钢筋形态参数评价方法的适用性分析

Summary

本文采用不同的方法测量钢筋的几何形状和腐蚀量: 质量损失、卡钳、排水测量、三维扫描和 x 射线显微计算机断层扫描 (xct)。

Abstract

腐蚀钢筋长度的不规则和不均匀残余截面极大地改变了其机械性能, 极大地主导了现有混凝土结构的安全性和性能。因此, 正确测量结构中钢筋的几何形状和腐蚀量, 以评估结构的剩余承载力和使用寿命, 是非常重要的。本文介绍并比较了五种不同的测量钢筋的几何形状和腐蚀量的方法。在本协议中, 单根500毫米长、直径14毫米的钢筋是受到加速腐蚀的试样。在质量损失测量、vernier 卡钳、排水测量、三维扫描和 x 射线微计算机断层扫描 (xct) 之前和之后, 对其形态和腐蚀量进行了仔细测量。然后对这些不同方法的适用性和适用性进行了评价。结果表明, vernier 卡钳是测量无腐蚀棒形态的最佳选择, 而三维扫描是最适合于定量测量腐蚀棒的形态的最佳选择。

Introduction

钢筋腐蚀是混凝土结构恶化的主要原因之一, 是混凝土碳化和氯部侵入造成的。在混凝土碳化中, 腐蚀倾向于广义;而在氯化物入侵, 它变得更加本地化^1,2。不管是什么原因, 腐蚀会使腐蚀产品的径向膨胀导致混凝土盖发生腐蚀, 使钢筋与其周围混凝土之间的粘结变差, 穿透钢筋表面, 并减少钢筋的横截面面积相当^3,4。

由于结构混凝土的非均匀性和使用环境的变化, 钢筋的腐蚀在其表面和长度上随机发生, 具有很大的不确定性。与混凝土碳化引起的广义均匀腐蚀相反, 氯离子入侵引起的点蚀引起了攻击的渗透。此外, 它还会导致腐蚀杆的残余部分在棒材表面和长度之间有很大的差异。因此, 棒材强度和杆延性降低。已经进行了广泛的研究, 以研究腐蚀对钢筋的^机械性能的影响 5^{,6,7, 8,9,10 11,12,13,14,15}。然而, 对钢筋形态参数和腐蚀特性的测量方法关注较少。

一些研究人员用质量损失来评估钢筋^{5、10、11、14 的}腐蚀程度。但是, 此方法只能用于确定残段的平均值, 不能测量截面沿长度的分布。朱和佛朗哥改进了这种方法, 将一根钢筋切割成一系列短段, 并称重每个段, 以确定剩余截面沿其长度^13,14的区域的变化。然而, 这种方法在切割过程中造成了钢材料的额外损失, 不能准确地接触到腐蚀钢筋的最小残余部分, 这决定了其承载能力。游标卡尺还用于测量 14^,15钢筋的几何参数。然而, 腐蚀杆的残余截面是非常不规则的, 并且在被测量的和实际的截面尺寸之间总是有明显的偏差被腐蚀的酒吧。根据阿基米德原理, 克拉克等人采用排水法测量腐蚀杆沿长度的残余部分, 但在这种情况下, 在没有明显精度的情况下, 对钢筋^的位移进行了人工控制, 但没有明显的精度11。通过使用电动机自动控制钢筋的位移, 更准确地测量结果, 改进了这种排水方法.最后, 在过去几年中, 随着三维扫描技术的发展, 该方法被用来测量钢筋^的几何尺寸 17^{,18,19, 20.}通过三维扫描, 可以精确地获得钢筋的直径、残余面积、质心、偏心、转动惯量和腐蚀渗透。尽管研究人员在不同的实验环境中使用了这些方法, 但在精度、适用性和适用性方面对这些方法没有进行比较和评价。

腐蚀, 特别是点蚀, 与广义腐蚀相比, 不仅改变了腐蚀钢筋的力学性能, 而且降低了混凝土结构的剩余承载力和使用寿命。为了更合理地评估钢筋的力学性能, 必须更准确地测量腐蚀钢筋的形态参数, 以确定钢筋长度腐蚀的空间变异性。这将有助于更准确地评估受腐蚀损坏的钢筋混凝土 (rc) 结构的安全性和可靠性^{21、22、23、24、25、26 ,27,28,29}。

该协议比较了五种讨论的测量钢筋几何形状和腐蚀量的方法。一个单, 500 毫米长, 14 毫米直径, 平圆棒被用作样品, 并在实验室中受到加速腐蚀。在使用每种方法之前和之后, 仔细测量其形态和腐蚀程度, 包括质量损失、vernier 卡钳、排水测量、三维扫描和 x 射线微型计算机断层扫描 (xct)。最后, 对两者的适用性和适用性进行了评价。

需要注意的是, 嵌入混凝土中的带肋钢筋, 而不是暴露在空气中的普通钢筋, 通常用于混凝土结构, 并受到腐蚀。对于带肋的酒吧, vernier 卡钳可能不那么容易应用。由于这些钢筋在混凝土中腐蚀, 与暴露在空气中的钢筋相比, 它们的表面渗透更加不规则。然而, 该协议是为了在同一柱上对不同测量方法的分析的适用性而设计的;因此, 它采用赤裸的平条作为样品, 以消除肋和混凝土非均匀性对形态参数测量的影响。今后还可以进一步研究用其他方法测量腐蚀的肋钢筋。

Protocol

1. 样品和制造工艺的测试

1. 获得500毫米长、直径14毫米的普通钢筋 (q235 级), 用于测试试件的制造。
2. 用细砂纸擦亮棒材的表面, 以去除表面的磨机鳞片。
3. 使用切割机从左侧切割条形图30毫米和470毫米, 如图 1所示。
4. 使用数字电子秤测量三个条形图的重量。
5. 使用步骤2中描述的五种方法测量三个试件的直径, 并记录无腐蚀棒材试件的结果。
6. 使用电化学方法腐蚀440毫米棒样品, 详情如下:
   1. 用绝缘胶带牢固地覆盖每端70毫米。将电线连接到 440 mm 棒材样品的一端。
   2. 将胶粘剂与硬化剂按1:1 的比例混合, 制成环氧树脂。将环氧树脂均匀地涂在棒材试样的绝缘 70 mm 端上, 以保护两端不受腐蚀。
   3. 将440毫米长的棒状试样放入塑料水箱中, 其中含有3.5% 的氯化钠作为电解质, 铜板作为阴极。
   4. 将棒材试样的一端作为节点连接到正极和阴极铜板分别连接到直流电源供应商的负极上, 以建立加速棒材试样腐蚀的电路。
   5. 打开直流电源, 在整个腐蚀期间, 在棒材样品上施加 2.5μa /cm 2 的恒定直流电流。
   6. 根据法拉第定律的估计, 当棒材试样的腐蚀量达到预期的腐蚀水平时, 关闭电流以终止腐蚀过程。
   7. 将上述腐蚀的棒材样品放入12% 的 hcl 溶液槽中 30分钟, 将腐蚀产物从其表面去除。将酸清洗后的棒材样品浸入饱和石灰水箱中和, 并使用自来水进一步清洁。
   8. 将上述清洁后的腐蚀棒试样在空气中干燥。标记其表面以进行测量。
7. 测量腐蚀棒材试样的形态参数和腐蚀量。
   注: 清洁确实会影响腐蚀钢筋的质量损失。不同类型的酸液和不同的浸入酸性溶液的时间会导致不同数量的质量损失。然而, 在这次试验中, 不同的清洗工艺没有进行比较, 为了一致性起见, 清洗过程遵循了《中国普通混凝土30的长期性能和耐久性试验方法国家标准》。

2. 测量方法和程序

1. 质量损失法
   1. 将电子秤放置在水平平台上并将其归零。
   2. 将抛光棒材在水平腐蚀前放置在电子秤上, 并将刻度的读数作为非腐蚀钢筋的质量 m _{m 0} (g)。
   3. 将清洗后的钢筋试样水平腐蚀到电子秤上, 并从刻度中读取, 作为腐蚀钢筋 m c ( g) 的质量。
   4. 使用 q_cor= (m_c-m0)/m₀x100 的公式计算棒材的腐蚀量.
   5. 使用公式 a_{sc =}a_sc(1-q_cor)计算腐蚀棒试样残余部分的平均面积,其中 , a_sc是一个不腐蚀的钢筋的区域。
2. 游标卡尺法
   1. 使用标记笔, 以10毫米的间隔标记条形图的表面, 从条形图 左侧间隔为10毫米。
   2. 将卡钳的 vernier 比例移动到其原始位置。让两个下巴互相接触, 并将维尼耶和主尺度的两条零线排成一行。然后按零按钮, 将 vernier 刻度归零。
   3. 将游标卡尺放置在棒材样品的直径上。移动 vernier 刻度, 使其两个下巴轻轻触摸条形图表面。测量带材试样在标记截面上和给定角度的直径。
   4. 重复步骤2.2.3 四次, 分别测量标记截面和角度为0°、45°、90°和135°的杆直径, 如图 2所示.
   5. 平均上述四个测量直径, 并将其作为标记截面上棒材试样的代表直径 d_i (mm) 。
   6. 使用公式 a_{i = p d i}2/4(mm 2) 计算标记截面上的棒材试样的横截面面积.
   7. 重复步骤2.2.3 为棒材试样的所有标记部分 2.2.6, 以测量其在腐蚀后沿长度的横截面分布。
3. 排水方法
   1. 设置机电通用测试 (eut) 机, 如图 3所示。
   2. 将玻璃容器放在 eut 机器的头部下, 然后将自来水倒入容器中, 直到水位到达出水口。
   3. 将200毫升烧杯放置在玻璃容器出口正下方的电子秤平台上。
   4. 使用 eut 机器的头部垂直夹紧棒试样的一端。
   5. 打开 eut 机器, 慢慢地向下移动其头部, 直到棒材样品的另一端正好接触到容器中水的顶部表面。
   6. 以电子秤的初始读数为 m_i。
   7. 运行 eut 机器, 以 1.0 mm/min 的速度将棒材样品向下移动到容器中的水中。
   8. 以电子秤的最终读数为 m_i+1 , 用于由于棒材样品进入容器内的水中10毫米的位移而从容器中排出的大量水。
   9. 假设10毫米移位杆试样的截面均匀, 使用 a_i= (m_i+1 -m i) 的公式计算 h = 10 mm 移位条的横截面面积/(h),其中(m_i+1 - m i)是10毫米移位杆试样从容器中排出的水的测量质量。= 1000 公斤/3 是水的密度。
   10. 重复步骤2.3.6 为每个10毫米长的移位杆试样 2.3.9, 直到将棒的整个长度移入水中, 以测量杆横截面沿长度的分布。
4. 3d 扫描方法
   1. 在棒材样品表面喷洒白色显影剂, 并将其干燥在空气中。将其水平放置在3d 扫描仪的平台上, 如图 4所示。
   2. 通过在标签纸上随机制作白色小点, 对条形标本进行3d 重建, 校准条形图样品在3d 扫描仪平台上的位置。
   3. 启动3d 扫描仪和相应的数据提取软件后, 沿其长度扫描条形图, 并通过3d 扫描仪收集相应的扫描数据。请使用制造商的说明。
   4. 利用软件开发条形图的空间模型, 并收集相关的日期文件。
   5. 将开发的条形标本空间模型数据和两个自编译的 matlab 程序放在计算机的同一文件夹中。
   6. 在条形图的开发空间模型数据上运行第一个 matlab 程序, 以生成相关的 mat 文件。将获得的 mat 文件保存在同一文件夹中。
   7. 在上面运行第二个 matlab 程序, 生成条形图的相关形态数据, 包括截面面积、转动惯量、极转动惯量、偏心距离等。
5. xct 方法
   注: 在对440毫米长的杆件进行四次测量后, 由于棒材长度的限制, 使用 xct 方法对30毫米长的条形试样进行了第五次测量。
   1. 从500毫米长的钢筋两端和440毫米长的腐蚀钢筋上切割一个30毫米的钢筋试样, 如图 1所示.分别使用它们作为无腐蚀和腐蚀的棒材样品。
   2. 将条形图标本放在 xct 仪器的可旋转平台上, 如图 5所示。关闭 xct 仪器的门。棒材夹在 xct 仪器的放射源和信号接收器之间。
   3. 运行安装在计算机上的 xct 操作软件, 以设置拍摄参数。将条形标本调整到拍摄位置。
   4. 在 xct 仪器操作软件的 "图像控制" 表中设置像素大小和放大倍率。
   5. 通过单击"开始"按钮扫描条形图样本来运行 xct 仪器。收集条形标本的扫描数据。
   6. 在上述扫描数据上运行软件包, 以生成相应的条形图的几何参数。

Results

图 6显示了500毫米长的无腐蚀棒材试样在使用 vernier 卡钳测量长度的每个截面的角度为0°、45°、90°和135°的直径。然后将条形切割成三个部分, 如图 1所示。

图 7显示了非腐蚀棒材试样沿长度的横截面面积, 分别使用四种和五种方法测量, 分别用于440毫米长的中间部分和30毫米长端。

图 8分别显示了使用3d 扫描和 xct 方法测量的腐蚀条试样的空间图像和三个横截面。

Discussion

图 6a和6A显示, 未腐蚀棒材试样的测量直径在其长度上没有显著变化。沿杆长测量的直径之间的最大差异仅为 0.11 mm 左右, 最大偏差为0.7%。这表明, 使用游标卡尺可以很好地评估无腐蚀条形图的几何形状。但是, 在同一截面的不同角度测量的直径之间的差异是一致的, 而且差别很大。对于给定的棒材试样, 最大直径为 14.62 mm 和 14.62 mm, 角度为45°和 135°, 最大偏差为4%。换句话说, 非腐蚀杆的横截面不是完全圆形的, 而是椭圆形的。因此, 在直接根据钢筋的测量直径计算实际横截面面积时, 应注意钢筋直径的测量。

除了使用游标卡尺测量普通棒直径外, 我们还使用 xct 和3d 方法测量肋杆的横截面, 因此无法轻松使用游标卡尺。我们发现不同角度的肋骨杆也有不同的直径。本文采用了普通棒试样, 因为它可以用所有五种不同的方法进行比较。

混凝土结构中的钢筋主要是拉力或压缩。因此, 对于给定的强度, 钢筋的承载能力取决于...

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
用品
塑料尺	得利集团有限公司	No.6240
白色油漆笔	SINO PATH Enterprises.，Ltd.	SP-110
带支管	定制测量
圆筒	北京华科博美克斯玻璃有限公司
500mL 烧杯	Beijing Huake Bomex Glass Co. ， Ltd.	CP-201
砂纸	上海正午装饰材料有限公司	P04
白色显影	剂 SHANGHAI XINMEIDA FLAW DETECTION MATERIAL CO.， LTD.	FA-5
试剂
环氧树脂胶粘剂	南霸雄迪新材料有限公司	DY·E·44
氧固化剂	湖南巴雄迪新材料有限公司	DY·
HCl	东莞市东江化学试剂有限公司	AR-2500ml
饱和石灰水	西隆化工有限公司	AR-500g
设备
数字电子秤	开封集团有限公司	型号 JCS-0040
数字游标卡尺	上海测量Cutting Tool Works Co.， Ltd. 切削工具厂有限公司	型号 ST-089-229-090
切割机	Robert Bosch GmbH	TCO2000
3D 重建 X 射线显微镜	XRADIA	型号 MICROXCT-400
3D 扫描仪	HOLON 三维科技（深圳）有限公司	型号 HL-3DX+
机电万能试验机	MTS SYSTEMS （China） Co.， Ltd.	型号 C64.305