分享：基于超聲導(dǎo)波技術(shù)的U型鋼筋銹蝕監(jiān)測(cè)

鋼筋混凝土材料因具有力學(xué)性能優(yōu)異、可塑性強(qiáng)、防火性高等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于建筑行業(yè)。隨著服役時(shí)間的增加，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性會(huì)逐漸變差，可能引發(fā)安全事故。 

由于混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)鋼筋銹蝕前期無(wú)明顯表征現(xiàn)象，當(dāng)出現(xiàn)銹蝕跡象時(shí)結(jié)構(gòu)可能已經(jīng)受到損壞，此時(shí)維護(hù)的費(fèi)用較高，甚至承載力下降而帶來(lái)安全隱患。因此，對(duì)鋼筋銹蝕過(guò)程進(jìn)行監(jiān)測(cè)以及早期損傷識(shí)別是很有必要的。 

目前，對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部鋼筋銹蝕識(shí)別的方法，主要分為物理監(jiān)測(cè)法、電化學(xué)監(jiān)測(cè)法以及無(wú)損檢測(cè)技術(shù)。DRAVNIEKS等[1]提出了電阻探針監(jiān)測(cè)技術(shù)。JOHN等[2]提出利用交流阻抗譜法對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部損傷進(jìn)行監(jiān)測(cè)。鐘志恒等[3]深入研究線(xiàn)性極化法，對(duì)混凝土中鋼筋的腐蝕機(jī)理與腐蝕速率控制進(jìn)行了闡述。但其提出的方法在實(shí)用性上具有一定的局限性，通常作為人工短暫定期監(jiān)測(cè)方法使用。 

相對(duì)來(lái)說(shuō)，最近興起的超聲導(dǎo)波檢測(cè)技術(shù)較為全面。李幸鈺等[4]通過(guò)對(duì)不同缺陷深度的鋼筋進(jìn)行超聲導(dǎo)波監(jiān)測(cè)試驗(yàn)和數(shù)值模擬，利用小波分析對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，試驗(yàn)結(jié)果和數(shù)值模擬得到的結(jié)論基本一致，表明利用小波包能量分析能夠?qū)︿摻罨炷龄P蝕損傷進(jìn)行識(shí)別。 

SHARMA等[5-6]利用帶痕損傷鋼筋混凝土梁進(jìn)行超聲導(dǎo)波監(jiān)測(cè)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)L（0，1）模態(tài)導(dǎo)波的傳播集中分布于鋼筋表面，且會(huì)在帶痕損傷區(qū)域發(fā)生散射、反射，對(duì)鋼筋損傷變化反應(yīng)敏感，同時(shí)發(fā)現(xiàn)低頻模態(tài)導(dǎo)波在自鋼筋表面向混凝土區(qū)域傳播的過(guò)程中位移減小，能量損失增大，驗(yàn)證了使用導(dǎo)波進(jìn)行混凝土內(nèi)鋼筋表面損傷監(jiān)測(cè)的可行性。 

FARHIDZADEH等[7-9]基于多尺寸圓柱體內(nèi)導(dǎo)波聲速差異性，設(shè)計(jì)多組小尺寸不同直徑鋼筋銹蝕超聲檢測(cè)試驗(yàn)，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)銹蝕初期點(diǎn)銹蝕較少，聲速變化較小，中期至后期銹蝕點(diǎn)數(shù)量、范圍增大致使導(dǎo)波發(fā)生散射，聲速變化較大，驗(yàn)證了基于導(dǎo)波聲速變化的鋼筋銹蝕檢測(cè)的可行性。相比傳統(tǒng)方法，基于超聲導(dǎo)波技術(shù)的監(jiān)測(cè)方法更具有實(shí)用性，適用于鋼筋混凝土這種復(fù)雜結(jié)構(gòu)的內(nèi)部監(jiān)測(cè)，且準(zhǔn)確性高、整體成本較低。 

利用超聲導(dǎo)波技術(shù)對(duì)混凝土進(jìn)行檢測(cè)時(shí)存在以下問(wèn)題：①信號(hào)處理復(fù)雜，使用小波變換等技術(shù)需要大算力支持，增加了系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)難度；②傳感器信號(hào)易受到干擾，監(jiān)測(cè)時(shí)會(huì)產(chǎn)生許多干擾信號(hào)；③導(dǎo)波穿透復(fù)合材料時(shí)，信號(hào)會(huì)發(fā)生衰減。 

文章利用超聲導(dǎo)波技術(shù)，采用壓電材料設(shè)計(jì)了一個(gè)適用于U型鋼筋銹蝕監(jiān)測(cè)的傳感系統(tǒng)，可以對(duì)信號(hào)干擾進(jìn)行濾波處理，并能夠消除環(huán)境干擾。最后搭建了鋼筋混凝土試塊加速銹蝕監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)鋼筋混凝土試塊銹蝕的全過(guò)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。 

1.   超聲導(dǎo)波在鋼筋中的頻散特性

超聲導(dǎo)波在介質(zhì)中的傳播會(huì)受到其幾何尺寸和材料特性的影響，例如在鋼筋中的傳播與鋼筋的直徑和物理特性有關(guān)。因此超聲導(dǎo)波在鋼筋中的傳播速度會(huì)隨著激勵(lì)頻率的改變而發(fā)生變化，這就是導(dǎo)波在鋼筋中傳播的頻散現(xiàn)象，其強(qiáng)弱跟激勵(lì)頻率以及激發(fā)的模態(tài)有關(guān)[10]。 

導(dǎo)波在鋼筋中傳播的頻散曲線(xiàn)與鋼筋的直徑以及密度、彈性模量等物理參數(shù)有關(guān)。利用MATLAB軟件[11]繪制出導(dǎo)波在直徑12 mm鋼筋中傳播的頻散曲線(xiàn)，群速度頻散曲線(xiàn)和相速度頻散曲線(xiàn)分別如圖1，2所示，其可以反映出導(dǎo)波模態(tài)、頻率以及群速度和相速度之間的關(guān)系[12]。繪制頻散曲線(xiàn)所用到的鋼筋物理參數(shù)如表1所示。 

圖  1  鋼筋中導(dǎo)波群速度頻散曲線(xiàn)

圖  2  鋼筋中導(dǎo)波相速度頻散曲線(xiàn)

圖1和圖2中顯示了L模態(tài)、T模態(tài)、F模態(tài)波群速度與相速度在頻率1 000 kHz以下的變化特性，可以看出導(dǎo)波模態(tài)數(shù)量隨頻率增大而增加，在0~200 kHz內(nèi)模態(tài)數(shù)量最少，1 000 kHz左右數(shù)量最多。在200 kHz以上任一頻率時(shí)至少存在3種以上的導(dǎo)波模態(tài)，并隨著頻率增加導(dǎo)波多模態(tài)現(xiàn)象加劇，各模態(tài)聲速變化劇烈，頻散嚴(yán)重。而200 kHz以下導(dǎo)波群速度波動(dòng)較慢，頻散較為輕微，故初步確定監(jiān)測(cè)頻率為200 kHz以下。 

2.   U型鋼筋傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

文章研究的超聲換能器需要埋入混凝土結(jié)構(gòu)中，其結(jié)構(gòu)包括背襯層、壓電元件和匹配層3部分，檢測(cè)對(duì)象為直徑為10 mm、厚度為5 mm的圓柱形混凝土。針對(duì)防水、界面和強(qiáng)度、尺寸等問(wèn)題設(shè)計(jì)換能器，換能器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖如圖3所示。 

圖  3  超聲換能器結(jié)構(gòu)示意

制作的超聲換能器用于信號(hào)發(fā)射和信號(hào)接收，選用PZT-4壓電陶瓷制作發(fā)射型超聲換能器，PZT-5壓電陶瓷制作接收型超聲換能器。 

匹配層的主要作用是保護(hù)壓電元件，并使壓電元件和鋼筋表面良好耦合，因此匹配層材料采用水泥和環(huán)氧樹(shù)脂的混合物。 

背襯層除了起到保護(hù)壓電元件和防水防銹等作用外，還要具備吸收聲波的功能。背襯層材料的聲阻抗與壓電元件的接近時(shí)，可以增大傳感器的分辨率。理論上背襯層的厚度越大吸波效果越好，但是過(guò)厚會(huì)降低傳感器的靈敏度和分辨率。背襯層主要材料為水泥和環(huán)氧樹(shù)脂的混合物。 

3.   U型鋼筋電化學(xué)加速銹蝕導(dǎo)波監(jiān)測(cè)試驗(yàn)

混凝土中的鋼筋銹蝕是一個(gè)電化學(xué)反應(yīng)過(guò)程。混凝土中含有Ca(OH)2、KOH、NaOH等氫氧化物，總體呈堿性，鋼筋表面會(huì)發(fā)生鈍化反應(yīng)形成Fe2O3薄膜，對(duì)鋼筋起到保護(hù)作用。由于骨料、拌合水、氯化鈣外加劑等可能含有氯離子，而氯離子的入侵會(huì)破壞Fe2O3薄膜，從而使得鋼筋表面形成一個(gè)活性電極，發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，混凝土中鋼筋發(fā)生銹蝕。 

3.1   裸鋼筋銹蝕試驗(yàn)

由于試驗(yàn)采集到的數(shù)據(jù)會(huì)存在不同頻率的干擾聲波，為了提高數(shù)據(jù)信號(hào)的有效性，需要通過(guò)濾波來(lái)消除一定的干擾聲波。文章采用ORIGIN軟件中FFT（快速傅立葉變換）的帶通濾波方法，過(guò)濾掉低于激勵(lì)頻率20 kHz和高于激勵(lì)頻率20 kHz的信號(hào)，僅保留激勵(lì)頻率±20 kHz范圍內(nèi)的信號(hào)。 

濾波處理前后的信號(hào)分別如圖4，5所示。根據(jù)信噪比公式得出處理前信噪比為9.54 dB，處理之后信噪比為23.52 dB，經(jīng)過(guò)處理之后的信噪比明顯得到了提升，并符合基本要求。文章后續(xù)分析的數(shù)據(jù)均為帶通濾波處理后的信號(hào)。 

圖  4  濾波前存在干擾的信號(hào)

圖  5  濾波后清除干擾后的信號(hào)

處理完信號(hào)后，進(jìn)行裸鋼筋銹蝕監(jiān)測(cè)試驗(yàn)，對(duì)直徑為12 mm、長(zhǎng)度為35 cm的U型鋼筋進(jìn)行電化學(xué)加速腐蝕，試驗(yàn)裝置實(shí)物如圖6所示。將鋼筋固定在泡沫圈中，泡沫圈放置在水槽中，使U型鋼筋下端部能夠完全浸泡在質(zhì)量百分比濃度為5%的NaCl溶液里，然后固定泡沫圈。鋼筋左端銅線(xiàn)與直流電源的正極連接，溶液中的銅線(xiàn)與負(fù)極連接，通過(guò)氯化鈉溶液連通電路。 

圖  6  U型鋼筋外加電流加速銹蝕試驗(yàn)裝置實(shí)物

鋼筋銹蝕試驗(yàn)過(guò)程中，控制恒定電流為0.5 A，電壓約為15 V。根據(jù)計(jì)算，鋼筋銹蝕部分的質(zhì)量為132 g，結(jié)合公式計(jì)算出鋼筋理論銹蝕率與通電時(shí)間的關(guān)系（見(jiàn)表2）。 

將100 kHz和120 kHz激勵(lì)頻率下，加速銹蝕試驗(yàn)過(guò)程中所采集到的整時(shí)刻信號(hào)幅值匯總，可以發(fā)現(xiàn)整個(gè)銹蝕過(guò)程中幅值的變化都是先減小后增大。根據(jù)相關(guān)定律，裸鋼筋銹蝕試驗(yàn)過(guò)程中通電電流恒定時(shí)，能夠通過(guò)通電時(shí)間對(duì)鋼筋的理論銹蝕率進(jìn)行估算。由于數(shù)據(jù)值本身較小，且兩種信號(hào)幅值相差大，故將數(shù)據(jù)歸一化進(jìn)行繪圖，裸鋼筋接收信號(hào)幅值與理論銹蝕率的關(guān)系曲線(xiàn)如圖7所示。 

圖  7  裸鋼筋接收信號(hào)幅值與理論銹蝕率的關(guān)系曲線(xiàn)

如圖7所示，100 kHz頻率下，接收信號(hào)幅值從銹蝕開(kāi)始到理論銹蝕率約達(dá)到30%時(shí)處于下降狀態(tài)；隨后開(kāi)始上升，當(dāng)理論銹蝕率達(dá)到50%時(shí)，接收信號(hào)幅值上升到與剛開(kāi)始時(shí)的持平。120 kHz頻率下，接收信號(hào)幅值從銹蝕開(kāi)始一直下降直到理論銹蝕率約達(dá)到35%后，再開(kāi)始上升。 

根據(jù)圖7和銹蝕試驗(yàn)過(guò)程外觀記錄圖（見(jiàn)圖8），發(fā)現(xiàn)幅值下降階段是鋼筋銹蝕剛開(kāi)始階段，隨著銹蝕進(jìn)行到一定程度，鋼筋表面銹蝕物增加并達(dá)到一定厚度而將鋼筋包裹住，激勵(lì)信號(hào)在鋼筋內(nèi)傳播的過(guò)程中，能量會(huì)向周?chē)P蝕層泄漏，所以幅值處于下降狀態(tài)。當(dāng)銹蝕試驗(yàn)進(jìn)行到約72 h時(shí)，幅值下降到最低點(diǎn)，銹蝕物厚度達(dá)到最厚并且開(kāi)始有破開(kāi)的跡象。隨后銹蝕層破開(kāi)并逐漸脫落于NaCl溶液中，鋼筋表面銹蝕物厚度變薄，接收信號(hào)幅值開(kāi)始上升。可知，在固定頻率下，固定模態(tài)導(dǎo)波在裸鋼筋中的傳播速度隨著鋼筋直徑變化而變化。 

圖  8  銹蝕試驗(yàn)過(guò)程外觀記錄圖

由銹蝕前的時(shí)域圖（見(jiàn)圖9）可以清晰地看到三個(gè)接收信號(hào)的波包，其中第一個(gè)波包接收時(shí)間與發(fā)射信號(hào)的時(shí)間差值為84.27 μs，經(jīng)過(guò)計(jì)算，第一個(gè)波包的傳播速度為4 153 （m·s-1），符合直徑12 mm鋼筋頻散曲線(xiàn)中L(0，1)模態(tài)理論速度[為4 101 （m/·s-1）]，證明試驗(yàn)顯著激發(fā)了L(0，1)模態(tài)；第二個(gè)波包從發(fā)射到接收的耗時(shí)與F(1，1)模態(tài)理論速度一致；第三個(gè)波包耗時(shí)為第一個(gè)波包的3倍左右，為第一個(gè)波包在鋼筋末端的反射。 

圖  9  U型鋼筋銹蝕前的信號(hào)時(shí)域圖

由銹蝕結(jié)束后的時(shí)域圖（見(jiàn)圖10）中可以看到存在兩個(gè)波包，第一個(gè)波包耗時(shí)為64.81 μs，計(jì)算出導(dǎo)波傳播速度為5 400 m·s-1，略高于6 mm直徑內(nèi)的鋼筋理論傳播速度；第二個(gè)波包波形發(fā)生改變，為F(1，1)模態(tài)的波包與第一個(gè)波包到鋼筋末端的反射波疊加形成。銹蝕試驗(yàn)結(jié)束后鋼筋最小直徑由12 mm損耗到5 mm，中端部分最大直徑為9 mm，其在180 kHz下導(dǎo)波傳播的理論速度值為3 809~5 026 m·s-1，銹蝕結(jié)束后計(jì)算出的傳播速度基本符合頻散曲線(xiàn)。 

圖  10  U型鋼筋銹蝕結(jié)束后的信號(hào)時(shí)域圖

3.2   混凝土包裹后的鋼筋銹蝕試驗(yàn)

由于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在自然狀態(tài)下的銹蝕十分緩慢，筆者利用電化學(xué)方法對(duì)試塊加速銹蝕。對(duì)整個(gè)銹蝕過(guò)程進(jìn)行超聲導(dǎo)波監(jiān)測(cè)，分析損傷狀態(tài)和健康狀態(tài)的信號(hào)變化來(lái)判斷鋼筋銹蝕情況。 

首先對(duì)健康試件進(jìn)行信號(hào)激勵(lì)并儲(chǔ)存數(shù)據(jù)。將鋼筋混凝土試件放入質(zhì)量百分比濃度為5%的NaCl溶液中浸泡48 h，保證鋼筋處于飽水狀態(tài)下，以使混凝土內(nèi)部鋼筋銹蝕更加均勻。隨后將信號(hào)發(fā)生器、示波器、鋼筋三者相連。再將鋼筋一端的銅線(xiàn)連接直流電源的正極，溶液中的銅線(xiàn)連接負(fù)極，連通電路，銹蝕試驗(yàn)開(kāi)始，試驗(yàn)布置如圖11所示。 

圖  11  混凝土包裹鋼筋銹蝕試驗(yàn)布置

110kHz頻率下銹蝕過(guò)程中記錄的各時(shí)刻信號(hào)幅值曲線(xiàn)如圖12所示，可以看出隨著銹蝕時(shí)間增加，接收信號(hào)幅值的變化趨勢(shì)是先緩慢減小，后急速上升，最后又緩慢減小。在銹蝕前，接收信號(hào)幅值為19.83 mV；在銹蝕時(shí)間達(dá)到117 h的時(shí)候，接收信號(hào)幅值達(dá)到最低點(diǎn)（2.01 mV）；隨后幅值急劇上升，在198 h達(dá)到最高點(diǎn)（154.39 mV）。 

圖  12  鋼筋混凝土試塊銹蝕過(guò)程中接收信號(hào)幅值曲線(xiàn)

在導(dǎo)波時(shí)域圖中，銹蝕前存在兩個(gè)較為明顯的波包（見(jiàn)圖13），其中第一個(gè)波包接收信號(hào)時(shí)間與發(fā)射信號(hào)時(shí)間的差值為106.7 μs，計(jì)算得出其傳播速度為3 280 m·s-1，由于傳播距離較近，該波包中存在不同模態(tài)混疊現(xiàn)象，不是某一單一模態(tài)，為L(zhǎng)(0，1)模態(tài)與F(1，1)模態(tài)相重合形成；第二個(gè)波包衰減非常大，幾乎接收不到信號(hào)，此時(shí)沒(méi)有接收到鋼筋低端回波反射的信號(hào)。 

圖  13  鋼筋混凝土試塊銹蝕開(kāi)始時(shí)的信號(hào)時(shí)域圖

銹蝕結(jié)束后的時(shí)域圖如圖14所示，可以看到比較明顯的三個(gè)波包，且信號(hào)幅值遠(yuǎn)大于銹蝕之前接收到的信號(hào)幅值，其中第一個(gè)波包接收信號(hào)時(shí)間與發(fā)射信號(hào)時(shí)間差值為81.14 μs，計(jì)算出導(dǎo)波傳播速度為4 314 m·s-1，其為L(zhǎng)(0，1)模態(tài)；第二個(gè)波包波形變化較大，明顯存在波包混疊現(xiàn)象，其為F(1，1)與F(1，2)模態(tài)波包重疊形成；第三個(gè)波包耗時(shí)為第一個(gè)波包的三倍，其為第一個(gè)波包在鋼筋底端回波反射，此時(shí)能接收到鋼筋底端回波反射的信號(hào)，說(shuō)明銹蝕結(jié)束后鋼筋混凝土試塊內(nèi)導(dǎo)波傳播與裸鋼筋中導(dǎo)波傳播的特性相似。 

圖  14  鋼筋混凝土試塊銹蝕結(jié)束后的信號(hào)時(shí)域圖

與裸鋼筋銹蝕試驗(yàn)相比，超聲導(dǎo)波在鋼筋與混凝土復(fù)合結(jié)構(gòu)中的傳播受到混凝土厚度的影響，包裹混凝土后接收信號(hào)幅值比裸鋼筋時(shí)的顯著衰減，表明導(dǎo)波能量大部分被混凝土吸收。 

銹蝕試驗(yàn)過(guò)程中所有采集時(shí)刻接收信號(hào)耗時(shí)與銹蝕時(shí)間的關(guān)系曲線(xiàn)如圖15所示，可見(jiàn)銹蝕開(kāi)始前，接收信號(hào)耗時(shí)為106.7 μs，在試驗(yàn)進(jìn)行到117 h時(shí)增大到113.18 μs；117 h后，接收信號(hào)耗時(shí)開(kāi)始減小，在第195 h減小到80.43 μs；隨后保持平緩，最終237 h試驗(yàn)結(jié)束時(shí)為81.14 μs。結(jié)合鋼筋混凝土銹蝕過(guò)程的三個(gè)階段，發(fā)現(xiàn)接收信號(hào)耗時(shí)的變化也基本符合三個(gè)階段的劃分：①1~7天，鋼筋產(chǎn)生的銹蝕產(chǎn)物達(dá)到一定厚度，鋼筋與混凝土界面之間的黏結(jié)力增大，導(dǎo)致導(dǎo)波在鋼筋內(nèi)的傳播速度減小，接收信號(hào)耗時(shí)增加；②8~9天，銹脹力達(dá)到最大導(dǎo)致了裂縫的產(chǎn)生，從而降低了周?chē)炷翆?duì)銹蝕產(chǎn)物的限制能力，鋼筋與混凝土界面的黏結(jié)強(qiáng)度降低，對(duì)導(dǎo)波傳播速度的影響變小，因此傳播速度增大，接收信號(hào)耗時(shí)減小到最低點(diǎn)；③第10天，混凝土內(nèi)裂縫貫通，最終導(dǎo)波鋼筋與混凝土界面脫落，此時(shí)導(dǎo)波傳播速度趨于穩(wěn)定，與裸鋼筋中導(dǎo)波傳播特性相似。 

圖  15  鋼筋混凝土接收信號(hào)耗時(shí)與銹蝕時(shí)間的關(guān)系曲線(xiàn)

綜上可見(jiàn)，混凝土試塊從開(kāi)始銹蝕到結(jié)束可以分為鋼筋銹蝕堆積、銹蝕產(chǎn)生裂縫、鋼筋脫落3個(gè)階段，整個(gè)過(guò)程中接收信號(hào)的幅值、耗時(shí)均發(fā)生相應(yīng)變化，可以用于銹蝕損傷識(shí)別，故超聲導(dǎo)波的聲速可以作為有效監(jiān)測(cè)指標(biāo)來(lái)判斷裸鋼筋銹蝕的程度。 

4.   結(jié)論

文章針對(duì)U型鋼筋，提出了一種基于超聲導(dǎo)波技術(shù)的損傷識(shí)別監(jiān)測(cè)方法，設(shè)計(jì)出的U型鋼筋表面黏貼式結(jié)構(gòu)，能夠有效防止環(huán)境干擾。在銹蝕監(jiān)測(cè)過(guò)程中接收信號(hào)的幅值、耗時(shí)均發(fā)生明顯變化，能夠準(zhǔn)確對(duì)應(yīng)鋼筋銹蝕的不同階段，實(shí)現(xiàn)對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中彎曲鋼筋的銹蝕監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)。該方法可有效應(yīng)用于實(shí)際工程，對(duì)保障鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的安全性具有重要意義。

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