圖 1 鋼筋中導波群速度頻散曲線
分享：基于超聲導波技術的U型鋼筋銹蝕監測
鋼筋混凝土材料因具有力學性能優異、可塑性強、防火性高等特點，被廣泛應用于建筑行業。隨著服役時間的增加，鋼筋混凝土結構的耐久性會逐漸變差，可能引發安全事故。
由于混凝土結構內鋼筋銹蝕前期無明顯表征現象，當出現銹蝕跡象時結構可能已經受到損壞，此時維護的費用較高，甚至承載力下降而帶來安全隱患。因此，對鋼筋銹蝕過程進行監測以及早期損傷識別是很有必要的。
目前，對鋼筋混凝土結構內部鋼筋銹蝕識別的方法，主要分為物理監測法、電化學監測法以及無損檢測技術。DRAVNIEKS等[1]提出了電阻探針監測技術。JOHN等[2]提出利用交流阻抗譜法對混凝土結構內部損傷進行監測。鐘志恒等[3]深入研究線性極化法，對混凝土中鋼筋的腐蝕機理與腐蝕速率控制進行了闡述。但其提出的方法在實用性上具有一定的局限性，通常作為人工短暫定期監測方法使用。
相對來說，最近興起的超聲導波檢測技術較為全面。李幸鈺等[4]通過對不同缺陷深度的鋼筋進行超聲導波監測試驗和數值模擬，利用小波分析對試驗數據進行處理分析，試驗結果和數值模擬得到的結論基本一致，表明利用小波包能量分析能夠對鋼筋混凝土銹蝕損傷進行識別。
SHARMA等[5-6]利用帶痕損傷鋼筋混凝土梁進行超聲導波監測試驗，發現L（0，1）模態導波的傳播集中分布于鋼筋表面，且會在帶痕損傷區域發生散射、反射，對鋼筋損傷變化反應敏感，同時發現低頻模態導波在自鋼筋表面向混凝土區域傳播的過程中位移減小，能量損失增大，驗證了使用導波進行混凝土內鋼筋表面損傷監測的可行性。
FARHIDZADEH等[7-9]基于多尺寸圓柱體內導波聲速差異性，設計多組小尺寸不同直徑鋼筋銹蝕超聲檢測試驗，試驗發現銹蝕初期點銹蝕較少，聲速變化較小，中期至后期銹蝕點數量、范圍增大致使導波發生散射，聲速變化較大，驗證了基于導波聲速變化的鋼筋銹蝕檢測的可行性。相比傳統方法，基于超聲導波技術的監測方法更具有實用性，適用于鋼筋混凝土這種復雜結構的內部監測，且準確性高、整體成本較低。
利用超聲導波技術對混凝土進行檢測時存在以下問題：①信號處理復雜，使用小波變換等技術需要大算力支持，增加了系統實現難度；②傳感器信號易受到干擾，監測時會產生許多干擾信號；③導波穿透復合材料時，信號會發生衰減。
文章利用超聲導波技術，采用壓電材料設計了一個適用于U型鋼筋銹蝕監測的傳感系統，可以對信號干擾進行濾波處理，并能夠消除環境干擾。最后搭建了鋼筋混凝土試塊加速銹蝕監測系統，實現了對鋼筋混凝土試塊銹蝕的全過程實時監測。
1. 超聲導波在鋼筋中的頻散特性
超聲導波在介質中的傳播會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。因此超聲導波在鋼筋中的傳播速度會隨著激勵頻率的改變而發生變化，這就是導波在鋼筋中傳播的頻散現象，其強弱跟激勵頻率以及激發的模態有關[10]。
導波在鋼筋中傳播的頻散曲線與鋼筋的直徑以及密度、彈性模量等物理參數有關。利用MATLAB軟件[11]繪制出導波在直徑12 mm鋼筋中傳播的頻散曲線，群速度頻散曲線和相速度頻散曲線分別如圖1，2所示，其可以反映出導波模態、頻率以及群速度和相速度之間的關系[12]。繪制頻散曲線所用到的鋼筋物理參數如表1所示。
圖 2 鋼筋中導波相速度頻散曲線
Table 1. 鋼筋物理參數
| 密度/(kg · m−3) | 彈性模量/GPa | 泊松比 |
|---|---|---|
| 7 800 | 210 | 0.30 |
圖1和圖2中顯示了L模態、T模態、F模態波群速度與相速度在頻率1 000 kHz以下的變化特性，可以看出導波模態數量隨頻率增大而增加，在0~200 kHz內模態數量最少，1 000 kHz左右數量最多。在200 kHz以上任一頻率時至少存在3種以上的導波模態，并隨著頻率增加導波多模態現象加劇，各模態聲速變化劇烈，頻散嚴重。而200 kHz以下導波群速度波動較慢，頻散較為輕微，故初步確定監測頻率為200 kHz以下。
2. U型鋼筋傳感器結構設計
文章研究的超聲換能器需要埋入混凝土結構中，其結構包括背襯層、壓電元件和匹配層3部分，檢測對象為直徑為10 mm、厚度為5 mm的圓柱形混凝土。針對防水、界面和強度、尺寸等問題設計換能器，換能器結構設計圖如圖3所示。
圖 3 超聲換能器結構示意
制作的超聲換能器用于信號發射和信號接收，選用PZT-4壓電陶瓷制作發射型超聲換能器，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氧樹脂的混合物。
背襯層除了起到保護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，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，但是過厚會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氧樹脂的混合物。
3. U型鋼筋電化學加速銹蝕導波監測試驗
混凝土中的鋼筋銹蝕是一個電化學反應過程。混凝土中含有Ca(OH)2、KOH、NaOH等氫氧化物，總體呈堿性，鋼筋表面會發生鈍化反應形成Fe2O3薄膜，對鋼筋起到保護作用。由于骨料、拌合水、氯化鈣外加劑等可能含有氯離子，而氯離子的入侵會破壞Fe2O3薄膜，從而使得鋼筋表面形成一個活性電極，發生電化學反應，混凝土中鋼筋發生銹蝕。
3.1 裸鋼筋銹蝕試驗
由于試驗采集到的數據會存在不同頻率的干擾聲波，為了提高數據信號的有效性，需要通過濾波來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，過濾掉低于激勵頻率20 kHz和高于激勵頻率20 kHz的信號，僅保留激勵頻率±20 kHz范圍內的信號。
濾波處理前后的信號分別如圖4，5所示。根據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，經過處理之后的信噪比明顯得到了提升，并符合基本要求。文章后續分析的數據均為帶通濾波處理后的信號。
圖 4 濾波前存在干擾的信號
圖 5 濾波后清除干擾后的信號
處理完信號后，進行裸鋼筋銹蝕監測試驗，對直徑為12 mm、長度為35 cm的U型鋼筋進行電化學加速腐蝕，試驗裝置實物如圖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。鋼筋左端銅線與直流電源的正極連接，溶液中的銅線與負極連接，通過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裝置實物
鋼筋銹蝕試驗過程中，控制恒定電流為0.5 A，電壓約為15 V。根據計算，鋼筋銹蝕部分的質量為132 g，結合公式計算出鋼筋理論銹蝕率與通電時間的關系（見表2）。
Table 2. 理論銹蝕率與通電時間的關系
| 理論銹蝕率/% | 恒定電流/A | 通電時間/h | 銹蝕量/g |
|---|---|---|---|
| 2 | 0.5 | 5 | 2.6 |
| 5 | 0.5 | 12.6 | 6.6 |
| 10 | 0.5 | 25.2 | 13.2 |
| 20 | 0.5 | 50.4 | 26.4 |
| 30 | 0.5 | 75.6 | 39.6 |
| 40 | 0.5 | 100.8 | 52.8 |
| 50 | 0.5 | 126 | 66 |
將100 kHz和120 kHz激勵頻率下，加速銹蝕試驗過程中所采集到的整時刻信號幅值匯總，可以發現整個銹蝕過程中幅值的變化都是先減小后增大。根據相關定律，裸鋼筋銹蝕試驗過程中通電電流恒定時，能夠通過通電時間對鋼筋的理論銹蝕率進行估算。由于數據值本身較小，且兩種信號幅值相差大，故將數據歸一化進行繪圖，裸鋼筋接收信號幅值與理論銹蝕率的關系曲線如圖7所示。
圖 7 裸鋼筋接收信號幅值與理論銹蝕率的關系曲線
如圖7所示，100 kHz頻率下，接收信號幅值從銹蝕開始到理論銹蝕率約達到30%時處于下降狀態；隨后開始上升，當理論銹蝕率達到50%時，接收信號幅值上升到與剛開始時的持平。120 kHz頻率下，接收信號幅值從銹蝕開始一直下降直到理論銹蝕率約達到35%后，再開始上升。
根據圖7和銹蝕試驗過程外觀記錄圖（見圖8），發現幅值下降階段是鋼筋銹蝕剛開始階段，隨著銹蝕進行到一定程度，鋼筋表面銹蝕物增加并達到一定厚度而將鋼筋包裹住，激勵信號在鋼筋內傳播的過程中，能量會向周圍銹蝕層泄漏，所以幅值處于下降狀態。當銹蝕試驗進行到約72 h時，幅值下降到最低點，銹蝕物厚度達到最厚并且開始有破開的跡象。隨后銹蝕層破開并逐漸脫落于NaCl溶液中，鋼筋表面銹蝕物厚度變薄，接收信號幅值開始上升。可知，在固定頻率下，固定模態導波在裸鋼筋中的傳播速度隨著鋼筋直徑變化而變化。
圖 8 銹蝕試驗過程外觀記錄圖
由銹蝕前的時域圖（見圖9）可以清晰地看到三個接收信號的波包，其中第一個波包接收時間與發射信號的時間差值為84.27 μs，經過計算，第一個波包的傳播速度為4 153 （m·s-1），符合直徑12 mm鋼筋頻散曲線中L(0，1)模態理論速度[為4 101 （m/·s-1）]，證明試驗顯著激發了L(0，1)模態；第二個波包從發射到接收的耗時與F(1，1)模態理論速度一致；第三個波包耗時為第一個波包的3倍左右，為第一個波包在鋼筋末端的反射。
圖 9 U型鋼筋銹蝕前的信號時域圖
由銹蝕結束后的時域圖（見圖10）中可以看到存在兩個波包，第一個波包耗時為64.81 μs，計算出導波傳播速度為5 400 m·s-1，略高于6 mm直徑內的鋼筋理論傳播速度；第二個波包波形發生改變，為F(1，1)模態的波包與第一個波包到鋼筋末端的反射波疊加形成。銹蝕試驗結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下導波傳播的理論速度值為3 809~5 026 m·s-1，銹蝕結束后計算出的傳播速度基本符合頻散曲線。
圖 10 U型鋼筋銹蝕結束后的信號時域圖
3.2 混凝土包裹后的鋼筋銹蝕試驗
由于鋼筋混凝土結構在自然狀態下的銹蝕十分緩慢，筆者利用電化學方法對試塊加速銹蝕。對整個銹蝕過程進行超聲導波監測，分析損傷狀態和健康狀態的信號變化來判斷鋼筋銹蝕情況。
首先對健康試件進行信號激勵并儲存數據。將鋼筋混凝土試件放入質量百分比濃度為5%的NaCl溶液中浸泡48 h，保證鋼筋處于飽水狀態下，以使混凝土內部鋼筋銹蝕更加均勻。隨后將信號發生器、示波器、鋼筋三者相連。再將鋼筋一端的銅線連接直流電源的正極，溶液中的銅線連接負極，連通電路，銹蝕試驗開始，試驗布置如圖11所示。
圖 11 混凝土包裹鋼筋銹蝕試驗布置
110kHz頻率下銹蝕過程中記錄的各時刻信號幅值曲線如圖12所示，可以看出隨著銹蝕時間增加，接收信號幅值的變化趨勢是先緩慢減小，后急速上升，最后又緩慢減小。在銹蝕前，接收信號幅值為19.83 mV；在銹蝕時間達到117 h的時候，接收信號幅值達到最低點（2.01 mV）；隨后幅值急劇上升，在198 h達到最高點（154.39 mV）。
圖 12 鋼筋混凝土試塊銹蝕過程中接收信號幅值曲線
在導波時域圖中，銹蝕前存在兩個較為明顯的波包（見圖13），其中第一個波包接收信號時間與發射信號時間的差值為106.7 μs，計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混疊現象，不是某一單一模態，為L(0，1)模態與F(1，1)模態相重合形成；第二個波包衰減非常大，幾乎接收不到信號，此時沒有接收到鋼筋低端回波反射的信號。
圖 13 鋼筋混凝土試塊銹蝕開始時的信號時域圖
銹蝕結束后的時域圖如圖14所示，可以看到比較明顯的三個波包，且信號幅值遠大于銹蝕之前接收到的信號幅值，其中第一個波包接收信號時間與發射信號時間差值為81.14 μs，計算出導波傳播速度為4 314 m·s-1，其為L(0，1)模態；第二個波包波形變化較大，明顯存在波包混疊現象，其為F(1，1)與F(1，2)模態波包重疊形成；第三個波包耗時為第一個波包的三倍，其為第一個波包在鋼筋底端回波反射，此時能接收到鋼筋底端回波反射的信號，說明銹蝕結束后鋼筋混凝土試塊內導波傳播與裸鋼筋中導波傳播的特性相似。
圖 14 鋼筋混凝土試塊銹蝕結束后的信號時域圖
與裸鋼筋銹蝕試驗相比，超聲導波在鋼筋與混凝土復合結構中的傳播受到混凝土厚度的影響，包裹混凝土后接收信號幅值比裸鋼筋時的顯著衰減，表明導波能量大部分被混凝土吸收。
銹蝕試驗過程中所有采集時刻接收信號耗時與銹蝕時間的關系曲線如圖15所示，可見銹蝕開始前，接收信號耗時為106.7 μs，在試驗進行到117 h時增大到113.18 μs；117 h后，接收信號耗時開始減小，在第195 h減小到80.43 μs；隨后保持平緩，最終237 h試驗結束時為81.14 μs。結合鋼筋混凝土銹蝕過程的三個階段，發現接收信號耗時的變化也基本符合三個階段的劃分：①1~7天，鋼筋產生的銹蝕產物達到一定厚度，鋼筋與混凝土界面之間的黏結力增大，導致導波在鋼筋內的傳播速度減小，接收信號耗時增加；②8~9天，銹脹力達到最大導致了裂縫的產生，從而降低了周圍混凝土對銹蝕產物的限制能力，鋼筋與混凝土界面的黏結強度降低，對導波傳播速度的影響變小，因此傳播速度增大，接收信號耗時減小到最低點；③第10天，混凝土內裂縫貫通，最終導波鋼筋與混凝土界面脫落，此時導波傳播速度趨于穩定，與裸鋼筋中導波傳播特性相似。
圖 15 鋼筋混凝土接收信號耗時與銹蝕時間的關系曲線
綜上可見，混凝土試塊從開始銹蝕到結束可以分為鋼筋銹蝕堆積、銹蝕產生裂縫、鋼筋脫落3個階段，整個過程中接收信號的幅值、耗時均發生相應變化，可以用于銹蝕損傷識別，故超聲導波的聲速可以作為有效監測指標來判斷裸鋼筋銹蝕的程度。
4. 結論
文章針對U型鋼筋，提出了一種基于超聲導波技術的損傷識別監測方法，設計出的U型鋼筋表面黏貼式結構，能夠有效防止環境干擾。在銹蝕監測過程中接收信號的幅值、耗時均發生明顯變化，能夠準確對應鋼筋銹蝕的不同階段，實現對鋼筋混凝土結構中彎曲鋼筋的銹蝕監測評價。該方法可有效應用于實際工程，對保障鋼筋混凝土結構的安全性具有重要意義。
文章來源——材料與測試網
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