锈蚀钢筋形态参数评估方法的适用性分析

摘要

本文采用多种方法测量钢筋的几何形貌和腐蚀程度：质量损失法、卡尺测量法、排水量测量法、三维扫描法以及X射线显微计算机断层扫描（XCT）。

摘要

沿锈蚀钢筋长度方向分布的不规则且不均匀的残余截面会显著改变其力学性能，并对既有混凝土结构的安全性与性能起主导作用。因此，准确测量结构中钢筋的锈蚀几何形貌和锈蚀程度，对于评估结构的残余承载能力和服役寿命至关重要。本文介绍并比较了五种不同的钢筋锈蚀几何形貌与锈蚀量测量方法。本实验采用一根长500 mm、直径14 mm的钢筋作为试件，并对其进行加速腐蚀处理。在腐蚀前后，分别通过质量损失测量、游标卡尺测量、排水法测量、三维扫描以及X射线显微计算机断层扫描（XCT）对其形貌和锈蚀量进行了精确测量。随后评估了这五种方法的适用性与优劣。结果表明，游标卡尺是测量未锈蚀钢筋形貌的最佳选择，而三维扫描则最适合量化锈蚀钢筋的形貌特征。

引言

钢筋腐蚀是混凝土结构劣化的主要原因之一，通常由混凝土碳化和/或氯离子侵入引起。在混凝土碳化过程中，腐蚀往往呈普遍性分布；而在氯离子侵入情况下，腐蚀则更加局部化^1,2。无论何种原因，腐蚀都会因腐蚀产物的径向膨胀导致混凝土保护层开裂，削弱钢筋与周围混凝土之间的粘结性能，破坏钢筋表面，并显著减小钢筋的横截面积^3,4。

由于结构混凝土的非均质性以及使用环境的变化，钢筋表面及其长度方向上的腐蚀具有高度不确定性，呈现随机分布。与由混凝土碳化引起的普遍性均匀腐蚀不同，氯离子侵入导致的点蚀腐蚀会造成局部侵蚀穿透，进而使钢筋腐蚀后残余截面在钢筋表面和长度方向上均产生显著差异。其结果是钢筋的强度和延性降低。已有大量研究探讨了腐蚀对钢筋力学性能的影响^{5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15}。然而，针对钢筋形态参数及腐蚀特征的测量方法，目前关注较少。

一些研究人员已采用质量损失法来评估钢筋的腐蚀程度^5,10,11,14。然而，该方法仅能用于确定残余截面的平均值，无法测量沿钢筋长度方向的截面分布情况。Zhu 和 Franco 通过将单根钢筋切割成一系列短段，并对每一段进行称重，以确定沿其长度方向残余截面面积的变化，从而改进了该方法^13,14。然而，该方法在切割过程中会造成额外的钢材损耗，且无法精确测量决定承载能力的最小残余截面。此外，也可使用游标卡尺测量钢筋的几何参数^14,15。但由于腐蚀后钢筋的残余截面形状极为不规则，实测截面尺寸与实际尺寸之间往往存在显著偏差。基于阿基米德原理，Clark et al. 采用排水法测量沿钢筋长度方向的残余截面，但在此方法中钢筋位移由人工控制，精度有限¹¹。Li et al. 通过使用电动机自动控制钢筋位移，改进了该排水法，实现了更精确的测量结果¹⁶。近年来，随着三维扫描技术的发展，该技术已被用于测量钢筋的几何尺寸^17,18,19,20。利用三维扫描技术，可精确获取钢筋的直径、残余面积、形心、偏心度、惯性矩以及腐蚀穿透深度等参数。尽管研究人员已在不同实验条件下应用了上述方法，但尚未对这些方法在精度、适用性及可操作性方面的表现进行系统比较与评估。

与均匀腐蚀相比，点蚀腐蚀不仅会改变锈蚀钢筋的力学性能，还会降低混凝土结构的残余承载力和使用寿命。为了更合理地评估钢筋的力学性能，必须对沿钢筋长度方向腐蚀空间变异性进行锈蚀钢筋形态参数的更精确测量。这将有助于更准确地评价受腐蚀损伤的钢筋混凝土（RC）结构的安全性和可靠性^{21,22,23,24,25,26,27,28,29}。

本方案比较了五种测量钢筋腐蚀几何形貌和腐蚀程度的方法。实验采用一根长度为500 mm、直径为14 mm的普通圆钢作为试件，并在实验室中进行加速腐蚀。在腐蚀前后，分别使用质量损失法、游标卡尺测量、排水法测量、三维扫描以及X射线显微计算机断层扫描（XCT）对试件的形貌和腐蚀程度进行了精确测量。最后，对每种方法的适用性和有效性进行了评估。

需要注意的是，混凝土结构中通常使用的是埋入混凝土中的带肋钢筋，而非暴露在空气中的光面钢筋，且前者更易受到腐蚀。对于带肋钢筋，使用游标卡尺测量可能并不方便，因为这些钢筋在混凝土中发生腐蚀时，其表面侵蚀程度比暴露在空气中的钢筋更加不规则¹¹。然而，本实验方案侧重于在同一根钢筋上比较不同测量方法的适用性，因此采用裸露的光面钢筋作为试样，以消除肋纹和混凝土非均质性对形貌参数测量的影响。未来可进一步开展针对腐蚀带肋钢筋的其他测量方法研究。

方案

1. 样品与制造工艺的测试

1. 取一根长度为 500 mm、直径为 14 mm 的普通钢棒（Q235 级）用于制作试件。
2. 使用细砂纸打磨钢棒表面，以去除表面的氧化铁皮。
3. 使用切割机从钢棒左端起分别在 30 mm 和 470 mm 处进行切割，如图 1 所示。
4. 使用电子天平测量三个钢棒试件的质量。
5. 采用第 2 步中描述的五种方法测量三个试件的直径，并记录未腐蚀钢棒试件的测量结果。
6. 采用电化学方法对 440 mm 长的钢棒试件进行腐蚀，具体步骤如下：
   1. 用绝缘胶带牢固包裹钢棒试件两端各 70 mm 的区域。将一根导线连接至 440 mm 钢棒试件的一端。
   2. 按 1:1 的比例将粘合剂与固化剂混合，制成环氧树脂。将环氧树脂均匀涂覆于钢棒试件两端已绝缘的 70 mm 区域，以防止两端发生腐蚀。
   3. 将 440 mm 长的钢棒试件放入塑料水箱中，箱内盛有 3.5% NaCl 溶液作为电解质，并以铜板作为阴极。
   4. 将钢棒试件的一端连接至直流（DC）电源的正极，将阴极铜板连接至负极，构成电路，以实现对钢棒试件的加速腐蚀。
   5. 开启直流电源，对钢棒试件施加 2.5 μA/cm² 的恒定直流电流，持续整个腐蚀过程。
   6. 当钢棒试件的腐蚀量达到根据法拉第定律估算的预期腐蚀水平时，关闭电流以终止腐蚀过程。
   7. 将上述已腐蚀的钢棒试件放入 12% HCl 溶液中浸泡 30 分钟，以去除其表面的腐蚀产物。随后将酸洗后的钢棒试件浸入饱和石灰水中进行中和处理，并用自来水进一步清洗。
   8. 将上述清洗后的腐蚀钢棒试件在空气中干燥，并在其表面标记以便测量。
7. 测量腐蚀后钢棒试件的形貌参数及腐蚀量。
   注意：清洗过程会影响腐蚀钢棒的质量损失。不同类型的酸溶液以及在酸溶液中浸泡时间的不同，会导致不同程度的质量损失。然而，在本试验中未对不同清洗方法进行比较。为保持一致性，清洗过程遵循中国国家标准《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法》³⁰。

2. 测量方法与实验步骤

1. 质量损失法
   1. 将电子天平放置在水平平台上并归零。
   2. 将腐蚀前经抛光处理的钢筋试件水平放置于电子天平上，读取其质量作为未腐蚀钢筋的质量 m₀ (g)。
   3. 将腐蚀后清洗干净的钢筋试件水平放置于电子天平上，读取其质量作为腐蚀后钢筋的质量 m_c (g)。
   4. 利用公式 Q_cor = (m_c - m₀) / m₀ × 100% 计算钢筋的腐蚀量。
   5. 利用公式 A_sc = A_s0(1 - Q_cor) 计算腐蚀后钢筋试件残余截面的平均面积，其中 A_s0 为未腐蚀钢筋的截面面积。
2. 游标卡尺法
   1. 使用记号笔从钢筋试件左端开始，沿其长度方向每隔 10 mm 标记一次表面，如 图 1 所示。
   2. 将游标卡尺的游标推至初始位置，使两个量爪相互接触，并对齐游标与主尺的零刻度线，然后按下归零按钮将游标尺归零。
   3. 将游标卡尺跨接在钢筋试件的直径上，移动游标使两个量爪轻轻接触钢筋表面，在标记位置及指定角度处测量钢筋试件的直径。
   4. 重复步骤 2.2.3 四次，分别在标记位置处以 0°、45°、90° 和 135° 角度测量钢筋直径，如 图 2。 所示。
   5. 将上述四次测得的直径取平均值，作为该标记位置处钢筋试件的代表直径 D_i (mm)。
   6. 利用公式 A_i = πD_i²/4 (mm²) 计算钢筋试件在标记位置处的横截面积。
   7. 对钢筋试件所有标记位置重复步骤 2.2.3 至 2.2.6，以测量腐蚀后其沿长度方向横截面的分布情况。
3. 排水法
   1. 搭建电液伺服万能试验机（EUT）装置，如 图 3 所示。
   2. 在 EUT 机器头部下方放置一个玻璃容器，并向容器中注入自来水，直至水位达到出水口高度。
   3. 在电子天平平台上放置一个 200 mL 烧杯，使其位于玻璃容器出水口正下方。
   4. 使用 EUT 机器的夹头垂直夹紧钢筋试件的一端。
   5. 启动 EUT 机器，缓慢下移其头部，直至钢筋试件的另一端刚好接触容器中水面的顶部表面。
   6. 记录电子天平的初始读数为 M_i。
   7. 运行 EUT 机器，以 1.0 mm/min 的速率将钢筋试件向下压入容器中的水中。
   8. 记录电子天平的最终读数为 M_i+1，表示由于钢筋试件在水中位移 10 mm 而从容器中排出的水的质量。
   9. 假设 10 mm 位移段的钢筋试件横截面均匀，利用公式 A_i = (M_i+1 - M_i) / (ρh) 计算该 h = 10 mm 位移段钢筋的横截面积，其中 (M_i+1 - M_i) 为 10 mm 位移钢筋排出水的实测质量，ρ = 1,000 kg/m³ 为水的密度。
   10. 对每一段 10 mm 长的位移钢筋重复步骤 2.3.6 至 2.3.9，直至将整根钢筋完全压入水中，以测量钢筋沿长度方向横截面的分布情况。
4. 三维扫描法
   1. 在钢筋试件表面喷涂白色显像剂，并在空气中晾干。将其水平放置于三维扫描仪的平台上，如 图 4 所示。
   2. 通过在标签纸上随机制作白色小点，校准钢筋试件在三维扫描仪平台上的位置，用于钢筋试件的三维重建。
   3. 启动三维扫描仪及相应的数据提取软件，沿钢筋试件长度方向进行扫描，并通过三维扫描仪采集相应的扫描数据。操作时遵循制造商的说明。
   4. 使用软件构建钢筋试件的空间模型，并采集相关数据文件。
   5. 将生成的钢筋试件空间模型数据与两个自编的 MATLAB 程序置于计算机的同一文件夹中。
   6. 运行第一个 MATLAB 程序，处理已生成的空间模型数据，生成相应的 MAT 文件，并将结果保存在同一文件夹中。
   7. 运行第二个 MATLAB 程序，处理上述生成的 MAT 文件，获得钢筋试件的相关形态学数据，包括截面面积、惯性矩、极惯性矩、偏心距等。
5. XCT 法
   注：在对 440 mm 长的钢筋试件完成前述四种测量后，由于 XCT 方法对试件长度的限制，第五种测量使用 XCT 法对 30 mm 长的钢筋试件进行。
   1. 从一根 500 mm 长的钢筋两端以及一根 440 mm 长的腐蚀钢筋上各截取一段 30 mm 长的试件，如 图 1。 所示，分别作为未腐蚀和腐蚀钢筋试件。
   2. 将钢筋试件放置于 XCT 仪器的可旋转平台上，如 图 5 所示。关闭 XCT 仪器门，使钢筋试件位于 XCT 仪器的放射源与信号接收器之间。
   3. 运行安装在计算机上的 XCT 操作软件，设置拍摄参数，并调整钢筋试件至拍摄位置。
   4. 在 XCT 仪器操作软件的“图像控制”表格中设置像素尺寸和放大倍数。
   5. 点击 开始 按钮运行 XCT 仪器，对钢筋试件进行扫描，并采集扫描数据。
   6. 对上述扫描数据运行配套软件包，生成相应的钢筋试件几何参数。

结果

图6展示了使用游标卡尺沿500 mm长未腐蚀钢筋试样长度方向各截面在0°、45°、90°和135°角度下的直径。随后，将钢筋按图1所示切割为三部分。

图7展示了使用四种和五种方法分别测量的440 mm长中间段和30 mm长端部未腐蚀钢筋试件沿长度方向的横截面积。

图8展示了使用3D扫描和XCT方法分别测量的腐蚀钢筋试样的空间图像及三个横截面。

讨论

图6A 和 6B 显示，未腐蚀钢筋试件的实测直径沿其长度方向无明显变化。沿钢筋长度方向实测直径之间的最大差值仅为约0.11 mm，最大偏差为0.7%。这表明，使用游标卡尺可以较好地评估未腐蚀钢筋的几何尺寸。然而，同一横截面在不同角度处测得的直径始终存在明显差异。对于该钢筋试件，最大直径14.62 mm和最小直径14.05 mm分别出现在45°和135°方向，最大偏差达4%。换言之，未腐蚀钢筋的横截面并非完美的圆形，而是呈椭圆形。因此，在根据实测钢筋直径直接计算实际横截面积时，应特别注意钢筋直径的测量方法。

除了使用游标卡尺测量光圆钢筋的直径外，我们还采用了XCT和3D方法来测量肋钢筋的横截面，因为游标卡尺难以准确测量此类钢筋。我们发现肋钢筋在不同角度下测得的直径也存在差异。本文采用光圆钢筋试样，因其可使用全部五种不同方法进行测量，便于比较。

混凝土结构中的钢筋主要承受拉力或压力。因此，在给定强度条件下，钢筋的承载能力取决于其横截面积。...

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
<强>材料与试剂
塑料尺子	Deli 集团有限公司	6240号
白色油漆笔	SINO PATH 企业有限公司	SP-110
带分支的管子	定制化生产
量筒	北京华科博美克斯玻璃有限公司
500 mL 烧杯	北京华科博美克斯玻璃有限公司	CP-201
砂纸	上海正午装饰材料有限公司	P04
白色显影剂	上海新美达探伤材料有限公司	FA-5
<强>试剂
环氧树脂胶粘剂	湖南八兄弟新材料有限公司	DY·E·44
环氧固化剂	湖南八兄弟新材料有限公司	DY·EP
HCl	东莞东江化学试剂有限公司	AR-2500ml
饱和石灰水	Xilong Chemical Co., Ltd.	AR-500g
<强>仪器设备
电子天平	开封集团有限公司	型号 JCS-0040
数字游标卡尺	上海测量 & 切削工具有限公司	模型 ST-089-229-090
切割机	罗伯特·博世有限公司	TCO2000
三维重建X射线显微镜	XRADIA	Model MICROXCT-400
3D扫描仪	HOLON 三维技术（深圳）有限公司	Model HL-3DX+
万能电液伺服试验机	MTS 系统（中国）有限公司	模型 C64.305