混凝土內(nèi)部鋼筋銹蝕的磁記憶檢測

楊 茂， 周建庭， 張 洪， 廖 棱， 趙瑞強(qiáng)

(1.重慶三峽學(xué)院 土木工程學(xué)院， 重慶 404199； 2.重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院， 重慶 400074；3.重慶交通大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院， 重慶 400074)

鋼筋混凝土材料由于具有較高的承載力、較低的造價以及容易施工等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于土木工程中[1].然而，鋼筋的銹蝕問題嚴(yán)重影響著鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性[2-3].鋼筋銹蝕不僅會造成結(jié)構(gòu)本身強(qiáng)度的降低，銹蝕產(chǎn)物體積膨脹還會導(dǎo)致混凝土產(chǎn)生裂縫[4]，極大影響鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的承載力，甚至危及工程安全[5].因此，及時對鋼筋的銹蝕情況進(jìn)行檢測，防止銹蝕加劇并對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行維護(hù)均具有非?，F(xiàn)實(shí)的意義[6-7].

金屬磁記憶是俄羅斯學(xué)者杜波夫提出的檢測理論和技術(shù)[8].此技術(shù)利用試件表面漏磁場的變化信息，對鐵磁構(gòu)件是否出現(xiàn)缺陷或應(yīng)力集中進(jìn)行診斷[9].相比其他磁無損檢測技術(shù)，該技術(shù)無需人工激勵，操作簡單，檢測成本低[10-11]，已在機(jī)械、航空、化工等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[12-13].由于鋼筋屬于鐵磁構(gòu)件，本文將磁記憶技術(shù)應(yīng)用到混凝土內(nèi)部鋼筋銹蝕的檢測當(dāng)中，以探索混凝土內(nèi)部鋼筋銹蝕的磁記憶檢測方法.

1 磁記憶三維掃描設(shè)備的設(shè)計(jì)

自主設(shè)計(jì)了1套基于金屬磁記憶的實(shí)驗(yàn)室掃描設(shè)備.設(shè)備采用的磁記憶探頭為HMR2300三軸智能數(shù)字磁力計(jì)，可檢測磁感應(yīng)強(qiáng)度及其方向，檢測精度達(dá)10-7T，并可向計(jì)算機(jī)直接傳輸.設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)三軸自動掃描，且掃描速度可控，適用于實(shí)驗(yàn)室掃描檢測試驗(yàn).磁記憶檢測掃描設(shè)備可以輸出空間坐標(biāo)x，y，z以及空間磁感應(yīng)強(qiáng)度Bx，By，Bz.磁記憶檢測掃描設(shè)備如圖1所示.

圖1 磁記憶檢測設(shè)備Fig.1 Magnetic memory testing equipment

2 試驗(yàn)

2.1 鋼筋混凝土試件的銹蝕

制備尺寸為80mm×80mm×1000mm鋼筋混凝土試件，其中鋼筋采用φ20×1500mm HRB335螺紋鋼筋，水泥采用普通硅酸鹽水泥，混凝土抗壓強(qiáng)度等級為C20.兩端鋼筋各自外露250mm，混凝土保護(hù)層厚度為30mm.混凝土配合比和強(qiáng)度參數(shù)如表1所示.

表1 C20混凝土配合比和強(qiáng)度參數(shù)

采用0.5A的恒定電流對試件進(jìn)行電化學(xué)銹蝕[14].將NaCl溶液通過吸水布引入鋼筋當(dāng)中，鋼筋的一端接入電源正極，輔助電極置于NaCl溶液中并接入電源負(fù)極，使電源、NaCl溶液、輔助電極和鋼筋形成閉合回路(見圖2)，對鋼筋進(jìn)行5個階段的定位銹蝕.

圖2 鋼筋混凝土試件銹蝕Fig.2 Corrosion of reinforced concrete specimens

由于試件中的鋼筋為陽極，因此在電化學(xué)銹蝕過程中鋼筋失去電子由零價鐵變?yōu)槎r鐵[14].鋼筋銹蝕量ΔW可根據(jù)法拉第電解第一定律[15]計(jì)算得到：

(1)

式中：M為Fe的摩爾質(zhì)量；n為氧化過程中Fe失去的價電子數(shù)；F為Faraday常數(shù)，96485 C/mol；Q為通過鋼筋的電量；I為銹蝕電流；Δt為銹蝕時間.

控制鋼筋混凝土試件每個階段的銹蝕時間和銹蝕電流.鋼筋在不同階段的銹蝕情況如表2所示.由表2可見，在第1階段銹蝕結(jié)束后，鋼筋銹蝕量為14g，混凝土表面出現(xiàn)銹跡，但并未出現(xiàn)任何裂紋；第5階段銹蝕結(jié)束后，鋼筋銹蝕量為108g，混凝土表面裂縫明顯，寬度達(dá)到2mm.

表2 鋼筋不同階段的銹蝕情況

2.2 鋼筋混凝土試件的掃描檢測

試驗(yàn)需對不同銹蝕階段的鋼筋混凝土試件進(jìn)行掃描檢測，掃描方式如圖3所示.由圖3可見，沿鋼筋長度方向的掃描為Y掃描，垂直于鋼筋長度方向的掃描為Z掃描，磁記憶探頭距離鋼筋上緣的距離為提離高度.掃描時，試件長度方向沿地磁南北極方向擺放，根據(jù)試驗(yàn)情況劃定掃描范圍.在不同的銹蝕階段，均需對試件進(jìn)行1次Y掃描和Z掃描，以獲取試件在不同銹蝕階段的空間位置坐標(biāo)和磁感應(yīng)強(qiáng)度信號.

圖3 磁記憶掃描方式Fig.3 Magnetic memory scanning method

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 基于磁記憶Y掃描的鋼筋銹蝕檢測試驗(yàn)結(jié)果與分析

磁記憶探頭通過Y掃描采集到的信號有空間位置坐標(biāo)x，y，z，以及對應(yīng)位置的磁感應(yīng)強(qiáng)度Bx，By，Bz.分析采集數(shù)據(jù)后發(fā)現(xiàn)，沿鋼筋長度方向的磁感應(yīng)強(qiáng)度By與鋼筋的銹蝕有較強(qiáng)的聯(lián)系.圖4是通過Y掃描獲取的磁感應(yīng)強(qiáng)度By和對應(yīng)位置坐標(biāo)y之間的關(guān)系曲線By-y.

圖4 不同銹蝕階段的By-y圖Fig.4 By-y graphs of different corrosion stages

由圖4可知：當(dāng)鋼筋未銹蝕時，磁記憶探頭不同提離高度所對應(yīng)的By-y曲線基本互相平行；當(dāng)?shù)?階段銹蝕結(jié)束后，不同提離高度的By-y曲線不再平行，而是彼此相交，出現(xiàn)2個交點(diǎn)，這2個交點(diǎn)落在實(shí)際銹蝕區(qū)域內(nèi)；隨后的第2，3，4，5銹蝕階段結(jié)束后，均會出現(xiàn)類似現(xiàn)象，且隨著銹蝕程度的增大，2個交點(diǎn)間的距離由134mm逐漸增大到180mm.由此可知，通過控制磁記憶探頭的高度，確定By-y曲線上2個交點(diǎn)間的距離(即為鋼筋銹蝕區(qū)域)，即可定位混凝土內(nèi)部鋼筋的銹蝕部位.

3.2 基于磁記憶Z掃描的鋼筋銹蝕檢測試驗(yàn)結(jié)果與分析

磁記憶探頭通過Z掃描獲取試件的空間位置坐標(biāo)和磁感應(yīng)強(qiáng)度，從而得到By沿z軸的分布曲線By-z.圖5為銹蝕位置y=500mm時，鋼筋混凝土試件在不同銹蝕階段對應(yīng)的By-z曲線.

圖5 不同銹蝕階段的By-z圖Fig.5 By-z graphs of different corrosion stages

由圖5可知：當(dāng)鋼筋未銹蝕時，隨著z的增大，磁感應(yīng)強(qiáng)度By單調(diào)遞減，趨近于背景磁感應(yīng)強(qiáng)度；鋼筋銹蝕后，隨著z的增大，磁感應(yīng)強(qiáng)度By在一定范圍內(nèi)單調(diào)遞增，隨后遞減，趨近于背景磁場，出現(xiàn)反轉(zhuǎn)現(xiàn)象，此時曲線對應(yīng)的極值點(diǎn)為反轉(zhuǎn)點(diǎn)，反轉(zhuǎn)點(diǎn)對應(yīng)的z值為該試件在鋼筋特定位置、特定銹蝕程度下的反轉(zhuǎn)高度zf，當(dāng)該位置未銹蝕時，By-z曲線不會出現(xiàn)反轉(zhuǎn)現(xiàn)象，即zf=0mm；銹蝕第1～5階段的By-z曲線均會出現(xiàn)反轉(zhuǎn)現(xiàn)象，且反轉(zhuǎn)高度zf由89mm 增大到150mm，這說明鋼筋銹蝕程度越大，反轉(zhuǎn)高度zf值越大.

在不同銹蝕階段，均可通過Z掃描得到試件在不同位置的反轉(zhuǎn)高度zf，由此可以得到不同銹蝕階段的zf-y曲線，如圖6所示.

圖6 不同銹蝕階段的zf-y曲線Fig.6 zf-y curves of different corrosion stages

由圖6可知，在試件的未銹蝕部位，反轉(zhuǎn)高度zf為0mm；在試件銹蝕部位y為400～600mm時，反轉(zhuǎn)高度zf隨著銹蝕量的增大而增大.因此可根據(jù)zf值的大小半定量化評估試件的銹蝕程度.

3.3 鋼筋混凝土試件的磁信號分布規(guī)律研究

在空氣中，磁場強(qiáng)度H和磁感應(yīng)強(qiáng)度B有以下關(guān)系：H=B/μ0(μ0為空氣磁導(dǎo)率)，且H和B方向相同，故以下以H分布規(guī)律來代表B分布規(guī)律.鐵磁材料的基本特點(diǎn)是自發(fā)磁化，鋼筋在地磁場作用下自發(fā)產(chǎn)生退磁場，在試件上方，磁感應(yīng)強(qiáng)度方向從鐵磁體的北極到鐵磁體的南極.當(dāng)鋼筋銹蝕后，其截面面積減小，銹蝕處產(chǎn)生缺陷，并且銹蝕處會因?yàn)殇P蝕產(chǎn)物的堆積而產(chǎn)生膨脹壓力，導(dǎo)致鋼筋磁導(dǎo)率變小，鋼筋內(nèi)部的磁場外漏，在銹蝕處產(chǎn)生漏磁場，鋼筋內(nèi)部的磁場方向是由南極到北極，所以漏磁場的方向與退磁場方向相反(見圖7).

圖7 銹蝕鋼筋上方的磁場分布示意圖Fig.7 Distribution of magnetic field above the corroded steel bars

由圖7可知，鋼筋混凝土試件的銹蝕部位和未銹蝕部位的區(qū)別在于是否有漏磁場的作用.未銹蝕區(qū)域只有退磁場和背景磁場的作用，退磁場由鋼筋產(chǎn)生，隨著探頭和鋼筋距離的增大，退磁場逐漸減小為零，By-z曲線單調(diào)趨近于背景磁場.而在鋼筋銹蝕區(qū)域，由于退磁場、漏磁場和背景磁場的作用，且漏磁場和退磁場方向相反，在靠近鋼筋的位置，漏磁場會對退磁場有較大程度的削弱，隨著探頭與鋼筋距離z的增大，這種削弱程度逐漸減小，當(dāng)z≥zf的時候，漏磁場的影響很小，退磁場起主要作用，再次單調(diào)趨近于背景磁場，故By-z曲線出現(xiàn)反轉(zhuǎn)現(xiàn)象.反轉(zhuǎn)高度zf反映了漏磁場的影響范圍，從而反映了鋼筋的銹蝕程度，反轉(zhuǎn)高度zf越大，鋼筋銹蝕程度越大.

4 結(jié)論

(1)通過試驗(yàn)得到By-y，By-z和zf-y曲線.在By-y曲線中，由不同磁記憶探頭提離高度的曲線交點(diǎn)間范圍可判定鋼筋的銹蝕區(qū)域；在zf-y曲線中，反轉(zhuǎn)高度zf值越大，相應(yīng)位置的銹蝕程度就越大，由此可以半定量化判斷混凝土內(nèi)部鋼筋的銹蝕程度.

(2)當(dāng)鋼筋銹蝕量為14g時，C20混凝土表面未出現(xiàn)裂紋，但通過磁記憶掃描可定位到鋼筋的銹蝕區(qū)域，并可半定量化評估鋼筋的銹蝕程度；當(dāng)磁記憶探頭提離高度達(dá)到8cm時，仍可進(jìn)行有效檢測，構(gòu)件的混凝土保護(hù)層厚度基本不會對檢測造成影響，因此基于金屬磁記憶的混凝土內(nèi)部鋼筋銹蝕檢測方法具有較高的靈敏度.

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