虞爱平， 赵艳林， 王 磊

（1.广西大学土木建筑工程学院，广西南宁530004；2.桂林理工大学广西矿冶与环境科学实验中心，广西桂林541004）

钢筋锈蚀破坏是钢筋混凝土结构损伤研究中不可回避的问题[1].锈蚀反应使钢筋表面出现非均匀分布的点蚀或坑蚀，反应物体积膨胀导致钢筋对混凝土的径向压力增加，从而降低混凝土对钢筋的约束，破坏了原有的黏结并最终引起开裂[2].整个过程持续时间长，受各种不确定因素影响较多，导致锈蚀分布和界面黏结的损伤程度各不相同.由于钢筋的锈蚀在混凝土内部发生，并且锈蚀发生的位置、分布形态和锈蚀程度是动态变化的，很难用传统的方法对破坏过程进行实时监测，从而也就无法深入揭示钢筋混凝土黏结破坏的机理.

声发射具有动态、实时的特点，对材料内部缺陷产生和扩展所释放的瞬态能量较为敏感，并能通过定位技术快速、准确地确定损伤部位.目前声发射技术已经成功应用于桥梁工程结构的健康监测[3－5]，以及岩石与素混凝土的损伤机理研究等方面[6－8].本文利用声发射技术对钢筋混凝土加速锈蚀试验过程进行了在线监测，以寻求锈蚀过程中钢筋锈蚀位置、分布以及程度情况，并与实际情况进行对比分析.试验结果表明：利用声发射技术对试件的整个锈蚀过程进行在线监测是可行的；声发射定位结果图能够有效地反映试件锈蚀的位置和分布情况，定位事件数的大小也能较好地反映试件的实际锈蚀程度.

1 试验

1.1 试验材料

试验采用柳钢生产的φ20的HRB335变形钢筋（月牙纹）；南宁生产的425＃海螺牌普通硅酸盐水泥；粗骨料选用最大粒径为20mm的石灰石碎石，细骨料选用中砂（普通河砂），细度模数M＝2.5；混凝土设计强度为C25，其配合比为m（水泥）∶m（砂）∶m（石子）∶m（水）＝3.36∶1.90∶1.00∶0.57.

1.2 试件设计

试验采用150mm×150mm×150mm的立方体中心拔出试件，钢筋预埋部分保留90mm黏结段，并在黏结段采用内开槽贴片技术黏贴应变片，如图1所示.为减少界面对钢筋锈蚀监测的影响，在钢筋预埋部分的两端各设置30mm的无黏结段，并涂刷环氧树脂.为防止浇注时水泥砂浆进入管内，先用绝缘胶布包裹无黏结段至合适厚度，再套紧PVC塑料管.砂浆浇注完毕后，将试件表面盖上薄膜，在20℃下养护3d.拆模后放入标准养护室养护28d，测得其抗压强度代表值为33.52MPa.

图1 试件示意图Fig.1 Figure of specimen（size：mm）

设计4组锈蚀样品，每组3个试件，编号分别为1－1，1－2，1－3，2－1，2－2，2－3，3－1，3－2，3－3，4－1，4－2，4－3.锈蚀试件制作时在水泥砂浆中掺入5%（质量分数，下同）的NaCl.通过控制每组试件加速锈蚀的天数来获得不同锈蚀程度.非锈蚀对照组也采用3个试件，编号为0－1，0－2，0－3，均不含NaCl.锈蚀试件浸入5%NaCl溶液中，浸泡3d；对照试件则放在水中养护3d.实测锈蚀程度根据JTJ 270—98《水运工程混凝土试验规程》测定.

1.3 加速锈蚀试验及在线监测方案

将连接钢筋的导线与恒定直流电源的阳极相接，直流电源的阴极则与溶液中的不锈钢片相连接，通过5%NaCl溶液形成回路，同时为了加速锈蚀，试件采用串联方式，如图2所示.在待锈蚀钢筋的两端布置两个声发射传感器，实时监测锈蚀过程中的声发射信号.对照试件则放在水中进行同步养护.

图2 加速绣蚀及声发射在线监测原理图Fig.2 Schematic diagram of corrosion and AE online monitoring（size：mm）

2 试验结果与分析

2.1 锈蚀过程的信号特征

根据文献[9－10]的研究可知，可利用断铅来模拟钢筋混凝土损伤产生的声发射信号.因此，为了揭示锈蚀过程的信号特征，在图2所示2个测点（测点1在钢筋表面，测点2在试件表面）各断铅15次之后，声发射传感器接受到2个测点的断铅信号，特征如图3所示.

对非锈蚀对照组的3个试件进行声发射信号采集，得到断路信号能量－平均频率关联图，如图4所示.由图4可知，在试件的不同位置断铅，声发射传感器接受到的断铅信号存在差异，在钢筋表面断铅（测点1）的信号能量主要集中在20～30kHz，而在试件表面断铅（测点2）的信号能量则主要集中在30～50kHz.

图3 断铅信号波形图Fig.3 Signal waveforms of pencil lead breaking

在加速锈蚀试验中产生声发射信号的机制是多种多样的，如钢筋表面钝化膜的破裂，锈蚀生成物的剥落、摩擦，以至锈蚀严重时锈蚀生成物渗进混凝土，混凝土的开裂等，它们都可能产生能够探测到的声发射信号.这些信号到达传感器有两种途径：一种是直接通过钢筋到达传感器，另外一种是通过在混凝土中折射、反射后通过钢筋到达传感器，分别对应图3中两种断铅情况.因此可以认为锈蚀信号能量主要集中在20～50kHz，其中20～30kHz包含着钢筋轻微锈蚀信号，主要是钢筋表面钝化膜破裂的信号，30～50kHz包含着钢筋锈蚀物和混凝土之间相互作用以及混凝土开裂的信号.

图4 断铅信号能量－平均频率关联图Fig.4 Energy－average frequency curve of pencil lead breaking

为了验证上述推测的正确性，选取试件0－1，1－1进行对比试验，对比试件参数情况如表1所示.声强分贝数门槛设为40dB，在未通电时基本没有噪声信号，对试件1－1通电24h，试件0－1不通电.由试件能量－平均频率关联图（图5）可以看出，随着锈蚀天数的增加，信号频段中心从低频向高频转移：试件0－1信号能量主要集中在20～30kHz；试件1－1信号能量主要集中在20～50kHz.试件0－1为不含NaCl试件，在加速锈蚀过程中，其钝化膜缓慢破裂，属轻微锈蚀信号；含NaCl试件1－1在通电加速锈蚀后，钢筋产生锈蚀物并开始渗入混凝土中，信号频带变宽，信号频段中心往高频转移.由表1中的定位事件数也可以看出，通电以后，事件数明显增加，说明通电后锈蚀速度明显加快.由图5也可以看出，这些试件锈蚀信号的能量主要集中在20～50kHz.这和上述断铅试验的结论是一致的.

表1 试件参数及其试验结果Table 1 Parameters and test results of specimens

图5 试件能量－平均频率关联图Fig.5 Energy－average frequency curve of corrosion specimens

2.2 线性定位结果分析

在钢筋通电加速锈蚀过程中，利用声发射线性定位技术进行全程在线监测，以确定试件的初始损伤位置.根据图2中X方向的线性定位可知，钢筋黏结段在150～240mm，混凝土试块在120～270mm.图6是各试件初始损伤的声发射线性定位结果，从各试件的初始损伤定位图及实际锈蚀情况对比可以得到以下结论：

①声发射线性定位技术能够较准确地监测试件内部钢筋的锈蚀位置.钢筋的锈蚀主要发生在钢筋黏结段即150～240mm，而由于试件开裂、钢筋锈蚀物渗入混凝土中，导致钢筋非黏结段也会产生不少事件数，即定位结果在120～270mm.

②定位图形状可以反映试件内部不同位置处的钢筋锈蚀程度和分布情况.对于通电3d以上的试件，可以看出大量钢筋锈蚀物已渗入混凝土中.从锈蚀物的分布大致可以看出不同位置处的锈蚀程度不一致.从定位图的形状也可以明显看出试件中钢筋锈蚀严重的部位：试件2－3在X＝200mm附近，即试件中部；试件3－1，3－2在X＝150mm附近，即靠近试件加载端.这和试件实际的锈蚀情况是一致的，如各试件实际锈蚀情况图中箭头所指的位置.

图6 各试件初始损伤图Fig.6 Initial damage of specimens

③定位事件数的大小可以反映实际钢筋的锈蚀程度.表1中数据表明，随着通电时间的加长，试件定位的总事件数逐渐增加.图7给出了试件定位事件计数与钢筋锈蚀程度的归一化曲线.由图7可知，事件数的增加和实测的钢筋锈蚀率是一致的.对比表1中试件3－1，3－2的事件数可知，两者的锈蚀程度相差不大，而事件数相差较大，这是由于钢筋锈蚀后，锈蚀物与混凝土的相互作用、试件开裂也会产生大量的声发射信号，所以在锈蚀程度相近时，事件数会有所差别；试件4－1的定位事件数要明显大于试件4－3，说明试件4－1的锈蚀物渗入混凝土的量明显较多.

图7 试件定位事件计数、钢筋绣蚀程度归一化曲线Fig.7 Normalized curve of the events and corrosion extent

利用声发射软件的滤波功能，可将声发射在线监测的定位结果按时段进行划分，分别统计出各时段的定位事件数，如表2所示.

图8为试件3－1在不同时间段的钢筋锈蚀分布情况.由图8可知，钢筋在不同时间段的锈蚀速度快慢不同，在钢筋上的锈蚀位置也具有随机性.试件4－1和4－3由于试验前更换了锈蚀溶液，钢筋前期锈蚀速度加快，通电前3d钢筋锈蚀明显，后期锈蚀速度有所减慢.表2的监测数据表明声发射能较好地监测到不同时间段的事件数.

表2 各时间段事件计数表Table 2 Number of events during corrosion

从不同锈蚀程度试件的定位结果和同一试件不同时段的定位结果的对比分析可以看出，声发射定位结果图和试件锈蚀的位置及分布有较好的一致性，定位事件数的大小与试件的实际锈蚀程度有较好的关联性，定位事件数的增长与锈蚀程度的增长较为吻合.

图8 试件3－1各时间段锈蚀分布情况Fig.8 Situation of corrosion of specimen 3－1

3 结论

（1）加速锈蚀过程中，锈蚀信号能量主要集中在20～50kHz，其中20～30kHz频段反映了钢筋轻微锈蚀信号，主要是钢筋表面钝化膜破裂的信号，30～50kHz频段反映了钢筋锈蚀物和混凝土之间相互作用以及混凝土开裂的信号.

（2）声发射定位结果图可以反映试件锈蚀的位置和分布情况，定位事件数的大小可以反映试件的实际锈蚀程度.利用声发射技术对试件的整个锈蚀过程进行在线监测是可行的.

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