金南國, 蔣昊宇, 田 野， 高榮森, 李宗津

(1.浙江大學(xué) 建筑工程學(xué)院， 浙江 杭州 310058； 2.澳門大學(xué) 應(yīng)用物理及材料工程研究所， 澳門 999078)

鋼筋銹蝕嚴(yán)重影響混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性：它不僅會(huì)減少鋼筋的有效截面積，也會(huì)削弱鋼筋與混凝土的黏結(jié)，從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)承載力的下降與失效；隨著鋼筋銹蝕加劇，銹蝕產(chǎn)物體積膨脹會(huì)造成混凝土保護(hù)層開裂，進(jìn)一步加劇鋼筋銹蝕[1-2].因此，量化表征及動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋銹蝕程度，對(duì)合理制定鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的維護(hù)方案，保障結(jié)構(gòu)的安全性具有重要意義[3-6].

鋼筋銹蝕檢測(cè)根據(jù)測(cè)試手段可分為破損檢測(cè)與非破損檢測(cè)[7-11].破損檢測(cè)是通過破型取出鋼筋，在機(jī)械或化學(xué)除銹后檢測(cè)鋼筋直徑得出銹蝕率，雖然檢測(cè)結(jié)果真實(shí)準(zhǔn)確，但在檢測(cè)過程中通常需要鑿除保護(hù)層或者將檢測(cè)構(gòu)件切斷移至實(shí)驗(yàn)室測(cè)量，對(duì)結(jié)構(gòu)造成破壞.隨著非破損檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展，破損檢測(cè)逐步被淘汰.非破損檢測(cè)根據(jù)檢測(cè)原理有分析法、物理法和電化學(xué)法3類[12].其中，電化學(xué)法是基于鋼筋銹蝕的電化學(xué)機(jī)理，能夠反映鋼筋銹蝕的本質(zhì)，同時(shí)具有測(cè)量速度快、靈敏度高和原位檢測(cè)等優(yōu)點(diǎn)，因此半電池電位法、線性極化法等在實(shí)際工程中得以廣泛應(yīng)用[13-16].但電化學(xué)方法往往只能根據(jù)腐蝕電位、銹蝕電流密度等電化學(xué)信號(hào)定性地判斷鋼筋銹蝕概率，無法準(zhǔn)確判定鋼筋銹蝕程度.

針對(duì)鋼筋銹蝕檢測(cè)技術(shù)的缺陷，國內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)鋼筋的銹蝕檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行了研究，其中基于電磁場(chǎng)理論的銹蝕檢測(cè)技術(shù)是無損檢測(cè)領(lǐng)域的一項(xiàng)創(chuàng)新.Polar等[17]通過磁彈性傳感器測(cè)量美標(biāo)410號(hào)不銹鋼不同蠕變條件下的磁飽和度、矯頑力和剩磁，發(fā)現(xiàn)不銹鋼磁化滯后曲線的形狀隨蠕變時(shí)間而變化；Raupach等[18]開發(fā)了德國陽極梯系統(tǒng)，將6個(gè)單陽極均勻地埋設(shè)在混凝土內(nèi)不同的深度，基于鋼筋銹蝕時(shí)產(chǎn)生的電阻變化、宏電流變化或電位變化來判斷鋼筋是否銹蝕；楊茂等[19]將金屬磁記憶技術(shù)引入到混凝土內(nèi)部鋼筋銹蝕的檢測(cè)中，實(shí)現(xiàn)了混凝土未開裂期間的鋼筋銹蝕區(qū)域定位，并能半定量檢測(cè)鋼筋銹蝕程度；羅萍萍[20]設(shè)計(jì)的鋼筋混凝土銹蝕監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過遠(yuǎn)程端系統(tǒng)與中央控制端系統(tǒng)的配合，最終實(shí)現(xiàn)了對(duì)鋼筋不同銹蝕狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；程俊[21]基于脈沖渦流工作原理，設(shè)計(jì)了一套電磁脈沖渦流檢測(cè)系統(tǒng)，通過不同直徑、不同保護(hù)層厚度的鋼筋混凝土試件的對(duì)比檢測(cè)試驗(yàn)，獲得了銹蝕量與霍爾電壓的關(guān)系曲線.然而，以上學(xué)者設(shè)計(jì)發(fā)明的電磁檢測(cè)儀均只得出輸出信號(hào)與鋼筋銹蝕之間的客觀變化規(guī)律，無法根據(jù)儀器輸出的信號(hào)定量表征結(jié)構(gòu)中鋼筋的真實(shí)銹蝕情況，也無法表征鋼筋銹蝕階段保護(hù)層開裂、溫濕度變化和氯離子侵蝕等因素對(duì)鋼筋實(shí)時(shí)銹蝕速率造成的影響.

本文根據(jù)李宗津提出的基于磁介質(zhì)理論的鋼筋銹蝕檢測(cè)原理[22]，將組裝的基于磁介質(zhì)理論的鋼筋銹蝕監(jiān)測(cè)儀(MCD鋼筋銹蝕監(jiān)測(cè)儀)用于鋼筋混凝土梁試驗(yàn)，并探究了儀器在混凝土結(jié)構(gòu)中的測(cè)量精度.

1 MCD鋼筋銹蝕監(jiān)測(cè)儀的原理與構(gòu)造

當(dāng)介質(zhì)置于磁場(chǎng)中，介質(zhì)內(nèi)磁矩的排列取向受磁場(chǎng)作用逐步趨于一致，呈現(xiàn)出一定的磁性[23]，空間磁場(chǎng)強(qiáng)度為原磁場(chǎng)強(qiáng)度與介質(zhì)磁化強(qiáng)度的疊加：

B=μ0(H+M)=μ0μrH=μH

(1)

式中：B為空間磁感應(yīng)強(qiáng)度，T；H為原磁場(chǎng)強(qiáng)度，A/m；M為磁體磁化強(qiáng)度，A/m；μ0為真空磁導(dǎo)率,μ0=4π×10-7H/m；μr為介質(zhì)相對(duì)磁導(dǎo)率；μ為介質(zhì)磁導(dǎo)率，H/m.

依據(jù)介質(zhì)被磁化能力即介質(zhì)磁導(dǎo)率的大小，物質(zhì)的磁性分為5類：抗磁性、順磁性、反鐵磁性、鐵磁性和亞鐵磁性[21].根據(jù)外斯分子場(chǎng)理論，鐵磁性材料內(nèi)部含有大量的磁疇，當(dāng)鐵磁性材料處于外磁場(chǎng)中，磁疇磁化方向逐步轉(zhuǎn)向外磁場(chǎng)方向，表現(xiàn)為極強(qiáng)的飽和磁化強(qiáng)度Ms，對(duì)原磁場(chǎng)有很強(qiáng)的增強(qiáng)作用.因此，由于鋼筋內(nèi)含有大量的鐵單質(zhì)，與混凝土、水和空氣等其余介質(zhì)的磁導(dǎo)率有巨大的差異，詳細(xì)如表1所示.

表1 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中常見介質(zhì)的磁導(dǎo)率Table 1 Permeability of common medium in reinforcedconcrete structures

MCD傳感器原理構(gòu)造如圖1所示：利用鋼筋混凝土中組分磁導(dǎo)率的巨大差異性，在鋼筋周圍布置永磁體構(gòu)造磁場(chǎng)，用鍍鋅鐵框架構(gòu)造磁路防止磁場(chǎng)在空氣域內(nèi)急劇衰退；當(dāng)鋼筋銹蝕時(shí)，由于鐵單質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成銹蝕產(chǎn)物，鐵單質(zhì)含量減少導(dǎo)致鋼筋所在區(qū)域的磁感應(yīng)強(qiáng)度發(fā)生改變，利用鋼筋周圍的霍爾元件檢測(cè)鋼筋銹蝕導(dǎo)致的磁感應(yīng)強(qiáng)度變化，從而建立霍爾電壓與鋼筋銹蝕的相關(guān)關(guān)系；為克服周圍環(huán)境微磁場(chǎng)變化對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)造成誤差，額外設(shè)置2個(gè)通道的霍爾元件，在檢測(cè)過程中起參考及校正作用.

圖1 MCD傳感器原理構(gòu)造Fig.1 Internal structure of MCD sensor

根據(jù)MCD傳感器原理，設(shè)計(jì)組裝了MCD鋼筋銹蝕監(jiān)測(cè)儀，其示意圖見圖2.由圖2可見：MCD鋼筋銹蝕監(jiān)測(cè)儀由內(nèi)埋傳感器、數(shù)據(jù)采集器和電腦軟件系統(tǒng)三部分組成；傳感器通過內(nèi)埋的方式固定于混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)鋼筋檢測(cè)點(diǎn)，可以最大程度地減少空間介質(zhì)對(duì)傳感器測(cè)量數(shù)據(jù)的干擾；數(shù)據(jù)采集器與傳感器相連，將輸入的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)值信號(hào)，傳輸?shù)诫娔X軟件系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)霍爾電壓的實(shí)時(shí)采集與記錄.

圖2 MCD鋼筋銹蝕監(jiān)測(cè)儀示意圖Fig.2 Schematic of MCD

2 MCD鋼筋銹蝕監(jiān)測(cè)儀標(biāo)定試驗(yàn)

根據(jù)MCD鋼筋銹蝕監(jiān)測(cè)儀的測(cè)量原理，鋼筋銹蝕率與霍爾電壓之間存在一定變化規(guī)律，通過標(biāo)定試驗(yàn)，可以建立霍爾電壓變化率與鋼筋銹蝕率的關(guān)系曲線.

傳感器的設(shè)計(jì)卡口尺寸為16mm，試驗(yàn)選用2根φ16 HPB 300光圓鋼筋作為銹蝕對(duì)象，編號(hào)G1、G2，長度為150mm.考慮試驗(yàn)周期，采用外加電流加速銹蝕，電解液為質(zhì)量分?jǐn)?shù)5% NaCl溶液，電流密度45A/m2.在24、48、72、96、120、144h切斷電源，取出銹蝕鋼筋，使用朗潔LJ-927型號(hào)鋼筋除銹劑除去鋼筋表面鐵銹，烘干后在室溫、無明顯外加磁場(chǎng)條件下利用MCD監(jiān)測(cè)儀測(cè)量電壓，并稱量鋼筋銹蝕后的質(zhì)量，得到不同銹蝕齡期的鋼筋銹蝕率和霍爾電壓.為克服偶然誤差，共使用4只傳感器，編號(hào)分別為C-1～C-4.

圖3為霍爾電壓U隨鋼筋銹蝕率w變化曲線.由圖3可見：隨著鋼筋銹蝕率的增加，霍爾元件點(diǎn)1處磁感應(yīng)強(qiáng)度逐漸減弱，表現(xiàn)為傳感器輸出電壓不斷降低；同一傳感器測(cè)量不同鋼筋標(biāo)定點(diǎn)和不同傳感器測(cè)量同一鋼筋標(biāo)定點(diǎn)，輸出電壓均有一定的差異，這是由于永磁體的退磁和二次磁化現(xiàn)象，以及鋼筋中碳、磷、硫等微量元素的隨機(jī)分布[23]造成的.

圖3 霍爾電壓U隨鋼筋銹蝕率w變化曲線Fig.3 Variation curve between Hall voltage with steel corrosion rate

對(duì)霍爾電壓歸一化處理后得到了霍爾電壓變化率(ΔU)-鋼筋銹蝕率(w)擬合直線，如圖4所示.由圖4可見，霍爾電壓變化率與鋼筋銹蝕率表現(xiàn)為良好的線性關(guān)系，線性擬合公式為：

ΔU=0.1194×w

(2)

(3)

式中：Δw為鋼筋銹蝕率；Δm為鋼筋銹蝕前后的質(zhì)量變化；m0為鋼筋銹蝕前的質(zhì)量.

根據(jù)線性擬合公式，當(dāng)傳感器內(nèi)埋于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部時(shí)，通過各銹蝕齡期傳感器測(cè)量的霍爾電壓變化率即可得出鋼筋銹蝕率，從而達(dá)到非破損、動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)鋼筋銹蝕的目的.

圖4 霍爾電壓變化率ΔU與鋼筋銹蝕率w擬合直線Fig.4 Linear fitting of Hall voltage change rate and steel corrosion rate

3 傳感器內(nèi)埋鋼筋混凝土梁試驗(yàn)

為探究MCD監(jiān)測(cè)儀在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中應(yīng)用的穩(wěn)定性及測(cè)量精度，制備了16根鋼筋混凝土梁，其中2根在澆筑過程中安裝了標(biāo)定試驗(yàn)使用的 C-1～ C-4傳感器，編號(hào)為S1、S2，剩余14根用于破型測(cè)定鋼筋的真實(shí)銹蝕率.

鋼筋混凝土梁均由C30細(xì)石混凝土澆筑，配合比為m(水泥)∶m(水)∶m(細(xì)骨料)∶m(粗骨料)= 1.00∶ 0.53∶ 2.00∶ 3.00，尺寸為150mm× 150mm× 400mm，保護(hù)層厚度為37mm；縱筋采用φ16的HPB 300光圓鋼筋，鋼筋長450mm，在鋼筋兩端 75mm 范圍內(nèi)涂抹環(huán)氧樹脂涂層，防止鋼筋端部位置處發(fā)生局部銹蝕.試驗(yàn)前對(duì)每根鋼筋稱重并編號(hào)，混凝土梁距中心兩側(cè)100mm位置處布置2個(gè)MCD監(jiān)測(cè)儀.測(cè)試梁試件尺寸及傳感器布置如圖5所示.

圖5 測(cè)試梁試件尺寸及傳感器布置Fig.5 Dimension and sensor layout diagram of test beam specimen

鋼筋混凝土梁標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28d后，將試件浸泡于3% NaCl溶液中7d使鋼筋脫鈍.鋼筋銹蝕采用半浸泡外加電流加速銹蝕方法，電解質(zhì)溶液為5% NaCl溶液，在溶液中放入不銹鋼棒并接入穩(wěn)流電源負(fù)極作為輔助電極，混凝土梁內(nèi)鋼筋接電源正極，作為陽極.通電電流密度為10A/m2，液面距鋼筋底部 10mm.試驗(yàn)環(huán)境溫度(25±2)℃，相對(duì)濕度(65±5)%.

銹蝕過程中每隔1d記錄1次傳感器電壓，測(cè)量電壓期間切斷電源防止“電流磁效應(yīng)”對(duì)傳感器測(cè)量數(shù)據(jù)造成影響，并均勻攪動(dòng)NaCl溶液，保證整個(gè)電解池中濃度均勻;同時(shí)保持液面高度和溶液濃度不變，對(duì)陰極不銹鋼筋上附著的銹蝕物進(jìn)行清除，以保證加速銹蝕效率.試驗(yàn)過程中測(cè)試梁與對(duì)照梁采用相同的試驗(yàn)條件，因此假定測(cè)試梁與對(duì)照梁在同一齡期具有相同的銹蝕率.在5、10、15、20、25、30、35d時(shí)，分別將2根對(duì)照梁破型后取出鋼筋，使用朗潔LJ-927型號(hào)鋼筋除銹劑除去鋼筋表面鐵銹，干燥后稱重，得到測(cè)試梁內(nèi)鋼筋的實(shí)測(cè)銹蝕率.

4 結(jié)果與分析

4.1 MCD計(jì)算銹蝕率可靠度分析

通過測(cè)量不同銹蝕齡期的傳感器輸出的霍爾電壓變化率，得到了0～35d MCD計(jì)算銹蝕率.圖6為MCD計(jì)算銹蝕率與破型實(shí)測(cè)銹蝕率的對(duì)比曲線.為了驗(yàn)證MCD計(jì)算銹蝕率的精度，在顯著性水平α=0.05下對(duì)MCD計(jì)算銹蝕率進(jìn)行顯著性分析，每條樣本曲線點(diǎn)數(shù)n=7,臨界t值tα/2(n-2)=2.5706,結(jié)果如表2所示.由表2可見，4只傳感器計(jì)算銹蝕率的回歸效果均為顯著，表明MCD計(jì)算銹蝕率具有較高的可信度.從圖6亦可看出，除傳感器C-3有較大差異外，其余傳感器計(jì)算銹蝕率與真實(shí)銹蝕率均表現(xiàn)出較高的吻合度.傳感器C-3的較大誤差與鋼筋混凝土梁澆筑過程中傳感器位置變動(dòng)及傳感器長期檢測(cè)過程中被介質(zhì)侵蝕等試驗(yàn)因素有關(guān).

圖6 MCD計(jì)算銹蝕率與破型實(shí)測(cè)銹蝕率對(duì)比曲線Fig.6 Contrast curves between tested and calculated corrosion rate of MCD

表2 MCD計(jì)算銹蝕率顯著性分析
Table 2 Significance analysis of MCD calculated corrosion rate

SensorResidual sum ofsquareR2Significance test value |t|SignificancelevelC-14.4960.98218.178HighC-23.4460.98822.528HighC-320.8140.8686.368HighC-46.7010.97415.143High

4.2 MCD計(jì)算銹蝕率發(fā)展分析

通過C1傳感器測(cè)量的霍爾電壓，得到MCD計(jì)算銹蝕率時(shí)變曲線，結(jié)果如圖7所示.由圖7可見，25d鋼筋保護(hù)層脹裂出現(xiàn)宏觀裂縫，根據(jù)保護(hù)層開裂時(shí)間，將銹蝕率變化分為2個(gè)階段：(1)0～25d：該階段混凝土保護(hù)層尚未開裂，在半浸泡外加電流加速銹蝕試驗(yàn)條件下，銹蝕速率主要由電流大小控制，由于試驗(yàn)過程中已嚴(yán)格控制電流大小與液面高度，因此鋼筋銹蝕率增長緩慢且增速均勻，銹蝕速率較為穩(wěn)定；(2)25～35d：由于保護(hù)層開裂，銹脹裂縫的產(chǎn)生為氧氣提供通道，加快鋼筋的銹蝕速率；隨著銹脹裂縫不斷擴(kuò)展，鋼筋接觸空氣表面積逐漸增大，同時(shí)通電條件下電阻減小，銹蝕速率呈上升趨勢(shì).

圖7 MCD計(jì)算銹蝕率時(shí)變曲線Fig.7 Time-varying curve of corrosion rate calculatedby MCD

根據(jù)MCD計(jì)算銹蝕率在保護(hù)層開裂前后的變化，可以得出：MCD計(jì)算銹蝕率的時(shí)變曲線與鋼筋實(shí)際銹蝕發(fā)展?fàn)顩r相吻合，能夠動(dòng)態(tài)表征鋼筋銹蝕狀況的發(fā)展.

5 結(jié)論

(1)利用鋼筋中鐵與水、空氣、混凝土、鐵銹等介質(zhì)磁導(dǎo)率的巨大差異，組裝了一種基于磁介質(zhì)理論的鋼筋銹蝕監(jiān)測(cè)儀(MCD鋼筋銹蝕監(jiān)測(cè)儀)，隨檢測(cè)鋼筋銹蝕率增加，儀器輸出霍爾電壓逐漸降低.

(2)通過標(biāo)定試驗(yàn)，MCD監(jiān)測(cè)儀測(cè)量的霍爾電壓變化率與鋼筋銹蝕率為線性關(guān)系.根據(jù)線性擬合公式，通過測(cè)量傳感器輸出的霍爾電壓變化率，可非破損、定量、原位檢測(cè)混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋銹蝕發(fā)展，試驗(yàn)結(jié)果表明MCD監(jiān)測(cè)儀具有較高的精度.

(3)MCD監(jiān)測(cè)儀計(jì)算的銹蝕速率在保護(hù)層開裂前后有明顯變化，計(jì)算銹蝕率時(shí)變曲線能夠反映混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)鋼筋銹蝕發(fā)展的動(dòng)態(tài)變化.