超高性能鋼纖維增強混凝土腐蝕損傷的CT觀察

韓建軍 苗壯 趙道松 朱晨輝

摘 要：【目的】為探究混凝土因鋼纖維腐蝕引發(fā)的損傷行為，采用X射線計算機斷層掃描技術(shù)對UHPSFRC試樣的通電加速腐蝕過程進行無損測試?！痉椒ā客ㄟ^高分辨率的三維重建，對試樣腐蝕損傷過程及分布特征進行可視化表征與定量分析?！窘Y(jié)果】結(jié)果表明：鋼纖維腐蝕造成UHPSFRC混凝土保護層發(fā)生由外到內(nèi)的腐蝕損傷。隨著通電時間的增加，鋼纖維腐蝕速率加快，初始損傷區(qū)域的損傷程度加重?！窘Y(jié)論】研究認為，X-CT可以作為研究鋼纖維腐蝕及腐蝕誘導混凝土保護層損傷的有力工具，且具有較高的適用度與準確性。

關(guān)鍵詞：超高性能鋼纖維增強混凝土；鋼纖維；X射線計算機斷層掃描；腐蝕損傷

中圖分類號：TU528.572? ? ? ? ? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1003-5168（2023）06-0062-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2023.06.012

CT Observation of Corrosion Damage in Ultra-High Performance Steel Fiber Reinforced Concrete

HAN Jianjun1 MIAO Zhuang1 ZHAO Daosong1 ZHU Chenhui2

（1. School of Civil Engineering， Henan University of Technology， Zhengzhou 450001，China; 2. School of Architecture， North China University of Water Resources and Electric Power， Zhengzhou 450046，China）

Abstract： [Purposes] To investigate the damage behavior of concrete caused by corrosion of steel fibers， the electrically accelerated corrosion process of the UHPSFRC specimen was non-destructively tested by X-ray computed tomography. [Methods] Visual characterization and quantitative analysis of the corrosion damage process and distribution characteristics of the specimen were conducted through high-resolution 3D reconstruction. [Findings] The results show that thecorrosion of steel fibers leads to corrosion damage from the outside to the inside of the UHPSFRC concrete cover. With the increase of energization time， the corrosion rate of steel fiber accelerates， and the degree of damage in the initial damage area increases. [Conclusions] The study concluded that X-CT can be used as a powerful tool to study steel fiber corrosion and corrosion-induced damage ofconcrete cover， and has a high degree of applicability and accuracy.

Keywords： ultra-high performance steel fiber reinforced concrete; steel fiber; X-ray computed tomography; corrosion damage

0 引言

海洋和島嶼覆蓋廣闊的空間，蘊藏著極為豐富的資源，海岸建設(shè)和大跨度的海洋工程已成為各國重要的研究課題。然而，普通混凝土在惡劣的海洋環(huán)境中，存在鋼筋銹蝕、保護層開裂等問題，對海洋工程結(jié)構(gòu)的安全性及服役能力造成了巨大威脅。由于具有優(yōu)越的力學性能、極低的離子滲透率及自我修復等優(yōu)勢［1］，超高性能鋼纖維增強混凝土（UHPSFRC）逐漸替代普通混凝土成為海洋工程建設(shè)的重要材料［2］。

然而，UHPSFRC中較高的鋼纖維含量卻為海洋工程的耐久性埋下了隱患［3］。這是由于鋼纖維可以顯著降低UHPSFRC的基體電阻，增大氯離子擴散系數(shù)與滲透深度，導致外部侵蝕介質(zhì)更容易穿透混凝土保護層，給UHPSFRC的耐久性帶來不利影響。

為了解決這些問題，需要深入剖析UHPSFRC的腐蝕損傷過程并實時采集鋼纖維的腐蝕參數(shù)。然而，采用傳統(tǒng)的測試方法，例如稱重法［4］和3D掃描法［5］獲取鋼纖維的腐蝕參數(shù)是非常困難的。這些方法需要把混凝土試樣破壞后才能進行，既無法實現(xiàn)對同一試樣的連續(xù)測試，也不可避免地造成試樣中鋼纖維的損傷。近十年來，X射線計算機斷層掃描技術(shù)（X-CT）經(jīng)歷了長足發(fā)展。如今，已在材料科學、工程探傷、生物學等領(lǐng)域中得到普遍應用。相較于傳統(tǒng)的微觀結(jié)構(gòu)測試，X-CT具有無損檢測和重建物質(zhì)3D結(jié)構(gòu)的獨特優(yōu)勢［6］。因此，眾多學者利用X-CT研究混凝土各組分在外界物理或化學作用下的劣化過程、表征水泥基材料的微觀結(jié)構(gòu)。例如，鄭帆等［7］利用X-CT對砂漿內(nèi)鋼筋的銹蝕過程進行跟蹤測試，發(fā)現(xiàn)在通電初期，由于鋼筋較高的銹蝕電位，鋼筋銹蝕速率顯著低于Faraday定律估計的理論值。由此可見，X-CT已成為可視化表征及定量分析混凝土結(jié)構(gòu)劣化、鋼筋腐蝕、水分吸收等過程的有效工具，也有希望應用于鋼纖維腐蝕的研究中。

本研究主要采用X-CT無損檢測技術(shù)，通過高分辨率的三維重建，圖像化、數(shù)量化表征UHPSFRC試樣腐蝕損傷的演化發(fā)展，探討了試樣損傷分布特征及X-CT測試的準確性。以期為研究鋼纖維腐蝕提供了一條新的途徑。

1 材料與方法

1.1 原材料與UHPSFRC配合比

選用P·Ⅱ52.5硅酸鹽水泥、硅灰及粉煤灰作為生產(chǎn)UHPSFRC的膠凝材料。選用兩種不同粒徑的天然河砂（0～0.6 mm和0.6～1.18 mm）作為細骨料、聚羧酸系高效減水劑作為外加劑；鋼纖維采用平直型鍍銅微絲鋼纖維，長度為12～14 mm，直徑為0.18～0.23 mm，抗拉強度>2 850 MPa UHPSFRC的配合比如表1所示，鋼纖維含量為試樣體積分數(shù)的3%。

1.2 試樣制備

由于過大尺寸的試樣將導致X射線難以穿透，降低CT圖像的分辨率與清晰度。結(jié)合多次預試驗結(jié)果，采用邊長為30 mm的UHPSFRC立方體作為通電加速腐蝕試樣。在試樣中心嵌入直徑8 mm的鋼筋，嵌入深度為25 mm。在澆筑完成后，將試樣靜置于實驗室中固化24 h后拆模。隨后，移入標準養(yǎng)護室（溫度20±2 ℃，濕度≥95%）至28 d取出。

1.3 通電加速腐蝕試驗

采用外加電流的方法獲取UHPSFRC腐蝕試樣，通電加速腐蝕裝置如圖1所示。設(shè)置直流電源的輸出電流恒定為30 mA，并以18.5 h的間隔進行3次通電，在試驗開始前及每次通電結(jié)束后對UHPSFRC試樣進行X-CT測試。

1.4 X-CT測試

采用高分辨率工業(yè)CT儀AX2000進行X-CT測試，工作原理如圖2所示。本次CT掃描的參數(shù)設(shè)置為：射線源電壓160 kV，電流250 μA，曝光時間1 000 ms。經(jīng)掃描，共獲取3 072×3 072像素的1 440張二維切片，像素大小為16.85 μm。

為獲取目標材料的體積量，采用數(shù)學形態(tài)學對重建圖像進行分析，根據(jù)式（1）可以得到目標材料的體積。

式中：[VXCT]為目標材料的體積；[NVOX]為目標材料所含體素的數(shù)量；[ZVOX]為圖像的體素大小，為16.85 μm3。因此，目標材料的質(zhì)量m可按公式（2）計算。

式中：[ρ]為目標材料的密度，鋼筋與鋼纖維的密度為7.85 g/cm3。

2 結(jié)果與討論

2.1 試樣腐蝕損傷的二維圖像分析

UHPSFRC試樣在不同通電時間后的二維切片如圖3所示。可以看到，3%鋼纖維摻量的UHPSFRC試樣具有明顯的初始缺陷。在通電18.5 h后，混凝土保護層外圍區(qū)域出現(xiàn)局部剝落的現(xiàn)象；在通電37 h后，原剝落區(qū)域剝落面積增大，且鋼筋出現(xiàn)腐蝕跡象；在通電55.5 h后，保護層剝落程度進一步加深，靠近剝落區(qū)域的鋼筋明顯缺失，且試樣內(nèi)部出現(xiàn)較大的空隙。此外，隨著通電時間的增加，保護層剝落區(qū)域周圍的鋼纖維數(shù)目顯著減少。

在通電過程中，由于鋼纖維發(fā)生腐蝕轉(zhuǎn)化為密度較低的腐蝕產(chǎn)物，導致可觀測到的鋼纖維數(shù)量減少。而腐蝕產(chǎn)物體積大于鋼體積，因體積膨脹產(chǎn)生的膨脹應力造成混凝土保護層發(fā)生剝落。同時，保護層的損傷又將加劇外部水分、離子對損傷區(qū)域中鋼纖維的侵蝕。因此，初始損傷區(qū)域的損傷程度不斷增大，保護層對外部侵蝕介質(zhì)的抵御能力逐漸降低，從而導致內(nèi)部鋼筋腐蝕。

由此可見，鋼纖維腐蝕是造成UHPSFRC混凝土保護層損傷的主要原因。值得注意的是，不同于普通混凝土中鋼筋腐蝕引發(fā)的開裂破壞，UHPSFRC的腐蝕損傷是由外向內(nèi)發(fā)展的，且會造成混凝土保護層的大面積剝落及對初始損傷區(qū)域的加重破壞。

2.2 試樣腐蝕損傷的三維圖像與定量分析

在Avizo軟件中，采用灰度分割法對UHPSFRC試樣中的鋼纖維與水泥基體進行提取。通過三維重建，獲取了它們在不同通電時間后的三維圖像。

鋼纖維、水泥基體在不同通電時間后的體積與相對體積如圖4所示?？梢钥吹剑S著通電時間增加，鋼纖維與水泥基體的相對體積不斷減小，通電結(jié)束時的相對體積為59.81%和93.96%。鋼纖維在不同通電時間的相對體積減小率分別10.12%、15.28%和21.46%，鋼纖維的體積損失速率呈增大趨勢。這是由于混凝土保護層損傷程度的增大導致更多的鋼纖維遭受侵蝕，鋼纖維腐蝕速率加快。在鋼纖維初始密度較大的區(qū)域，容易通過更多的電流，從而導致該區(qū)域鋼纖維腐蝕程度的加深及水泥基體的大面積剝落。

2.3 試樣損傷分布特征

通電結(jié)束后，對鋼筋與水泥基體在不同切片中（位于試樣高度方向）的體素數(shù)目進行計算，以揭示試樣的損傷分布特征，結(jié)果如圖5所示。同時，根據(jù)切片的次序?qū)⒃嚇釉诟叨确较蛏蟿澐譃閍～c三個區(qū)域，其中0號切片位于試樣最頂部，以此類推。

可以看到，在a區(qū)域中，鋼筋與水泥基體的體素數(shù)目均顯著低于其他區(qū)域，且鋼筋體素數(shù)目隨水泥基體體素數(shù)目的增大而增大。這說明a區(qū)域是試樣腐蝕損傷最嚴重的區(qū)域，且鋼筋腐蝕程度與水泥基體的損傷有一定的正相關(guān)性。在b區(qū)域中，鋼筋的體素數(shù)目變化平穩(wěn)，而水泥基體的體素數(shù)目逐漸增大。這說明該區(qū)域的鋼筋在高度方向的腐蝕程度較為平均，而水泥基體的損傷程度逐漸減小。在c區(qū)域中，鋼筋與水泥基體的體素數(shù)目均高于其他區(qū)域，該區(qū)域基本不發(fā)生水泥基體損傷與鋼筋腐蝕。由此可見，采用X-CT技術(shù)對目標材料進行圖像化、數(shù)量化的分析，可以有效探究UHPSFRC試樣腐蝕損傷的分布特征。

2.4 X-CT準確性分析

通電結(jié)束后，對混凝土試樣進行破型，取出腐蝕的鋼筋與鋼纖維，并用磁鐵收集鋼纖維碎粒。之后，采用稱重法對鋼筋與鋼纖維進行質(zhì)量測定，具體步驟參照《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》（GB/T 50082—2009）的規(guī)定進行。

將稱重法得到的質(zhì)量與X-CT測試所得的質(zhì)量進行對比，結(jié)果如圖6所示。可以看到，兩種測試所得的鋼筋與鋼纖維質(zhì)量較為接近，偏差分別為0.92 g與0.48 g。稱重法所得質(zhì)量均低于X-CT測試，這可能是由于稱重法的測試結(jié)果更容易受到人為、環(huán)境等因素的干擾，例如取樣過程中對鋼筋的損傷、酸洗時間的控制等。

3 結(jié)論

①通過X-CT技術(shù)可實現(xiàn)對UHPSFRC腐蝕損傷過程的可視化表征及定量分析，從而準確高效地得到UHPSFRC腐蝕損傷的演化規(guī)律及分布特征。同時，也是研究鋼纖維腐蝕的一條新途徑。

②鋼纖維腐蝕將導致UHPSFRC的混凝土保護層發(fā)生由外到內(nèi)的腐蝕損傷，且初始損傷區(qū)域成為UHPSFRC的重點腐蝕區(qū)域。

③隨著通電時間增加，UHPSFRC試樣的腐蝕損傷程度逐漸加深，鋼纖維腐蝕速率加快。在通電結(jié)束時，鋼纖維與水泥基體的體積僅為初始體積的59.81%與93.96%。

④X-CT測試結(jié)果與稱重法測試結(jié)果較為接近，但由于人為、環(huán)境等因素的干擾，稱重法的測試結(jié)果低于X-CT測試。

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