《Journal of Building Engineering》：Monitoring of corrosion-induced cracking in fibre-reinforced concrete beam-type specimens by integrated acoustic emission and digital image correlation techniques
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本研究采用集成声发射（Acoustic Emission, AE）与数字图像相关（Digital Image Correlation, DIC）技术，对加速腐蚀条件下钢纤维增强混凝土（Steel Fibre-Reinforced Concrete, SFRC）
本研究采用集成声发射（Acoustic Emission, AE）与数字图像相关（Digital Image Correlation, DIC）技术，对加速腐蚀条件下钢纤维增强混凝土（Steel Fibre-Reinforced Concrete, SFRC）和聚合物纤维增强混凝土（Polymer Fibre-Reinforced Concrete, PFRC）梁式试件中钢筋腐蚀诱导的损伤演化过程进行了实验研究。研究在3.5%氯化钠（NaCl）溶液中施加90 mA恒定电流以加速腐蚀，持续28天，并通过AE参数（累计撞击数、能量、Ib值、强度分析）与DIC表面裂纹演化图的联合监测来量化损伤进程。研究结果显示，SFRC梁因钢纤维腐蚀产生局部锈胀压力，诱发了持续的分布式微裂纹，导致累计AE撞击数显著增高（SFRC-1：444381，SFRC-2：811787），但单事件能量较低，且损伤加速阶段延迟至约第11天；相比之下，PFRC梁因聚合物纤维的耐腐蚀性和裂纹桥接作用，累计AE撞击数减少68–78%（PFRC-1：140100，PFRC-2：190347），但单事件能量显著更高，损伤加速阶段提前至第8–9天，表现为更少但更宽大的宏观裂纹。Ib值分析和HI-Sr强度分析进一步揭示了两种纤维体系不同的损伤演化机制：SFRC呈现持续的锈蚀微裂纹波动，而PFRC则表现出受基体控制的稳定裂纹扩展。DIC图像验证了SFRC梁中锈蚀纤维周围形成密集横向微裂纹网络并最终引发纤维拔出，而PFRC梁的裂纹扩展在达到临界阈值后趋于稳定。研究表明，聚合物纤维在抑制腐蚀诱导损伤方面优于钢纤维，集成AE-DIC方法可有效区分不同纤维类型对腐蚀损伤演化的影响，为腐蚀环境下纤维增强混凝土的耐久性设计和损伤监测提供了科学依据。
**论文解读**
**一、研究背景与问题**
钢筋混凝土（RC）结构在全球范围内广泛应用于基础设施工程，然而钢筋腐蚀是导致其性能退化和过早失效的主要原因之一。据统计，全球每年因腐蚀产生的直接和间接经济损失高达2.5万亿美元，约占全球GDP的3.4%。近年来多起重大结构坍塌事故（如2021年美国迈阿密公寓倒塌、2018年意大利热那亚公路桥垮塌）均被确认与钢筋腐蚀密切相关。钢筋腐蚀过程通常可分为三个阶段：起始阶段（腐蚀介质侵入但无可视损伤）、扩展阶段（锈蚀产物产生内部膨胀压力导致开裂）和加速阶段（裂缝贯通、粘结强度退化）。在海洋或除冰盐环境中，氯离子诱导腐蚀尤为突出。
为抑制腐蚀诱导开裂，工程实践中常在混凝土中掺入纤维作为二次增强材料。钢纤维（SF）因其高弹性模量和优异的裂纹桥接能力被广泛使用，但其自身在腐蚀环境下的锈蚀问题可能诱发额外的损伤机制。近年来，聚合物纤维（如聚丙烯、聚乙烯醇纤维）因耐腐蚀性和化学稳定性逐渐受到关注，但关于不同类型纤维在相同暴露条件下对腐蚀诱导开裂机制的对比研究仍十分有限。现有研究多采用单一监测手段，难以同步捕捉内部损伤萌生与表面裂纹扩展的全过程。因此，系统比较钢纤维与聚合物纤维对腐蚀损伤演化的影响，并发展高灵敏度的集成监测方法，对腐蚀环境下纤维增强混凝土的耐久性设计具有重要意义。
**二、研究目的与主要技术方法**
本研究旨在通过集成声发射（AE）和数字图像相关（DIC）两种无损监测技术，在相同的加速腐蚀条件下，系统研究钢纤维增强混凝土（SFRC）和聚合物纤维增强混凝土（PFRC）梁式试件中腐蚀诱导损伤的演化规律，并与普通钢筋混凝土（RC）进行对比。研究采用的主要关键技术方法包括：
（1）**加速电化学腐蚀技术**：将试件浸入3.5%氯化钠（NaCl）溶液中，以嵌入钢筋为阳极、外部钢元件为阴极，施加90 mA恒定电流加速腐蚀过程，持续28天。
（2）**声发射（AE）监测技术**：采用VS-45H型压电传感器（阈值45 dB，采样率5 MHz）实时记录腐蚀开裂产生的弹性波信号，通过累计AE撞击数、AE能量、Ib值分析和HI-Sr强度分析等参数化方法量化内部损伤演化。
（3）**数字图像相关（DIC）技术**：在试件表面喷涂散斑图案，每60分钟采集一次图像，通过ARAMIS Professional软件处理，实现表面裂纹萌生与扩展的可视化和定量分析。
（4）**集成AE-DIC联合分析**：通过AE参数与DIC裂纹图的时域互补解释，建立内部损伤事件与表面裂纹发展之间的对应关系。
实验采用10×10×50 cm3的梁式试件，每种类型制备两个试件，共6个（RC-1/2、PFRC-1/2、SFRC-1/2），纤维体积掺量为0.6%，水灰比0.5，28天立方体抗压强度分别为：RC（#1）51.19 MPa、PFRC（#2）55.59 MPa、SFRC（#3）74.75 MPa。
**三、主要研究结果**
**3.1 AE参数分析——累计AE撞击数与能量**
累计AE撞击数分析有效区分了PFRC和SFRC梁的腐蚀损伤机制。SFRC梁记录了显著更高的累计AE撞击数（SFRC-1：444381，SFRC-2：811787），但单事件能量较低，表明钢纤维腐蚀引发了持续的分布式微裂纹。在钢纤维腐蚀的渐进阶段，AE活动呈阶梯式增长，反映了局部断裂事件和高应力集中的加剧。SFRC梁的加速损伤阶段约在第11天开始，此时腐蚀诱导微裂纹聚结为宏观裂纹，导致混凝土保护层剥落。相比之下，PFRC梁记录了较低的累计AE撞击数（PFRC-1：140100，PFRC-2：190347），但单事件能量显著更高（PFRC-1：899921554，PFRC-2：841097050），表明损伤集中于更少但更大的裂纹。耐腐蚀的聚合物纤维有效重新分布了应力，延迟了早期裂纹萌生并抑制了微裂纹扩展，但腐蚀效应集中在钢筋周围，导致基体主导的宏观开裂提前至第8-9天。
**3.2 Ib值分析**
Ib值分析揭示了PFRC和SFRC梁之间断裂发展的明显差异。在早期腐蚀暴露期间，SFRC梁的Ib值呈现较高且波动的趋势（0.6至0.2之间），表明沿钢纤维-基体界面持续发生锈蚀诱导的微裂纹。随着腐蚀进行，微裂纹聚结为宏观裂纹，Ib值逐渐下降，反映了纤维腐蚀和应力累积驱动的损伤劣化。相比之下，PFRC梁在早期腐蚀阶段（第1-10天）维持了较低且稳定的Ib值（0.1-0.18），表明聚合物纤维抑制了纤维相关的微裂纹，损伤演化主要由基体退化控制，表现出更稳定的损伤发展模式。
**3.3 AE强度分析（HI-Sr）**
HI-Sr强度分析有效量化了所有测试梁从去钝化到严重劣化的时间进程。PFRC梁在早期（第1-2天）即进入去钝化区，第3天出现基体驱动开裂，第5-10天裂缝逐渐加宽并聚结，HI-Sr值向更高损伤严重程度区域移动，第11-25天损伤进展稳定。SFRC梁则因纤维-基体相互作用延迟了去钝化（第1-3天），第4天出现锈蚀诱导开裂，第8-17天渐进锈胀导致互连微裂纹加速纤维-基体脱粘和纤维拔出，第18-25天宏观开裂占据主导，HI-Sr值持续攀升至更高损伤区域。
**3.4 DIC裂纹分析**
DIC图像证实了不同的裂纹扩展模式。SFRC梁因锈蚀纤维周围锈胀作用发展出分布式微裂纹，这些腐蚀产物逐渐加宽并合并为互连的横向裂纹，最终在后期暴露阶段触发纤维拔出活动。PFRC梁初期仅出现局部的收缩裂纹，聚合物纤维的桥接作用有效缓解了裂纹扩展；随着腐蚀暴露持续，裂纹发展为纵向宏观裂纹，主要由基体劣化而非纤维断裂引起。PFRC梁的损伤进展在达到临界阈值后趋于稳定，未观察到进一步显著的表面劣化。
**四、结论总结与讨论**
综合AE与DIC的集成监测结果表明，纤维类型显著影响腐蚀诱导开裂的演化机制。SFRC梁中钢纤维的腐蚀引入了额外的劣化机制，产生局部断裂事件和纤维-基体界面的高应力集中，导致持续的分布式微裂纹活动，但纤维的桥接效应延缓了裂纹局部化，使加速损伤阶段延后至第11天。PFRC梁中耐腐蚀的聚合物纤维有效抑制了纤维相关的微裂纹，使应力重新分布并维持基体完整性，但损伤更早进入基体主导的宏观开裂阶段（第8-9天），且损伤在达到临界阈值后趋于稳定。从整体耐久性角度出发，聚合物纤维在抑制腐蚀诱导损伤方面表现出优于钢纤维的综合性能，特别是在长期腐蚀暴露条件下。本研究为腐蚀环境下纤维增强混凝土的纤维选型和损伤监测策略提供了科学依据，验证了集成AE-DIC方法在腐蚀损伤全过程评估中的有效性。研究结果对于海洋环境、除冰盐环境等腐蚀高风险场景下混凝土结构的耐久性设计和寿命预测具有重要参考价值，同时也为纤维改性混凝土体系的进一步研究奠定了基础。
