數字圖像相關方法在鋼筋銹蝕中的應用

摘 ?要：本文提出一種基于數字圖像相關方法（Digital Image Correlation Method，DIC）的測量手段用于直接獲取鋼筋混凝土試件中鋼筋銹蝕產生的膨脹力。在鋼筋混凝土試件外表面貼應變片，同時開展光測試驗，利用CCD相機采集電加速鋼筋銹蝕過程中混凝土表面變形，計算鋼筋銹蝕膨脹力，并與應變片測量結果進行對比。試驗表明，在鋼筋混凝土試件開裂前，使用數字圖像相關方法獲得得到的膨脹力與應變片測量結果吻合度較好。因而，該方法為鋼筋銹蝕產生的膨脹力測量提供了新途徑。

關鍵詞：鋼筋銹蝕;銹脹力;數字圖像相關方法

中圖分類號：TP391.41 ? ? ?文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2019）12-0162-03

Abstract：This paper proposes a digital image correlation method （DIC） based measurement method for directly obtaining the expansion force of steel corrosion in reinforced concrete specimens. The strain gauge was attached to the outer surface of the reinforced concrete specimen，and the light test was carried out at the same time. The CCD camera was used to collect the deformation of the concrete surface during the accelerated corrosion of the steel，and the rust expansion force of the steel was calculated and compared with the measurement results of the strain gauge. The test shows that before the cracking of the reinforced concrete specimen，the expansion force obtained by the digital image correlation method is in good agreement with the measurement results of the strain gauge. Thus，this method provides a new way to measure the expansion force generated by steel corrosion.

Keywords：reinforcement corrosion;rust expansion force;digital image correlation method

0 ?引 ?言

處于海洋環境中的鋼筋混凝土結構容易受到氯離子的侵蝕[1]，鋼筋產生的銹蝕物體積比原有鋼筋體積要大得多，使得混凝土保護層受拉破壞。影響結構物的耐久性，導致結構物的承載能力下降。

眾多國內外學者就鋼筋銹蝕引起混凝土脹裂變化規律進行了研究，其中Bazan[2]根據鋼筋銹蝕理論的物理模型，由靜力平衡條件計算混凝土開裂時鋼筋膨脹的銹蝕力。李俊[3]等人使用光纖光柵法檢測銹蝕過程。王名杏[4]使用數值模擬的方法分析鋼筋銹蝕的膨脹力。王明斌[5]等人運用疊加原理和復勢理論的級數展開技術，獲得混凝土環向應力的解答。王顯利[6]等人在分析混凝土開裂時，運用混凝土斷裂理論，通過斷裂韌度與最大荷載的關系預測臨界膨脹力。Malumbela等人[7]考慮鋼筋不均勻銹蝕的情況，建立了鋼筋銹蝕程度與混凝土表面應變之間的關系模型。趙羽習[8]等人運用彈性力學的方法，建立了鋼筋銹蝕導致混凝土保護層開裂時的力學模型。

對于鋼筋銹蝕產生膨脹力的監測，眾多學者使用理論推導、數值模擬、試驗監測等方法進行研究，取得了可喜的進展。但也存在許多不足。例如，光纖光柵法檢測銹蝕需要將整個傳感器埋設在所要監測的鋼筋周圍，且該方法主要適用于鋼筋早期銹蝕過程的監測。為了更加精確、全面地對鋼筋銹蝕導致混凝土脹裂全過程中的應力應變場進行監測，本文運用數字圖像相關方法，通過混凝土表面的應變進行鋼筋膨脹力的計算。

1 ?DIC試驗

1.1 ?數字圖像相關方法原理

1.2 ?混凝土試塊及試驗器材

混凝土中的鋼筋采用長度為60mm、直徑為10mm的光圓鋼筋，先經過除銹處理，然后用保鮮膜包裹中間部分，鋼筋一段綁扎電線，兩端用環氧樹脂封閉防止養護期間生銹。澆筑混凝土時，去掉保鮮膜。混凝土粗骨料為石子，拌合水為海水，配合比為水泥：石子：水=470：715：1000，試件尺寸為50mm×50mm×50mm。同時在混凝土中埋入不銹鋼作為輔助電極，如圖1所示。CCD相機采用德國Basler產品（scA1600-14fm）CCD工業相機。

1.3 ?試驗過程

按上述方法制成混凝土試件，標準養護至28d后，在混凝土表面黏貼應變片，并噴涂人工散斑。試驗采用30V恒壓，加速混凝土中鋼筋的銹蝕速度[9]。使用應變采集儀定時采集應變，同時使用CCD相機定時采集混凝土表面圖像，如圖2所示。直到試件表面出現0.1mm寬裂紋時，停止通電。

2 ?鋼筋銹蝕產生的膨脹力分析

2.1 ?理論分析

對比圖6和圖7，不難發現，對應觀測點，使用數字圖像相關方法測量和使用傳統應變片測量，兩者結果趨勢相近。由于觀測點2是混凝土裂縫產生的位置，因而當應變過大時，應變片無法繼續測量混凝土表面的應變，這時候數字圖像相關方法的優勢便顯示出來了。

3 ?結 ?論

使用數字圖像相關方法測量混凝土中鋼筋產生的膨脹力是可行的，而且相比應變片測量，能夠全場測量，并且能夠根據混凝土銹蝕過程中混凝土表面應力應變的變化預測裂縫位置。

參考文獻：

[1] 趙暢.海洋環境下高性能混凝土耐久性試驗研究 [D].大連：大連理工大學，2010.

[2] Bazan Z P. Physical model for steel corrosion in Concrete sea structures-Application [J].Journal of Structural Division，1979，105（ST6）：1155-1166.

[3] 李俊，吳瑾.鋼筋銹蝕的光纖光柵監測 [J].南京航空航天大學學報，2008（3）：395-398.

[4] 王名杏.混凝土中鋼筋銹蝕膨脹的應力分析 [J].福建建材，2004（4）：19-21.

[5] 王明斌，李術才.雙向應力加載條件下鋼筋銹蝕致混凝土破壞應力分析 [J].水利學報，2008（2）：224-229+234.

[6] 王顯利，鄭建軍，吳智敏.鋼筋臨界銹脹力預測的斷裂模型 [J].水力發電，2007（2）：49-52.

[7] Malumbela，Goitseone，Alexander，etal. Model for cover cracking of RC beams due to partial surface steel corrosion [J].Construction and Building Materials，2011，25（2）：987-991.

[8] 趙羽習，金偉良.鋼筋銹蝕導致混凝土構件保護層脹裂的全過程分析 [J].水利學報，2005（8）：939-945.

[9] 盧明.混凝土抗氯離子性能電加速試驗方法改進研究 [D].廣州：華南理工大學，2011.

作者簡介：郭鵬飛（1991.12-），男，漢族，山東平度人，碩士，主要研究方向：工程力學。