銹蝕鋼筋混凝土的黏結性能及聲發射信號特征分析

王磊，夏海龍，易金，范蕾

（1.廣西建筑新能源與節能重點實驗室，廣西桂林541004；2.桂林理工大學土木與建筑工程學院，廣西桂林541004）

銹蝕鋼筋混凝土的黏結性能及聲發射信號特征分析

王磊1，2，夏海龍2，易金2，范蕾2

（1.廣西建筑新能源與節能重點實驗室，廣西桂林541004；2.桂林理工大學土木與建筑工程學院，廣西桂林541004）

鋼筋銹蝕對鋼筋與混凝土間的黏結性能影響顯著，通過對銹蝕率分別為0，0.5%，2%，4%，6%的5組試件的拉拔試驗，結合聲發射檢測系統，研究了銹蝕鋼筋混凝土的黏結破壞過程和聲發射信號特征變化。試驗結果表明:對于實驗室條件下的加速鋼筋銹蝕試驗，采用聲發射定位技術可以準確地反映鋼筋銹蝕造成混凝土損傷的位置和程度；試件聲發射能量隨著銹蝕率的增加而減小，根據聲發射參數的變化特征，可將聲發射信號劃分為與黏結-滑移曲線相對應的4個階段，分析能量、信號幅值、上升時間等聲發射參數在破壞過程中的變化規律，能較清晰地反映試件黏結性能退化的過程，一定程度上可以較早地預測試件的破壞。

銹蝕鋼筋；聲發射；黏結性能；試驗

鋼筋和混凝土兩種材料能夠共同工作、共同承受荷載的前提條件是二者之間具有良好的黏結性能，黏結性能的退化和失效必然導致鋼筋混凝土結構力學性能的降低。由各種外界因素引發的鋼筋銹蝕問題，對鋼筋和混凝土之間黏結性能影響顯著，其影響通常可以歸結為鋼筋表面形狀及材性改變與混凝土約束條件變化兩個主要方面。多因素疊加使得銹蝕鋼筋與混凝土之間黏結特性分析的困難大增，而目前的研究大多是從宏觀力學性能來分析銹蝕鋼筋混凝土界面間黏結退化問題［1-4］，缺少對鋼筋銹蝕發生，裂縫的產生與擴展，以及構件受力黏結破壞的過程研究。對銹蝕鋼筋與混凝土界面間黏結退化過程依然缺乏完整而清晰的了解。聲發射技術是近年來被人們廣泛利用的一種無損檢測技術，具有可實時動態監測、迅速準確定位損傷部位等優點，是一種頗具前景的監測技術［5-6］。本文采用聲發射無損檢測技術監測拉拔破壞的全過程，對不同銹蝕率的鋼筋混凝土試件的黏結性能開展試驗研究，研究結果對鋼筋混凝土間黏結理論和實際工程的分析應用具有一定意義。

1　試驗

1.1試驗材料

試驗采用直徑為20mm的HRB335月牙紋鋼筋，C30混凝土。混凝土采用42.5普通硅酸鹽水泥，粗骨料為最大粒徑20mm的石灰石碎石，并在澆筑混凝土前清洗干凈，細骨料用細度模數為2.5的普通天然河砂。混凝土28d實測標準立方體抗壓強度為31.43MPa。為了在加速銹蝕試驗中增加混凝土的導電能力，本試驗采用5%的NaCl溶液作為拌合用水，混凝土制備配合比見表1。

表1　混凝土配合比設計

1.2試件設計

試件為150mm×150mm×150mm混凝土立方體中心埋置鋼筋的拉拔試件，為保證試驗時鋼筋與實際結構中鋼筋的應力狀態相近，在鋼筋與混凝土接觸的兩端用長度為30mm的塑枓套管將二者隔離作為無黏結段。試件澆筑完畢后1d拆模，標準條件下養護28d。采用電化學加速銹蝕方法，通過控制電流和加速銹蝕時間獲得相應銹蝕率的試件。試驗設計銹蝕率分別為0，0.5%，2%，4%，6%的5組試件，每組3個。

1.3拉拔試驗加載裝置及測量

本試驗采用自制的拉壓轉換裝置，如圖1（a）所示。機構原理：啟動壓力機，當上壓頭向下移動時，方鋼板4就會對試件上端施加壓力，隨著上壓頭繼續下移，試件中鋼筋就會被拔出。

部分試件的加速銹蝕過程和所有中心拉拔試驗均采用聲發射儀進行了監測。本試驗采用二維平面定位對拉拔試驗過程進行全程定位監測。結合本試驗所用試件外形特點，采用4個傳感器方形布置。聲發射傳感器布置如圖1（b）所示。在試驗前先對聲發射儀進行調試，根據文獻［7］研究，本試驗聲發射檢測參數設置利用斷鉛試驗來確定，得出門檻值40dB，定位波速3050m/s。

圖1　拉壓轉換裝置和傳感器布置

2　試驗結果及分析

2.1銹蝕過程中的聲發射信號

為研究聲發射能否準確捕捉鋼筋加速銹蝕損傷的產生位置，試驗對一個銹蝕試件實際銹蝕過程中的損傷定位情況進行了測試和分析。

觀察定位圖（圖2（a））發現，聲發射信號在Z= 110～200mm區段內的分布較為集中，而此區段正是試件的黏結段；在試件的非黏結段也有少量的聲發射信號。這是因為試件銹脹開裂以及銹蝕產物的滲入也會產生聲發射信號。將試件剖開觀察劈裂面（圖2（b）），在孔道內有明顯銹跡，橫肋銹跡明顯，部分混凝土內部有銹跡，銹蝕面積較大，銹跡在Z=160～200mm范圍內集中，同樣，定位圖中聲發射事件在此范圍內較多。由定位圖還可以看出采用聲發射定位技術可以準確地反映鋼筋銹蝕造成混凝土損傷的位置和程度。但是考慮到實際工程條件下的混凝土損傷是一個長期的過程，因而，是否能夠采用聲發射監控由鋼筋銹蝕所引發的混凝土損傷依然需要探討。

2.2拉拔試驗結果和聲發射信號特征參數

由于本試驗中采用的鋼筋直徑較大，所有試件均為圖3所示劈裂破壞形式，試驗結果見表2。拉拔試驗過程中，當黏結應力達到峰值時，伴隨混凝土“嘣”的一聲，試塊瞬間劈裂成若干塊。

圖2　試件4-3損傷定位

圖3　試件2-3劈裂破壞形式

從表2所示的試驗結果可以看出，隨著鋼筋銹蝕率的增加，試件破壞所需的極限荷載也不斷降低，鋼筋和混凝土之間的黏結應力逐漸減小，與目前的研究結果較為相符，其主要存在3個方面的原因：①試件中變形鋼筋表面橫肋會隨著銹蝕程度的增加而減小，削弱了混凝土和鋼筋之間的機械咬合力；②對于產生銹脹裂縫的試件，裂縫會使得周圍混凝土對鋼筋的約束能力減小，從而影響了試件的黏結強度；③鋼筋的銹蝕產物使得鋼筋和混凝土界面間發生了變化，削弱了鋼筋與混凝土之間的化學膠著力和界面間的摩阻力。需要特別提出的是，當鋼筋銹蝕率＜0.5%時，黏結應力會有少量的提高，這是由于在輕度銹蝕下，鋼筋的銹蝕產物正好填充了界面間混凝土的孔隙，使得鋼筋周圍的混凝土變得致密，從而提高了黏結應力；再者，輕度銹蝕情況下的銹蝕產物較少，其體積的輕微膨脹也能增加界面處的摩擦系數并增強混凝土對鋼筋的約束作用，使得黏結性能略有提高［8-9］。

如圖4、圖5所示，鋼筋拉拔試驗過程的黏結-滑移曲線可分為微滑移段、滑移段、劈裂段、下降殘余段4個階段，且隨著銹蝕率的增加，加載端滑移量不斷減少，鋼筋拔出所需的荷載也顯著減小，由于試件的破壞均為劈裂破壞，黏結應力達到極限后迅速下降，試件破壞較為突然。

表2　拉拔試驗結果

圖4　黏結-滑移曲線

圖5　滑移量與銹蝕率的關系曲線

為更好地分析研究銹蝕鋼筋與混凝土間的黏結退化過程，以及拉拔試驗的破壞過程，采用聲發射測試過程中獲取的累積參數和變化率參數這兩個聲發射信號，結合黏結-滑移曲線特征以及試驗現象進行綜合分析。如圖6所示，聲發射能量計數有2個峰值，且鋼筋與混凝土黏結破壞時產生的聲發射信號較為連續，根據聲發射信號的變化特點，將整個加載過程劃分為與黏結-滑移曲線相對應的4個階段。

1）微滑移段：剛開始加載，加載力較小，黏結滑移尚未到達自由端端部，黏結力主要為化學膠著力。而此時聲發射信號較活躍，可能是來源于試件受壓面上混凝土顆粒被擠碎，以及試驗設備在受力后剛度調整而產生的非黏結滑移特征的干擾信號。

2）滑移段：加載端附近界面開始產生局部脫黏，鋼筋自由端開始出現滑移，化學膠著力逐漸喪失，黏結力主要為摩擦力和機械咬合力。此階段聲發射信號的變化很小，聲發射釋能率較低，可以推斷出混凝土內部的微裂縫在緩慢發展，信號主要來源于黏結界面處的斜裂縫和鋼筋變形肋處被壓碎的混凝土以及混凝土表面的微裂縫或原有銹脹裂縫的緩慢增大。

3）劈裂段：混凝土表面開始出現微裂縫或原有的銹脹裂縫從加載端向自由端快速擴展，黏結界面出現較大的斜裂縫，且變形鋼筋橫肋前的混凝土被壓碎，聲發射釋能率迅速增大，最終試件劈裂破壞，聲發射釋能率突然達到峰值，也進一步地說明鋼筋和混凝土間的黏結破壞屬于典型的脆性破壞。

4）下降殘余段：試件在平均黏結應力達到峰值后，承載能力迅速下降，試件突然出現較大貫穿裂縫。加載端滑移值到一定程度后，黏結應力不再持續下降，逐漸平穩。這個階段聲發射能量信號相對較微弱，主要來源于鋼筋和混凝土之間的摩擦。

由以上分析可知，根據聲發射累積參數和變化率參數的變化特征，能較準確直觀地推斷出試件在拉拔試驗中內部變形和微裂縫的產生、發展、擴展直至最終喪失承載能力破壞的全過程。

對比圖6中不同銹蝕率試件的聲發射能量累積計數還可發現，試件聲發射能量隨著銹蝕率的增加而減小。這與銹脹裂縫發展及鋼筋與混凝土的黏結作用削弱有關。

本文試驗中，通過對聲發射振鈴計數累積變化的觀察還可發現，在試件加載過程中，振鈴計數累積變化和能量累積在走勢上十分相近。這可以解釋為聲發射振鈴計數本質上是由聲發射能量決定的。

此外，由試件2-3加載過程中聲發射信號幅值的變化（如圖7）可發現，隨著加載力的增加，聲發射信號幅度有增大的趨勢，在極限黏結應力處幅度達到最大值。綜上可知，聲發射各個特征參數之間有著密切的聯系，通過對其研究，可以較早地預測試件破壞的發生。

圖6　聲發射能量計數及累積計數

圖7　試件2-3聲發射信號幅值的變化

2.3聲發射上升信號和持續信號的分布特征

試驗顯示：當加載到極限黏結應力的20%，上升時間分布在0～350μs之間，持續時間分布在0～6000μs之間，這個階段主要是由混凝土受力塑性變形以及產生微裂縫發出的信號；當加載到極限黏結應力的90%，上升時間分布在0～1200μs之間，持續時間則分布在0～9000μs之間，聲發射信號主要來源于混凝土的開裂；當加載達到極限黏結強度后，出現了上升時間＞1200μs，持續時間＞9000μs的信號，信號主要是由鋼筋脫黏后整體滑移和外圍混凝土產生摩擦引起的，即為臨近破壞的預警信號。因此可知，混凝土和鋼筋界面間摩擦產生的聲發射信號的上升時間和持續時間相對較大；而由混凝土開裂和塑性變形產生的聲發射信號的上升時間和持續時間相對較小，且較為集中。

3　結論

1）對于實驗室條件下的加速鋼筋銹蝕試驗，采用聲發射定位技術可以準確地反映鋼筋銹蝕造成混凝土損傷的位置和程度。但對于銹蝕過程漫長的實際工程應用仍需進一步研究。

2）根據聲發射累積參數和變化率參數的變化特征，能較準確地推斷出試件在拉拔試驗中內部微裂縫的產生、發展、擴展直至最終喪失承載能力破壞的全過程，且試件聲發射能量隨著銹蝕率的增加而減小。

3）聲發射的累積參數、變化率參數、振鈴變化率、信號幅值等各個特征參數之間有著密切的聯系，通過對其研究，可以較早地預測試件破壞的發生。

4）混凝土和鋼筋界面間摩擦產生的聲發射信號的上升時間和持續時間相對較大；而由混凝土開裂和塑性變形產生的聲發射信號的上升時間和持續時間相對較小，且較為集中。

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AbstractSteel bar corrosion has significant effects on the bond performance between the reinforcing steel bar and concrete.Pull-out tests combined with acoustic emission（AE）detection system were conducted for 5 groups of specimens with 0，0.5%，2%，4%，6%corrosion rate.T he aim of tests was to study the corroded reinforced concrete damage process and the variation characteristics of AE signals.T he results show that AE location can accurately reflect the position and level of concrete damage caused by steel bar corrosion from the accelerating steel bar corrosion test in laboratory.T he AE energy of specimen decreases with the corrosion rate increasing.According to the characteristics of AE parameters，the AE signals can be divided into four stages which are corresponding to its bond-slip curve.By analyzing the chang law of AE parameters in the process of destruction，such as energy，signal amplitude，rise time and so on，the results can clearly reflect the degradation process of specimen bond performance，and early forecast the failure of specimen to a certain extent.

Analysis on Bond Performance of Corroded Reinforced Concrete and Feature of Acoustic Emission Signals

WANG Lei1，2，XIA Hailong2，YI Jin2，FAN Lei2
（1.Guangxi Key Laboratory of New Energy and Building Energy Saving，Guilin Guangxi 541004，China；2.College of Civil Engineering and Architecture，Guilin University of Technology，Guilin Guangxi 541004，China）

Corroded steel bar；Acoustic emission（AE）；Bond performance；Test

TU317+.9

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2016.04.35

1003-1995（2016）04-0139-05

（責任審編孟慶伶）

2015-11-26；

2016-01-15

國家自然科學基金（51268009）；廣西高校優秀中青年骨干教師培養工程；廣西礦冶與環境科學實驗室中心項目（KH2011ZD007）

王磊（1977—），男，教授，博士。