楊 茂， 周建庭， 張 洪， 廖 棱， 趙瑞強(qiáng)

(1.重慶三峽學(xué)院 土木工程學(xué)院， 重慶 404199； 2.重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院， 重慶 400074；3.重慶交通大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院， 重慶 400074)

鋼筋混凝土材料由于具有較高的承載力、較低的造價(jià)以及容易施工等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于土木工程中[1].然而，鋼筋的銹蝕問(wèn)題嚴(yán)重影響著鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性[2-3].鋼筋銹蝕不僅會(huì)造成結(jié)構(gòu)本身強(qiáng)度的降低，銹蝕產(chǎn)物體積膨脹還會(huì)導(dǎo)致混凝土產(chǎn)生裂縫[4]，極大影響鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的承載力，甚至危及工程安全[5].因此，及時(shí)對(duì)鋼筋的銹蝕情況進(jìn)行檢測(cè)，防止銹蝕加劇并對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行維護(hù)均具有非?，F(xiàn)實(shí)的意義[6-7].

金屬磁記憶是俄羅斯學(xué)者杜波夫提出的檢測(cè)理論和技術(shù)[8].此技術(shù)利用試件表面漏磁場(chǎng)的變化信息，對(duì)鐵磁構(gòu)件是否出現(xiàn)缺陷或應(yīng)力集中進(jìn)行診斷[9].相比其他磁無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，該技術(shù)無(wú)需人工激勵(lì)，操作簡(jiǎn)單，檢測(cè)成本低[10-11]，已在機(jī)械、航空、化工等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[12-13].由于鋼筋屬于鐵磁構(gòu)件，本文將磁記憶技術(shù)應(yīng)用到混凝土內(nèi)部鋼筋銹蝕的檢測(cè)當(dāng)中，以探索混凝土內(nèi)部鋼筋銹蝕的磁記憶檢測(cè)方法.

1 磁記憶三維掃描設(shè)備的設(shè)計(jì)

自主設(shè)計(jì)了1套基于金屬磁記憶的實(shí)驗(yàn)室掃描設(shè)備.設(shè)備采用的磁記憶探頭為HMR2300三軸智能數(shù)字磁力計(jì)，可檢測(cè)磁感應(yīng)強(qiáng)度及其方向，檢測(cè)精度達(dá)10-7T，并可向計(jì)算機(jī)直接傳輸.設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)三軸自動(dòng)掃描，且掃描速度可控，適用于實(shí)驗(yàn)室掃描檢測(cè)試驗(yàn).磁記憶檢測(cè)掃描設(shè)備可以輸出空間坐標(biāo)x，y，z以及空間磁感應(yīng)強(qiáng)度Bx，By，Bz.磁記憶檢測(cè)掃描設(shè)備如圖1所示.

圖1 磁記憶檢測(cè)設(shè)備Fig.1 Magnetic memory testing equipment

2 試驗(yàn)

2.1 鋼筋混凝土試件的銹蝕

制備尺寸為80mm×80mm×1000mm鋼筋混凝土試件，其中鋼筋采用φ20×1500mm HRB335螺紋鋼筋，水泥采用普通硅酸鹽水泥，混凝土抗壓強(qiáng)度等級(jí)為C20.兩端鋼筋各自外露250mm，混凝土保護(hù)層厚度為30mm.混凝土配合比和強(qiáng)度參數(shù)如表1所示.

表1 C20混凝土配合比和強(qiáng)度參數(shù)

采用0.5A的恒定電流對(duì)試件進(jìn)行電化學(xué)銹蝕[14].將NaCl溶液通過(guò)吸水布引入鋼筋當(dāng)中，鋼筋的一端接入電源正極，輔助電極置于NaCl溶液中并接入電源負(fù)極，使電源、NaCl溶液、輔助電極和鋼筋形成閉合回路(見(jiàn)圖2)，對(duì)鋼筋進(jìn)行5個(gè)階段的定位銹蝕.

圖2 鋼筋混凝土試件銹蝕Fig.2 Corrosion of reinforced concrete specimens

由于試件中的鋼筋為陽(yáng)極，因此在電化學(xué)銹蝕過(guò)程中鋼筋失去電子由零價(jià)鐵變?yōu)槎r(jià)鐵[14].鋼筋銹蝕量ΔW可根據(jù)法拉第電解第一定律[15]計(jì)算得到：

(1)

式中：M為Fe的摩爾質(zhì)量；n為氧化過(guò)程中Fe失去的價(jià)電子數(shù)；F為Faraday常數(shù)，96485 C/mol；Q為通過(guò)鋼筋的電量；I為銹蝕電流；Δt為銹蝕時(shí)間.

控制鋼筋混凝土試件每個(gè)階段的銹蝕時(shí)間和銹蝕電流.鋼筋在不同階段的銹蝕情況如表2所示.由表2可見(jiàn)，在第1階段銹蝕結(jié)束后，鋼筋銹蝕量為14g，混凝土表面出現(xiàn)銹跡，但并未出現(xiàn)任何裂紋；第5階段銹蝕結(jié)束后，鋼筋銹蝕量為108g，混凝土表面裂縫明顯，寬度達(dá)到2mm.

表2 鋼筋不同階段的銹蝕情況

2.2 鋼筋混凝土試件的掃描檢測(cè)

試驗(yàn)需對(duì)不同銹蝕階段的鋼筋混凝土試件進(jìn)行掃描檢測(cè)，掃描方式如圖3所示.由圖3可見(jiàn)，沿鋼筋長(zhǎng)度方向的掃描為Y掃描，垂直于鋼筋長(zhǎng)度方向的掃描為Z掃描，磁記憶探頭距離鋼筋上緣的距離為提離高度.掃描時(shí)，試件長(zhǎng)度方向沿地磁南北極方向擺放，根據(jù)試驗(yàn)情況劃定掃描范圍.在不同的銹蝕階段，均需對(duì)試件進(jìn)行1次Y掃描和Z掃描，以獲取試件在不同銹蝕階段的空間位置坐標(biāo)和磁感應(yīng)強(qiáng)度信號(hào).

圖3 磁記憶掃描方式Fig.3 Magnetic memory scanning method

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 基于磁記憶Y掃描的鋼筋銹蝕檢測(cè)試驗(yàn)結(jié)果與分析

磁記憶探頭通過(guò)Y掃描采集到的信號(hào)有空間位置坐標(biāo)x，y，z，以及對(duì)應(yīng)位置的磁感應(yīng)強(qiáng)度Bx，By，Bz.分析采集數(shù)據(jù)后發(fā)現(xiàn)，沿鋼筋長(zhǎng)度方向的磁感應(yīng)強(qiáng)度By與鋼筋的銹蝕有較強(qiáng)的聯(lián)系.圖4是通過(guò)Y掃描獲取的磁感應(yīng)強(qiáng)度By和對(duì)應(yīng)位置坐標(biāo)y之間的關(guān)系曲線By-y.

圖4 不同銹蝕階段的By-y圖Fig.4 By-y graphs of different corrosion stages

由圖4可知：當(dāng)鋼筋未銹蝕時(shí)，磁記憶探頭不同提離高度所對(duì)應(yīng)的By-y曲線基本互相平行；當(dāng)?shù)?階段銹蝕結(jié)束后，不同提離高度的By-y曲線不再平行，而是彼此相交，出現(xiàn)2個(gè)交點(diǎn)，這2個(gè)交點(diǎn)落在實(shí)際銹蝕區(qū)域內(nèi)；隨后的第2，3，4，5銹蝕階段結(jié)束后，均會(huì)出現(xiàn)類(lèi)似現(xiàn)象，且隨著銹蝕程度的增大，2個(gè)交點(diǎn)間的距離由134mm逐漸增大到180mm.由此可知，通過(guò)控制磁記憶探頭的高度，確定By-y曲線上2個(gè)交點(diǎn)間的距離(即為鋼筋銹蝕區(qū)域)，即可定位混凝土內(nèi)部鋼筋的銹蝕部位.

3.2 基于磁記憶Z掃描的鋼筋銹蝕檢測(cè)試驗(yàn)結(jié)果與分析

磁記憶探頭通過(guò)Z掃描獲取試件的空間位置坐標(biāo)和磁感應(yīng)強(qiáng)度，從而得到By沿z軸的分布曲線By-z.圖5為銹蝕位置y=500mm時(shí)，鋼筋混凝土試件在不同銹蝕階段對(duì)應(yīng)的By-z曲線.

圖5 不同銹蝕階段的By-z圖Fig.5 By-z graphs of different corrosion stages

由圖5可知：當(dāng)鋼筋未銹蝕時(shí)，隨著z的增大，磁感應(yīng)強(qiáng)度By單調(diào)遞減，趨近于背景磁感應(yīng)強(qiáng)度；鋼筋銹蝕后，隨著z的增大，磁感應(yīng)強(qiáng)度By在一定范圍內(nèi)單調(diào)遞增，隨后遞減，趨近于背景磁場(chǎng)，出現(xiàn)反轉(zhuǎn)現(xiàn)象，此時(shí)曲線對(duì)應(yīng)的極值點(diǎn)為反轉(zhuǎn)點(diǎn)，反轉(zhuǎn)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的z值為該試件在鋼筋特定位置、特定銹蝕程度下的反轉(zhuǎn)高度zf，當(dāng)該位置未銹蝕時(shí)，By-z曲線不會(huì)出現(xiàn)反轉(zhuǎn)現(xiàn)象，即zf=0mm；銹蝕第1～5階段的By-z曲線均會(huì)出現(xiàn)反轉(zhuǎn)現(xiàn)象，且反轉(zhuǎn)高度zf由89mm 增大到150mm，這說(shuō)明鋼筋銹蝕程度越大，反轉(zhuǎn)高度zf值越大.

在不同銹蝕階段，均可通過(guò)Z掃描得到試件在不同位置的反轉(zhuǎn)高度zf，由此可以得到不同銹蝕階段的zf-y曲線，如圖6所示.

圖6 不同銹蝕階段的zf-y曲線Fig.6 zf-y curves of different corrosion stages

由圖6可知，在試件的未銹蝕部位，反轉(zhuǎn)高度zf為0mm；在試件銹蝕部位y為400～600mm時(shí)，反轉(zhuǎn)高度zf隨著銹蝕量的增大而增大.因此可根據(jù)zf值的大小半定量化評(píng)估試件的銹蝕程度.

3.3 鋼筋混凝土試件的磁信號(hào)分布規(guī)律研究

在空氣中，磁場(chǎng)強(qiáng)度H和磁感應(yīng)強(qiáng)度B有以下關(guān)系：H=B/μ0(μ0為空氣磁導(dǎo)率)，且H和B方向相同，故以下以H分布規(guī)律來(lái)代表B分布規(guī)律.鐵磁材料的基本特點(diǎn)是自發(fā)磁化，鋼筋在地磁場(chǎng)作用下自發(fā)產(chǎn)生退磁場(chǎng)，在試件上方，磁感應(yīng)強(qiáng)度方向從鐵磁體的北極到鐵磁體的南極.當(dāng)鋼筋銹蝕后，其截面面積減小，銹蝕處產(chǎn)生缺陷，并且銹蝕處會(huì)因?yàn)殇P蝕產(chǎn)物的堆積而產(chǎn)生膨脹壓力，導(dǎo)致鋼筋磁導(dǎo)率變小，鋼筋內(nèi)部的磁場(chǎng)外漏，在銹蝕處產(chǎn)生漏磁場(chǎng)，鋼筋內(nèi)部的磁場(chǎng)方向是由南極到北極，所以漏磁場(chǎng)的方向與退磁場(chǎng)方向相反(見(jiàn)圖7).

圖7 銹蝕鋼筋上方的磁場(chǎng)分布示意圖Fig.7 Distribution of magnetic field above the corroded steel bars

由圖7可知，鋼筋混凝土試件的銹蝕部位和未銹蝕部位的區(qū)別在于是否有漏磁場(chǎng)的作用.未銹蝕區(qū)域只有退磁場(chǎng)和背景磁場(chǎng)的作用，退磁場(chǎng)由鋼筋產(chǎn)生，隨著探頭和鋼筋距離的增大，退磁場(chǎng)逐漸減小為零，By-z曲線單調(diào)趨近于背景磁場(chǎng).而在鋼筋銹蝕區(qū)域，由于退磁場(chǎng)、漏磁場(chǎng)和背景磁場(chǎng)的作用，且漏磁場(chǎng)和退磁場(chǎng)方向相反，在靠近鋼筋的位置，漏磁場(chǎng)會(huì)對(duì)退磁場(chǎng)有較大程度的削弱，隨著探頭與鋼筋距離z的增大，這種削弱程度逐漸減小，當(dāng)z≥zf的時(shí)候，漏磁場(chǎng)的影響很小，退磁場(chǎng)起主要作用，再次單調(diào)趨近于背景磁場(chǎng)，故By-z曲線出現(xiàn)反轉(zhuǎn)現(xiàn)象.反轉(zhuǎn)高度zf反映了漏磁場(chǎng)的影響范圍，從而反映了鋼筋的銹蝕程度，反轉(zhuǎn)高度zf越大，鋼筋銹蝕程度越大.

4 結(jié)論

(1)通過(guò)試驗(yàn)得到By-y，By-z和zf-y曲線.在By-y曲線中，由不同磁記憶探頭提離高度的曲線交點(diǎn)間范圍可判定鋼筋的銹蝕區(qū)域；在zf-y曲線中，反轉(zhuǎn)高度zf值越大，相應(yīng)位置的銹蝕程度就越大，由此可以半定量化判斷混凝土內(nèi)部鋼筋的銹蝕程度.

(2)當(dāng)鋼筋銹蝕量為14g時(shí)，C20混凝土表面未出現(xiàn)裂紋，但通過(guò)磁記憶掃描可定位到鋼筋的銹蝕區(qū)域，并可半定量化評(píng)估鋼筋的銹蝕程度；當(dāng)磁記憶探頭提離高度達(dá)到8cm時(shí)，仍可進(jìn)行有效檢測(cè)，構(gòu)件的混凝土保護(hù)層厚度基本不會(huì)對(duì)檢測(cè)造成影響，因此基于金屬磁記憶的混凝土內(nèi)部鋼筋銹蝕檢測(cè)方法具有較高的靈敏度.

參考文獻(xiàn)：

[1] 朱勁松，高志玉.基于PZT波傳播法的混凝土內(nèi)部鋼筋銹蝕監(jiān)測(cè)方法[J].，2016,19(1):166-170.

ZHU Jinsong，GAO Zhiyu.Monitoring method for embedded reinforcement of concrete based on wave propagation with PZT transducer[J].，2016,19(1):166-170.(in Chinese)

[2] 賀鴻珠，崔玉理，史美倫，等.混凝土中鋼筋銹蝕的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)[J].，2013，16(1):50-54.

HE Hongzhu，CUI Yuli，SHI Meilun，et al.Real time monitoring of corrosion of rebar in concrete[J].，2013，16(1):50-54.(in Chinese)

[3] 許晨，岳增國(guó)，金偉良，等.碳化環(huán)境中混凝土鋼筋銹蝕速率監(jiān)測(cè)研究[J].,2012，15(4):527-532.

XU Chen，YUE Zengguo，JIN Weiliang，et al.study on the real-time dynamic monitoring of corrosion rate of reinforcement in carbonation environment[J].，2012，15(4):527-532.(in Chinese)

[4] MICHEL A,PEASE B J,PETEROVA A,et al.Penetration of corrosion products and corrosion-induced cracking in reinforced cementitious materials:Experimental investigations and numerical simulations[J].Cement and Concrete Composites,2014,47(S1):75-86.

[5] APOSTOLOPOULOS C A,PAPADAKIS V G.Consequences of steel corrosion on the ductility properties of reinforcement bar[J].Construction and Building Materials，2008,22(12):2316-2324.

[6] HOMBOSTEL K,ANGST U M,ELSENER B,et al.Influence of mortar resistivity on the rate-limiting step of chloride-induced macro-cell corrosion of reinforcing steel[J].Corrosion Science，2016,110(4):46-56.

[7] OU Y,NGUYEN N D.Influences of location of reinforcement corrosion on seismic performance of corroded reinforced concrete beams[J].Engineering Structures,2016,126(7):210-223.

[8] DUBOV A A.A study of metal properties using the method of magnetic memory[J].Metal Science and Heat Treatment ,1997,39(9):401-405.

[9] 陳海龍，王長(zhǎng)龍，朱紅運(yùn).基于磁梯度張量的金屬磁記憶檢測(cè)方法[J].儀器儀表學(xué)報(bào),2016,37(3):602-609.

CHEN Hailong，WANG Changlong，ZHU Hongyun.Metal magnetic memory test method based on magnetic gradient tensor[J].Chinese Journal of Scientific Instrument,2016,37(3):602-609.(in Chinese)

[10] 徐明秀，尤天慶，徐敏強(qiáng)，等.磁記憶信號(hào)的量化描述[J].中南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2015,58(4):1215-1223.

XU Mingxiu，YOU Tianqing，XU Minqiang,et al.Quantitative representation of magnetic memory signal [J].Journal of Central South University(Science and Technology)，2015,58(4)：1215-1223.(in Chinese)

[11] 張衛(wèi)民，邱忠超，袁俊杰，等.關(guān)于利用金屬磁記憶方法進(jìn)行應(yīng)力定量化評(píng)價(jià)問(wèn)題的討論[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2015,63(8):9-13.

ZHANG Weimin，QIU Zhongchao，YUAN Junjie,et al.Discussion on stress quantitative evaluation using metal magnetic memory method[J].Journal of Mechanical Engineering,2015,63(8):9-13.(in Chinese)

[12] 胥永剛，謝志聰，崔玲麗，等.基于ITD的齒輪磁記憶信號(hào)特征提取方法的研究[J].儀器儀表學(xué)報(bào)，2013,34(3):671-676.

XU Yonggang，XIE Zhicong，CUI Lingli,et al.Study on feature extraction method of gear magnetic memory signal based on ITD[J].Chinese Journal of Scientific Instrument,2013,34(3):671-676.(in Chinese)

[13] 于潤(rùn)橋，徐長(zhǎng)英，龍盛蓉.金屬磁記憶檢測(cè)在鉆具評(píng)價(jià)中的應(yīng)用[J].儀器儀表學(xué)報(bào)，2008,29(1):191-194.

YU Runqiao，XU Zhangying，LONG Shengrong.Applications of metal magnetic memory in drillstring evaluation technique[J].Chinese Journal of Scientific Instrument，2008,29(1):191-194.(in Chinese)

[14] 宋華，牛荻濤.電化學(xué)快速銹蝕與自然環(huán)境鋼筋銹蝕的相似性分析[J].西安建筑科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2009,53(4):508-511.

SONG Hua，NIU Ditao.Similarity analysis of steel electrochemical rapid corrosion and natural corrosion[J].Journal of Xi’an University of Architecture & Technology(Natural Science )，2009,53(4):508-511.(in Chinese)

[15] 宋文順.第二講：法拉第定律[J].電池，1982,12(4):55-58.

SONG Wenshun.Second lecture：Faraday’s law[J].Battery，1982,12(4):55-58.(in Chinese)