Name: 钢筋形态参数评价方法的适用性分析 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2018-11-01T12:30:00.000+00:00
Duration: 10 min 24 s
Description: 了解钢筋表面形态测量方法，包括质量损失、游标卡尺、排水法、三维扫描和XCT技术。三维扫描是评估腐蚀钢筋空间变异性的最佳方法，可精确评估工程结构的安全性与使用寿命。

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

中国深圳大学的作者们非常感谢国家自然科学基金委员会（项目编号：51520105012 和 51278303）以及广东省教育厅（重点）项目（编号：2014KZDXM051）提供的经费支持。同时感谢深圳大学土木工程学院广东省滨海土木工程耐久性重点实验室提供试验设施与设备。

1. 样品与制造工艺的测试
<ol>
	<li>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。</li>
	<li>使用细砂纸打磨钢棒表面，以去除表面的氧化铁皮。</li>
	<li>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。</li>
	<li>使用电子天平测量三个钢棒试件的质量。</li>
	<li>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。</li>
	<li>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：
	<ol>
		<li>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。</li>
		<li>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。</li>
		<li>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。</li>
		<li>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。</li>
		<li>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。</li>
		<li>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。</li>
		<li>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。</li>
		<li>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。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>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。</li>
</ol>
2. 测量方法与实验步骤
<ol>
	<li>质量损失法
	<ol>
		<li>将电子天平放置在水平平台上并归零。</li>
		<li>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)。</li>
		<li>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 mc (g)。</li>
		<li>利用公式 Qcor = (mc - m0) / m0 × 100% 计算钢筋的腐蚀量。</li>
		<li>利用公式 Asc = As0(1 - Qcor) 计算腐蚀后钢筋试件残余截面的平均面积，其中 As0 为未腐蚀钢筋的截面面积。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>游标卡尺法
	<ol>
		<li>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。</li>
		<li>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。</li>
		<li>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。</li>
		<li>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。</li>
		<li>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 Di (mm)。</li>
		<li>利用公式 Ai = πDi2/4 (mm2) 计算钢筋试件在标记位置处的横截面积。</li>
		<li>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。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>排水法
	<ol>
		<li>搭建电液伺服万能试验机（EUT）装置，如 图 3 所示。</li>
		<li>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。</li>
		<li>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。</li>
		<li>使用 EUT 机器的夹头垂直夹紧钢筋试件的一端。</li>
		<li>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。</li>
		<li>记录电子天平的初始读数为 Mi。</li>
		<li>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。</li>
		<li>记录电子天平的最终读数为 Mi+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。</li>
		<li>假设 10 mm 位移段的钢筋试件横截面均匀，利用公式 Ai = (Mi+1 - Mi) / (ρh) 计算该 h = 10 mm 位移段钢筋的横截面积，其中 (Mi+1 - Mi) 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。</li>
		<li>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。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>三维扫描法
	<ol>
		<li>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。</li>
		<li>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。</li>
		<li>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。</li>
		<li>使用软件构建钢筋试件的空间模型，并采集相关数据文件。</li>
		<li>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。</li>
		<li>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。</li>
		<li>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。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>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。
	<ol>
		<li>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。</li>
		<li>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。</li>
		<li>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。</li>
		<li>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。</li>
		<li>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。</li>
		<li>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。</li>
	</ol>
	</li>
</ol>

<ol><li>Cavaco, E. S., Bastos, A., Santos, F. A. D. <a target="_blank" href="https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0950061817306980">Effects of corrosion on the behaviour of precast concrete floor systems.</a> Construction & Building Materials. 145, (2017).</li>
<li>Cavaco, E. S., Neves, L. A. C., Casas, J. R. <a target="_blank" href="http://www.tandfonline.com/doi/full/10.1080/15732479.2017.1333128">On the robustness to corrosion in the life cycle assessment of an existing reinforced concrete bridge.</a> Structure and Infrastructure Engineering. 14 (2), 137-150 (2017).</li>
<li>Muthulingam, S., Rao, B. N. <a target="_blank" href="https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0010938X15000426">Non-uniform corrosion states of rebar in concrete under chloride environment.</a> Corrosion Science. 93, 267-282 (2015).</li>
<li>Apostolopoulos, C. A., Papadakis, V. G. <a target="_blank" href="http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0950061807002401">Consequences of steel corrosion on the ductility properties of reinforcement bar.</a> Construction & Building Materials. 22 (12), 2316-2324 (2008).</li>
<li>Fernandez, I., Bairán, J. M., Marí, A. R. <a target="_blank" href="https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0950061815305638">Corrosion effects on the mechanical properties of reinforcing steel bars. Fatigue and σ - ε behavior.</a> Construction & Building Materials. 101, 772-783 (2015).</li>
<li>Papadopoulos, M. P., Apostolopoulos, C. A., Zervaki, A. D., Haidemenopoulos, G. N. <a target="_blank" href="https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0950061811000730">Corrosion of exposed rebars, associated mechanical degradation and correlation with accelerated corrosion tests.</a> Construction & Building Materials. 25 (8), 3367-3374 (2011).</li>
<li>Castro, H., Rodriguez, C., Belzunce, F. J., Canteli, A. F. <a target="_blank" href="https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0924013603003935">Mechanical properties and corrosion behaviour of stainless steel reinforcing bars.</a> Journal of Materials Processing Technology. 143 (1), 134-137 (2003).</li>
<li>Almusallam, A. A. <a target="_blank" href="https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0950061801000095">Effect of degree of corrosion on the properties of reinforcing steel bars.</a> Construction & Building Materials. 15 (8), 361-368 (2001).</li>
<li>Papadopoulos, M. P., Apostolopoulos, C. A., Alexopoulos, N. D., Pantelakis, S. G. <a target="_blank" href="https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0261306906002317">Effect of salt spray corrosion exposure on the mechanical performance of different technical class reinforcing steel bars.</a> Materials & Design. 28 (8), 2318-2328 (2007).</li>
<li>Zhang, W., Song, X., Gu, X., Li, S. <a target="_blank" href="https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0950061812001481">Tensile and fatigue behavior of corroded rebars.</a> Construction & Building Materials. 34 (5), 409-417 (2012).</li>
<li>Clark, L. A., Chan, A. H. C., Du, Y. G. <a target="_blank" href="https://www.researchgate.net/publication/271350216_Residual_capacity_of_corroded_reinforcing_bars">Residual capacity of corroded reinforcing bars.</a> Magazine of Concrete Research. 57 (3), 135-147 (2005).</li>
<li>Chan, A. H. C., Clark, L. A., Du, Y. G. <a target="_blank" href="https://www.researchgate.net/publication/238446762_Effect_of_corrosion_on_ductility_of_reinforcing_bars">Effect of corrosion on ductility of reinforcing bars.</a> Magazine of Concrete Research. 57 (7), 407-419 (2005).</li>
<li>Zhu, W., François, R. <a target="_blank" href="https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0950061813010362">Corrosion of the reinforcement and its influence on the residual structural performance of a 26-year-old corroded RC beam.</a> Construction & Building Materials. 51 (2), 461-472 (2014).</li>
<li>François, R., Khan, I., Dang, V. H. <a target="_blank" href="https://link.springer.com/article/10.1617%2Fs11527-012-9941-z">Impact of corrosion on mechanical properties of steel embedded in 27-year-old corroded reinforced concrete beams.</a> Materials & Structures. 46 (6), 899-910 (2013).</li>
<li>Torres-Acosta, A. A., Castro-Borges, P. <a target="_blank" href="http://www.corrosionjournal.org/doi/abs/10.5006/0844?code=nace-prem-site">Corrosion-Induced Cracking of Concrete Elements Exposed to a Natural Marine Environment for Five Years.</a> Corrosion. 69 (11), 1122-1131 (2013).</li>
<li>Li, D., Wei, R., Du, Y., Guan, X., Zhou, M. <a target="_blank" href="https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0950061817316070">Measurement methods of geometrical parameters and amount of corrosion of steel bar.</a> Construction & Building Materials. 154, 921-927 (2017).</li>
<li>Kashani, M. M., Crewe, A. J., Alexander, N. A. <a target="_blank" href="https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0010938X13001297">Use of a 3D optical measurement technique for stochastic corrosion pattern analysis of reinforcing bars subjected to accelerated corrosion.</a> Corrosion Science. 73 (13), 208-221 (2013).</li>
<li>Tang, F., Lin, Z., Chen, G., Yi, W. <a target="_blank" href="https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0950061814008915">Three-dimensional corrosion pit measurement and statistical mechanical degradation analysis of deformed steel bars subjected to accelerated corrosion.</a> Construction & Building Materials. 70 (2), 104-117 (2014).</li>
<li>Zhang, W., Zhou, B., Gu, X., Dai, H. <a target="_blank" href="https://ascelibrary.org/doi/10.1061/%28ASCE%29MT.1943-5533.0000888">Probability Distribution Model for Cross-Sectional Area of Corroded Reinforcing Steel Bars.</a> Journal of Materials in Civil Engineering. 26 (5), 822-832 (2013).</li>
<li>Wang, X. G., Zhang, W. P., Gu, X. L., Dai, H. C. <a target="_blank" href="https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0950061812007222">Determination of residual cross-sectional areas of corroded bars in reinforced concrete structures using easy-to-measure variables.</a> Construction & Building Materials. 38, 846-853 (2013).</li>
<li>Stewart, M. G., Al-Harthy, A. <a target="_blank" href="https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0951832007000099">Pitting corrosion and structural reliability of corroding RC structures: Experimental data and probabilistic analysis.</a> Reliability Engineering & System Safety. 93 (3), 373-382 (2008).</li>
<li>Darmawan, M. S., Stewart, M. G. <a target="_blank" href="https://www.tandfonline.com/doi/abs/10.1080/13287982.2006.11464951">Effect of Spatially Variable Pitting Corrosion on Structural Reliability of Prestressed Concrete Bridge Girders.</a> Australian Journal of Structural Engineering. 6 (2), 147-158 (2015).</li>
<li>Stewart, M. G., Mullard, J. A. <a target="_blank" href="https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0141029606003798">Spatial time-dependent reliability analysis of corrosion damage and the timing of first repair for RC structures.</a> Engineering Structures. 29 (7), 1457-1464 (2007).</li>
<li>Kashani, M. M., Lowes, L. N., Crewe, A. J., Alexander, N. A. <a target="_blank" href="https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0141029614003204">Finite element investigation of the influence of corrosion pattern on inelastic buckling and cyclic response of corroded reinforcing bars.</a> Engineering Structures. 75, 113-125 (2014).</li>
<li>Apostolopoulos, C. A., Demis, S., Papadakis, V. G. <a target="_blank" href="https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0950061812005570">Chloride-induced corrosion of steel reinforcement - Mechanical performance and pit depth analysis.</a> Construction and Building Materials. 38, 139-146 (2013).</li>
<li>Imperatore, S., Rinaldi, Z., Drago, C. <a target="_blank" href="https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S095006181730884X">Degradation relationships for the mechanical properties of corroded steel rebars.</a> Construction and Building Materials. , 219-230 (2017).</li>
<li>Kashani, M. M. <a target="_blank" href="https://ascelibrary.org/doi/abs/10.1061/%28ASCE%29MT.1943-5533.0001853">Size effect on inelastic buckling behaviour of accelerated pitted 1 corroded bars in porous media.</a> Journal of Materials in Civil Engineering. 29 (7), (2017).</li>
<li>Meda, A., Mostosi, S., Rinaldi, Z., Riva, P. <a target="_blank" href="https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S014102961400399X">Experimental evaluation of the corrosion influence on the cyclic behaviour of RC columns.</a> Engineering Structures. 76, 112-123 (2014).</li>
<li>Kashani, M. M., Crewe, A. J., Alexander, N. A. <a target="_blank" href="https://www.icevirtuallibrary.com/doi/abs/10.1680/jbren.15.00023">Structural capacity assessment of corroded RC bridge piers.</a> Proceedings of the Institution of Civil Engineers - Bridge Engineering. 170 (1), 28-41 (2017).</li>
<li>National Standard of the People's Republic of China. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=%22Standard+for+test+methods+of+long-term+performance+and+durability+of+ordinary+concrete%2C+Ministry+of+Housing+and+Urban-Rural+Development+of+the+People%27s+Republic+of+China%2C+GB%2FT+50082-2009%22">Standard for test methods of long-term performance and durability of ordinary concrete, Ministry of Housing and Urban-Rural Development of the People's Republic of China, GB/T 50082-2009</a>. , China Construction Industry Press. Beijing 100013, China. (2009).</li>
</ol>

作者无任何利益冲突需要披露。

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。...

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。

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

锈蚀钢筋形态参数评估方法的适用性分析

Applicability Analysis of Assessment Methods for Morphological Parameters of Corroded Steel Bars

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。

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。
<strong class="xf...

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）。

锈蚀钢筋沿其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，并产生明显影响……

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。

applicability-analysis-assessment-methods-for-morphological

Research

科研

JoVE Journal

Engineering

工程

钢筋形态参数评价方法的适用性分析

在此，我们介绍一种建立并运行实验的方案 体外 用于分析小型金属医疗器械点蚀腐蚀的电化学动电位腐蚀系统。...

动电位腐蚀测试

我们提出一种用于测量钢筋混凝土结构腐蚀评估或预测中高度相关参数的方法，其主要优势在于可对工程结构中的样品进行测试。这确保了钢-混凝土界面处于真实条件，对于避免实验室制备样品产生的人为假象至关重要。...

测定取自钢筋混凝土结构样品中腐蚀氯离子阈值的实验方案

本方案描述了一种通过施加均匀电磁场来制备取向钢纤维增强水泥基复合材料的方法。取向钢纤维增强水泥基复合材料相较于普通纤维增强混凝土具有更优异的力学性能。...

定向钢纤维增强水泥基复合材料的制备及其抗弯性能

与材料腐蚀相关的过程测试通常较为困难，尤其是在非水环境中。本文介绍了针对非水环境（特别是含生物乙醇的生物燃料）中腐蚀行为的短期和长期测试方法。...

金属腐蚀及腐蚀抑制剂在低导电性介质中的效率

采用一种结合裂纹扩展速率测量与应变场分析的新方法，研究微结构尺度下疲劳短裂纹的扩展行为，以揭示晶粒尺度以下的累积变形场。...

使用数字图像相关法对微结构小疲劳裂纹扩展进行全场应变测量

本文介绍了一种利用高速伺服液压加载框架在中等应变率下对拉伸试样进行动态表征的方法。同时，还规定了试样上应变片的安装与分析，以及数字图像相关应变测量的实验步骤。...

使用数字图像相关法进行中等应变率下的材料表征

本文介绍一种利用基于检测线圈的脉冲涡流传感器量化导电铁磁材料相对厚度（即相对于参考值的百分比厚度）的方案，同时克服了校准需求。...

使用基于探测线圈的脉冲涡流传感器量化导电铁磁材料的相对厚度

在共振试验机上对焊接试样进行疲劳试验时，采用数字图像相关技术来检测宏观裂纹并监测裂纹扩展。试样表面的裂纹会因应变增加而变得可见。...

采用数字图像相关法对焊接试样进行共振疲劳试验中的裂纹监测

开尔文探针力显微镜（KPFM）可测量表面形貌和表面电势差异，而扫描电子显微镜（SEM）及其相关谱学技术则可用于阐明表面形貌、成分、结晶性及晶体取向。因此，将SEM与KPFM进行共定位分析，有助于揭示纳米尺度成分和表面结构对腐蚀行为的影响。...

联用开尔文探针力显微镜与其他显微及谱学技术：在合金腐蚀表征中的若干应用

本文报道了一项针对现有现场工艺及其在封堵渗漏井筒方面改进方法的实验室规模研究。该方法包括对金属套管进行机械膨胀，从而改善金属与水泥之间的胶结，最终封闭水力通道，并防止因微环形通道存在而导致的气体泄漏。...

钢制套管机械膨胀作为解决井眼泄漏的方案

了解钢筋表面形态测量方法，包括质量损失、游标卡尺、排水法、三维扫描和XCT技术。三维扫描是评估腐蚀钢筋空间变异性的最佳方法，可精确评估工程结构的安全性与使用寿命。

锈蚀钢筋形态参数评估方法的适用性分析

探索更多视频