数字图像相关方法在钢筋锈蚀中的应用

摘  要：本文提出一种基于数字图像相关方法（Digital Image Correlation Method，DIC）的测量手段用于直接获取钢筋混凝土试件中钢筋锈蚀产生的膨胀力。在钢筋混凝土试件外表面贴应变片，同时开展光测试验，利用CCD相机采集电加速钢筋锈蚀过程中混凝土表面变形，计算钢筋锈蚀膨胀力，并与应变片测量结果进行对比。试验表明，在钢筋混凝土试件开裂前，使用数字图像相关方法获得得到的膨胀力与应变片测量结果吻合度较好。因而，该方法为钢筋锈蚀产生的膨胀力测量提供了新途径。

关键词：钢筋锈蚀;锈胀力;数字图像相关方法

中图分类号：TP391.41      文献标识码：A 文章编号：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

處于海洋环境中的钢筋混凝土结构容易受到氯离子的侵蚀[1]，钢筋产生的锈蚀物体积比原有钢筋体积要大得多，使得混凝土保护层受拉破坏。影响结构物的耐久性，导致结构物的承载能力下降。

众多国内外学者就钢筋锈蚀引起混凝土胀裂变化规律进行了研究，其中Bazan[2]根据钢筋锈蚀理论的物理模型，由静力平衡条件计算混凝土开裂时钢筋膨胀的锈蚀力。李俊[3]等人使用光纤光栅法检测锈蚀过程。王名杏[4]使用数值模拟的方法分析钢筋锈蚀的膨胀力。王明斌[5]等人运用叠加原理和复势理论的级数展开技术，获得混凝土环向应力的解答。王显利[6]等人在分析混凝土开裂时，运用混凝土断裂理论，通过断裂韧度与最大荷载的关系预测临界膨胀力。Malumbela等人[7]考虑钢筋不均匀锈蚀的情况，建立了钢筋锈蚀程度与混凝土表面应变之间的关系模型。赵羽习[8]等人运用弹性力学的方法，建立了钢筋锈蚀导致混凝土保护层开裂时的力学模型。

对于钢筋锈蚀产生膨胀力的监测，众多学者使用理论推导、数值模拟、试验监测等方法进行研究，取得了可喜的进展。但也存在许多不足。例如，光纤光栅法检测锈蚀需要将整个传感器埋设在所要监测的钢筋周围，且该方法主要适用于钢筋早期锈蚀过程的监测。为了更加精确、全面地对钢筋锈蚀导致混凝土胀裂全过程中的应力应变场进行监测，本文运用数字图像相关方法，通过混凝土表面的应变进行钢筋膨胀力的计算。

1  DIC试验

1.1  数字图像相关方法原理

1.2  混凝土试块及试验器材

混凝土中的钢筋采用长度为60mm、直径为10mm的光圆钢筋，先经过除锈处理，然后用保鲜膜包裹中间部分，钢筋一段绑扎电线，两端用环氧树脂封闭防止养护期间生锈。浇筑混凝土时，去掉保鲜膜。混凝土粗骨料为石子，拌合水为海水，配合比为水泥：石子：水=470：715：1000，试件尺寸为50mm×50mm×50mm。同时在混凝土中埋入不锈钢作为辅助电极，如图1所示。CCD相机采用德国Basler产品（scA1600-14fm）CCD工业相机。

1.3  试验过程

按上述方法制成混凝土试件，标准养护至28d后，在混凝土表面黏贴应变片，并喷涂人工散斑。试验采用30V恒压，加速混凝土中钢筋的锈蚀速度[9]。使用应变采集仪定时采集应变，同时使用CCD相机定时采集混凝土表面图像，如图2所示。直到试件表面出现0.1mm宽裂纹时，停止通电。

2  钢筋锈蚀产生的膨胀力分析

2.1  理论分析

对比图6和图7，不难发现，对应观测点，使用数字图像相关方法测量和使用传统应变片测量，两者结果趋势相近。由于观测点2是混凝土裂缝产生的位置，因而当应变过大时，应变片无法继续测量混凝土表面的应变，这时候数字图像相关方法的优势便显示出来了。

3  结  论

使用数字图像相关方法测量混凝土中钢筋产生的膨胀力是可行的，而且相比应变片测量，能够全场测量，并且能够根据混凝土锈蚀过程中混凝土表面应力应变的变化预测裂缝位置。

参考文獻：

[1] 赵畅.海洋环境下高性能混凝土耐久性试验研究 [D].大连：大连理工大学，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，吴瑾.钢筋锈蚀的光纤光栅监测 [J].南京航空航天大学学报，2008（3）：395-398.

[4] 王名杏.混凝土中钢筋锈蚀膨胀的应力分析 [J].福建建材，2004（4）：19-21.

[5] 王明斌，李术才.双向应力加载条件下钢筋锈蚀致混凝土破坏应力分析 [J].水利学报，2008（2）：224-229+234.

[6] 王显利，郑建军，吴智敏.钢筋临界锈胀力预测的断裂模型 [J].水力发电，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] 赵羽习，金伟良.钢筋锈蚀导致混凝土构件保护层胀裂的全过程分析 [J].水利学报，2005（8）：939-945.

[9] 卢明.混凝土抗氯离子性能电加速试验方法改进研究 [D].广州：华南理工大学，2011.

作者简介：郭鹏飞（1991.12-），男，汉族，山东平度人，硕士，主要研究方向：工程力学。