混凝土构件中钢筋锈蚀的中子断层扫描成像

混凝土构件中钢筋锈蚀的中子断层扫描成像
张鹏;WITTMANN Folker H;李荣旭;王雨;艾昕;赵铁军
【摘要】制备了小型混凝土构件,通过三点弯曲诱导裂缝和氯盐溶液干湿循环加速其中钢筋锈蚀,采用自然电位法监测钢筋的腐蚀电位,并采用中子断层扫描成像技术对钢筋锈蚀产物分布进行了分析.结果表明:钢筋混凝土构件经过85次氯盐溶液干湿循环后,采用中子断层扫描成像技术对其进行三维扫描成像,可直观呈现钢筋锈蚀产物分布状况;钢筋锈蚀产物集中分布于裂缝断面钢筋与基体界面的底部区域,并沿界面逐渐向外扩展,符合氯盐诱导钢筋锈蚀的坑蚀规律.这为研究混凝土结构中钢筋的锈蚀机理提供了一种新的试验方法.
【期刊名称】《建筑材料学报》
【年(卷),期】2016(019)006
【总页数】4页(P1019-1022)
【关键词】钢筋锈蚀;腐蚀电位;中子透射;断层成像
【作者】张鹏;WITTMANN Folker H;李荣旭;王雨;艾昕;赵铁军
【作者单位】青岛理工大学土木工程学院,山东青岛266033;Aedificat Institute Freiburg,Freiburg D-79100,Germany;青岛理工大学土木工程学院,山东青岛266033;中国原子能科学研究院核物理研究所,北京102413;青岛理工大学土木工程学院,山东青岛266033;青岛理工大学土木工程学院,山东青岛266033
【正文语种】中文
【中图分类】TU528.01
目前，钢筋混凝土结构的耐久性问题已引起社会的普遍关注，是土木工程界需要解决的首要问题之一.引起钢筋混凝土结构耐久性劣化的原因有很多，主要为钢筋腐蚀、冻融破坏和化学侵蚀[1-2].国内外研究人员、国际材料与结构研究实验联合会(RILEM)、欧洲腐蚀联盟(EFC)、美国腐蚀工程师协会(NACE)等均对混凝土结构中
的钢筋锈蚀问题展开了系统调查和研究[3-7].测定混凝土结构中钢筋锈蚀的方法主
要有自然电位法、线性极化法及电化学阻抗谱等方法，这些方法虽然能从电化学角度判断混凝土结构中钢筋的锈蚀状态，但无法了解钢筋锈蚀产物的分布状况.因此，直观地追踪混凝土构件中钢筋锈蚀的发展规律，是当前亟需解决的一个研究难题. 二维中子透射扫描成像技术是由信号探测器记录中子透射经过被测物体后的射线信息，通过其特定衰减对被测物体内部结构进行成像与定量分析的一种无损检测技术，已被应用于混凝土材料的研究，并取得了良好的成果[8-13].需要指出的是：二维
中子透射扫描成像会导致物体内部结构的一些信息重叠，因此其应用具有一定的局限性.而中子断层扫描成像技术是采集被测物体多角度的透射数据，再通过图像处
理和数据重建技术来获得物体内部的结构信息，最后用计算机图像软件将被测物体三维成像显示，从而克服了二维中子透射扫描成像的缺点.然而，应用中子断层扫
描成像技术研究混凝土结构中的钢筋锈蚀问题，尚无文献报道.
本文制备了小型混凝土构件，通过三点弯曲诱导裂缝和氯盐溶液干湿循环加速其中钢筋锈蚀，并采用自然电位法监测钢筋的腐蚀电位，经过85次氯盐溶液干湿循环后，再采用中子断层扫描技术对钢筋锈蚀产物三维成像，以便直观了解锈蚀产物的空间分布状况，期望为研究混凝土结构中钢筋锈蚀机理提供一种新的试验方法.
1.1 原材料与试件制备
原材料：青岛山水P·O 42.5水泥，最大粒径为5mm 的标准砂，自来水，直径为
8mm的Q235碳素光圆钢，直径为4mm的不锈钢.混凝土的水灰比(质量比)为
0.6，配合比为：水泥500kg/m3，砂1350kg/m3，水300kg/m3.成型
160mm×25mm×40mm小型混凝土构件(见图1)，在其内部，沿长度方向埋设了2层钢筋，上层钢筋为不锈钢(做阴极)，下层钢筋为光圆钢(做阳极).构件成型24h
后拆模，再将其放入标准养护室中养护14d.
1.2 诱导裂缝与加速钢筋锈蚀试验
采用三点弯曲试验对构件缓慢施加荷载直至底面产生裂缝，维持荷载待裂缝稳定后，用高分辨率裂缝观测仪在构件底面沿裂缝每隔3mm摄取裂缝照片，并测量其宽度，取8个测量值的平均值作为裂缝宽度.各构件加载和卸载后的裂缝宽度如表1所示. 将构件的4个侧面用铝箔胶带密封，只暴露底面和顶面，然后将其底面置于质量
分数为5%的氯盐溶液中毛细吸盐6h，取出放入实验室(相对湿度约为60%)干燥
18h，如此干湿循环，每天1次.在干湿循环初期，每次循环均监测构件中光圆钢
筋与不锈钢筋之间的自然电位差，30d后每5次循环监测1次腐蚀电位，并在85次循环后取出部分构件进行中子断层扫描成像.
1.3 中子断层扫描成像
中子断层扫描成像试验在瑞士Paul Scherrer Institute的中子成像装置NEUTRA[14-15]上进行，中子能量为0.025eV，中子束的流量强度为
5.1×106cm-2·s-1·mA-1，成像格式为FITS，图像大小为2160pixel×1600pixel，每个构件旋转360°，成像625帧，单像素最小尺寸为69μm.
2.1 混凝土构件中钢筋腐蚀电位变化
图2为混凝土构件腐蚀电位随干湿循环次数的变化曲线.由图2可见，在干湿循环
初期，混凝土构件M1～M6(裂缝宽度60～120μm)中的钢筋腐蚀电位已达-300～-200mV，根据ASTM C876-09标准[16]，表明钢筋锈蚀的概率已达到50%，随后大部分构件的腐蚀电位超过-350mV，钢筋锈蚀的概率达90%.图3为85次干
湿循环后构件M2的表面状况.由图3可见，经过85次干湿循环后，构件M2的
底面已有锈蚀产物渗出，这与图2中构件M2的钢筋锈蚀概率一致.由于无裂缝，
构件M7，M8的锈蚀速度非常缓慢，直至85次干湿循环后，构件M7的腐蚀电位才达到-200mV，且其表面尚无锈蚀产物渗出.
2.2 钢筋锈蚀产物的中子断层扫描成像
经过85次干湿循环后，构件M2中钢筋锈蚀产物的中子断层扫描成像结果如图4所示.由图4可以看出，构件中钢筋表面的锈蚀产物主要分布在3个区
域：第1，2区域的锈蚀产物对应2个裂缝所处位置(图3锈迹处)；第3区域的锈蚀产物为微小裂缝诱导所致.上述结果与图3十分吻合.这表明中子断层扫描成像技术能将混凝土构件中的钢筋及其表面锈蚀情况直观呈现，为深入研究钢筋锈蚀演变及锈蚀机理提供了一种新的试验方法.
由图4还可以看出，锈蚀产物主要分布在钢筋的底部，即与氯盐溶液的初始接触面，而在钢筋的上表面锈蚀产物较少.本文选取图4中第1区域的钢筋横断面和纵向切面进行了观察，结果如图5所示.由图5可见，锈蚀主要发生在钢筋底部，这一明显的坑蚀现象与预期的结果一致，也符合实际开裂混凝土结构中钢筋锈蚀的发展规律.
需要指出的是：随着时间的延长和干湿循环次数的增加，锈蚀产物将围绕钢筋环向逐渐往上发展；另外，在干湿循环过程中，构件裂缝的自修复是否能在一定程度上延缓氯盐的侵蚀并降低钢筋的锈蚀速度，还有待更长时间的跟踪研究与分析.
首次应用中子断层扫描成像技术成功实现了混凝土构件中钢筋锈蚀状况的可视化观测，锈蚀产物的空间分布规律与构件中钢筋锈蚀的实际状况十分吻合，这为深入研究混凝土构件中钢筋的锈蚀演变及锈蚀机理提供了一种新的试验方法.随着干湿循环次数的增加，锈蚀产物沿钢筋环向发展的规律及裂缝的自愈合作用对钢筋锈蚀的影响等还有待今后进一步研究.
致谢：对瑞士Paul Scherrer Institute研究所Mr. Vontobel和Mr. Hovind为
中子成像试验提供的技术支持和帮助表示衷心感谢.
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