锈蚀钢筋形态参数评估方法的适用性分析

本视频旨在测量完整及腐蚀钢筋的表面形貌。我们将演示并评估五种不同的测量方法，包括质量损失、游标卡尺测量、排水法测量、三维扫描和钢筋的XCT（X射线计算机断层扫描）。其中，三维扫描是测量腐蚀钢筋表面腐蚀渗透空间变异性的最佳方法。

采用3D扫描方法获得的腐蚀测量数据将使工程人员能够更精确、更可靠地评估社会中现有工程结构的安全性和使用寿命。本次操作演示由实验室技术员韩惠来先生和深圳宏荣三维技术公司技术员崔胜林先生进行。首先，将一根经过抛光处理、长500毫米、直径14毫米的钢筋以10毫米为间隔进行标记。

然后，使用已归零的游标卡尺，在卡尺钳口轻轻接触杆件的情况下测量杆件第一个标记处的直径。每次将卡尺旋转45度，再进行三次测量，共在45度间隔下完成四次测量。对杆件上的每个标记重复此过程。

测量每个标记处的直径并取平均值，计算横截面积。然后从棒材两端各截取30毫米，得到两个30毫米长的棒状试样和一个440毫米长的棒状试样。使用电子天平称量每个试样的质量，并记录读数。

从左侧起5毫米处开始，以10毫米为间隔在30毫米长的棒状试样上做标记。按照前述方法测定每个标记处的平均直径。接着，设置一台静态液压式电动万能试验机，并在机器头部下方放置一个玻璃位移缸。

向量筒中加入自来水，直至液面刚好到达出口处。然后，在容器出口下方放置一台电子天平，并将一个200毫升的烧杯放在天平上，使其与出口对齐。

随后，将条状试样垂直夹紧在试验机（EUT）的夹头中。将试验机夹头垂直向下移动，直至试样刚好接触水面。记录此时数字秤上的初始读数。

然后，将EUT仪器设置为以每分钟10毫米的速度向下移动横杆。运行仪器，使横杆位移至第一个10毫米刻度处。随后，记录电子天平上的最终读数。

对棒状试样的每个10毫米段重复此过程，直至整根棒完全浸没。之后让试样在空气中干燥一小时。根据排开的水的质量，计算棒状试样每个10毫米段的均匀横截面积。

以这种方式测试全部三个试样。接着，将每个干燥的试样条喷涂白色缺陷检测显像剂，并使试样在空气中自然干燥。然后，将一个带有涂层的试样放置在3D扫描仪的平台上。

使用带有随机分布的小白点标记的标签校准条状样本的位置。然后沿样本长度方向进行扫描，建立空间模型，并从该模型生成形态学数据。对每个样本重复此操作。

接下来，将一个30毫米长的样品放置在X射线显微计算机断层扫描系统的可旋转平台上。关闭XCT仪器。打开仪器软件，并将样品移至扫描的正确位置。

输入所需的像素尺寸和放大倍数，然后扫描样本并生成几何参数。对另一根30毫米长的样本重复此过程。

获取未腐蚀钢筋的测量数据后，从一根两米长的多股电线的一端剥去50至60毫米的绝缘层。在另一端剥去较短的一段绝缘层。用绝缘胶带将电线较长的裸露端牢固地固定在440毫米长试件的一端，胶带需紧密缠绕钢筋端部70毫米的长度。

然后，用绝缘胶带牢固地包裹住金属棒另一端70毫米的部分。接着，按1:1的比例将环氧树脂粘合剂与固化剂混合。将环氧树脂均匀地涂在金属棒的每个绝缘端部，以保护端部免受腐蚀。

环氧树脂干燥后，将一个配有铜板的塑料槽中装入含有3.5%（质量分数）氯化钠的自来水水溶液。将棒状试样放入槽中，然后将连接在试样上的导线接到直流电源的正极。

将铜板连接到电源的负极。将电源设置为在整个试件上产生 2.5 µA/cm² 的腐蚀电流密度。根据法拉第定律，施加电流直至达到所需的腐蚀程度所需的时间。

然后，关闭电流，取下试件，将其浸入体积分数为12%的盐酸水溶液中30分钟，以去除腐蚀产物。接着，将试件转移至饱和石灰水溶液中，以中和残留的酸。随后，用自来水冲洗试件，并在空气中晾干。

接下来，在腐蚀表面以10毫米为间隔做标记。将腐蚀后的钢筋水平放置在电子天平上称重，并计算钢筋的平均面积。使用游标卡尺测量每10毫米标记处的平均直径，并计算横截面积。

然后，使用排水法计算锈蚀钢筋每10毫米段的横截面积。接着，向试样喷洒白色显像剂并进行三维扫描。最后，从锈蚀钢筋上截取一段30毫米的样品，用XCT进行扫描。

对完整钢筋试件的测量显示，其直径沿长度方向无明显变化，但在45度与135度方向的测量值之间存在一致差异，表明钢筋截面呈椭圆形。质量损失法、卡尺测量法和三维扫描技术所得结果相近，变异程度较低。对于440毫米长的试件，排水法测量结果受到多种不确定性因素影响，包括钢筋表面干燥程度以及水的表面张力。

30 毫米的试样通过XCT进行分析，所得结果与其他技术获得的数值一致。总体而言，游标卡尺、XCT和3D扫描产生的数值相近，变异极小。因此，游标卡尺测量是非腐蚀钢筋获取准确尺寸的最简单方法。

腐蚀导致钢筋各处的横截面形状发生显著变化，这种变化无法通过质量损失法准确捕捉。虽然卡尺对形状变化更为敏感，但无法反映试件表面的点蚀情况。XCT 和三维扫描得到的结果相似，但 XCT 受限于需要具有平整端面的小尺寸样品。

因此，三维测量更适用于分析锈蚀钢筋的形貌。游标卡尺是测量未锈蚀钢筋表面形貌的最佳工具，且操作简便。

而且，这种方法相当经济。排水法测量可能会受到一些不确定性的干扰，因此需要对测量装置进一步改进。尽管XCT测量能够精确测定锈蚀钢筋的残余横截面积，但其应用受限于试件的长度。

三维扫描方法是测量锈蚀钢筋的最优方法，因为它具有高精度、经济性和高效率的特点。该方法还能生成有关锈蚀钢筋的其他有用信息。