基于X 射線CT 技術(shù)的混凝土角鋼筋銹蝕空間擴(kuò)展研究

李江華,薛成洲

1.河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 城市建設(shè)學(xué)院,河南 南陽 473000

2.河南省鄲城縣水利局,河南 周口 477150

鋼筋混凝土材料由混凝土、鋼筋和兩者之間的粘結(jié)界面組成，鋼筋混凝土材料由于長期處在較為惡劣的環(huán)境中，混凝土中的鋼筋時(shí)常發(fā)生銹蝕，據(jù)估計(jì)，全球銹蝕成本為2.5 萬億美元，約相當(dāng)于全球國內(nèi)生產(chǎn)總值（GDP）的3.4%。銹蝕會(huì)引起混凝土開裂及鋼筋與混凝土之間脫粘進(jìn)而破壞混凝土保護(hù)層的完整性，降低混凝土的可靠性，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)設(shè)施過早失效。鑒于這一問題的重要性，在過去的幾十年中，在理解銹蝕機(jī)理、預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)效應(yīng)、防止銹蝕的發(fā)生等方面進(jìn)行了大量的研究[1-5]。然而，在大多數(shù)研究中，通常采用外加電流法來模擬加速鋼筋混凝土腐蝕過程。事實(shí)上，腐蝕環(huán)境對(duì)鋼筋混凝土中鐵銹的化學(xué)成分、質(zhì)量特性和銹蝕分布有顯著影響[6]。

為準(zhǔn)確地研究混凝土中鋼筋周圍的銹蝕空間擴(kuò)展，應(yīng)采用更為符合自然條件下鋼筋混凝土腐蝕過程的試驗(yàn)方法。采用氯化物溶液進(jìn)行干濕循環(huán)試驗(yàn)是在鋼筋混凝土中產(chǎn)生與實(shí)際環(huán)境相同腐蝕的主要方法。Fu C,et al.[7]研究了干濕循環(huán)下混凝土梁中鋼筋的腐蝕特性。Zhao Y,et al.[8]對(duì)鋼筋混凝土樣品采用干濕循環(huán)方法以加速腐蝕試驗(yàn)，并提出了一個(gè)高斯非均勻腐蝕模型來定量定義腐蝕產(chǎn)物的分布。Zhang R,et al.[9]分析了在氯化物溶液環(huán)境下的橋梁鋼筋混凝土的鋼筋腐蝕模式和表面裂縫圖。

為了研究鋼筋混凝土試樣內(nèi)的內(nèi)部腐蝕，幾乎所有現(xiàn)有的研究都采用破壞性觀測(cè)。破壞性觀測(cè)是指對(duì)銹蝕鋼筋混凝土試件進(jìn)行切割，使其斷面物理暴露，以分析鋼筋與混凝土之間的腐蝕過程。然而，鋼筋混凝土樣品的微觀結(jié)構(gòu)很可能受到切割、研磨和拋光過程的影響或干擾[10]。此外，技術(shù)人員的技能、加工程序和測(cè)量方法也很可能影響結(jié)果。

近年來，一種利用X 射線計(jì)算機(jī)斷層成像（X-CT）的非破壞性方法被應(yīng)用于材料科學(xué)研究[11-13]。同時(shí)，X-CT 技術(shù)也被用于研究混凝土的裂縫、孔隙結(jié)構(gòu)和砂滲透性[14]。鋼筋混凝土腐蝕X-CT 檢測(cè)的顯著優(yōu)點(diǎn)是，無需任何物理切割或粉碎，即可成像鋼筋混凝土的腐蝕發(fā)展和銹蝕分布。Jiang J,et al.[15]通過16 mm 分辨率的X-CT 掃描，研究了直徑為24.1 mm 的砂漿圓柱試樣中的腐蝕引起的覆蓋層開裂。Jang BS,et al.[16]用X-CT 觀察了鋼筋混凝土腐蝕的發(fā)展、腐蝕產(chǎn)物的形成以及隨后腐蝕引起的裂紋擴(kuò)展。Savi B,et al.[17]比較了砂漿中碳鋼和不銹鋼的鋼筋腐蝕劣化形態(tài)差異。

本文采用干濕循環(huán)方法加速鋼筋混凝土的腐蝕過程，以期獲得與實(shí)際環(huán)境相同的腐蝕效果。通過X-CT 顯微層析法研究了鋼筋混凝土在加速腐蝕下的銹蝕空間擴(kuò)展，對(duì)混凝土內(nèi)產(chǎn)生的裂縫和鋼筋銹脹效應(yīng)進(jìn)行分析和討論，并利用X-CT 結(jié)果分析得到的銹蝕分布數(shù)據(jù)，對(duì)非均勻銹蝕模型進(jìn)行參數(shù)化，旨在獲得能可靠預(yù)測(cè)由腐蝕引起的混凝土銹蝕開裂過程的von Mises（循環(huán)正態(tài)分布）模型。

1 X-CT 實(shí)驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

本文設(shè)計(jì)了一個(gè)角部有鋼筋的立方體混凝土試樣，如圖1 所示。

試樣尺寸為20 mm×20 mm×20 mm 的立方體，鋼筋直徑為2.94 mm，兩側(cè)混凝土保護(hù)層厚度為4 mm。試樣混合比例如表1 所示。

表1 試樣組成混合比例Table 1 Proportion of components in samples

水泥為普通硅酸鹽425 水泥，將占水泥重量5%的氯化鈉溶液摻入試樣中，以加速鋼筋的銹蝕[15]。標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d 后，將試樣置于干濕循環(huán)環(huán)境中，具體方法是將試樣浸泡在5.8%氯化鈉溶液中4 h，并在約20%濕度下干燥20 h，每24 h 為1 循環(huán)，共循環(huán)112 次。

1.2 X-CT 技術(shù)

用X 射線微CT 系統(tǒng)掃描試樣，如圖2 所示。X-CT 系統(tǒng)能產(chǎn)生一系列的多色能譜，即當(dāng)X 射線穿過混凝土鋼筋中心區(qū)域時(shí)，其能量比穿過邊緣的X 射線能量更強(qiáng)。因此，在構(gòu)建圖像時(shí)混凝土中鋼筋邊緣具有更亮的像素。試驗(yàn)時(shí)，設(shè)置掃描參數(shù)為3141 個(gè)投影點(diǎn)，角度步長為0.1146°，曝光時(shí)間為1000 ms，分辨率為16.25 μm。

2 X-CT 結(jié)果分析

2.1 X-CT 圖像處理和分割

利用Nikon XTeKCT 軟件中的濾波反投影算法對(duì)試樣的三維結(jié)構(gòu)進(jìn)行了數(shù)值重建。首先掃描試樣以確保不存在初始裂紋，之后將初始圖像進(jìn)行幾何重新配置以使試樣三維圖像與分析坐標(biāo)平行。圖3 顯示出了試樣在腐蝕環(huán)境中112 d 后的X-CT 圖像。

X-CT 衰減值以65536 級(jí)（即16 位圖像）的灰度值進(jìn)行量化，其提供比256 級(jí)（8 位圖像）更高精度的呈現(xiàn)效果及數(shù)據(jù)樣本。由于鋼筋、銹蝕產(chǎn)物、砂漿、孔隙和裂縫的密度不同，即X 射線的衰減會(huì)產(chǎn)生不同的灰度值。

通過分割灰度閾值即顯微層析法，可以將試樣的三維圖像從砂漿、鋼筋、銹蝕產(chǎn)物、孔隙和裂縫等方面進(jìn)行分離和識(shí)別，例如銹蝕產(chǎn)物主要分別由FeO、Fe2O3和Fe3O4組成的混合氧化物材料，其密度在3.3～5.2 g/cm3之間，結(jié)合人工檢查及試錯(cuò)法以識(shí)別該階段的閾值，結(jié)果如圖4 所示。

從圖4（a）可以看出，試樣出現(xiàn)2 條縱向裂紋，而在靠近樣品底部的位置橫向裂紋也有顯現(xiàn)，橫向裂縫發(fā)生在銹蝕產(chǎn)物沿縱向累積最多的地方，即橫向裂縫也由鋼筋銹蝕引起。從圖4（b）可以看出，鋼筋的銹蝕沿縱向和周向是不均勻的。圖4（c）顯示出銹蝕產(chǎn)物沿鋼筋縱向累積。圖4（d）顯示出由銹蝕膨脹造成的混凝土孔隙和裂縫。進(jìn)一步分析圖4 可知，在靠近鋼筋的孔隙周圍易出現(xiàn)點(diǎn)蝕，這主要是由于在試樣制備過程中預(yù)先殘留的氧氣和水分導(dǎo)致。

圖4 X-CT 構(gòu)建的分離三維圖像Fig.4 Separated X-CT 3D maps

圖5 鋼筋周圍典型橫截面Fig.5 Typical sections around reinforcement

為了更好地分析試樣銹蝕空間分布，將試樣的三維結(jié)構(gòu)沿多個(gè)縱向位置進(jìn)行垂直切割。圖5 顯示了鋼筋周圍不同位置的三個(gè)典型橫截面圖像并得到一些觀察結(jié)果，即（1）在孔隙周圍發(fā)生點(diǎn)蝕（圖5（a））；（2）腐蝕產(chǎn)物滲透流入裂縫（圖5（b））；（3）腐蝕銹層分離（圖5（c））。由于孔隙中預(yù)先存在大量的氧氣和水，因此鋼筋與大孔隙接觸的位置更容易發(fā)生腐蝕。此外，腐蝕產(chǎn)物在鐵銹的累積過程中已經(jīng)滲透到裂縫中。圖5（c）顯示了從三維結(jié)構(gòu)中獲取的切片圖像，該切片與同一樣品其他位置的切片相比存在明顯的銹層分離現(xiàn)象，這種銹層分離現(xiàn)象是由相鄰位置的膨脹加劇引起的。

為獲得試樣腐蝕的縱向分布，將試樣的三維結(jié)構(gòu)沿線AO、BO、CO 和DO 以多個(gè)角度垂直切割(圖6)。

圖6 混凝土中鋼筋周圍的三維縱向切割示意圖Fig.3 3D longitudinal cutting for reinforcement concretes

由圖6 可以看出，橫向裂紋從表面向內(nèi)部擴(kuò)展，這種由銹蝕引起的橫向裂紋在過去鮮有報(bào)道。橫向裂紋通常被認(rèn)為是外加載荷引起的裂紋，但實(shí)際上，由于鋼筋的銹蝕過程是不均勻的，除了已知的縱向裂紋外，還有銹蝕膨脹壓力引起的橫向裂紋，造成該現(xiàn)象的主要原因是混凝土在縱向不平衡壓力作用下，其表面在最大銹蝕位置附近受到不均勻的張力作用，進(jìn)而導(dǎo)致混凝土表面開裂，即混凝土腐蝕開裂是一個(gè)典型的三維斷裂過程。

2.2 腐蝕損失的量化

通過測(cè)量鋼筋銹蝕后的剩余橫截面積，可以計(jì)算出鋼筋在任意給定位置的銹蝕程度，即銹蝕率：

式中，M0是給定位置橫截面鋼的原始質(zhì)量，M1是給定位置橫截面鋼的剩余質(zhì)量。圖7 顯示了沿鋼筋縱向的銹蝕程度。

圖7 混凝土中鋼筋的縱向銹蝕變化趨勢(shì)Fig.7 Longitudinal corrosion variation trend of reinforcement concrete

圖8 混凝土中鋼筋的縱向比率b的變化趨勢(shì)Fig.8 Variation trend of longitudinal ratio b in reinforcement concrete

從圖7 中可以看出，鋼筋的銹蝕率沿著鋼筋縱向不規(guī)則變化，其中最大銹蝕率為7.5%，最小銹蝕率僅為1%左右。為了進(jìn)一步描述局部銹蝕的程度，定義比率b為混凝土中鋼筋橫截面的最大損失與平均損失之比[16]，即：

式中：Rre為鋼筋的剩余半徑；θ為混凝土中鋼筋橫截面的極角。

圖8 顯示出鋼筋橫截面的最大損失與平均損失之比的變化規(guī)律。從圖中可以看出比率b在4～13之間變化，與文獻(xiàn)[16]一致。對(duì)于銹蝕程度較大的截面，其比值相對(duì)較小，由于周圍多孔區(qū)域中預(yù)先存在的水和氧氣，引起點(diǎn)蝕在初始階段起著更重要的作用。

將處理后的二值圖像用于銹層厚度測(cè)量，如圖9（a）所示，建立極坐標(biāo)系，其原點(diǎn)位于混凝土中鋼筋的中心軸線。通過測(cè)量沿徑向線的黑白邊界前兩點(diǎn)之間的距離來計(jì)算鐵銹厚度。該徑向線逆原點(diǎn)旋轉(zhuǎn)360°以獲得鋼棒整個(gè)圓周的厚度，測(cè)量方法是由python 編寫的內(nèi)部腳本實(shí)現(xiàn)。圖9（b）顯示出鐵銹的徑向厚度分布。這種測(cè)量方式可以為分析銹蝕分布提供一種有效、準(zhǔn)確的方法。

2.3 非均勻銹蝕模型

為了較好的預(yù)測(cè)鋼筋混凝土腐蝕開裂問題，基于von Mises 分布（循環(huán)正態(tài)分布），建立了一個(gè)非均勻銹蝕模型，該模型將混凝土中鋼筋周圍銹蝕的不均勻分布描述為von Mises 的修正函數(shù)。該模型由銹蝕程度指標(biāo)λ、非均勻銹蝕系數(shù)k和銹蝕層最大厚度位置μ這3 個(gè)參數(shù)構(gòu)成，定義鋼筋周圍銹蝕層厚度為：

式中：λ為腐蝕程度指標(biāo)，μ為銹蝕層最大厚度位置，k為非均勻銹蝕系數(shù)。I0(k)是0 階修正貝塞爾函數(shù)，可由以下公式定義[18]：

圖9 von-mises 模型與X-CT 數(shù)據(jù)的回歸分析Fig.9 Regression analysis on von-mises and X-CT model data

圖10 為von Mises 模型與X-CT 數(shù)據(jù)的回歸分析，將該模型與幾個(gè)選定位置的X-CT 數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。從圖中可以看出，可決系數(shù)R2大于0.9，表明von-mises 模型與X-CT 數(shù)據(jù)擬合精度較好，因此von Mises 模型能夠較好地描述混凝土中角部鋼筋的一般非均勻銹蝕空間擴(kuò)展，擬合的模型將有助于模擬由銹蝕引起的混凝土開裂問題。

3 結(jié)論

（1）通過顯微層析法獲得了16 位灰度級(jí)的混凝土角部鋼筋X-CT 圖像，并表征不同材料相，包括混凝土、鋼筋、銹蝕產(chǎn)物、孔隙和裂縫。構(gòu)建的三維圖像表明，由于預(yù)先殘留的氧氣和水分，在靠近鋼筋的周圍容易出現(xiàn)點(diǎn)蝕，此外，發(fā)現(xiàn)銹蝕沿著試樣的縱向和橫截面上發(fā)生顯著變化，混凝土中鋼筋橫截面的最大損失與平均損失之比約為4～13；

（2）利用混凝土鋼筋試樣的銹蝕分布參數(shù)化了一個(gè)基于von Mises 的非均勻銹蝕模型，將試樣選定位置的X-CT 數(shù)據(jù)與該模型進(jìn)行對(duì)比，試驗(yàn)結(jié)果表明參數(shù)化的von Mises 非均勻銹蝕模型具有可靠的精度，可以為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)銹蝕過程、銹蝕分布和腐蝕開裂的預(yù)測(cè)提供一種新方法。