锈蚀钢筋混凝土声发射在线监测试验研究.pdf

第 1 7卷 第 2期 2 0 1 4年 4月 建筑材料学报 j oURNAL OF BUI L DI NG MATERI ALS Vo 1 17。 No 2 Apr 。 2 01 4 文章 编号 ： 1 0 0 7 9 6 2 9 ( 2 0 1 4 ) 0 2 0 2 9 1 0 7 锈蚀钢 筋混凝土声 发射在 线监测试验研究 虞 爱平 ， 赵艳 林 ， 王 磊 ( 1 广西 大学 土木 建 筑工 程学 院 ，广西 南 宁 5 3 0 0 0 4 ； 2 桂林 理 工大学 广西 矿冶 与环 境科 学实 验 中心 ，广西 桂林 5 4 1 0 0 4 ) 摘 要 ：采 用声发 射技 术 ， 对锈 蚀过 程 中的钢 筋 混凝 土试件进 行 在线监 测 ， 研 究声发 射信 号 与 实际锈 蚀位置及锈蚀程度的关 系 结果表明： 钢筋混凝土加速锈蚀过程 中， 声发射定位结果 图与试件锈蚀 的位 置 和分 布情 况 ， 声发射 定位 事 件 数 与 试件 实 际锈 蚀 程度 都 有较 好 的 一 致 性 利 用 声发 射 技 术 对试 件 的整 个锈蚀 过程 进 行在 线监 测是 可行 的 ， 在 线 监 测 的声发 射 信 号数 据 可 以有 效 地反 映钢 筋 锈 蚀 的 分布及 程度 关键 词 ： 钢 筋混 凝土 ； 锈 蚀 ；声发射 ； 监 测 中 图分类 号 ： TU5 2 8 5 7 1 文献标 志码 ： A d o i ： l O 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 7 9 6 2 9 2 0 1 4 0 2 0 2 0 A c o u s t i c E mi s s i o n ( AE)On l i n e Mo n i t o r i n g T e s t o n Co r r o s i o n i n Re i nf o r c e d Co nc r e t e yU A i pi ng ZH AO Ya nl i n 。W ANG Le i 。 ( 1 Col l e ge o f Ci v i l Engi ne e r i ng a nd Ar c hi t e c t ur e，Gua ngx i Uni ve r s i t y，Na nni n g 5 30 00 4，Ch i n a；2Gua ngx i Sc i e nt i f i c Exp e r i me n t Ce nt e r o f M i n i ng，M e t a l l ur gy a nd En vi r o n m e nt ，Gui l i n Uni v e r s i t y o f Te c hn o l o gy，Gu i l i n 5 41 0 04，Ch i na ) Ab s t r a c t ：Ac o u s t i c e mi s s i o n( AE)o n l i n e mo n i t o r i n g t e s t o n c o r r o s i o n i n r e i n f o r c e d c o n c r e t e s p e c i me n s wa s l a un c he dTh e a i m o f t e s t wa s t o s t u dy t he r e l a t i ons hi p be t we e n a c o us t i c e mi s s i o n s i g na l s a n d t he a c t u a l l o c a t i o n a nd e x t e n t of c or r o s i o nThe r e s ul t s s ho w t ha t t he l o c a t i o n f i g ur e s of a c o us t i c e m i s s i on a r e i n go o d a g r e e me nt wi t h t he d i s t r i but i o n o f a c t ua l c o r r o s i o na n d t he s a m e i s t r u e o f t h e nu m b e r o f e v e n t s o f a c ou s t i c e m i s s i on wi t h t h e a c t u a 1 e x t e n t of c or r o s i o n The s e r e s u l t s s ho w i t i S f e a s i bl e t o m o ni t o r t he e n t i r e pr o c e s s o f c o r r os i o n wi t h t e c h no l o gy o f AE，a nd t he a c o us t i c e m i s s i on s i g na l s c a n e f f e c t i v e l y r e f l e c t t he d i s t r ut i on a n d e xt e nt o f c o r r o s i o n Ke y wo r ds ：r e i nf or c e d c o nc r e t e；c or r os i o n；a c o us t i c e m i s s i o n( AE)；mon i t o r i ng 钢筋 锈蚀 破坏 是 钢筋混 凝 土结构 损 伤研 究 中不 可 回避 的 问题 _ 1 锈 蚀 反 应使 钢 筋表 面 出现 非 均 匀 分布 的点 蚀或 坑 蚀 ， 反 应 物 体 积 膨 胀 导致 钢 筋 对 混 凝 土 的径 向压 力 增 加 ， 从 而 降 低 混 凝 土对 钢 筋 的约 束 ， 破 坏 了原有 的黏结并 最 终 引起开 裂 2 整 个 过程 持续 时间 长 ， 受 各种 不确 定 因素 影响 较多 ， 导 致锈 蚀 分 布 和界 面黏 结 的 损 伤 程度 各 不 相 同 由 于钢 筋 的 锈蚀在 混凝 土 内部发 生 ， 并 且锈 蚀发 生 的位置 、 分 布 形态和锈蚀程度是动态变化的， 很难用传统 的方法 对破坏 过程 进行 实 时监 测 ， 从 而 也 就无 法 深 入 揭 示 钢筋混 凝 土黏结 破坏 的机 理 声 发射 具有 动态 、 实 时 的特 点 ， 对 材料 内部缺 陷 产 生 和扩展 所 释放 的瞬 态 能 量 较 为敏 感 ， 并 能 通 过 定 位技 术快 速 、 准 确地 确定 损伤 部位 目前 声 发射 技 收稿 日期 ： 2 0 1 2 - 1 2 - 0 3 ；修订 日期 ： 2 0 1 3 - 0 1 - 1 1 基金项 目： 国家 自然科学基金资助项 目( 5 1 2 6 8 0 0 9 ) ； 广西 自然科学基金创新研究团队项 目( 2 0 1 2 GXNS F GA0 6 0 0 0 1 ) ； 广西矿冶与环境 科学 实 验 中心 重 点 项 目( KH2 0 1 3 Z D0 0 5 ) 第一作者 ： 虞爱平( 1 9 8 1 一) ， 男 ， 江西丰城人 ， 桂林理工大学高级实验师 ， 硕士 E ma i l ： y - i c e f i r e 1 2 6 c o rn 通信作者 ： 赵艳林( 1 9 5 8 一) ， 男 ， 广西桂林人 ， 广西大学教授 ， 博士生导师， 博 士 E ma i l ： z h a o y a n l i n g l i t e e d u c n 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 9 2 建筑材料学报 第 1 7 卷 术 已经成 功应 用于桥 梁工 程结构 的健康 监 测 3 ， 以 及岩石与素混凝土的损伤机理研究等方面_ 6 _ 8 本文 利 用声 发射技 术对 钢筋混 凝土加 速锈 蚀试 验过 程进 行 了在 线监测 ， 以寻求锈 蚀过程 中钢 筋锈蚀 位 置 、 分 布以及 程度情 况 ， 并与实 际情况 进行 对 比分析 试验 结果表 明 ： 利 用 声发 射 技 术 对试 件 的整个 锈 蚀 过 程 进行在 线监 测是 可 行 的 ； 声 发射 定 位 结果 图能 够 有 效地反 映试 件锈 蚀 的位置 和 分 布情 况 ， 定位 事 件 数 的大小 也 能较好 地反 映试件 的实 际锈蚀程 度 1 试 验 1 1试验 材料 试 验采用柳 钢生 产 的 2 0的 HR B 3 3 5变 形 钢筋 ( 月牙纹) ； 南宁生产 的 4 2 5 海螺牌 普通 硅酸盐 水泥 ； 粗骨料 选用 最大 粒径 为 2 0 mm 的石灰 石 碎石 ， 细 骨 料选用 中砂 ( 普 通河 砂 ) ， 细 度 模数 M 一2 5 ； 混 凝 土 设计强 度 为 C 2 5 ， 其 配合 比 为 m( 水 泥 )：m( 砂 )： m( 石子 )： m( 水 ) 一3 3 6：1 9 0：l _ O 0： 0 5 7 1 2试件 设计 试 验采用 1 5 0 mmX1 5 0 mmX1 5 0 1 T i m 的立 方 体 中心 拔 出 试件 ， 钢筋 预 埋 部 分保 留 9 0 1T i m 黏结 段 ， 并在 黏结 段采 用 内开 槽 贴 片 技术 黏 贴应 变 片 ， 如 图 1所示 为减 少界 面对钢 筋 锈蚀 监 测 的影 响 ， 在 钢筋 预埋 部分 的两端 各设 置 3 0 mm 的无 黏结 段 ， 并涂 刷 环氧树 脂 为 防止浇 注时水 泥砂浆 进入 管 内 ， 先 用绝 缘胶 布包 裹无黏 结段 至合 适厚度 ， 再套 紧 P VC塑料 管 砂浆浇注完毕后 ， 将试件表面盖上薄膜 ， 在 2 0 PVCpi p e l l 、 、 、 Bo n d e d a r e a S t e e l b a r 7 O 3 0 9 0 j U l 2 U 图 1 试件示意 图 F i g 1 F i g u r e o f s p e c i me n ( s i z e ： mm) 下养 护 3 d 拆模 后 放 入标 准 养 护 室养 护 2 8 d ， 测 得 其抗压强度代表值为 3 3 5 2 MP a 设计 4组锈蚀 样 品 ， 每组 3个试 件 ， 编号 分别 为 1 1， 1 2， 1 3， 2 1， 2 - 2， 2 - 3， 3 - 1， 3 - 2， 3 - 3， 4 1， 4 2， 4 - 3 锈蚀 试件 制作 时在水 泥砂 浆 中掺 入 5 ( 质量 分 数 ， 下 同) 的 Na C 1 通 过控 制 每 组 试 件 加 速锈 蚀 的天 数 来 获得不 同锈蚀 程 度 非 锈 蚀对 照 组 也 采用 3个 试 件 ， 编号 为 0 1 ， O 一 2 ， 0 - 3 ， 均 不 含 Na C 1 锈 蚀 试 件 浸 入 5 Na C 1 溶 液 中 ， 浸泡 3 d ； 对 照试 件则放 在 水 中 养 护 3 d 实 测锈 蚀程 度根据 J T J 2 7 0 9 8 水运 工程 混凝 土试 验规 程 测 定 1 3加速锈 蚀试验 及在 线监 测方 案 将 连接 钢 筋 的导 线 与 恒 定 直 流 电 源 的 阳极 相 接 ， 直流 电源 的 阴极 则与溶 液 中的不锈 钢 片相 连接 ， 通 过 5 Na C 1 溶 液 形 成 回路 ， 同 时 为 了加 速 锈 蚀 ， 试 件采用 串联 方式 ， 如 图 2所示 在待 锈蚀 钢筋 的 两 端布置两个声发射传感器 ， 实时监测锈蚀过程中的 声 发射信 号 对照试 件则 放在水 中进 行 同步养护 图 2加速绣蚀及 声发射在线监测原理 图 Fi g 2 S c h e ma t i c d i a g r a m o f c o r r o s i o n a n d AE o n l i n e mo n i t o r i n g ( s i z e ： ram) 2 试验 结果与分析 2 1 锈 蚀过 程的 信号特 征 根据文献 9 1 O 的研究可知， 可利用断铅来模 拟钢筋混凝土损伤产生的声发射信号 因此 ， 为了揭 示锈蚀过程的信号特征 ， 在图 2所示 2个测点( 测点 1 在钢筋表面 ， 测点 2在试 件表面) 各 断铅 1 5次之 后 ， 声发射传感器接受到 2 个测点的断铅信号 ， 特征 如 图 3所示 对非锈 蚀对 照组 的 3个试 件进 行声 发射 信号 采 集 ， 得 到 断路 信 号能 量一 平 均频 率 关 联 图 ， 如 图 4所 示 由 图 4可知 ， 在 试 件 的不 同位 置 断铅 ， 声 发 射 传 感器接受到的断铅信号存在差异 ， 在钢筋表面断铅 ( 测 点 1 ) 的信 号 能量 主要 集 中在 2 O 3 0 k Hz ， 而 在 T 上 一 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 2期 虞 爱平 ， 等 ： 锈蚀钢筋混凝土声发射在线监测试验研究 2 9 7 3 结 论 ( 1 ) 加速锈蚀过程 中， 锈蚀信号能量主要集 中在 2 O 5 0 k Hz ， 其 中 2 O 3 O k Hz频 段 反 映 了钢 筋 轻 微锈 蚀信 号 ， 主 要 是 钢 筋 表 面 钝 化 膜 破 裂 的 信 号 ， 3 0 5 0 k Hz频段 反 映 了钢 筋 锈 蚀 物 和 混凝 土 之 间 相互作用 以及混凝土开裂 的信号 ( 2 ) 声发 射定 位结 果 图 可 以反 映试 件 锈蚀 的位 置 和分 布情 况 ， 定 位事 件 数 的大 小 可 以反 映 试 件 的 实 际锈蚀 程 度 利 用声 发 射 技 术 对 试 件 的整 个 锈蚀 过程 进行 在 线监 测是 可行 的 参 考文 献 ： 1 2 3 4 冯 乃谦 ， 蔡军旺 ， 牛全林 ， 等 山东沿海 钢筋混凝 土公路 桥的劣 化 破坏及 其对策的研究 J 混凝土 ， 2 0 0 3 ( 1 ) ： 3 6 FENG Na i q i a n， CAI J u nwa n g， NI U Qu a n l i n， e t a 1 De t e r i o r a t i o n a n d c o u n t e r me a s ur e s o f c o a s t a l h i gh wa y br i d g e o f r e i n f o r c e d c o n c r e t e i n S h a n d o n g J C o n c r e t e ， 2 0 0 3( 1 ) ： 3 - 6 ( i n Ch i n e s e ) 张玉敏 盐溶 液侵蚀 环境下钢 筋混凝土 梁柱承 载力试验研 究 D 天津 ： 天津大学 ， 2 0 0 2 ZHANG Yu mi n Ex p e r i me n t a l s t u d y o n be a r i n g c a p a c i t y o f r e i n f o r c e d c o n c r e t e b e a ms u n de r s a l i n e e n v i r o n m e nt e r o s i o n D Ti a n j i n ： Ti a n j i n Un i v e r s i t y ， 2 0 0 2 ( i n C h i n e s e ) SHI GEI S HI M 。 C0L0M B0 S， B R0UGH TON K J ， e t a 1 A c o u s t i c e mi s s i o n t o a s s e s s a n d mo n i t o r t h e i n t e g r i t y o f b r i d g e s J C o n s t r u c t i o n a n d B u i l d i n g Ma t e r i a l s ， 2 0 0 1 ， 1 5 ( 1 ) ： 3 5 4 9 CULLI NGT0N D W 。 M ACNEI L D， PAULS ON P， e t a 1 Co n 一 5 6 7 8 9 1 o t i nuous a cous t i c m oni t or i ng c r e t e b r i d g e s J NDT 8 L 95 1 O 5 o f g r o u t e d p o s t t e n s i o n e d c o n E I n t e r n a t i o n a 1 ，2 0 0 1，3 4(2) FRI CKER S， V0GEL T S i t e i n s t a l l a t i o n a n d t e s t i n g o f a c o n t i n u o u s a c o u s t i c mo n i t o r i n g J C o n s t r u c t i o n a n d B u i l d in g M a t e r i a l s ， 2 0 0 7， 2 1 ( 3 )： 5 0 1 5 1 0 YU YAM A S YOKOYAM A K ， NI I TANI K ， e t a 1 De t e c t i o n a n d e v a l u a t i o n o f f a i l u r e s i n h i g h s t r e n g t h t e n d o n o f p r e s 。 t r e s s e d c o n c r e t e b r i d g e s b y a c o u s t i c e mi s s i o n J C o n s t r u c t i o n a n d Bu i l d i n g M a t e r i a l s ， 2 0 0 7， 21 ( 3 )： 4 9 1 5 0 0 SAGAI DAK A I ， ELI Z AROV S V Ac o us t i c e mi s s i o n p a r a m e t e r s c o r r e l a t e d wi t h f r a c t ur e a n d d e f o r ma t i o n p r o c e s s e s o f c o n c r e t e me mb e r s J C o n s t r u c t i o n a n d B u i l d i n g Ma t e r i a l s ， 2 0 0 7， 21 ( 3 )： 4 7 7 4 8 2 CHEN Bi n g， LI U J u a ny u I n v e s t i g a t i o n o f e f f e c t s o f a g g r e g a t e s i z e o n t h e f r a c t ur e b e h a v i o r o f h i g h p e r f or m a nc e c o n c r e t e by a c o u s t i c e mi s s i o n J C o n s t r u c t i o n a n d B u i l d i n g Ma t e r i a l s ， 2 0 0 7， 2 1( 8 )： 1 6 9 6 1 7 O l _ 尹红 宇， 赵艳林 ， 吕海波 ， 等 混凝土无损检测中常用声发 射检 测参数 的设置 J 混凝土 ， 2 0 0 9 ( 3 ) ： 1 2 5 1 2 8 YI N Ho n g y uZHAO Ya n l i n，LU H a ibo， e t a 1 Se t t i n g t h e c o mmo n d e t e c t i n g p a r a me t e r s o f AE i n ND T o f c o n c r e t e J Co n c r e t e 2 0 0 9 ( 3 )： 1 2 5 1 2 8 ( i n Ch i n e s e ) 欧 阳利军 ， 陆洲导 ， 赵艳林 ， 等 混凝土结构声发射 检测参 数设 置研 究 J 重庆建筑大学学报 ， 2 0 0 8 ， 3 0 ( 5 ) ： 3 7 4 1 0UY ANG L ij u n ， LU Z h o u d a o ， Z HAO Ya n l i n ， e t a 1 T h e s e t t i n g o f a c o u s t i c e m i s s i o n d e t e c t i n g p a r a me t e r s i n c o nc r e t e s t r u c t u r e J J o u r n a l o f C h o n g q i n g J i a n z h u Un i v e r s i t y ， 2 0 0 8 ， 3 0 ( 5 )： 37 - 4 1 ( i n Ch i n e s e ) ( 上 接 第 2 6 5页 ) TANG W e i we i ，ZHANG W e _ 1 i n，FANG Ti n g y o n g Ca l c u l a t i o n a n d s im u l a t i o n o f e n e r g y c o n s u m p t i o n f o r a p ub l i c b ui l d i n g i n h o t s u mme r a n d c o l d wi n t e r z o n e J B u i l d i n g E n e r g y Ef f ic i e nc y， 2 0 1 1， 3 9 ( 4 )： 6 9 7 2 ( i n Chi n e s e ) 5 黄春勇 中空玻璃的热工性能研究及其在住宅建筑上适用性分 析F D 重庆 ： 重庆大学 ， 2 0 0 8 HU ANG Ch u ny o ng Re s e a r c h o n t h e r ma l c h a r a c t e r i s t i c s o f i n s u l a t i n g g l a s s a n d i t s a p p l i c a t i o n i n r e s i d e n t i a l b u i l d i n g s D Ch o n g q i n g： Ch o n g q i n g Un i v e r s i t y， 2 0 0 8 ( i n Ch i n e s e ) 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m