CN103344749B - 一种基于二阶段锈裂模型的观测钢筋混凝土锈裂的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于二阶段锈裂模型的观测钢筋混凝土锈裂的方法，包括如下步骤：(1)取环氧树脂和固化剂，按比例配置成低粘度环氧树脂；(2)将低粘度环氧树脂滴入或渗入钢筋混凝土的锈胀裂缝中，对锈裂试件保护、切割，得到片状试样；(3)抛光、打磨片状试样，直至得到表面平滑、钢筋/混凝土界面锈层结构、锈胀裂缝边界清晰的试样；(4)扫描试样，观测钢筋/混凝土界面处不同物质的分层、锈胀裂缝区域的分布，并测量钢筋锈层厚度、铁锈填充区域厚度等相应的数据；(5)计算数据，建立二阶段混凝土结构锈裂的预测模型。采用本发明的方法，能够准确测量铁锈填充区域和锈层的分布情况，以精准获取相应的测试参数，建立预测模型。
Description
技术领域
本发明涉及土木工程混凝土结构耐久性检测的技术领域，具体涉及一种观测钢筋混凝土锈裂的方法，该方法主要基于发明人创设的二阶段锈裂模型。
背景技术
钢筋混凝土结构的锈裂过程是指：由于混凝土结构内钢筋锈蚀引起混凝土保护层受拉应力而开裂的全过程。一旦混凝土保护层中出现裂缝，环境中的氯盐等有害介质就会通过裂缝直接侵入到混凝土内部接触到钢筋，从而导致钢筋锈蚀大大加剧，甚至造成混凝土保护层的剥落，最终导致混凝土结构失效。因此，钢筋混凝土结构的锈裂过程，通常被认为是钢筋混凝土结构耐久性失效的主要原因。所以，对混凝土结构的锈裂过程进行研究，观测锈裂钢筋混凝土试件中锈胀裂缝形态和其中铁锈填充情况，对于混凝土保护层内裂时刻、外裂时刻和表面裂缝的开展，以及与前述的各时刻对应的钢筋锈蚀程度均有着重要的意义，也与钢筋混凝土结构的使用性能评估和剩余寿命预测的研究密切相关。
目前国内外对钢筋混凝土结构的锈裂研究，主要基于混凝土锈裂三阶段模型的理论(LIU Y，WEYERS R E.Modeling the time-to-corrosion cracking inchloride contaminated reinforced concrete structures[J].ACI Material Journal，1998，95(6)：675-681)，该理论认为：混凝土表面锈裂时刻的钢筋锈蚀量由三个阶段的锈蚀产物组成，分别为：①铁锈自由膨胀阶段：初始产生的铁锈首先填入钢筋/混凝土界面微观孔隙中，并不会产生界面锈胀力；②受拉应力阶段：钢筋/混凝土界面孔隙被填满后，继续产生的铁锈将致使外围混凝土受拉应力作用；③开裂阶段：当混凝土受到的拉应力超过其极限抗拉强度，混凝土将从钢筋/混凝土界面开始向外开裂至混凝土表面，同时铁锈也不断地填入锈胀裂缝中。
可见，现有的混凝土锈裂三阶段理论，认为：①部分锈蚀产物会填充到与钢筋相邻的混凝土孔隙中，这部分铁锈与混凝土混合形成混凝土中的铁锈填充区域，而只有在钢筋锈蚀产物填满钢筋周围混凝土中的孔隙后，才会在钢筋/混凝土界面形成锈层，对周围的混凝土保护层产生锈胀压力；②混凝土保护层锈裂后，铁锈会进一步填入锈胀裂缝及裂缝两边的混凝土，这部分铁锈也将影响混凝土锈裂行为。基于上述通识，在建立混凝土结构锈裂预测模型时，需要对填入钢筋与混凝土界面孔隙和锈胀裂缝的铁锈量进行定量考虑。
然而，由于混凝土与钢筋硬度的差异性、已存在锈胀裂缝的混凝土的易碎性等客观因素，致使在锈裂混凝土试样的制作、观测过程中极易对锈裂混凝土试件造成损坏，导致锈胀裂缝进一步开展，甚至混凝土保护层破裂、剥落，从而影响了对所关注数据的准确测量。纵观目前已有的混凝土锈裂观测技术，是无法观测与测量锈裂混凝土内部的钢筋锈层厚度、铁锈填充区域厚度、锈胀裂缝的开展长度、宽度等关键几何参数，因而也无法准确合理地预测混凝土表面锈裂时刻。
发明内容
为能观测到混凝土锈裂的全过程，并据此建立混凝土保护层表面锈裂预测模型，本发明区别于现有的混凝土锈裂三阶段模型理论，原创性地提出了一种基于二阶段锈裂模型的观测钢筋混凝土锈裂的方法，解决了上述现有技术的缺陷。
本发明所采用的技术方案具体如下：
一种基于二阶段锈裂模型的观测钢筋混凝土锈裂的方法，包括如下步骤：(1)取环氧树脂和固化剂，按比例配置成低粘度环氧树脂；(2)将配置好的低粘度环氧树脂滴入或渗入钢筋混凝土的锈胀裂缝中，对锈裂试件进行保护，并对保护试件进行切割，得到片状试样；(3)对步骤(2)所得的片状试样进行抛光打磨，直至得到表面平滑、钢筋/混凝土界面锈层结构、锈胀裂缝边界清晰的试样；(4)对步骤(3)所得的试样进行扫描，观测钢筋/混凝土界面处不同物质的分层、锈胀裂缝区域的分布，并测量钢筋锈层厚度、铁锈填充区域厚度等相应的数据；(5)分析步骤(4)所测得的数据，建立二阶段混凝土结构锈裂的预测模型。
在优选的技术方案中，步骤(1)中环氧树脂和固化剂的体积比为1∶1～4∶1。
更优选的，步骤(1)中环氧树脂和固化剂的体积比为2.5∶1。
在优选的技术方案中，步骤(2)中的锈裂试件为完全锈裂、锈胀裂缝贯穿混凝土保护层的第一试件，或锈裂不完全、锈胀裂缝尚未贯穿混凝土保护层的第二试件。
更优选的，当步骤(2)采用第一试件时，低粘度环氧树脂从试件的侧面滴入裂缝对其进行保护，且全部裂缝处都滴有低粘度环氧树脂后，在试件外部继续包裹一层0.5～1cm厚度的低粘度环氧树脂，再进行切割。
更优选的，当步骤(2)采用第二试件时，用胶带包裹住试件的端部后，低粘度环氧树脂从试件的端部渗入裂缝对其进行保护、切割；切割一个横截面后，继续用胶带包裹住试件的切面处、渗入低粘度环氧树脂，保护试件后再次切割。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明提供的一种基于二阶段锈裂模型的观测钢筋混凝土锈裂的方法，采用该技术方案制得的混凝土锈裂试样，能够完好地保护锈裂混凝土试件中锈层填充区、锈胀裂缝和铁锈填充等信息；同时，采用本发明提供的观测方法，能够准确地测量钢筋/混凝土界面处的铁锈填充区域和锈层的分布情况，以便于精准地获得锈裂混凝土内部的钢筋锈层厚度、铁锈填充区域厚度、锈胀裂缝的开展长度、宽度等关键几何参数；此外，基于上述试验测试方法，本发明推翻传统的锈裂三阶段模型，建立全新的混凝土表面锈裂二阶段预测模型，可用于混凝土结构表面锈裂的预测。
附图说明
图1为本发明中用低粘度环氧树脂对第一试件切割前保护的示意图。
图2为本发明中将保护后的第一试件切割成片状试样的示意图。
图3为本发明中用低粘度环氧树脂对第二试件切割前保护的示意图。
图4为本发明中对切片试样抛光打磨后的试样示意图。
图5为本发明中显微镜下扫描钢筋/混凝土界面区域的示意图。
图6为本发明中显微镜下扫描锈胀裂缝区域的示意图。
图7为本发明中锈蚀产物在混凝土中的填充厚度TCP的变化规律图。
图8为本发明中铁锈填充厚度与对应的锈层厚度之间的关系图。
图9为本发明中表面未锈裂的试件中锈胀裂缝的显微镜扫描示意图。
图10为本发明中表面锈裂的试件中锈胀裂缝的显微镜扫描示意图。
图11为本发明中二阶段混凝土结构锈裂的预测模型示意图。
具体实施方式
以下具体说明本发明基于二阶段锈裂模型所具体实施的观测钢筋混凝土锈裂的方法，包括但不限于对完全锈裂、锈胀裂缝贯穿混凝土保护层的混凝土试件(简称第一试件)，及对锈裂不完全、锈胀裂缝尚未贯穿混凝土保护层的混凝土试件(简称第二试件)的试样制备与观测。
步骤一：配置低粘度环氧树脂
采用金虹胶业生产的环氧树脂(即A胶)和固化剂(即B胶)，按照体积比A胶∶B胶＝2.5∶1的比例进行配置；配置后，沿同一个方向搅拌均匀；搅拌完成后的新鲜环氧树脂具有一定的粘度同时具有较大的流动性，此时用搅拌棒蘸取少量环氧树脂提起后，搅拌棒上的环氧树脂不会立刻滴落，而是逐渐形成水滴状后滴落，可以用肉眼观察到环氧树脂的低粘度和流动性。环氧树脂静置24小时后可形成具有一定强度的固体。
本发明中，A胶与B胶的体积比并不局限于2.5∶1，发明人曾经按体积比为1∶1、1.5∶1、2∶1、2.5∶1、3∶1、3.5∶1和4∶1，分别配置过不同配比的环氧树脂，按同一个方向搅拌均匀后静置24小时，进行探索性试验。试验结果发现，随着体积配比从1∶1至2.5∶1，环氧树脂的强度逐渐增加；然而随着体积配比从3∶1至4∶1，环氧树脂均尚未干透，但其流动性逐渐增大。由于配置低粘度环氧树脂的目的一是为防止锈胀裂缝进一步开展，二是为便于仪器切割，要求有一定的强度，综上考虑，选择2.5∶1的体积比进行配置的环氧树脂效果最好。
此外，由于夏天温度高，环氧树脂硬化快，因此配置环氧树脂后应尽快使用；由于冬天温度低，可适当对A胶进行加热，再调配B胶。
步骤二：将配置好的低粘度环氧树脂滴入或渗入钢筋混凝土的锈胀裂缝中，对锈裂试件进行保护，并对保护试件进行切割，得到片状试样
(1)当锈裂试件为第一试件时
如图1所示，将步骤(1)中配置好的低粘度环氧树脂从第一试件的侧面滴入裂缝中、对锈胀裂缝进行保护；若锈胀裂缝存在于多个方向，则需要等待一个方向的环氧树脂凝固之后，再进行另一个方向的裂缝保护；等到全部的锈胀裂缝处都滴有低粘度环氧树脂后，将整个试块外部包裹一层0.5～1cm厚度的低粘度环氧树脂，以保证试件切片在切割和打磨过程中的完整。
如图2所示，使用精密切割机(辽宁沈阳科晶自动化设备有限公司生产，SYJ-200型)从试块的一端开始进行切割，横截面的切片厚度约为10mm，使用该仪器有助于避免切割过程中对混凝土和裂缝造成的损伤。
(2)当锈裂试件为第二试件时
如图3所示，用胶带包裹住试件的端部，胶带上部留空，将步骤(1)中配置好的低粘度环氧树脂从试件的端部渗入裂缝对其进行保护，使得环氧树脂不会渗漏到胶带以外，然后使用精密切割机(辽宁沈阳科晶自动化设备有限公司生产，SYJ-200型)从裹住胶带的试块一端开始切割，横截面的切片厚度约为10mm。
每切开一个横截面，取到一个切片试样后，继续重复前述步骤，即：继续用胶带包裹住试件的切面处，将低粘度环氧树脂从切面处渗入到裂缝中，保护好试件后再次使用精密切割机(辽宁沈阳科晶自动化设备有限公司生产，SYJ-200型)切割，以确保切割每片试样时能保持其完整性。
重复以上步骤，直到取得足够的切片试样为止。
步骤三：对切片试样进行抛光打磨
如图4所示，由于切割过程的影响，切面上的钢筋、铁锈等物质会形成互相遮盖的情况。对于切割得到的切片，使用精密研磨抛光机(辽宁沈阳科晶自动化设备有限公司，UNIPOL-1520型)进行打磨，直至得到表面平滑、钢筋/混凝土界面锈层结构、锈胀裂缝边界清晰的试样，便于通过显微镜对锈层厚度和锈胀裂缝的开展情况进行观测。
步骤四：扫描、观测试样，测量相应的数据
使用扫描电子显微镜(日本日立集团，S-3400型)，在背散射电子(BSE)模式下对钢筋/混凝土界面进行观测，通过调节图像显示的亮度和对比度，可以清晰地显示出在钢筋/混凝土界面处不同物质的分层和锈胀裂缝区域的情况，如图5和图6所示，通过颜色的深浅可以判断出各区域的存在位置。
图5中，从钢筋到混凝土方向分别为：钢筋→锈层→氧化皮→混凝土中的铁锈填充区域→混凝土。图6中，从颜色的深浅也可以清楚地判断出钢筋、锈层、锈胀裂缝、混凝土四个区域。
此外，还测量了铁锈填充区域的厚度、相应锈层的厚度数据，锈层厚度不应包括氧化皮的厚度。
步骤五：计算测量数据，建立二阶段混凝土结构锈裂的预测模型。
分析步骤4所测的数据，发现锈蚀产物在混凝土中的填充厚度TCP和钢筋锈层厚度TCL之间的关系如图7所示，可用数学公式表达为：
当时
当时
其中，
为钢筋周围混凝土中铁锈填充厚度可达到的最大值；
为铁锈填充厚度TCP达到最大值时对应的锈层厚度临界值；
K为表示线性递增段中比例关系的参数。
进一步处理数据后，发现铁锈填充厚度与对应的锈层厚度存在线性关系，即为如图8所示的数学模型：
采用本发明提供的观测钢筋混凝土锈裂的方法，发明人能够获得可清晰观测的锈裂试样，并从中准确地测量出锈裂混凝土内部的钢筋锈层厚度、铁锈填充区域厚度等关键几何参数；对前述参数进行计算、分析，发明人惊人的发现：在混凝土内铁锈填充区厚度达到一定厚度之前，随着铁锈填充区厚度的增加，钢筋锈层厚度也相应增加。也就是说，锈蚀产物在钢筋周围混凝土中的填充和在钢筋/混凝土界面处的积累，是同时进行的。并非现有的三阶段锈裂模型所认为，“只有在钢筋锈蚀产物填满钢筋周围混凝土中的孔隙后，才会在钢筋/混凝土界面形成锈层”；可见，现有的锈裂三阶段模型，对于第一阶段的认识并不符合实际观测情况。
此外，发明人通过扫描试样，惊人地观测到真实的锈胀开裂过程中，存在：①在混凝土表面开裂前，铁锈并不会填充到锈胀裂缝中(如图9所示)；②即使当混凝土中的锈胀裂缝发展到表面之后，会有少量铁锈渗入在裂缝两侧的混凝土，但依然不会对锈胀裂缝本身进行填充(如图10所示)。并非现有的三阶段锈裂模型所认为，“在开裂阶段，混凝土将从钢筋/混凝土界面开始向外开裂至混凝土表面，同时铁锈也不断地填入锈胀裂缝中”；可见，现有的锈裂三阶段模型，对于第三阶段的认识并不符合实际观测情况。
综上所述，本发明中，发明人建立了二阶段混凝土结构锈裂的预测模型，期望能够准确、合理地预测混凝土表面锈裂时刻。具体而言，如图11所示，在混凝土结构锈裂过程中，铁锈的填充行为和相应的钢筋锈蚀量变化，分为两个阶段：
第一阶段：钢筋脱钝开始锈蚀后，锈裂过程进入第一阶段。在此阶段中，钢筋锈蚀产生的锈蚀产物同时填充混凝土中的孔隙和在钢筋/混凝土界面处积累形成锈层；在铁锈填充区域厚度达到最大值之后，第一阶段结束，第一阶段中钢筋的锈蚀量记作δ1。
第二阶段：第一阶段结束后，铁锈填充区域厚度停止增长，钢筋锈蚀产生的锈蚀产物全部在钢筋/混凝土界面处积累，使锈层厚度继续增长，为锈裂过程的第二阶段，第二阶段中钢筋的锈蚀量记作δ2。
因此，钢筋的总锈蚀深度应为：δ＝δ1+δ2。
Claims (5)
1.一种基于二阶段锈裂模型的观测钢筋混凝土锈裂的方法，包括如下步骤：
(1)取环氧树脂和固化剂，按体积比为1∶1～4∶1配置成低粘度环氧树脂；
(2)将配置好的低粘度环氧树脂滴入或渗入钢筋混凝土的锈胀裂缝中，对锈裂试件进行保护，并对保护试件进行切割，得到片状试样；
(3)对步骤(2)所得的片状试样进行抛光打磨，直至得到表面平滑、钢筋/混凝土界面锈层结构、锈胀裂缝边界清晰的试样；
(4)对步骤(3)所得的试样进行扫描，观测钢筋/混凝土界面处不同物质的分层、锈胀裂缝区域的分布，并测量钢筋锈层与铁锈填充区域的厚度数据；
(5)分析步骤(4)所测得的数据，建立二阶段混凝土结构锈裂的预测模型。
2.根据权利要求1所述的基于二阶段锈裂模型的观测钢筋混凝土锈裂的方法，其特征在于，在步骤(1)中，所述的环氧树脂和固化剂的体积比为2.5∶1。
3.根据权利要求1所述的基于二阶段锈裂模型的观测钢筋混凝土锈裂的方法，其特征在于，在步骤(2)中，所述的锈裂试件为完全锈裂、锈胀裂缝贯穿混凝土保护层的第一试件，或锈裂不完全、锈胀裂缝尚未贯穿混凝土保护层的第二试件。
4.根据权利要求3所述的基于二阶段锈裂模型的观测钢筋混凝土锈裂的方法，其特征在于，当步骤(2)采用所述的第一试件时，低粘度环氧树脂从试件的侧面滴入裂缝对其进行保护，且全部裂缝处都滴有低粘度环氧树脂后，在试件外部继续包裹一层0.5～1cm厚度的低粘度环氧树脂，再进行切割。
5.根据权利要求3所述的基于二阶段锈裂模型的观测钢筋混凝土锈裂的方法，其特征在于，当步骤(2)采用所述的第二试件时，用胶带包裹住试件的端部后，低粘度环氧树脂从试件的端部渗入裂缝对其进行保护、切割；切割一个横截面后，继续用胶带包裹住试件的切面处、渗入低粘度环氧树脂，保护试件后再次切割。
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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