卡尺法和排水法測(cè)試鋼筋表觀參數(shù)的有效性分析

魏　仁，官曉濤，李大望,2

(1.深圳大學(xué) 土木工程學(xué)院,廣東 深圳 518060；2.深圳大學(xué) 廣東省濱海土木工程耐久性重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 廣東 深圳 518060)

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卡尺法和排水法測(cè)試鋼筋表觀參數(shù)的有效性分析

魏仁1，官曉濤1，李大望1,2

(1.深圳大學(xué) 土木工程學(xué)院,廣東 深圳 518060；2.深圳大學(xué) 廣東省濱海土木工程耐久性重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 廣東 深圳 518060)

濱?；炷两Y(jié)構(gòu)的鋼筋銹蝕，將嚴(yán)重劣化結(jié)構(gòu)的服役可靠性。相對(duì)于未銹蝕的完好鋼筋，銹蝕鋼筋的表觀形貌沿軸向顯著變化，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面承載力的不均性。分別利用游標(biāo)卡尺法和排水法對(duì)完好鋼筋和銹蝕鋼筋的直徑和截面面積等表觀參數(shù)進(jìn)行測(cè)試，對(duì)比分析了兩者的測(cè)試成本、效率與精度等。結(jié)果表明，對(duì)于完好鋼筋，卡尺法所用儀器簡(jiǎn)單、測(cè)試效率和精度高，并能提供鋼筋截面形狀與分布的完整信息，而排水法可以直接獲得銹蝕鋼筋剩余截面面積及其軸向分布，精度更高。

鋼筋形貌；銹蝕率；游標(biāo)卡尺法；排水法

濱海腐蝕環(huán)境下，鋼筋銹蝕是混凝土結(jié)構(gòu)性能劣化的主要原因[1]。銹蝕鋼筋截面積減少和應(yīng)力集中，不僅導(dǎo)致鋼筋力學(xué)性能下降[2]，而且受力鋼筋剩余截面的軸向分布不均勻性將使結(jié)構(gòu)構(gòu)件的截面承載力顯著變化。

游標(biāo)卡尺法(下稱卡尺法)和排水法是測(cè)定銹蝕鋼筋表觀參數(shù)的常用方法，測(cè)試參數(shù)包括鋼筋坑蝕深度、等效直徑的截面面積等，進(jìn)而獲得銹蝕鋼筋的截面銹蝕率特征。文獻(xiàn)[3]利用游標(biāo)卡尺測(cè)量鋼筋的截面損失率，研究了鋼筋截面銹蝕率與質(zhì)量銹蝕率的關(guān)系；文獻(xiàn)[4]基于文獻(xiàn)[3]的兩種銹蝕率關(guān)系開展了銹蝕混凝土梁的承載力有限元分析。文獻(xiàn)[5]中通過(guò)卡尺法測(cè)試了鋼筋銹坑的長(zhǎng)度和寬度，研究了坑蝕對(duì)鋼筋伸長(zhǎng)率的影響。文獻(xiàn)[6]～[8]分別利用卡尺法和排水法測(cè)量了銹蝕鋼筋的剩余截面直徑，探討了銹蝕鋼筋力學(xué)性能的衰變特征。卡尺法和排水法針對(duì)完好鋼筋和銹蝕鋼筋表觀參數(shù)的測(cè)試適用性各具優(yōu)勢(shì)與不足，但尚未見到有關(guān)研究報(bào)道。

本文通過(guò)完好鋼筋及其銹蝕后試件的截面直徑和截面面積的測(cè)試，進(jìn)行了卡尺法和排水法在測(cè)試成本、效率與精度等方面的有效性分析。

1　測(cè)試方法及原理

1.1卡尺法

卡尺法是采用游標(biāo)卡尺量測(cè)試件幾何參數(shù)的簡(jiǎn)便方法，圖1為常用的游標(biāo)卡尺示意圖。以主尺和游標(biāo)尺兩者共同對(duì)試件進(jìn)行量測(cè)，利用內(nèi)外量爪和深度尺可獲得試件的內(nèi)外徑和深度數(shù)據(jù)。測(cè)量前需將量爪并攏，確定游標(biāo)與主尺的零刻度線是否對(duì)齊。否則，需記取零點(diǎn)誤差并在后期數(shù)據(jù)處理時(shí)扣除。測(cè)量時(shí)，需右手拿住主尺，大拇指移動(dòng)游標(biāo)，左手拿待測(cè)外徑(或內(nèi)徑)的試件并使其位于外測(cè)量爪之間。當(dāng)試件與量爪緊緊相貼時(shí)，讀取主尺和游標(biāo)的讀數(shù)，后將游標(biāo)與主尺、零點(diǎn)誤差相加減即可得到試件的尺寸。為改善測(cè)量精度，可以進(jìn)行多次測(cè)量，剔除因?qū)嶒?yàn)操作不當(dāng)而引起的誤差。卡尺法測(cè)試鋼筋直徑的精度可達(dá)0.02 mm。

基于試件直徑的測(cè)試數(shù)據(jù)，可按式(1)計(jì)算鋼筋的橫截面積：

(1)

其中，d為測(cè)試的鋼筋直徑。對(duì)于銹蝕鋼筋，由于其截面通常分布不具明顯的圓形特征，利用公式(1)計(jì)算截面面積隱含了圓形截面的等效假定。由此將導(dǎo)致鋼筋截面面積估算數(shù)據(jù)的誤差，也需要附加進(jìn)行多方位的截面等效直徑量測(cè)，在測(cè)試成本和效率以及測(cè)試精度上，顯示出卡尺法的局限性。

圖1　游標(biāo)卡尺示意圖

1.2排水法

排水法的基本思想來(lái)源于阿基米德原理。圖2為實(shí)驗(yàn)裝置示意圖[9]，測(cè)試設(shè)備包括配有溢水口的容器、盛水容器和高精度的電子秤。將水裝滿至溢水試管的管口，鋼筋試樣垂直插入溶液時(shí)可測(cè)量出溢出水的質(zhì)量。

圖2　排水法測(cè)試原理圖

分次等間隔將鋼筋試件浸入水中，稱量并記錄相應(yīng)溢出水的質(zhì)量mi(i=1～n)，其中i為鋼筋下降第i個(gè)位移間隔的序號(hào)，n為下降的總次數(shù)。測(cè)量完畢后按式(2)計(jì)算銹蝕鋼筋沿軸向分布的各個(gè)截面積：

(2)

其中，mi為稱重?cái)?shù)值，g為重力加速度，ρ為水的密度，h為等間隔下降的位移值。

由于公式(2)計(jì)算鋼筋截面積是隱含了各下降分段內(nèi)鋼筋截面積相等的假定，因而下降位移h的取值對(duì)最終的結(jié)果具有較大影響。此外，由排水法獲得的面積按式(1)計(jì)算銹蝕鋼筋的等效直徑，同樣需要截面為圓形的近似假定。

2　試件及其參數(shù)測(cè)試

2.1試件描述

選取一根未銹蝕鋼筋和一根銹蝕鋼筋利用卡尺法和排水法進(jìn)行其表觀參數(shù)及分布測(cè)試。其中，未銹蝕鋼筋形似等截面圓形，名義直徑為14 mm，長(zhǎng)度505 mm。按照ASTM[10]對(duì)稱重法的基本要求，用精度為0.01 g的電子天平測(cè)得未銹蝕鋼筋的質(zhì)量為581.40 g。

測(cè)得未銹蝕鋼筋質(zhì)量、利用卡尺法測(cè)試其軸向各指定截面直徑后，按法拉第定律對(duì)其實(shí)施通電加速銹蝕。按標(biāo)準(zhǔn)清洗程序銹蝕鋼筋并切除兩端銹蝕嚴(yán)重部分，得到用于測(cè)試分析的銹蝕鋼筋試件，其長(zhǎng)度為250 mm，稱量質(zhì)量為203.35 g。

假定未銹蝕和銹蝕鋼筋具有相同的質(zhì)量密度，利用前述稱量的質(zhì)量，鋼筋的質(zhì)量銹蝕率即體積銹蝕率：

(3)

其中，m0是長(zhǎng)度為250 mm的未銹蝕鋼筋的質(zhì)量(287.82 g)，m是長(zhǎng)度為250 mm的銹蝕鋼筋的質(zhì)量(203.35 g)。

2.2表觀參數(shù)測(cè)試過(guò)程

2.2.1卡尺法

圖3　卡尺法測(cè)試截面示意圖

采用精度為0.02 mm的數(shù)顯游標(biāo)卡尺分別對(duì)未銹蝕鋼筋和銹蝕鋼筋進(jìn)行直徑測(cè)試。對(duì)未銹蝕鋼筋，從試件的一端以間隔50 mm為一個(gè)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行量測(cè)。每一個(gè)測(cè)點(diǎn)任意選取4個(gè)角度測(cè)量，獲得4個(gè)直徑，共測(cè)得11組，共44個(gè)直徑。結(jié)果顯示，每個(gè)測(cè)點(diǎn)的4個(gè)直徑數(shù)據(jù)均很接近，而且不同測(cè)點(diǎn)之間的測(cè)量數(shù)據(jù)的差距也很小。44個(gè)測(cè)得直徑中最大直徑和最小直徑的差值不超過(guò)0.08 mm。44個(gè)直徑平均值，即未銹蝕鋼筋的平均直徑為13.76 mm。

鑒于銹蝕鋼筋的表觀形態(tài)變異性較大，測(cè)試間隔加密，按每10 mm為一個(gè)測(cè)點(diǎn)。每個(gè)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行多次測(cè)量后，得到鋼筋在該截面的兩個(gè)長(zhǎng)度d1和d2，具體如圖3所示。假定銹蝕后鋼筋截面仍保持圓形，將d1和d2的平均值作為銹蝕后鋼筋的名義直徑d，進(jìn)而用公式(1)計(jì)算該截面的剩余面積。

分別將未銹蝕鋼筋和銹蝕鋼筋各測(cè)點(diǎn)的直徑或面積歸類對(duì)比，可得到相應(yīng)的表觀參數(shù)分布形態(tài)。

2.2.2排水法

利用排水法對(duì)銹蝕鋼筋的截面面積及其分布進(jìn)行了測(cè)試。圖2中，電子秤精度為0.001 g，試管中盛滿蒸餾水至溢水口相平處，手持銹蝕鋼筋的一端，另一端則與溢水口處的液面貼平。以每10 mm作為一個(gè)測(cè)點(diǎn)，逐級(jí)緩慢、平穩(wěn)地將銹蝕鋼筋垂直浸入蒸餾水中，每當(dāng)銹蝕鋼筋下降到預(yù)定位置，記錄此時(shí)的電子秤讀數(shù)。在測(cè)量完成后，利用公式(2)計(jì)算出銹蝕鋼筋各分段的截面面積。

圖4　未銹蝕鋼筋截面面積分布

3　結(jié)果與分析

3.1未銹蝕鋼筋

卡尺法對(duì)未銹蝕鋼筋的表觀參數(shù)測(cè)試具有良好的適用性。如前述，各個(gè)測(cè)點(diǎn)直徑及所有測(cè)點(diǎn)直徑的差異很小。同一測(cè)點(diǎn)不同角度的直徑十分接近，提示出截面具有規(guī)則的圓形形狀，而不同測(cè)點(diǎn)很好的接近程度則表征長(zhǎng)度為505 mm的鋼筋試件是等截面的。未銹蝕鋼筋的測(cè)試直徑為13.76 mm，略小于其名義直徑14 mm。利用公式(1)，未銹蝕鋼筋的截面面積為148.71 mm2。此外，結(jié)合稱重質(zhì)量，可計(jì)算出鋼筋材料的質(zhì)量密度為7.74 g/cm3。未銹蝕鋼筋的特征參數(shù)合列于表1。圖4進(jìn)一步繪出了未銹蝕鋼筋截面面積分布圖，直觀顯示出分布的均勻性特征。

表1　未銹蝕鋼筋的特征參數(shù)

3.2銹蝕鋼筋

銹蝕鋼筋的表觀參數(shù)測(cè)試分別利用了卡尺法和排水法。利用排水法所獲銹蝕鋼筋的總體積與未銹蝕鋼筋相應(yīng)長(zhǎng)度的體積，計(jì)算出銹蝕后鋼筋的質(zhì)量密度，結(jié)果仍同表1所示未銹蝕鋼筋的質(zhì)量密度。它表明，銹蝕并不改變剩余未銹蝕鋼筋部分的質(zhì)量密度。

圖5給出了兩者測(cè)試鋼筋截面面積的分布結(jié)果。其中，圖5(a)為卡尺法的測(cè)試結(jié)果，圖5(b)則對(duì)應(yīng)于排水法。對(duì)比結(jié)果表明，兩種方法在呈現(xiàn)銹蝕鋼筋截面分布的形狀和趨勢(shì)方面具有一致性，顯示出銹蝕所致的鋼筋截面面積的高度不均勻性，但兩種測(cè)試方法的結(jié)果仍存在數(shù)量上的差異性。由于圖5(a)卡尺法的面積結(jié)果，是在測(cè)試鋼筋直徑并按等效圓形假定計(jì)算獲得，對(duì)于銹蝕嚴(yán)重且形貌復(fù)雜的鋼筋試件，存在本質(zhì)的誤差源，而從原理上講，排水法直接獲得截面面積參數(shù)，應(yīng)該能夠提供更為精確的測(cè)試結(jié)果。為驗(yàn)證這一推測(cè)，采用稱重法所獲質(zhì)量銹蝕率作為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評(píng)估。

首先，按式(4)計(jì)算銹蝕鋼筋的體積銹蝕率：

(4)

其中，V0是長(zhǎng)度為250 mm的未銹蝕鋼筋的體積，采用表1的截面面積乘以長(zhǎng)度得到；V是長(zhǎng)度為250 mm的銹蝕鋼筋的體積。鑒于前述銹蝕前后鋼筋本體的質(zhì)量密度不變，式(4)所獲體積銹蝕率即等同于質(zhì)量銹蝕率，其計(jì)算結(jié)果可按式(3)的稱量銹蝕率對(duì)接評(píng)估。

其次，計(jì)算銹蝕鋼筋的體積V，而卡尺法和排水法具有不同的獲取途徑?？ǔ叻ǖ慕Y(jié)果是假定在間隔為10 mm的相鄰測(cè)點(diǎn)之間，銹蝕鋼筋具有相同的截面面積；而排水法則可直接采用鋼筋完全浸沒水中時(shí)排開水的體積。

表2列出了卡尺法、排水法和稱重法所獲得的質(zhì)量銹蝕率。結(jié)果表明，卡尺法與稱重法的相對(duì)誤差為5.4%，而排水法與稱重法的相對(duì)誤差為4.9%，后兩者更為接近。

表2　不同測(cè)試方法的質(zhì)量銹蝕率

(a)卡尺法測(cè)試結(jié)果　　　　　　　　　(b)排水法測(cè)試結(jié)果圖5　銹蝕鋼筋試樣橫截面積分布

4　結(jié)論

以銹蝕和未銹蝕鋼筋為對(duì)象，對(duì)比分析了卡尺法和排水法測(cè)試鋼筋截面直徑和面積等表觀參數(shù)的有效性，包括測(cè)試成本(如所用儀器的復(fù)雜度)、效率和精度等。得到如下主要結(jié)論：

(1)相對(duì)于常規(guī)的稱重法僅可得到鋼筋質(zhì)量銹蝕率這一整體指標(biāo)，卡尺法和排水法均能獲得鋼筋試樣的截面直徑和面積及其分布規(guī)律，所獲試件的信息量更大。

(2)卡尺法具有測(cè)試儀器簡(jiǎn)單、操作方便、測(cè)試效率高等優(yōu)點(diǎn)。對(duì)于未銹蝕鋼筋等規(guī)則性高的試件，測(cè)試精度高且可判定圓形截面的形狀，能夠提供更為完整的截面信息,但對(duì)于銹蝕鋼筋試件，截面直徑和面積換算需要以圓形截面假定為前提，存在計(jì)算原理上的本源近似性。

(3)排水法可直接量測(cè)銹蝕鋼筋的截面面積，在原理上具有優(yōu)越性。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件承載力的計(jì)算，受力鋼筋的截面面積是一個(gè)重要指標(biāo)，排水法較卡尺法可以獲得更高的計(jì)算精度。

(4)本文所述排水法尚存在進(jìn)一步完善的空間和必要性。例如，手持鋼筋下降浸沒水中時(shí)的穩(wěn)定性、下降間隔精度控制等。

[1]美 梅塔，K P.，Monteiro美蒙特羅，等.混凝土:微觀結(jié)構(gòu)、性能和材料[M].3版.北京：中國(guó)電力出版社,2008.

[2]范穎芳，周晶.考慮蝕坑影響的銹蝕鋼筋力學(xué)性能研究[J].建筑材料學(xué)報(bào),2003(03):248-252.

[3]王雪慧，鐘鐵毅.混凝土中銹蝕鋼筋截面損失率與重量損失率的關(guān)系[J].建材技術(shù)與應(yīng)用,2005(01):4-6.

[4]瞿偉廉，王儀.考慮鋼筋銹蝕的RC梁承載力的非線性有限元分析[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào),2007(06):73-75.

[5]徐港，張懂，梁桂林，等.坑蝕鋼筋力學(xué)性能退化的試驗(yàn)研究[J].水電能源科學(xué),2012(02):86-88.

[6]Ois R F,Khan I,Dang V H.Impact of corrosion on mechanical properties of steel embedded in 27-year-old corroded reinforced concrete beams[J].Materials & Structures,2013,46(6):899-910.

[7]Du Y G,Clark L A,Chan A.Residual capacity of corroded reinforcing bars[J].Magazine of Concrete Research,2005,57(3):135-147.

[8]桂成.銹蝕鋼筋力學(xué)性能試驗(yàn)研究分析[J].山西建筑,2007(31):161-162.

[9]官曉濤.銹蝕鋼筋形貌與拉伸本構(gòu)特征研究[D].深圳：深圳大學(xué),2016.

[10]Standard practice for preparing,cleaning,and evaluating corrosion test specimens[S].American Society for Testing and Materials G1-03. 2004.

Effectiveness Analyses of Caliper Method and Drainage Method for Testing the Apparent Parameters of Steel Bars

WEI Ren1，GUAN Xiao-tao1，LI Da-wang1,2

(1.School of civil engineering,Shenzhen University,Shenzhen 518060,China;2.Key Laboratory of durability of civil engineering in Guangdong Province,Shenzhen 518060,China)

The corrosion of steel bars in coastal concrete structures will seriously deteriorate the service reliability of structures. Compared with the uncorroded steel rebars, the apparent morphology of the corroded steel bars along the axial direction is significantly changed, which leads to the uneven bearing capacity of the structural members. Using vernier caliper method and drainage method tested the steel bar apparent parameters such as the steel bar diameters and cross-section areas, and then compared the two methods in the effectiveness of cost, accuracy and efficiency. The results indicate that, for not corroded rebars, vernier caliper method not only uses simple instrument but also has high test efficiency and precision.Besides it can also provide the complete information about the shape and distribution of the rebar;while for corroded rebar ,drainage method can directly obtain the residual section area and the axial distribution of corroded steel bars, and the accuracy is much higher.

morphology of steel bar;corrosion rate;vernier caliper method;drainage method

2016-03-10

國(guó)家自然科學(xué)基金(51278303，50978166 )

魏仁(1992—)，男，湖北黃岡人，碩士研究生。

1674-7046(2016)04-0001-05

10.14140/j.cnki.hncjxb.2016.04.001

TU511

A