基于X 射線CT 技術的混凝土角鋼筋銹蝕空間擴展研究

李江華,薛成洲

1.河南工業職業技術學院 城市建設學院,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界面組成，鋼筋混凝土材料由于長期處在較為惡劣的環境中，混凝土中的鋼筋時常發生銹蝕，據估計，全球銹蝕成本為2.5 萬億美元，約相當于全球國內生產總值（GDP）的3.4%。銹蝕會引起混凝土開裂及鋼筋與混凝土之間脫粘進而破壞混凝土保護層的完整性，降低混凝土的可靠性，導致結構和基礎設施過早失效。鑒于這一問題的重要性，在過去的幾十年中，在理解銹蝕機理、預測結構效應、防止銹蝕的發生等方面進行了大量的研究[1-5]。然而，在大多數研究中，通常采用外加電流法來模擬加速鋼筋混凝土腐蝕過程。事實上，腐蝕環境對鋼筋混凝土中鐵銹的化學成分、質量特性和銹蝕分布有顯著影響[6]。

為準確地研究混凝土中鋼筋周圍的銹蝕空間擴展，應采用更為符合自然條件下鋼筋混凝土腐蝕過程的試驗方法。采用氯化物溶液進行干濕循環試驗是在鋼筋混凝土中產生與實際環境相同腐蝕的主要方法。Fu C,et al.[7]研究了干濕循環下混凝土梁中鋼筋的腐蝕特性。Zhao Y,et al.[8]對鋼筋混凝土樣品采用干濕循環方法以加速腐蝕試驗，并提出了一個高斯非均勻腐蝕模型來定量定義腐蝕產物的分布。Zhang R,et al.[9]分析了在氯化物溶液環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的內部腐蝕，幾乎所有現有的研究都采用破壞性觀測。破壞性觀測是指對銹蝕鋼筋混凝土試件進行切割，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構很可能受到切割、研磨和拋光過程的影響或干擾[10]。此外，技術人員的技能、加工程序和測量方法也很可能影響結果。

近年來，一種利用X 射線計算機斷層成像（X-CT）的非破壞性方法被應用于材料科學研究[11-13]。同時，X-CT 技術也被用于研究混凝土的裂縫、孔隙結構和砂滲透性[14]。鋼筋混凝土腐蝕X-CT 檢測的顯著優點是，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展、腐蝕產物的形成以及隨后腐蝕引起的裂紋擴展。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差異。

本文采用干濕循環方法加速鋼筋混凝土的腐蝕過程，以期獲得與實際環境相同的腐蝕效果。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展，對混凝土內產生的裂縫和鋼筋銹脹效應進行分析和討論，并利用X-CT 結果分析得到的銹蝕分布數據，對非均勻銹蝕模型進行參數化，旨在獲得能可靠預測由腐蝕引起的混凝土銹蝕開裂過程的von Mises（循環正態分布）模型。

1 X-CT 實驗

1.1 試驗材料

本文設計了一個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，兩側混凝土保護層厚度為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]。標準養護28 d 后，將試樣置于干濕循環環境中，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，共循環112 次。

1.2 X-CT 技術

用X 射線微CT 系統掃描試樣，如圖2 所示。X-CT 系統能產生一系列的多色能譜，即當X 射線穿過混凝土鋼筋中心區域時，其能量比穿過邊緣的X 射線能量更強。因此，在構建圖像時混凝土中鋼筋邊緣具有更亮的像素。試驗時，設置掃描參數為3141 個投影點，角度步長為0.1146°，曝光時間為1000 ms，分辨率為16.25 μm。

2 X-CT 結果分析

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試樣的三維結構進行了數值重建。首先掃描試樣以確保不存在初始裂紋，之后將初始圖像進行幾何重新配置以使試樣三維圖像與分析坐標平行。圖3 顯示出了試樣在腐蝕環境中112 d 后的X-CT 圖像。

X-CT 衰減值以65536 級（即16 位圖像）的灰度值進行量化，其提供比256 級（8 位圖像）更高精度的呈現效果及數據樣本。由于鋼筋、銹蝕產物、砂漿、孔隙和裂縫的密度不同，即X 射線的衰減會產生不同的灰度值。

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、銹蝕產物、孔隙和裂縫等方面進行分離和識別，例如銹蝕產物主要分別由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，結合人工檢查及試錯法以識別該階段的閾值，結果如圖4 所示。

從圖4（a）可以看出，試樣出現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，橫向裂縫發生在銹蝕產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。進一步分析圖4 可知，在靠近鋼筋的孔隙周圍易出現點蝕，這主要是由于在試樣制備過程中預先殘留的氧氣和水分導致。

圖4 X-CT 構建的分離三維圖像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，將試樣的三維結構沿多個縱向位置進行垂直切割。圖5 顯示了鋼筋周圍不同位置的三個典型橫截面圖像并得到一些觀察結果，即（1）在孔隙周圍發生點蝕（圖5（a））；（2）腐蝕產物滲透流入裂縫（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生腐蝕。此外，腐蝕產物在鐵銹的累積過程中已經滲透到裂縫中。圖5（c）顯示了從三維結構中獲取的切片圖像，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象，這種銹層分離現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，將試樣的三維結構沿線AO、BO、CO 和DO 以多個角度垂直切割(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部擴展，這種由銹蝕引起的橫向裂紋在過去鮮有報道。橫向裂紋通常被認為是外加載荷引起的裂紋，但實際上，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，進而導致混凝土表面開裂，即混凝土腐蝕開裂是一個典型的三維斷裂過程。

2.2 腐蝕損失的量化

通過測量鋼筋銹蝕后的剩余橫截面積，可以計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量，M1是給定位置橫截面鋼的剩余質量。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律。從圖中可以看出比率b在4～13之間變化，與文獻[16]一致。對于銹蝕程度較大的截面，其比值相對較小，由于周圍多孔區域中預先存在的水和氧氣，引起點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量，如圖9（a）所示，建立極坐標系，其原點位于混凝土中鋼筋的中心軸線。通過測量沿徑向線的黑白邊界前兩點之間的距離來計算鐵銹厚度。該徑向線逆原點旋轉360°以獲得鋼棒整個圓周的厚度，測量方法是由python 編寫的內部腳本實現。圖9（b）顯示出鐵銹的徑向厚度分布。這種測量方式可以為分析銹蝕分布提供一種有效、準確的方法。

2.3 非均勻銹蝕模型

為了較好的預測鋼筋混凝土腐蝕開裂問題，基于von Mises 分布（循環正態分布），建立了一個非均勻銹蝕模型，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。該模型由銹蝕程度指標λ、非均勻銹蝕系數k和銹蝕層最大厚度位置μ這3 個參數構成，定義鋼筋周圍銹蝕層厚度為：

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

圖9 von-mises 模型與X-CT 數據的回歸分析Fig.9 Regression analysis on von-mises and X-CT model data

圖10 為von Mises 模型與X-CT 數據的回歸分析，將該模型與幾個選定位置的X-CT 數據進行對比。從圖中可以看出，可決系數R2大于0.9，表明von-mises 模型與X-CT 數據擬合精度較好，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 結論

（1）通過顯微層析法獲得了16 位灰度級的混凝土角部鋼筋X-CT 圖像，并表征不同材料相，包括混凝土、鋼筋、銹蝕產物、孔隙和裂縫。構建的三維圖像表明，由于預先殘留的氧氣和水分，在靠近鋼筋的周圍容易出現點蝕，此外，發現銹蝕沿著試樣的縱向和橫截面上發生顯著變化，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化了一個基于von Mises 的非均勻銹蝕模型，將試樣選定位置的X-CT 數據與該模型進行對比，試驗結果表明參數化的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構銹蝕過程、銹蝕分布和腐蝕開裂的預測提供一種新方法。