線(圖6(b))也顯示了同樣的特征，SU-1與SU-3在屈服階段的磁感強(qiáng)度均為先增加后減小，而銹蝕率較大的SU-2、SU-3沒有觀察到該現(xiàn)象。產(chǎn)生該現(xiàn)象的原因是鋼筋銹蝕率越低，屈服階段的磁疇結(jié)構(gòu)的有序化定向排列越充分，相應(yīng)的磁感強(qiáng)度表現(xiàn)為先增加后降低。當(dāng)銹蝕率增大到一定程度后，鋼筋的屈服平臺(tái)漸不明顯，相應(yīng)的磁疇結(jié)構(gòu)無定向排列，因此，磁感強(qiáng)度曲線中亦沒有觀測到屈服過程。

3.1.3 點(diǎn)蝕鋼筋應(yīng)力狀態(tài)的壓磁檢測

在對(duì)點(diǎn)蝕鋼筋進(jìn)行磁信號(hào)檢測時(shí)，為使漏磁現(xiàn)象更明顯，將磁探頭面向坑蝕面。圖7為點(diǎn)銹蝕鋼筋的荷載—變形曲線及法向磁感強(qiáng)度—變形曲線。

由圖7(a)可知，不同點(diǎn)蝕形狀鋼筋的屈服荷載并沒有發(fā)生降低，且屈服平臺(tái)長度也未出現(xiàn)縮短，但極限荷載隨著蝕坑深度的增大而降低，這與文獻(xiàn)[16]揭示的“蝕坑深度相比于蝕坑長度和蝕坑寬度，對(duì)鋼筋力學(xué)性能影響更大”相一致。圖7(b)中屈服階段磁感強(qiáng)度變化過程表現(xiàn)出更多的信息，蝕坑深度較小SP-1、SP-2、SP-3與S0-1相似，磁感強(qiáng)度先增大后減小；蝕坑深度較大的SP-4、SP-5、SP-6則沒有表現(xiàn)出上述現(xiàn)象。說明相比荷載—變形曲線，磁感—變形曲線更能反映鋼筋中存在的蝕坑及蝕坑大小。

3.1.4 屈服階段各鋼筋壓磁信號(hào)的對(duì)比分析

將未銹蝕鋼筋、均勻銹蝕鋼筋、點(diǎn)蝕鋼筋的屈服階段法向磁感強(qiáng)度—變形共同繪制于圖8。從圖8中可以明顯看出，低銹蝕率和高銹蝕率下鋼筋在屈服階段的磁感強(qiáng)度—變形曲線存在明顯區(qū)別。無論是均勻銹蝕還是點(diǎn)蝕，在低銹蝕率情況下磁感強(qiáng)度均表現(xiàn)為先增加后減小的過程，而高銹蝕率情況下磁感強(qiáng)度則單調(diào)變化進(jìn)入強(qiáng)化階段。

3.2疲勞荷載作用下鋼筋應(yīng)力狀態(tài)的壓磁特征

選取直徑為10 mm的HPB300光圓熱軋鋼筋與直徑為14 mm以及16 mm的HRB400帶肋熱軋鋼筋進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，重點(diǎn)關(guān)注銹蝕鋼筋在不同疲勞階段的壓磁信號(hào)特征。表2為銹蝕鋼筋疲勞試驗(yàn)的試驗(yàn)參數(shù)及疲勞壽命。

表2 銹蝕鋼筋的疲勞試驗(yàn)參數(shù)和疲勞壽命Tab. 2 Fatigue test parameters and fatigue life of corroded steel bars

3.2.1 銹蝕鋼筋的殘余磁感強(qiáng)度演變

由于鋼筋在制作及運(yùn)輸過程中可能已經(jīng)受過荷載作用，與完全退磁的標(biāo)準(zhǔn)試件有所區(qū)別，因此在鋼筋疲勞試驗(yàn)過程中，各鋼筋的磁感強(qiáng)度并不同，同時(shí)試驗(yàn)得到的各鋼筋疲勞壽命也不盡相同。為了對(duì)鋼筋在疲勞荷載作用下的殘余磁感強(qiáng)度發(fā)展規(guī)律進(jìn)行分析，對(duì)每根鋼筋的殘余磁感強(qiáng)度與疲勞壽命進(jìn)行均一化處理，如圖9所示。

圖9中，橫坐標(biāo)代表相對(duì)疲勞壽命(即，實(shí)際疲勞循環(huán)次數(shù)/疲勞壽命)，縱坐標(biāo)代表相對(duì)殘余磁感強(qiáng)度(即，殘余磁感強(qiáng)度增量/殘余磁感強(qiáng)度總增量)。將各鋼筋的相對(duì)法向殘余磁感強(qiáng)度發(fā)展規(guī)律進(jìn)行多折線擬合，可以得出法向殘余磁感強(qiáng)度變化規(guī)律包括三個(gè)階段：1)初始階段：隨著疲勞次數(shù)的增加，法向殘余磁感強(qiáng)度快速增長，占整個(gè)疲勞壽命的5%～10%；2)穩(wěn)定階段：進(jìn)入該階段后法向殘余磁感強(qiáng)度基本不隨疲勞次數(shù)增加而增長，約占整個(gè)疲勞壽命的80%；3)破壞階段：接近90%疲勞壽命之后，法向殘余磁感強(qiáng)度劇增。這與鋼筋疲勞損傷累積的三階段變化規(guī)律是一致的，可以幫助判斷疲勞損傷所處階段。

試驗(yàn)中，各銹蝕鋼筋在穩(wěn)定階段的法向殘余磁感強(qiáng)度增長量在11～56 mG之間，約為殘余磁感強(qiáng)度總增量的40%～70%。通過比較，直徑分別為10 mm和14 mm的銹蝕鋼筋中，銹蝕率更大的鋼筋(SF10-2和SF14-2)的穩(wěn)定階段法向殘余磁感強(qiáng)度百分比相對(duì)更小，但直徑16 mm銹蝕鋼筋則相反。

圖9 銹蝕鋼筋的法向殘余磁感強(qiáng)度Fig. 9 Residual magnetic intensity in the normal direction of corroded bars

3.2.2 銹蝕鋼筋的磁場應(yīng)變滯回曲線

傳統(tǒng)的疲勞分析中采用應(yīng)力—應(yīng)變滯回曲線來反映循環(huán)荷載下結(jié)構(gòu)的變形特征、剛度退化及能量耗散等?；诰S拉利效應(yīng)，可采用磁感強(qiáng)度對(duì)鋼筋疲勞性能進(jìn)行分析。圖10為SF16-2在不同循環(huán)次數(shù)下的鋼筋應(yīng)力—應(yīng)變曲線與法向磁感強(qiáng)度—應(yīng)變曲線。在單次循環(huán)中，法向磁感強(qiáng)度—應(yīng)變曲線的滯回特性更明顯；而且法向磁感強(qiáng)度—應(yīng)變滯回曲線在不同階段的形狀不盡相同，其中，初始第1次循環(huán)滯回曲線不閉合，殘余磁感強(qiáng)度快速增長，第10 000～150 000次滯回曲線的形狀基本穩(wěn)定，但接近破壞階段(第228 892次)時(shí)形狀發(fā)生畸變，而應(yīng)力—應(yīng)變曲線未能表現(xiàn)出這些特點(diǎn)。

圖10 SF16-2不同階段法向磁感強(qiáng)度(應(yīng)力)—應(yīng)變滯回曲線Fig. 10 Normal magnetic field strain hysteresis curve at different stages

為了反映磁感強(qiáng)度—應(yīng)變曲線在疲勞不同階段的特點(diǎn)，這里引入與應(yīng)力—應(yīng)變滯回環(huán)相類似的“磁滯回環(huán)面積”，即單個(gè)循環(huán)荷載作用下磁感強(qiáng)度—應(yīng)變曲線包絡(luò)面積，用以反映循環(huán)荷載下的磁能變化。圖11為不同銹蝕鋼筋在疲勞荷載下的法向磁滯回環(huán)面積變化曲線。由于各根鋼筋的疲勞壽命不相同，為了方便比較將疲勞階段進(jìn)行均一化處理。比較結(jié)果顯示，磁滯回環(huán)面積亦表現(xiàn)出三階段變化規(guī)律：1)初始階段：開始循環(huán)荷載時(shí)磁滯回環(huán)面積最大，隨著循環(huán)次數(shù)增加，磁滯回環(huán)面積迅速減小，且面積減少速率遞減，該階段約占整個(gè)疲勞壽命的5%；2)穩(wěn)定階段：該階段的磁滯回環(huán)面積值不隨疲勞次數(shù)增加而變化，約占整個(gè)疲勞壽命的80%以上；3)破壞階段：當(dāng)接近破壞時(shí)，磁滯回環(huán)面積值不再保持穩(wěn)定，出現(xiàn)或增長或減少的變化，同時(shí)滯回環(huán)也將出現(xiàn)如圖10(d)等形狀突變。此外，由圖11可見，相同直徑的鋼筋銹蝕率越大，其法向磁滯回環(huán)面積也越大，這是因?yàn)殇P蝕率越大，鋼筋截面積減小，使得鋼筋應(yīng)力集中現(xiàn)象更明顯，應(yīng)變值也更大，因而滯回環(huán)面積也更大。

圖11 法向磁滯回環(huán)面積變化曲線Fig. 11 Normal magnetic field strain hysteresis loop area distribution

4 結(jié) 語

進(jìn)行了未銹蝕鋼筋、均勻銹蝕鋼筋和點(diǎn)蝕鋼筋的靜力拉伸和疲勞試驗(yàn)，對(duì)加載過程中鋼筋周圍的壓磁場進(jìn)行監(jiān)測，探究其與鋼筋受力狀態(tài)、銹蝕程度之間的關(guān)系，得到了以下結(jié)論：

1)試驗(yàn)過程中考慮了地磁場、探頭提離值、作動(dòng)頭等對(duì)測試結(jié)果的影響分析，結(jié)果表明，外界環(huán)境磁噪聲對(duì)試驗(yàn)壓磁信號(hào)的影響可通過相關(guān)屏蔽裝置予以減小，合理的提離值下可監(jiān)測到滿足試驗(yàn)精度要求的壓磁場信號(hào)。

2)磁感強(qiáng)度—變形曲線和荷載—變形曲線之間在彈性階段、屈服階段、強(qiáng)化階段均具有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，說明基于壓磁效應(yīng)的檢測方法可作為一種鋼筋應(yīng)力狀態(tài)的有效測試手段。

3)低銹蝕率和高銹蝕率下鋼筋在屈服階段的磁感強(qiáng)度—變形曲線存在明顯區(qū)別，可通過該現(xiàn)象判斷鋼筋的銹蝕程度，研究成果表明，經(jīng)過進(jìn)一步系統(tǒng)研究，該技術(shù)可應(yīng)用于鋼筋混凝土耐久性實(shí)驗(yàn)或者實(shí)際工程中鋼筋銹蝕程度無損檢測和評(píng)估。

4)循環(huán)荷載作用下銹蝕鋼筋的法向殘余磁感強(qiáng)度和磁滯回環(huán)面積均呈現(xiàn)疲勞三階段變化規(guī)律，銹蝕率越大磁滯回環(huán)面積也更大，相比基于應(yīng)力—應(yīng)變的指標(biāo)參數(shù)能顯著反映疲勞損傷信息，可進(jìn)一步用于材料疲勞壽命預(yù)測與評(píng)估。

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Experimental study on stress detection of corroded steel bars based on piezomagnetic effect

JIN Weiliang1, XIANG Kaixiao1, MAO Jianghong1, XU Fangyuan1, ZHANG Jun1, 2

(1. Ningbo Institute of Technology, Zhejiang University, Ningbo 315100, China; 2. Institute of Structural Engineering, Zhejiang University, Hangzhou 310058, China)

Rebar corrosion has become a serious threat to structural safety. Based on piezomagnetic effect, it was focused on relationships between the stress states and magnetic signal changes under two kinds of corrosion forms (uniform corrosion and pitting corrosion). Firstly, the accelerated corrosion method was applied to obtain corroded steel bars. Uniaxial tension tests under static and cyclic loadings were carried out to analyze the evolution of magnetic signal. The test result indicates that the magnetic field intensity is corresponding to the stress state of the rebar. In the yield stage, the magnetic field intensity curves under different corrosion ratios are obviously different. It also shows that the residual magnetic intensity and the hysteresis loop area experience three steps of varieties, which can be further utilized in the stress detection of corroded rebar.

corroded steel bar; piezomagnetic effect; magnetic field intensity; hysteresis loop; rebar corrosion; stress state

1005-9865(2017)06-0062-09

TU375

A

10.16483/j.issn.1005-9865.2017.06.008

2017-05-29

國家科技支撐資助項(xiàng)目(2015BAL02B03)；國家自然科學(xué)基金(51638013，51578490)；浙江省自然科學(xué)基金(LY18E080003)；寧波市科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)(2011B81005)；寧波市自然科學(xué)基金(1140357B1609，2017A610313)；浙江省博士后科研項(xiàng)目擇優(yōu)資助(20900586201)

金偉良(1961-)，男，教授，主要從事工程結(jié)構(gòu)可靠性理論和應(yīng)用的研究。E-mail：jinwl@zju.edu.cn

毛江鴻。E-mail: jhmao@nit.zju.edu.cn