金伟良，项凯潇，毛江鸿，徐方圆，张 军, 2

(1. 浙江大学 宁波理工学院，浙江 宁波 315100; 2. 浙江大学 结构工程研究所，浙江 杭州 310058)

基于压磁效应的锈蚀钢筋应力状态检测试验研究

金伟良1，项凯潇1，毛江鸿1，徐方圆1，张 军1, 2

(1. 浙江大学 宁波理工学院，浙江 宁波 315100; 2. 浙江大学 结构工程研究所，浙江 杭州 310058)

钢筋锈蚀是严重威胁结构安全的耐久性问题，基于压磁效应，研究均匀锈蚀和坑蚀两种锈蚀钢筋的应力状态与压磁场变化的关系。首先，采用通电加速锈蚀方法进行钢筋均匀锈蚀和点蚀试验；然后，通过轴向拉伸静载试验和疲劳加载试验，分析锈蚀钢筋的压磁信号特征。试验结果显示，磁感强度与钢筋应力状态之间具有较好的对应关系，屈服阶段不同锈蚀率下的钢筋磁感强度曲线有较明显区别，疲劳荷载作用下锈蚀钢筋的法向残余磁感强度和磁滞回环面积均呈现疲劳三阶段变化规律，可进一步运用于钢筋应力状态的检测中。

均匀锈蚀；坑蚀压磁效应；磁感强度；磁滞回环；钢筋锈蚀；应力状态

钢筋锈蚀是沿海工程钢筋混凝土结构性能劣化的最主要原因，因而锈蚀钢筋的力学性能一直是国内外学者关心的重要问题[1]。Uomoto等[2]对受环境影响的钢筋混凝土结构中的锈蚀钢筋进行试验测试，发现钢筋锈蚀后，屈服强度和极限强度发生5%～10%的下降。Abdullah[3]利用通电加速锈蚀混凝土中钢筋的方法，对锈蚀率从0%～80%的钢筋进行了抗拉测试，实验结果显示当锈蚀率到达一定程度时，名义应力强度和延性都将降低。Castel等[4-5]对已服役14年的钢筋混凝土梁进行试验测试，发现锈蚀会导致钢筋截面积减小，钢筋混凝土梁刚度降低、承载力下降。袁迎曙等[6]通过现场采样、实验室加速锈蚀及模拟制作三个途径获取锈蚀钢筋，试验结果表明锈后钢筋的屈服强度、极限强度、延伸率均显著下降。张克波等[7]对361根锈蚀钢筋进行试验后发现锈后的带肋钢筋比光圆钢筋性能下降更快，加速锈蚀试件比自然锈蚀试件性能下降更快。陈才生[8]对重载及腐蚀梁进行疲劳试验，结果表明梁中锈蚀钢筋对疲劳损伤十分敏感，构件整体性能加速劣化。实际混凝土结构中钢筋的锈蚀以坑蚀为主[9]，导致钢筋截面损失与力学性能退化[10-11]。易伟建等[12]通过锈蚀钢筋混凝土梁的疲劳试验发现，疲劳破坏发生在应力幅最大且表面有蚀坑的钢筋截面。虽然目前可以通过分布式光纤技术(需要预埋光纤)等方式对钢筋锈胀过程的混凝土应力进行监测[13-15]，但是钢筋的受力状态以及锈蚀程度往往难以准确评估。

压磁效应最早由Villari[16]发现，反映了铁磁性材料在恒定弱磁场下的力与磁相互关系。英国学者Wilson等[17]通过检测拉伸试件的残余磁场来评估其应力状态，结果显示磁场与应力之间有良好的相关性。Carik等[18]对铁、镍等多种铁磁性材料施加拉压应力后发现，磁场曲线滞回特性明显，且拉应力引起的磁场变化要大于同等级压应力引起的磁场变化。金伟良等[19-20]首次提出可以将压磁效应应用于钢筋混凝土结构的疲劳研究，并通过试验研究证明了这种方法的可行性。

对锈蚀钢筋受拉过程中的压磁场进行监测，研究均匀锈蚀和点蚀两种情况下锈蚀钢筋应力状态与压磁场变化之间的关系，结果表明，压磁场对钢筋受力状态的改变是十分敏感的。

1 试验设计与过程

1.1钢筋通电加速锈蚀试验

目前，锈蚀钢筋的获取方法主要有老化构件替换法、长期暴露试验法与通电加速锈蚀法。获取老化构件数量往往有限，长期暴露试验法周期又太长，所以这里采用溶液模拟加速通电锈蚀的方法获取锈蚀钢筋，既可较好地控制预期锈蚀率，又与实际锈蚀状况相近。均匀锈蚀和点蚀钢筋的电通电加速试验如图1所示。

图1 钢筋均匀锈蚀模拟试验和点蚀模拟试验Fig. 1 Steel bar uniform corrosion method and pitting corrosion method

为了防止钢筋两端出现锈蚀影响试验加载，钢筋两端套入PVC管中并采用玻璃胶密封以隔绝氧气和有害离子的进入。均匀锈蚀试验时，无PVC管保护度段取为300 mm，该区域钢筋与吸水海绵直接接触，吸水海绵会将容器中5.0%氯化钠溶液带到钢筋表面。点蚀试验时，无PVC管保护度长度为30 mm，该区域全部用玻璃胶密封，待胶体凝固后在中间挖取不同尺寸的孔，模拟不同大小的蚀坑。容器内放置的不锈钢板作为阴极，钢筋试件作为阳极，进行通电加速锈蚀，根据法拉第定律计算通电时间：

式中：ΔωS为钢筋锈蚀引起的质量损失，g；MFe为铁的摩尔质量，取56 g/mol；t为通电时间，s；ZFe为铁的化合价，取2；F为法拉第常量，取9.65×104A·s；I为腐蚀电流，mA；A为蚀坑处钢筋表面积，cm2。

1.2加载与测试系统

试验在全数字控制250 kN电液伺服疲劳试验机上进行，通过引伸计记录钢筋在荷载作用下的变形。静力试验加载采用位移控制，加载速率为2 mm/min，试件拉断后试验终止；疲劳试验加载采用应力控制方式，加载频率为2.0 Hz，钢筋断裂后试验终止。

压磁场与钢筋受力状态的对应关系，实质上是力与磁能之间的转化[21-22]。当应力能发生改变时，磁弹性能便会因为材料内部磁畴结构的转向与运动发生相应的改变。通过两台美国Applied Physics System公司的APS428D磁通门磁力仪采集系统及配备的APS460磁探头测量钢筋周围的法向磁场信号，接入IMC动态数据采集仪中供后续分析，采集频率为1 000 Hz。试件周围设置屏蔽环以降低环境磁噪声，量测装置安装如图2所示。

图2 加载及量测系统Fig. 2 Loading and measuring system

2 压磁效应检测的干扰影响分析

2.1地磁场中环境磁噪声影响

试验过程中压磁信号不可避免会受到外界环境磁噪声的干扰。图3为地磁场下加载未开始前法向磁场受环境磁噪声影响所产生的波动，从图中可看出法向磁感强度波动约为0.3 mG，该变化值远小于试验中磁感强度变化的量级。

2.2探头提离值影响

图4给出了不同提离值(磁探头与试件表面距离)下法向磁场沿钢筋长度方向的变化规律。提离值的增大并未改变磁场分布规律，但法向磁场的变化幅度均随提离值增大而减小，意味着压磁场信号对提离值较敏感，距离的增大使信号强度减弱，因此，试验时应避免提离值过大。考虑实际工程中混凝土保护层的厚度，本文试验的提离值取为33 mm。

图3 地磁场中环境磁噪声对法向磁场影响Fig. 3 Effect of environmental magnetic noise

图4 不同提离值下法向磁场分布规律Fig. 4 Distribution of normal magnetic field under different liftoffs

2.3试验机作动头影响

试验机的加载作动头是铁磁性材料，相对位置的改变会引起磁信号的改变。本试验过程中，测量了固定提离值下作动头位移所产生的磁感强度变化，对试件拉伸过程中量测的磁信号进行修正。

3 试验结果与分析

首先对光圆钢筋进行轴向静载拉伸试验，分析均匀锈蚀钢筋和点蚀钢筋的压磁场分布特征；然后进行不同直径锈蚀钢筋的疲劳拉伸试验，分析锈蚀钢筋在不同疲劳阶段的压磁信号演变规律。

3.1静力作用下钢筋应力状态的压磁特征

在对φ10光圆钢筋进行加速锈蚀试验后，进行了锈蚀与未锈蚀钢筋的轴向静载拉伸试验。表1为静载试验中各钢筋的锈蚀程度及屈服荷载、极限荷载、伸长率等静力性能测试结果。

表1 静载试验的钢筋试验参数和力学性能指标Tab. 1 Static loading test parameters and mechanical properties of steel bars

3.1.1 未锈蚀钢筋的压磁信号

图5为未锈蚀光圆钢筋的荷载—变形曲线和法向磁感强度—变形曲线。其中，荷载—变形曲线均表现了钢筋弹性—屈服—强化—断裂四个阶段，而钢筋的磁感强度—变形曲线发展趋势却并不相同。

图5 未锈蚀钢筋荷载—变形曲线和磁感强度—变形曲线Fig. 5 Load-deflection curve and magnetic intensity-deflection curve of non-corrosion steel bar

图5中，S0-1和S0-2钢筋在弹性阶段最大法向磁感应强度分别为559.3 mG和381.5 mG，在屈服阶段前半段，磁能在钢筋中累计，磁感强度增加，当变形到达6.6 mm左右时，法向磁感强度到达峰值，随后逐渐下降。S0-3磁感强度在强化阶段仍有较小幅度的增长。可以看到，磁感强度在弹性阶段由于磁弹性能的累积而不断增加；进入屈服阶段，出现晶体滑移，累积的部分能量得到释放，当到达某个阈值后，尽管此时变形还在增大，但磁感应强度已不再增加。进入强化阶段后，位错滑移持续累积，当磁能释放速率大于新增磁能时表现为磁感强度的下降，若滑移不充分，磁能释放速率小于新增磁能时，则磁感继续增加。

3.1.2 均匀锈蚀钢筋应力状态的压磁检测

在检测均匀锈蚀钢筋的磁信号时，将磁探头布置在锈蚀段三分之一处。图6为静载拉伸试验中均匀锈蚀钢筋的荷载—变形曲线及法向磁感强度—变形曲线。

图6 不同锈蚀率的光圆钢筋荷载—变形曲线和磁感强度—变形曲线Fig. 6 Load-deflection curve and magnetic intensity-deflection curve of plain bar with different uniform corrosion ratios

由图6可知，均匀锈蚀对光圆钢筋力学性能存在较大影响，屈服荷载、极限荷载均随锈蚀率增大而降低，锈蚀率达13.1%时的变形能力仅为未锈蚀试件的14.4%。从荷载—变形曲线(图6(a))可以看出，锈蚀率较大时(SU-2和SU-3)，该钢筋的屈服平台已经消失，弹性阶段结束后直接进入强化阶段。磁感强度—变形曲线(图6(b))也显示了同样的特征，SU-1与SU-3在屈服阶段的磁感强度均为先增加后减小，而锈蚀率较大的SU-2、SU-3没有观察到该现象。产生该现象的原因是钢筋锈蚀率越低，屈服阶段的磁畴结构的有序化定向排列越充分，相应的磁感强度表现为先增加后降低。当锈蚀率增大到一定程度后，钢筋的屈服平台渐不明显，相应的磁畴结构无定向排列，因此，磁感强度曲线中亦没有观测到屈服过程。

3.1.3 点蚀钢筋应力状态的压磁检测

在对点蚀钢筋进行磁信号检测时，为使漏磁现象更明显，将磁探头面向坑蚀面。图7为点锈蚀钢筋的荷载—变形曲线及法向磁感强度—变形曲线。

由图7(a)可知，不同点蚀形状钢筋的屈服荷载并没有发生降低，且屈服平台长度也未出现缩短，但极限荷载随着蚀坑深度的增大而降低，这与文献[16]揭示的“蚀坑深度相比于蚀坑长度和蚀坑宽度，对钢筋力学性能影响更大”相一致。图7(b)中屈服阶段磁感强度变化过程表现出更多的信息，蚀坑深度较小SP-1、SP-2、SP-3与S0-1相似，磁感强度先增大后减小；蚀坑深度较大的SP-4、SP-5、SP-6则没有表现出上述现象。说明相比荷载—变形曲线，磁感—变形曲线更能反映钢筋中存在的蚀坑及蚀坑大小。

3.1.4 屈服阶段各钢筋压磁信号的对比分析

将未锈蚀钢筋、均匀锈蚀钢筋、点蚀钢筋的屈服阶段法向磁感强度—变形共同绘制于图8。从图8中可以明显看出，低锈蚀率和高锈蚀率下钢筋在屈服阶段的磁感强度—变形曲线存在明显区别。无论是均匀锈蚀还是点蚀，在低锈蚀率情况下磁感强度均表现为先增加后减小的过程，而高锈蚀率情况下磁感强度则单调变化进入强化阶段。

3.2疲劳荷载作用下钢筋应力状态的压磁特征

选取直径为10 mm的HPB300光圆热轧钢筋与直径为14 mm以及16 mm的HRB400带肋热轧钢筋进行疲劳试验，重点关注锈蚀钢筋在不同疲劳阶段的压磁信号特征。表2为锈蚀钢筋疲劳试验的试验参数及疲劳寿命。

表2 锈蚀钢筋的疲劳试验参数和疲劳寿命Tab. 2 Fatigue test parameters and fatigue life of corroded steel bars

3.2.1 锈蚀钢筋的残余磁感强度演变

由于钢筋在制作及运输过程中可能已经受过荷载作用，与完全退磁的标准试件有所区别，因此在钢筋疲劳试验过程中，各钢筋的磁感强度并不同，同时试验得到的各钢筋疲劳寿命也不尽相同。为了对钢筋在疲劳荷载作用下的残余磁感强度发展规律进行分析，对每根钢筋的残余磁感强度与疲劳寿命进行均一化处理，如图9所示。

图9中，横坐标代表相对疲劳寿命(即，实际疲劳循环次数/疲劳寿命)，纵坐标代表相对残余磁感强度(即，残余磁感强度增量/残余磁感强度总增量)。将各钢筋的相对法向残余磁感强度发展规律进行多折线拟合，可以得出法向残余磁感强度变化规律包括三个阶段：1)初始阶段：随着疲劳次数的增加，法向残余磁感强度快速增长，占整个疲劳寿命的5%～10%；2)稳定阶段：进入该阶段后法向残余磁感强度基本不随疲劳次数增加而增长，约占整个疲劳寿命的80%；3)破坏阶段：接近90%疲劳寿命之后，法向残余磁感强度剧增。这与钢筋疲劳损伤累积的三阶段变化规律是一致的，可以帮助判断疲劳损伤所处阶段。

试验中，各锈蚀钢筋在稳定阶段的法向残余磁感强度增长量在11～56 mG之间，约为残余磁感强度总增量的40%～70%。通过比较，直径分别为10 mm和14 mm的锈蚀钢筋中，锈蚀率更大的钢筋(SF10-2和SF14-2)的稳定阶段法向残余磁感强度百分比相对更小，但直径16 mm锈蚀钢筋则相反。

图9 锈蚀钢筋的法向残余磁感强度Fig. 9 Residual magnetic intensity in the normal direction of corroded bars

3.2.2 锈蚀钢筋的磁场应变滞回曲线

传统的疲劳分析中采用应力—应变滞回曲线来反映循环荷载下结构的变形特征、刚度退化及能量耗散等。基于维拉利效应，可采用磁感强度对钢筋疲劳性能进行分析。图10为SF16-2在不同循环次数下的钢筋应力—应变曲线与法向磁感强度—应变曲线。在单次循环中，法向磁感强度—应变曲线的滞回特性更明显；而且法向磁感强度—应变滞回曲线在不同阶段的形状不尽相同，其中，初始第1次循环滞回曲线不闭合，残余磁感强度快速增长，第10 000～150 000次滞回曲线的形状基本稳定，但接近破坏阶段(第228 892次)时形状发生畸变，而应力—应变曲线未能表现出这些特点。

图10 SF16-2不同阶段法向磁感强度(应力)—应变滞回曲线Fig. 10 Normal magnetic field strain hysteresis curve at different stages

为了反映磁感强度—应变曲线在疲劳不同阶段的特点，这里引入与应力—应变滞回环相类似的“磁滞回环面积”，即单个循环荷载作用下磁感强度—应变曲线包络面积，用以反映循环荷载下的磁能变化。图11为不同锈蚀钢筋在疲劳荷载下的法向磁滞回环面积变化曲线。由于各根钢筋的疲劳寿命不相同，为了方便比较将疲劳阶段进行均一化处理。比较结果显示，磁滞回环面积亦表现出三阶段变化规律：1)初始阶段：开始循环荷载时磁滞回环面积最大，随着循环次数增加，磁滞回环面积迅速减小，且面积减少速率递减，该阶段约占整个疲劳寿命的5%；2)稳定阶段：该阶段的磁滞回环面积值不随疲劳次数增加而变化，约占整个疲劳寿命的80%以上；3)破坏阶段：当接近破坏时，磁滞回环面积值不再保持稳定，出现或增长或减少的变化，同时滞回环也将出现如图10(d)等形状突变。此外，由图11可见，相同直径的钢筋锈蚀率越大，其法向磁滞回环面积也越大，这是因为锈蚀率越大，钢筋截面积减小，使得钢筋应力集中现象更明显，应变值也更大，因而滞回环面积也更大。

图11 法向磁滞回环面积变化曲线Fig. 11 Normal magnetic field strain hysteresis loop area distribution

4 结 语

进行了未锈蚀钢筋、均匀锈蚀钢筋和点蚀钢筋的静力拉伸和疲劳试验，对加载过程中钢筋周围的压磁场进行监测，探究其与钢筋受力状态、锈蚀程度之间的关系，得到了以下结论：

1)试验过程中考虑了地磁场、探头提离值、作动头等对测试结果的影响分析，结果表明，外界环境磁噪声对试验压磁信号的影响可通过相关屏蔽装置予以减小，合理的提离值下可监测到满足试验精度要求的压磁场信号。

2)磁感强度—变形曲线和荷载—变形曲线之间在弹性阶段、屈服阶段、强化阶段均具有较好的对应关系，说明基于压磁效应的检测方法可作为一种钢筋应力状态的有效测试手段。

3)低锈蚀率和高锈蚀率下钢筋在屈服阶段的磁感强度—变形曲线存在明显区别，可通过该现象判断钢筋的锈蚀程度，研究成果表明，经过进一步系统研究，该技术可应用于钢筋混凝土耐久性实验或者实际工程中钢筋锈蚀程度无损检测和评估。

4)循环荷载作用下锈蚀钢筋的法向残余磁感强度和磁滞回环面积均呈现疲劳三阶段变化规律，锈蚀率越大磁滞回环面积也更大，相比基于应力—应变的指标参数能显著反映疲劳损伤信息，可进一步用于材料疲劳寿命预测与评估。

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Experimental study on stress detection of corroded steel bars based on piezomagnetic effect

JIN Weiliang1, XIANG Kaixiao1, MAO Jianghong1, XU Fangyuan1, ZHANG Jun1, 2

(1. Ningbo Institute of Technology, Zhejiang University, Ningbo 315100, China; 2. Institute of Structural Engineering, Zhejiang University, Hangzhou 310058, China)

Rebar corrosion has become a serious threat to structural safety. Based on piezomagnetic effect, it was focused on relationships between the stress states and magnetic signal changes under two kinds of corrosion forms (uniform corrosion and pitting corrosion). Firstly, the accelerated corrosion method was applied to obtain corroded steel bars. Uniaxial tension tests under static and cyclic loadings were carried out to analyze the evolution of magnetic signal. The test result indicates that the magnetic field intensity is corresponding to the stress state of the rebar. In the yield stage, the magnetic field intensity curves under different corrosion ratios are obviously different. It also shows that the residual magnetic intensity and the hysteresis loop area experience three steps of varieties, which can be further utilized in the stress detection of corroded rebar.

corroded steel bar; piezomagnetic effect; magnetic field intensity; hysteresis loop; rebar corrosion; stress state

1005-9865(2017)06-0062-09

TU375

A

10.16483/j.issn.1005-9865.2017.06.008

2017-05-29

国家科技支撑资助项目(2015BAL02B03)；国家自然科学基金(51638013，51578490)；浙江省自然科学基金(LY18E080003)；宁波市科技创新团队(2011B81005)；宁波市自然科学基金(1140357B1609，2017A610313)；浙江省博士后科研项目择优资助(20900586201)

金伟良(1961-)，男，教授，主要从事工程结构可靠性理论和应用的研究。E-mail：jinwl@zju.edu.cn

毛江鸿。E-mail: jhmao@nit.zju.edu.cn