張洪，鄭渝，張向和，楊茂，周建庭*

(1.省部共建山區(qū)橋梁及隧道工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400074；2.重慶交通大學(xué)土木工程學(xué)院，重慶 400074;3.重慶市市政設(shè)施運(yùn)行保障中心，重慶 400014)

20世紀(jì)70年代以來(lái)，中國(guó)興建了大量鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，鋼筋銹蝕使得鋼筋性能降低及鋼筋與混凝土黏結(jié)性能劣化，將大大降低鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的使用壽命[1]，影響工程結(jié)構(gòu)的安全性與耐久性。因此對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋的銹蝕檢測(cè)尤為重要。

鋼筋作為典型的鐵磁性材料，其損傷在不斷累積發(fā)展的過(guò)程中因?yàn)殇摻畋旧淼奈锢砗土W(xué)性能而導(dǎo)致的材料表面磁信號(hào)的變化規(guī)律可以實(shí)現(xiàn)對(duì)其缺陷位置以及損傷狀態(tài)的評(píng)價(jià)[2]。常用的磁檢測(cè)方法有金屬磁記憶檢測(cè)法[3]、磁聲發(fā)射法(magnetomeehanieal aeoustic emission，MAE)[4]、磁巴克豪森法(magnetic barkhausen noise，MBN)[5]等。自發(fā)漏磁檢測(cè)技術(shù)作為金屬磁記憶檢測(cè)技術(shù)中的一種，是一種不需要外加激勵(lì)的新型檢測(cè)技術(shù)，在鐵磁性材料的缺陷檢測(cè)中應(yīng)用廣泛，該方法通過(guò)檢測(cè)被磁化的金屬表面溢出的漏磁信號(hào)，來(lái)判斷缺陷是否存在[6]。目前該技術(shù)在鋼絲繩、鋼筋、鋼結(jié)構(gòu)焊縫等構(gòu)件和儲(chǔ)罐、油氣管道等儲(chǔ)運(yùn)設(shè)施的缺陷檢測(cè)中被廣泛應(yīng)用[6-10]。缺陷處漏磁場(chǎng)的研究方法有磁偶極子法[11]和有限元法[12]。其中磁偶極子理論利用靜磁學(xué)來(lái)計(jì)算磁偶極子在空間中任意點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng)，對(duì)漏磁場(chǎng)的解釋有較好的效果。時(shí)朋朋[11]運(yùn)用磁偶極子模型針對(duì)4種不同缺陷形狀給出了不同的解析表達(dá)式?？娏⒑愕萚13]提出了一種基于漏磁信號(hào)深度特性的缺陷深度輪廓迭代優(yōu)化方法，實(shí)現(xiàn)了缺陷深度輪廓的反演重構(gòu)，經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證該方法切實(shí)有效。在對(duì)鋼筋損傷的評(píng)價(jià)方面，楊茂等[14]利用固定方向的磁感應(yīng)強(qiáng)度的反轉(zhuǎn)高度來(lái)半定量評(píng)估鋼筋混凝土試件的銹蝕程度。邱俊澧等[15]利用鋼筋自發(fā)漏磁異變峰來(lái)判斷銹蝕寬度，并且基于鋼筋感應(yīng)磁場(chǎng)和自發(fā)漏磁磁場(chǎng)的動(dòng)態(tài)聯(lián)動(dòng)機(jī)制，提出了鋼筋局部腐蝕截面面積的無(wú)損量化方法，可以消除鋼筋磁性差的不利影響。Zhang等[16]、周建庭等[17]以磁偶極子模型為理論依據(jù)判斷鋼筋的銹蝕區(qū)域，評(píng)估鋼筋的銹蝕程度，取得了較好的成果。經(jīng)典磁偶極子理論僅考慮缺陷處的漏磁場(chǎng)是由磁極性質(zhì)相反的成對(duì)極子產(chǎn)生[7]，而鋼材作為一種永磁體材料長(zhǎng)期在地磁場(chǎng)的作用下產(chǎn)生自身磁化，其自身磁化情況也將會(huì)影響漏磁場(chǎng)信號(hào)[18]，并且鋼筋自身磁化產(chǎn)生的退磁場(chǎng)在鋼筋端部更為強(qiáng)烈，當(dāng)銹蝕部位靠近鋼筋端部時(shí)，鋼筋銹蝕產(chǎn)生的漏磁信號(hào)就會(huì)受到端部磁信號(hào)的影響。張武翔等[19]采用了鋼棒對(duì)接的方法來(lái)消除鋼棒的端部效應(yīng)。目前利用自發(fā)漏磁技術(shù)對(duì)鋼筋銹蝕的研究大部分忽略了端部效應(yīng)的影響。同時(shí)由于鋼筋自身退磁場(chǎng)在端部最為強(qiáng)烈，端部效應(yīng)在鋼筋長(zhǎng)度較短、銹蝕區(qū)域靠近鋼筋端部時(shí)影響尤為劇烈。因此考慮鋼筋端部效應(yīng)的自發(fā)漏磁檢測(cè)研究十分重要。

針對(duì)端部效應(yīng)較明顯的鋼筋進(jìn)行銹蝕試驗(yàn)并檢測(cè)其漏磁信號(hào),發(fā)現(xiàn)當(dāng)端部效應(yīng)較明顯時(shí)，以往依靠切向磁場(chǎng)曲線的交點(diǎn)來(lái)判定銹蝕寬度的方法失效，針對(duì)試驗(yàn)規(guī)律重新提出了切向磁感應(yīng)強(qiáng)度梯度曲線峰值間距Δh來(lái)判定銹蝕寬度。并通過(guò)有限元仿真分析該指標(biāo)的適用情況。同時(shí)考慮端部效應(yīng)的影響，提出銹蝕度評(píng)價(jià)指標(biāo)Qz，運(yùn)用有限元分析了該指標(biāo)對(duì)剩余磁通量密度的敏感性。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試件制備與試件銹蝕

試驗(yàn)以裸鋼筋為試驗(yàn)對(duì)象，為了考慮端部效應(yīng)的影響，制備了10根長(zhǎng)度為70 cm，半徑為0.6 cm的鋼筋，編號(hào)為1-1、1-2、1-3、1-4、1-5、2-1、2-2、2-3、2-4、2-5。鋼筋型號(hào)為HRB335，試件銹蝕區(qū)域用5% NaCl溶液浸潤(rùn)的濕毛巾包裹，電源的正極與鋼筋連接，負(fù)極與浸泡在溶液中的碳棒相連，共同形成閉合回路進(jìn)行加速銹蝕。銹蝕區(qū)域在試件中部，寬度為10 cm。以1 A恒定電流，3.6 h為一個(gè)銹蝕階段進(jìn)行電化學(xué)銹蝕，銹蝕情況如圖1所示。為了分析各試件不同銹蝕程度下磁信號(hào)的演變情況，根據(jù)總銹蝕階段對(duì)各試件進(jìn)行分組，分組情況如表1所示。

表1 各試件銹蝕階段分組

圖1 鋼筋銹蝕情況

鋼筋的銹蝕量可以由Faraday電解定律計(jì)算，公式為

(1)

式(1)中：M為Fe的原子摩爾質(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)，F(xiàn)=96 485 C·mol；I為流出陽(yáng)極金屬的電流；Δt為電化學(xué)銹蝕時(shí)間。

對(duì)銹蝕后的試件進(jìn)行稱重來(lái)驗(yàn)證Faraday公式計(jì)算值與實(shí)際銹蝕量的符合情況，每階段實(shí)際銹蝕量與理論值如圖2所示，理論計(jì)算值比實(shí)際銹蝕量整體偏大，兩者最大相對(duì)誤差為22.7%，表明Faraday電解定律計(jì)算值與裸鋼筋實(shí)際銹蝕量大致相符，鋼筋的銹蝕梯度可以用銹蝕階段來(lái)表示。

圖2 基于Faraday定律的不同銹蝕階段實(shí)際銹蝕量與理論值對(duì)比

1.2 試件制備與試件銹蝕

實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)了一套自動(dòng)化磁場(chǎng)掃描系統(tǒng)[20]如圖3所示，該系統(tǒng)采用HMR 2300型智能數(shù)字磁場(chǎng)計(jì)采集自發(fā)漏磁信號(hào)，該磁場(chǎng)計(jì)可以測(cè)得磁信號(hào)強(qiáng)度以及方向，分辨率為 7×10-9T。在試驗(yàn)過(guò)程中，磁場(chǎng)計(jì)設(shè)備與控制系統(tǒng)相連接，實(shí)現(xiàn)速度、路徑可控的二維空間磁信號(hào)采集，同時(shí)輸出坐標(biāo)x、z(單位：mm)以及磁場(chǎng)分量Hx、Hz分別對(duì)應(yīng)的磁感應(yīng)分量Bx、Bz(單位：10-7T)的數(shù)據(jù)文件。

圖3 三維立體掃描系統(tǒng)

每一銹蝕階段完成以后對(duì)試件的磁信號(hào)進(jìn)行掃描，試件切向(水平)方向?yàn)閤方向，磁信號(hào)分量為Bx，試件法向(豎直)方向?yàn)閦方向，磁信號(hào)分量為Bz。掃描磁探頭距離鋼筋的豎直距離為提離高度h。在鋼筋的正上方進(jìn)行不同提離高度的x方向掃描。提離高度h分別設(shè)置為6、8、12、18、31 cm。掃描方式及路徑如圖4所示。

圖4 掃描路徑

2 自發(fā)漏磁中的端部效應(yīng)原理

結(jié)合鐵磁性材料自發(fā)磁化的基本特點(diǎn)，在地磁場(chǎng)與各種外界因素共同產(chǎn)生的環(huán)境磁場(chǎng)作用下，鐵磁性材料會(huì)自發(fā)磁化形成一個(gè)感應(yīng)磁場(chǎng)，也稱為退磁場(chǎng)Hd。鐵磁性材料發(fā)生缺陷后，材料會(huì)在缺陷處形成不均勻磁化場(chǎng)，使得材料內(nèi)部的磁場(chǎng)泄漏到材料表面，此時(shí)材料表面產(chǎn)生漏磁場(chǎng)Hp，漏磁場(chǎng)Hp與材料退磁場(chǎng)Hd方向相反。鐵磁材料表面實(shí)際測(cè)量得到的磁場(chǎng)H是環(huán)境磁場(chǎng)He、退磁場(chǎng)Hd和漏磁場(chǎng)Hp矢量疊加的結(jié)果，如圖5所示。

圖5 不同端部效應(yīng)銹蝕鋼筋磁場(chǎng)分布

H=Hp+Hd+He

(2)

《無(wú)損檢測(cè)漏磁檢測(cè)總則》(GB/T 31212—2014)[21]中描述：“鐵磁構(gòu)件被磁化后其內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，若構(gòu)件上存在銹蝕等缺陷，磁場(chǎng)會(huì)泄漏到構(gòu)件外部并形成漏磁場(chǎng)。由于漏磁場(chǎng)強(qiáng)度與缺陷相關(guān)，可以通過(guò)對(duì)漏磁場(chǎng)信號(hào)的分析來(lái)獲得構(gòu)件上的缺陷情況”。當(dāng)缺陷距離鐵磁性材料端部的位置較近時(shí)，由于退磁場(chǎng)在材料端部的信號(hào)較強(qiáng)，因此靠近鐵磁性材料端部的漏磁場(chǎng)信號(hào)Hp會(huì)被影響，此時(shí)為了獲得缺陷信息，需要對(duì)磁信號(hào)作進(jìn)一步分析。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

將所得的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，發(fā)現(xiàn)各試件磁信號(hào)具有相似性，以經(jīng)歷所有銹蝕階段1-2試件磁信號(hào)為例，不同銹蝕階段試件x方向磁信號(hào)Bx如圖6所示。隨著銹蝕程度的加深，銹蝕區(qū)域的信號(hào)峰值不斷增加，同時(shí)發(fā)現(xiàn)以往依靠不同提離高度切向磁感應(yīng)強(qiáng)度曲線交點(diǎn)來(lái)判定銹蝕寬度的方法失效。分析切向磁感應(yīng)強(qiáng)度梯度Kx(其中Kx=dBx/dx)，發(fā)現(xiàn)Kx曲線在不同提離高度下銹蝕邊界區(qū)域會(huì)出現(xiàn)明顯的峰值，磁感應(yīng)強(qiáng)度梯度Kx兩峰值之間的距離與銹蝕寬度相近，可以用磁感應(yīng)強(qiáng)度梯度Kx兩峰值間的距離Δh來(lái)近似表示銹蝕寬度。不同銹蝕階段磁感應(yīng)強(qiáng)度梯度Kx曲線如圖7所示，不同銹蝕階段的Δh基本相同，由于試驗(yàn)誤差等各種因素的影響，實(shí)際銹蝕寬度與Δh之間存在誤差，如表2所示，當(dāng)提離高度為6 cm時(shí)Δh與實(shí)際銹蝕寬度最小相對(duì)誤差為4%，平均相對(duì)誤差為27.9%。提離高度為8 cm時(shí)Δh與實(shí)際銹蝕寬度平均相對(duì)誤差為39.0%。提離高度為12 cm時(shí)Δh與實(shí)際銹蝕寬度平均相對(duì)誤差為46.4%。提離高度為6 cm時(shí)誤差相對(duì)較小，可以對(duì)銹蝕寬度進(jìn)行近似判斷。

表2 Δh與實(shí)際銹蝕寬度誤差

圖6 不同階段x方向磁信號(hào)

Kx為切向磁感應(yīng)強(qiáng)度梯度

如圖8所示，給出1-2試件未銹蝕階段不同提離高度下法向(z方向)磁通量密度Bz曲線，當(dāng)提離高度不斷增加時(shí)銹蝕區(qū)域法向磁信號(hào)曲線斜率在不斷減小，當(dāng)提離高度為31 cm時(shí)斜率趨近為零。分析提離高度為6 cm時(shí)不同銹蝕階段銹蝕區(qū)域的法向磁信號(hào)曲線，如圖9所示，曲線斜率隨著銹蝕階段的增加在不斷變化。銹蝕區(qū)域的法向磁信號(hào)曲線斜率變化程度可以初步反映鋼筋銹蝕程度。

圖8 不同提離高度下未銹蝕鋼筋磁通量密度Bz曲線

圖9 提離高度6 cm時(shí)不同銹蝕階段Bz曲線

考慮到端部效應(yīng)會(huì)通過(guò)磁參數(shù)的差異對(duì)磁信號(hào)產(chǎn)生影響，銹蝕度評(píng)價(jià)指標(biāo)需要考慮鋼筋端部退磁場(chǎng)的影響，由此提出判定鋼筋銹蝕程度的無(wú)量綱指標(biāo)Qz，第i銹蝕階段銹蝕度計(jì)算公式為

(3)

式(3)中：Qzi為第i銹蝕階段銹蝕度指標(biāo)；K(Bzi)為第i銹蝕階段銹蝕區(qū)域法向磁信號(hào)梯度值dBzi/dx；K(Bz0)為未銹蝕階段銹蝕區(qū)域法向磁信號(hào)梯度值dBz0/dx。

用不同銹蝕階段來(lái)表示實(shí)際銹蝕梯度，得到不同銹蝕階段銹蝕度評(píng)價(jià)指標(biāo)Qz變化曲線，如圖10所示。試件銹蝕度評(píng)價(jià)指標(biāo)Qz隨著銹蝕階段的增加總體呈上升趨勢(shì)，但是在銹蝕嚴(yán)重階段會(huì)出現(xiàn)個(gè)別異常下降，這是因?yàn)楫?dāng)鋼筋銹蝕情況較嚴(yán)重時(shí)，銹蝕部位磁信號(hào)會(huì)在銹蝕截面閉合，而不會(huì)“漏”出來(lái)，隨著銹蝕程度的進(jìn)一步加深，漏磁信號(hào)才又顯現(xiàn)出來(lái)。因此當(dāng)銹蝕度評(píng)價(jià)指標(biāo)Qz出現(xiàn)異常下降時(shí)可以確定鋼筋已經(jīng)處于銹蝕較為嚴(yán)重階段。

圖10 不同提離高度下1-2試件銹蝕量化指標(biāo)Qz值

4 有限元仿真結(jié)論及分析

運(yùn)用COMSOL軟件進(jìn)行有限元仿真，利用“AC/DC”模塊中的“磁場(chǎng)，無(wú)電流”模塊，對(duì)鋼筋銹蝕磁信號(hào)進(jìn)行仿真，在穩(wěn)定的磁場(chǎng)中鋼筋可以看作經(jīng)過(guò)磁化后的永磁體，對(duì)于無(wú)電流區(qū)域有

?×H′=0

(4)

式(4)中：H′為磁場(chǎng)強(qiáng)度，且H′=-?Vm，其中Vm為磁標(biāo)勢(shì)。

磁通量密度B與磁場(chǎng)強(qiáng)度H′及剩余磁通量密度Br之間的本構(gòu)關(guān)系為

(5)

式(5)中：μ0為真空磁導(dǎo)率；Mmag為磁化強(qiáng)度；μr為相對(duì)磁導(dǎo)率。

鋼筋采用圓柱體建模，鋼筋銹蝕部分參照試驗(yàn)中銹蝕區(qū)域的“V形”銹蝕結(jié)果，采用圓臺(tái)進(jìn)行仿真；地磁場(chǎng)采用在計(jì)算域(空氣)邊界建立磁勢(shì)，兩邊磁勢(shì)差為1.5 A來(lái)模擬地球的磁場(chǎng)梯度。鋼筋的剩余磁通量密度設(shè)置為0.002 5 T，鋼筋長(zhǎng)度為70 cm，半徑為0.6 cm，銹蝕區(qū)域?yàn)殇摻钪胁?0 cm。網(wǎng)格劃分采用自由四面體網(wǎng)格，鋼筋部分進(jìn)行網(wǎng)格加密。網(wǎng)格劃分示意圖如圖11所示。

圖11 網(wǎng)格劃分示意圖

通過(guò)減小圓臺(tái)半徑來(lái)模擬不同銹蝕階段，同時(shí)測(cè)量了試驗(yàn)各階段銹蝕半徑Mr，得到銹蝕階段對(duì)應(yīng)的銹蝕半徑，如表3所示。

表3 鋼筋各銹蝕階段對(duì)應(yīng)銹蝕半徑

隨著銹蝕程度不斷增加磁信號(hào)峰值也在不斷增大，如圖12所示，在銹蝕第3階段提離高度6 cm與8 cm磁信號(hào)Bx曲線開(kāi)始出現(xiàn)交點(diǎn)。

圖12 第3銹蝕階段鋼筋切向磁信號(hào)圖

對(duì)不同鋼筋長(zhǎng)度磁信號(hào)進(jìn)行仿真分析發(fā)現(xiàn)，相比于長(zhǎng)度70 cm鋼筋，長(zhǎng)度越長(zhǎng)的鋼筋端部效應(yīng)越弱，在早期銹蝕階段Bx曲線更容易出現(xiàn)明顯的峰值與交點(diǎn)。因此端部效應(yīng)明顯時(shí)不宜用磁信號(hào)Bx曲線的交點(diǎn)來(lái)確定銹蝕寬度。

分析鋼筋長(zhǎng)度為70 cm的非對(duì)稱端部效應(yīng)影響，設(shè)置鋼筋端部為坐標(biāo)原點(diǎn)，銹蝕區(qū)域取x坐標(biāo)為20～30、15～25、10～20、5～15 cm，隨著銹蝕位置越偏離中心，Δh與銹蝕寬度相對(duì)誤差呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)，Δh誤差分析如表4所示。

表4 銹蝕位置非對(duì)稱下Δh誤差分析

在非對(duì)稱端部效應(yīng)的作用下，銹蝕區(qū)域離鋼筋端部10 cm時(shí)Δh的相對(duì)誤差出現(xiàn)最大值為34%，并且隨著銹蝕區(qū)域進(jìn)一步靠近鋼筋端部，當(dāng)銹蝕區(qū)域離鋼筋端部距離5 cm時(shí)，Kx峰值信號(hào)被掩蓋，依據(jù)Δh評(píng)定銹蝕寬度的方法失效(圖13)。因此該方法在非對(duì)稱端部效應(yīng)不大時(shí)可以對(duì)銹蝕區(qū)域進(jìn)行非精確定寬。

圖13 非對(duì)稱銹蝕時(shí)的Δh

剩余磁通量密度作為重要的磁參量，會(huì)因?yàn)殍F磁性材料內(nèi)部組成成分和加工方法差異等有所不同，這種差異會(huì)通過(guò)端部效應(yīng)對(duì)鋼筋銹蝕度評(píng)價(jià)產(chǎn)生影響。考慮銹蝕度評(píng)價(jià)指標(biāo)Qz對(duì)剩余磁通量密度的敏感性分析，如表5所示。

表5 考慮剩余磁通量密度的敏感性分析

如圖14所示，銹蝕度指標(biāo)Qz只與銹蝕半徑有關(guān)，與剩余磁通量密度無(wú)關(guān)。因此該指標(biāo)能有效排除磁參數(shù)差異造成的端部效應(yīng)影響。

圖14 不同剩余磁通量密度Qz分布

5 結(jié)論

(1)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)由于端部效應(yīng)的影響，以往依靠切向磁感應(yīng)強(qiáng)度曲線交點(diǎn)來(lái)判斷銹蝕寬度的方法失效，由此提出切向磁感應(yīng)強(qiáng)度梯度峰值間距Δh來(lái)判斷銹蝕寬度，有限元仿真分析表明該方法同樣適用于不對(duì)稱銹蝕區(qū)域銹蝕寬度的判斷。

(2)提出考慮端部效應(yīng)的鋼筋銹蝕度評(píng)價(jià)指標(biāo)，通過(guò)有限元仿真驗(yàn)證該指標(biāo)能有效排除磁參數(shù)差異造成的端部效應(yīng)影響。并且該指標(biāo)出現(xiàn)異常下降時(shí)可認(rèn)為鋼筋的銹蝕程度已經(jīng)處于嚴(yán)重階段。