一种钢筋全角度锈蚀特征参数的测定装置和分析方法与流程

一、技术领域

本发明涉及一种钢筋全角度锈蚀特征参数的测定装置和分析方法，属于锈蚀钢筋的测试技术和分析方法。

二、

背景技术：

受外部腐蚀性环境作用的影响，钢筋混凝土结构时常发生钢筋锈蚀。由于混凝土材料的不均匀性、外部腐蚀环境的变异性以及钢筋各部位受力程度的差异性，导致混凝土内部钢筋的锈蚀分布形态具有显著的空间变异性，所以需要准确分析钢筋的锈蚀特征参数，才能合理描述钢筋的空间锈蚀分布形态。

目前，钢筋锈蚀特征参数的分析方法包括失重法、游标卡尺法、排水法和3d扫描法。其中，失重法根据钢筋锈蚀前后的质量差来定义质量锈蚀率，只能确定钢筋整体的平均锈蚀严重程度，而无法反映钢筋锈蚀的空间分布特征；游标卡尺法沿锈蚀钢筋长度方向逐一测定每个横截面的长短两个方向的尺寸，进而利用二者的平均值近似作为锈蚀钢筋的直径计算锈蚀钢筋的剩余截面积，该方法虽然可以粗略确定锈蚀钢筋最小截面积的位置及大小，但是存在测试工作量大、计算精度低的缺点；排水法将锈蚀钢筋垂直挤入装满水的溶液中，将溢出的水的质量转化成体积，从而计算挤入溶液部分的锈蚀钢筋的体积，该方法可以测试锈蚀钢筋的剩余截面积，但是无法测试锈蚀钢筋的最大截面锈蚀深度，而且在测试过程中难免会出现部分水溶液附在钢筋或者容器壁上，导致测试精度难以保证；3d扫描法将激光束按照特定的轨迹对锈蚀钢筋进行扫描，利用反射的激光点信息形成激光点云数据，进而通过数据分析计算钢筋的锈蚀特征参数，该方法存在测试设备昂贵、测试数据量庞大、测试数据处理过程复杂(需要对三维扫描图像进行拼合、补洞、碎片处理、坐标轴修正)、测试过程耗时的缺点。因此，有必要发明一种能够准确分析钢筋锈蚀特征参数(包括最大锈蚀深度、最大截面锈蚀率和质量锈蚀率)的测定装置和分析方法。

三、

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种钢筋全角度锈蚀特征参数的测定装置和分析方法，不仅能够连续获取钢筋的全角度锈蚀形态图像，而且能够准确地分析钢筋的锈蚀特征参数，包括钢筋的最大锈蚀深度、最大截面锈蚀率和质量锈蚀率，从而能够合理描述钢筋的空间锈蚀分布形态。

本发明通过以下技术方案实现上述目的，一种钢筋全角度锈蚀特征参数的测定装置。所述装置包括：底座、钢筋固定装置、钢筋驱动装置、调节支架、数码相机，所述钢筋固定装置由支座、滑杆、移动轴承、固定轴承和橡胶圈组成，支座固定在底座上，滑杆固定在支座上、移动轴承和固定轴承安装在滑杆上、橡胶圈安装在移动轴承和固定轴承的座孔内，通过钢筋固定装置固定不同长度和直径的钢筋，所述钢筋驱动装置由步进电机和联轴器组成，步进电机固定在底座上，联轴器一端连接步进电机的转轴，另一端连接固定轴承，通过钢筋驱动装置带动钢筋转动，调节支架固定在底座上，调节支架的水平导杆安装在调节支架的立杆上，数码相机安装在调节支架的水平导杆上，通过调节支架调整数码相机的上下左右位置，通过数码相机连续获取钢筋转动不同角度后的锈蚀形态图像。

所述底座的拍摄面为白色漫反射材料。

所述移动轴承可以在滑杆上左右移动，到固定轴承的可调节距离为0～500mm。

所述橡胶圈的外径大小与移动轴承和固定轴承的座孔内径大小相等，橡胶圈内径可调节范围为6～25mm。

所述步进电机的转轴与钢筋在同一直线上，步进电机根据预定的角度带动钢筋作等角度转动，步进电机预定角度为0.9°的整数倍。

所述调节支架的立杆有间距为30mm的调节孔，可以调整数码相机的上下移动，数码相机到钢筋表面的距离可调节为60mm、90mm、120mm和150mm，调节支架的水平导杆可以调整数码相机的左右移动，数码相机到水平导杆任意端部的可调节距离为0～600mm。

一种钢筋全角度锈蚀特征参数的分析方法，包括以下步骤：

1、对钢筋的全角度锈蚀形态图像进行二值化处理：利用图像处理技术，分别对旋转角度为αi＝iδα(i＝0,1,2,...,n，n为旋转总次数，δα为单次旋转角度)时的钢筋锈蚀形态图像进行二值化处理；

2、获取钢筋全角度锈蚀轮廓的上下边缘线到轴线的距离：分别基于旋转角度为αi(i＝0,1,2,...,n)时二值化处理后的钢筋锈蚀形态图像，从钢筋左端开始沿钢筋长度方向等间距选取m个控制截面，截面间距为δz，依次确定第k(k＝1,2,3,...,m)个控制截面锈蚀钢筋轮廓的上边缘线到轴线的距离和下边缘线到轴线的距离

式中，r0为未锈蚀钢筋的半径；p0为钢筋端部未锈蚀对比段轮廓的上边缘线到轴线之间的像素值；和分别表示旋转角度为αi时第k个控制截面锈蚀钢筋轮廓的上边缘线和下边缘线到轴线之间的像素值；

3、计算钢筋的锈蚀特征参数，包括最大锈蚀深度、最大截面锈蚀率和质量锈蚀率：基于钢筋全角度锈蚀轮廓的上下边缘线到轴线的距离和及其分别对应的角度αi和αn+1+i，分别计算最大锈蚀深度ηd,max、最大截面锈蚀率ηs,max和质量锈蚀率ηm：

式中，r0为未锈蚀钢筋的半径；rmin为和(i＝0,1,2,...,n；k＝1,2,3,...,m)的最小值；s0为未锈蚀钢筋的截面积；smin为锈蚀钢筋的剩余截面积sk(k＝1,2,3,...,m)的最小值；sk为锈蚀钢筋的剩余截面积；l0为钢筋的长度；δzk为第k个和第k+1个控制截面之间的间距；n为旋转总次数；m为控制截面总数。

所述轴线为钢筋端部未锈蚀段的两端面中心点的连线。

所述锈蚀钢筋第k个控制截面的剩余截面积sk(k＝1,2,3,...,m)为：

式中，n为旋转总次数；和(j＝0,1,2,...,n-1)分别为旋转角度为αj和αj+1时锈蚀钢筋第k个控制截面轮廓的上边缘线到轴线之间的距离；为旋转角度为αn时锈蚀钢筋第k个控制截面轮廓的上边缘线到轴线之间的距离；为旋转角度为α0时锈蚀钢筋第k个控制截面轮廓的下边缘线到轴线之间的距离；和(j＝0,1,2,...,n-1)分别为旋转角度为αj和αj+1时锈蚀钢筋第k个控制截面轮廓的下边缘线到轴线之间的距离；为旋转角度为αn时锈蚀钢筋第k个控制截面轮廓的下边缘线到轴线之间的距离；为旋转角度为α0时锈蚀钢筋第k个控制截面轮廓的上边缘线到轴线之间的距离。

本发明的突出优点在于：不仅能够连续获取钢筋的全角度锈蚀形态图像，而且能够准确地分析钢筋的锈蚀特征参数，包括钢筋的最大锈蚀深度、最大截面锈蚀率和质量锈蚀率，从而能够合理描述钢筋的空间锈蚀分布形态。

四、附图说明

图1是本发明实施例装置结构示意图。

图2是本发明实施例选取的钢筋全角度锈蚀形态图像。

图3是发明实施例二值化处理后的钢筋锈蚀形态图像

图4是发明实施例钢筋的最小剩余截面积示意图，图中，1表示未锈蚀钢筋的截面轮廓，2表示锈蚀钢筋的截面轮廓。

五、具体实施方式

以下通过实施例对本发明的装置及方法作进一步详细描述。

如图1所示，本发明所述的钢筋全角度锈蚀特征参数的测定装置，包括底座1、支座2、滑杆3、移动轴承4、固定轴承5、橡胶圈6、步进电机8、联轴器9、调节支架10以及数码相机11，具体构成和连接方式为：

所述钢筋固定装置由支座2、滑杆3、移动轴承4、固定轴承5、橡胶圈6组成，支座2固定在底座1上，滑杆3固定在支座2上、移动轴承4和固定轴承5安装在滑杆3上、橡胶圈6安装在移动轴承4和固定轴承5的座孔内，通过钢筋固定装置固定不同长度和直径的钢筋7。所述钢筋驱动装置由步进电机8和联轴器9组成，步进电机8固定在底座1上，联轴器9一端连接步进电机8的转轴，另一端连接固定轴承5，通过钢筋驱动装置带动钢筋7转动，调节支架10固定在底座1上，调节支架10的立杆上有调节孔12，数码相机11安装在调节支架1的水平导杆上。

工作原理及过程

钢筋7未锈蚀时的直径为16mm，选择内径为16mm、外径等于移动轴承和固定轴承的座孔内径大小的橡胶圈6，将橡胶圈6固定在移动轴承4和固定轴承5的座孔内，先将钢筋7一端固定在固定轴承5上，然后根据钢筋7的长度400mm调节移动座孔4到固定轴承5的距离，将钢筋7的另一端固定在移动轴承4上。

根据钢筋7每次需要转动的角度，调节步进电机8的脉冲数，每一个脉冲数对应的旋转角度为0.9°。以20个脉冲为例，步进电机8的转轴每次转动18°，通过调节支架10的立杆和水平杆，调整数码相机11的上下左右位置，使数码相机11能够获取钢筋7的清晰锈蚀形态图像。

在钢筋7开始转动前，利用数码相机11获取钢筋7的第一张锈蚀形态图像，然后通过步进电机8带动钢筋7每次转动18°，利用数码相机11获取钢筋7对应的一张锈蚀形态图像，直到步进电机8旋转9次共旋转162°、数码相机11获取钢筋7的10张锈蚀形态图像，由上述获取的不同旋转角度的锈蚀形态图像组成钢筋7的全角度锈蚀形态图像，如附图2所示。

本发明所述钢筋全角度锈蚀特征参数的分析方法如下：

1、对钢筋的全角度锈蚀形态图像进行二值化处理：

选取利用上述测定装置获取的锈蚀钢筋在旋转角度为αi＝iδα(i＝0,1,2,...,9，δα＝18°)时的全角度锈蚀形态图像，如附图2所示。利用图像处理技术，依次将不同角度的锈蚀钢筋彩色图像转变成灰度图像，然后再将灰度图像转化成二值图，从而获得二值化处理后不同角度的钢筋锈蚀形态图像，如附图3所示。

2、获取钢筋全角度锈蚀轮廓的上下边缘线到轴线的距离：

未锈蚀钢筋的半径r0＝8mm，分别基于旋转角度为αi＝iδα(i＝0,1,2,...,9，δα＝18°)时二值化处理后的钢筋锈蚀形态图像，确定钢筋端部未锈蚀对比段轮廓的上边缘线到轴线之间的像素值p0＝182，从钢筋左端开始沿钢筋长度方向等间距选取4000个控制截面，截面间距δz＝0.1mm，依次确定第k(k＝1,2,3,...,4000)个控制截面锈蚀钢筋轮廓的上下边缘线到轴线之间的像素值和然后通过公式分别计算钢筋锈蚀轮廓的上下边缘线到轴线的距离和

3、计算钢筋的锈蚀特征参数，包括最大锈蚀深度、最大截面锈蚀率和质量锈蚀率：

基于钢筋全角度锈蚀轮廓的上下边缘线到轴线的距离和(i＝0,1,2,...,9；k＝1,2,3,...,4000)，可以确定钢筋的最小剩余半径从而可以计算钢筋的最大锈蚀深度ηdmax：

ηd,max＝r0-rmin＝8-1.13＝6.87mm

根据钢筋全角度锈蚀轮廓的上下边缘线到轴线的距离和(i＝0,1,2,...,9)及其对应的旋转角度αi(i＝0,1,2,...,9)，根据下式可以计算锈蚀钢筋第k(k＝1,2,3,...,4000)个控制截面的剩余截面积sk(k＝1,2,3,...,4000)：

式中，n为旋转总次数；和(j＝0,1,2,...,n-1)分别为旋转角度为αj和αj+1时锈蚀钢筋第k个控制截面轮廓的上边缘线到轴线之间的距离；为旋转角度为αn时锈蚀钢筋第k个控制截面轮廓的上边缘线到轴线之间的距离；为旋转角度为α0时锈蚀钢筋第k个控制截面轮廓的下边缘线到轴线之间的距离；和(j＝0,1,2,...,n-1)分别为旋转角度为αj和αj+1时锈蚀钢筋第k个控制截面轮廓的下边缘线到轴线之间的距离；为旋转角度为αn时锈蚀钢筋第k个控制截面轮廓的下边缘线到轴线之间的距离；为旋转角度为α0时锈蚀钢筋第k个控制截面轮廓的上边缘线到轴线之间的距离。

通过分析，钢筋的最小剩余截面积所对应的控制截面编号是912，如附图4所示，该控制截面的剩余截面积s912为：

式中，和(j＝0,1,2,...,8)分别为旋转角度为αj和αj+1时锈蚀钢筋第912个控制截面轮廓的上边缘线到轴线之间的距离；为旋转角度为α9时锈蚀钢筋第k个控制截面轮廓的上边缘线到轴线之间的距离；为旋转角度为α0时锈蚀钢筋第k个控制截面轮廓的下边缘线到轴线之间的距离；和(j＝0,1,2,...,8)分别为旋转角度为αj和αj+1时锈蚀钢筋第912个控制截面轮廓的下边缘线到轴线之间的距离；为旋转角度为α9时锈蚀钢筋第912个控制截面轮廓的下边缘线到轴线之间的距离；为旋转角度为α0时锈蚀钢筋第k个控制截面轮廓的上边缘线到轴线之间的距离。

未锈蚀钢筋的截面积s0＝200.96mm²，从而可以计算钢筋的最大截面锈蚀率ηs,max：

采取与上述剩余截面积s912的类似计算方法，可以分别计算第k(k＝1,2,3,...,4000)个控制截面的剩余截面积sk，控制截面之间的间距δzk＝0.1mm，钢筋的长度l0＝400mm，未锈蚀钢筋的截面积s0＝200.96mm²，进而可以计算钢筋的质量锈蚀率ηm：

下面通过与传统的失重法和游标卡尺法进行对比，以说明本发明能够准确地计算钢筋的锈蚀特征参数。

失重法：利用电子秤分别称取钢筋锈蚀前的质量m0＝667.5g和锈蚀后的质量m1＝498.1g，根据钢筋锈蚀前后的质量差可以计算钢筋的质量锈蚀率本发明方法计算的质量锈蚀率ηm＝25.63％，二者的相对误差为0.98％，说明由上述两种方法计算的质量锈蚀率较为吻合，但是失重法不能计算最大锈蚀深度ηd,max和最大截面锈蚀率ηs,max，所以只能确定钢筋整体的平均锈蚀严重程度，而无法反映钢筋锈蚀的空间分布特征。

游标卡尺法：利用游标卡尺沿锈蚀钢筋长度方向逐一测定每个横截面的长短两个方向的尺寸，进而利用二者的平均值近似作为锈蚀钢筋的直径计算锈蚀钢筋的剩余截面积。以上述的第912控制截面为例，利用游标卡尺测得的短边方向的长度l1＝10.33mm，长边方向的长度l2＝12.05mm，锈蚀钢筋的近似直径进而可以计算该控制截面的剩余截面积s912＝98.29mm²和截面锈蚀率通过截取第912个控制截面的断面进行分析，所得到的截面锈蚀率ηs,max＝60.32％，与游标卡尺法的相对误差为15.30％，与本发明方法的相对误差为0.33％。由此可见，本发明方法能够较为准确地计算钢筋的截面锈蚀率，而游标卡尺法的计算误差较大，主要原因在于游标卡尺法利用横截面长短两个方向的尺寸的平均值粗略估计锈蚀钢筋的直径，导致计算精度有限。此外，通过截取第915个控制截面的断面进行分析，所得到的最大锈蚀深度ηd,max＝6.79mm，与本发明方法的相对误差为1.17％，说明本发明方法能够准确计算钢筋的最大锈蚀深度。

通过以上实施例说明，本发明方法不仅能够连续获取钢筋的全角度锈蚀形态图像，而且能够准确地分析钢筋的锈蚀特征参数，包括钢筋的最大锈蚀深度、最大截面锈蚀率和质量锈蚀率，从而能够合理描述钢筋的空间锈蚀分布形态。