卡尺法和排水法测试钢筋表观参数的有效性分析

魏　仁，官晓涛，李大望,2

(1.深圳大学 土木工程学院,广东 深圳 518060；2.深圳大学 广东省滨海土木工程耐久性重点实验室, 广东 深圳 518060)



卡尺法和排水法测试钢筋表观参数的有效性分析

魏仁1，官晓涛1，李大望1,2

(1.深圳大学 土木工程学院,广东 深圳 518060；2.深圳大学 广东省滨海土木工程耐久性重点实验室, 广东 深圳 518060)

滨海混凝土结构的钢筋锈蚀，将严重劣化结构的服役可靠性。相对于未锈蚀的完好钢筋，锈蚀钢筋的表观形貌沿轴向显著变化，导致结构构件截面承载力的不均性。分别利用游标卡尺法和排水法对完好钢筋和锈蚀钢筋的直径和截面面积等表观参数进行测试，对比分析了两者的测试成本、效率与精度等。结果表明，对于完好钢筋，卡尺法所用仪器简单、测试效率和精度高，并能提供钢筋截面形状与分布的完整信息，而排水法可以直接获得锈蚀钢筋剩余截面面积及其轴向分布，精度更高。

钢筋形貌；锈蚀率；游标卡尺法；排水法

滨海腐蚀环境下，钢筋锈蚀是混凝土结构性能劣化的主要原因[1]。锈蚀钢筋截面积减少和应力集中，不仅导致钢筋力学性能下降[2]，而且受力钢筋剩余截面的轴向分布不均匀性将使结构构件的截面承载力显著变化。

游标卡尺法(下称卡尺法)和排水法是测定锈蚀钢筋表观参数的常用方法，测试参数包括钢筋坑蚀深度、等效直径的截面面积等，进而获得锈蚀钢筋的截面锈蚀率特征。文献[3]利用游标卡尺测量钢筋的截面损失率，研究了钢筋截面锈蚀率与质量锈蚀率的关系；文献[4]基于文献[3]的两种锈蚀率关系开展了锈蚀混凝土梁的承载力有限元分析。文献[5]中通过卡尺法测试了钢筋锈坑的长度和宽度，研究了坑蚀对钢筋伸长率的影响。文献[6]～[8]分别利用卡尺法和排水法测量了锈蚀钢筋的剩余截面直径，探讨了锈蚀钢筋力学性能的衰变特征。卡尺法和排水法针对完好钢筋和锈蚀钢筋表观参数的测试适用性各具优势与不足，但尚未见到有关研究报道。

本文通过完好钢筋及其锈蚀后试件的截面直径和截面面积的测试，进行了卡尺法和排水法在测试成本、效率与精度等方面的有效性分析。

1　测试方法及原理

1.1卡尺法

卡尺法是采用游标卡尺量测试件几何参数的简便方法，图1为常用的游标卡尺示意图。以主尺和游标尺两者共同对试件进行量测，利用内外量爪和深度尺可获得试件的内外径和深度数据。测量前需将量爪并拢，确定游标与主尺的零刻度线是否对齐。否则，需记取零点误差并在后期数据处理时扣除。测量时，需右手拿住主尺，大拇指移动游标，左手拿待测外径(或内径)的试件并使其位于外测量爪之间。当试件与量爪紧紧相贴时，读取主尺和游标的读数，后将游标与主尺、零点误差相加减即可得到试件的尺寸。为改善测量精度，可以进行多次测量，剔除因实验操作不当而引起的误差。卡尺法测试钢筋直径的精度可达0.02 mm。

基于试件直径的测试数据，可按式(1)计算钢筋的横截面积：

(1)

其中，d为测试的钢筋直径。对于锈蚀钢筋，由于其截面通常分布不具明显的圆形特征，利用公式(1)计算截面面积隐含了圆形截面的等效假定。由此将导致钢筋截面面积估算数据的误差，也需要附加进行多方位的截面等效直径量测，在测试成本和效率以及测试精度上，显示出卡尺法的局限性。

图1　游标卡尺示意图

1.2排水法

排水法的基本思想来源于阿基米德原理。图2为实验装置示意图[9]，测试设备包括配有溢水口的容器、盛水容器和高精度的电子秤。将水装满至溢水试管的管口，钢筋试样垂直插入溶液时可测量出溢出水的质量。

图2　排水法测试原理图

分次等间隔将钢筋试件浸入水中，称量并记录相应溢出水的质量mi(i=1～n)，其中i为钢筋下降第i个位移间隔的序号，n为下降的总次数。测量完毕后按式(2)计算锈蚀钢筋沿轴向分布的各个截面积：

(2)

其中，mi为称重数值，g为重力加速度，ρ为水的密度，h为等间隔下降的位移值。

由于公式(2)计算钢筋截面积是隐含了各下降分段内钢筋截面积相等的假定，因而下降位移h的取值对最终的结果具有较大影响。此外，由排水法获得的面积按式(1)计算锈蚀钢筋的等效直径，同样需要截面为圆形的近似假定。

2　试件及其参数测试

2.1试件描述

选取一根未锈蚀钢筋和一根锈蚀钢筋利用卡尺法和排水法进行其表观参数及分布测试。其中，未锈蚀钢筋形似等截面圆形，名义直径为14 mm，长度505 mm。按照ASTM[10]对称重法的基本要求，用精度为0.01 g的电子天平测得未锈蚀钢筋的质量为581.40 g。

测得未锈蚀钢筋质量、利用卡尺法测试其轴向各指定截面直径后，按法拉第定律对其实施通电加速锈蚀。按标准清洗程序锈蚀钢筋并切除两端锈蚀严重部分，得到用于测试分析的锈蚀钢筋试件，其长度为250 mm，称量质量为203.35 g。

假定未锈蚀和锈蚀钢筋具有相同的质量密度，利用前述称量的质量，钢筋的质量锈蚀率即体积锈蚀率：

(3)

其中，m0是长度为250 mm的未锈蚀钢筋的质量(287.82 g)，m是长度为250 mm的锈蚀钢筋的质量(203.35 g)。

2.2表观参数测试过程

2.2.1卡尺法

图3　卡尺法测试截面示意图

采用精度为0.02 mm的数显游标卡尺分别对未锈蚀钢筋和锈蚀钢筋进行直径测试。对未锈蚀钢筋，从试件的一端以间隔50 mm为一个测点进行量测。每一个测点任意选取4个角度测量，获得4个直径，共测得11组，共44个直径。结果显示，每个测点的4个直径数据均很接近，而且不同测点之间的测量数据的差距也很小。44个测得直径中最大直径和最小直径的差值不超过0.08 mm。44个直径平均值，即未锈蚀钢筋的平均直径为13.76 mm。

鉴于锈蚀钢筋的表观形态变异性较大，测试间隔加密，按每10 mm为一个测点。每个测点进行多次测量后，得到钢筋在该截面的两个长度d1和d2，具体如图3所示。假定锈蚀后钢筋截面仍保持圆形，将d1和d2的平均值作为锈蚀后钢筋的名义直径d，进而用公式(1)计算该截面的剩余面积。

分别将未锈蚀钢筋和锈蚀钢筋各测点的直径或面积归类对比，可得到相应的表观参数分布形态。

2.2.2排水法

利用排水法对锈蚀钢筋的截面面积及其分布进行了测试。图2中，电子秤精度为0.001 g，试管中盛满蒸馏水至溢水口相平处，手持锈蚀钢筋的一端，另一端则与溢水口处的液面贴平。以每10 mm作为一个测点，逐级缓慢、平稳地将锈蚀钢筋垂直浸入蒸馏水中，每当锈蚀钢筋下降到预定位置，记录此时的电子秤读数。在测量完成后，利用公式(2)计算出锈蚀钢筋各分段的截面面积。

图4　未锈蚀钢筋截面面积分布

3　结果与分析

3.1未锈蚀钢筋

卡尺法对未锈蚀钢筋的表观参数测试具有良好的适用性。如前述，各个测点直径及所有测点直径的差异很小。同一测点不同角度的直径十分接近，提示出截面具有规则的圆形形状，而不同测点很好的接近程度则表征长度为505 mm的钢筋试件是等截面的。未锈蚀钢筋的测试直径为13.76 mm，略小于其名义直径14 mm。利用公式(1)，未锈蚀钢筋的截面面积为148.71 mm2。此外，结合称重质量，可计算出钢筋材料的质量密度为7.74 g/cm3。未锈蚀钢筋的特征参数合列于表1。图4进一步绘出了未锈蚀钢筋截面面积分布图，直观显示出分布的均匀性特征。

表1　未锈蚀钢筋的特征参数

3.2锈蚀钢筋

锈蚀钢筋的表观参数测试分别利用了卡尺法和排水法。利用排水法所获锈蚀钢筋的总体积与未锈蚀钢筋相应长度的体积，计算出锈蚀后钢筋的质量密度，结果仍同表1所示未锈蚀钢筋的质量密度。它表明，锈蚀并不改变剩余未锈蚀钢筋部分的质量密度。

图5给出了两者测试钢筋截面面积的分布结果。其中，图5(a)为卡尺法的测试结果，图5(b)则对应于排水法。对比结果表明，两种方法在呈现锈蚀钢筋截面分布的形状和趋势方面具有一致性，显示出锈蚀所致的钢筋截面面积的高度不均匀性，但两种测试方法的结果仍存在数量上的差异性。由于图5(a)卡尺法的面积结果，是在测试钢筋直径并按等效圆形假定计算获得，对于锈蚀严重且形貌复杂的钢筋试件，存在本质的误差源，而从原理上讲，排水法直接获得截面面积参数，应该能够提供更为精确的测试结果。为验证这一推测，采用称重法所获质量锈蚀率作为标准进行评估。

首先，按式(4)计算锈蚀钢筋的体积锈蚀率：

(4)

其中，V0是长度为250 mm的未锈蚀钢筋的体积，采用表1的截面面积乘以长度得到；V是长度为250 mm的锈蚀钢筋的体积。鉴于前述锈蚀前后钢筋本体的质量密度不变，式(4)所获体积锈蚀率即等同于质量锈蚀率，其计算结果可按式(3)的称量锈蚀率对接评估。

其次，计算锈蚀钢筋的体积V，而卡尺法和排水法具有不同的获取途径。卡尺法的结果是假定在间隔为10 mm的相邻测点之间，锈蚀钢筋具有相同的截面面积；而排水法则可直接采用钢筋完全浸没水中时排开水的体积。

表2列出了卡尺法、排水法和称重法所获得的质量锈蚀率。结果表明，卡尺法与称重法的相对误差为5.4%，而排水法与称重法的相对误差为4.9%，后两者更为接近。

表2　不同测试方法的质量锈蚀率

(a)卡尺法测试结果　　　　　　　　　(b)排水法测试结果图5　锈蚀钢筋试样横截面积分布

4　结论

以锈蚀和未锈蚀钢筋为对象，对比分析了卡尺法和排水法测试钢筋截面直径和面积等表观参数的有效性，包括测试成本(如所用仪器的复杂度)、效率和精度等。得到如下主要结论：

(1)相对于常规的称重法仅可得到钢筋质量锈蚀率这一整体指标，卡尺法和排水法均能获得钢筋试样的截面直径和面积及其分布规律，所获试件的信息量更大。

(2)卡尺法具有测试仪器简单、操作方便、测试效率高等优点。对于未锈蚀钢筋等规则性高的试件，测试精度高且可判定圆形截面的形状，能够提供更为完整的截面信息,但对于锈蚀钢筋试件，截面直径和面积换算需要以圆形截面假定为前提，存在计算原理上的本源近似性。

(3)排水法可直接量测锈蚀钢筋的截面面积，在原理上具有优越性。钢筋混凝土结构构件承载力的计算，受力钢筋的截面面积是一个重要指标，排水法较卡尺法可以获得更高的计算精度。

(4)本文所述排水法尚存在进一步完善的空间和必要性。例如，手持钢筋下降浸没水中时的稳定性、下降间隔精度控制等。

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Effectiveness Analyses of Caliper Method and Drainage Method for Testing the Apparent Parameters of Steel Bars

WEI Ren1，GUAN Xiao-tao1，LI Da-wang1,2

(1.School of civil engineering,Shenzhen University,Shenzhen 518060,China;2.Key Laboratory of durability of civil engineering in Guangdong Province,Shenzhen 518060,China)

The corrosion of steel bars in coastal concrete structures will seriously deteriorate the service reliability of structures. Compared with the uncorroded steel rebars, the apparent morphology of the corroded steel bars along the axial direction is significantly changed, which leads to the uneven bearing capacity of the structural members. Using vernier caliper method and drainage method tested the steel bar apparent parameters such as the steel bar diameters and cross-section areas, and then compared the two methods in the effectiveness of cost, accuracy and efficiency. The results indicate that, for not corroded rebars, vernier caliper method not only uses simple instrument but also has high test efficiency and precision.Besides it can also provide the complete information about the shape and distribution of the rebar;while for corroded rebar ,drainage method can directly obtain the residual section area and the axial distribution of corroded steel bars, and the accuracy is much higher.

morphology of steel bar;corrosion rate;vernier caliper method;drainage method

2016-03-10

国家自然科学基金(51278303，50978166 )

魏仁(1992—)，男，湖北黄冈人，硕士研究生。

1674-7046(2016)04-0001-05

10.14140/j.cnki.hncjxb.2016.04.001

TU511

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