钢筋锈蚀状态的超声导波监测试验.pdf

无损检测2023年第45卷第8 期19混凝土无损检测专题DOI:10.11973/wsjc202308004钢筋锈蚀状态的超声导波监测试验蒋浩森，金祖权，张小影，周肇亮（青岛理工大学土木工程学院，青岛2 6 6 0 0 0)摘要：为了对钢筋锈蚀进行监测,基于压电超声导波法，采用埋置于混凝土内部贴附于钢筋两端的压电传感器，对电加速锈蚀的纯钢筋和混凝土中的钢筋以及未电加速方式锈蚀的混凝土中钢筋进行主动锈蚀监测。监测结果表明，在钢筋锈蚀过程中，其超声导波信号振幅变化可以明显监测到腐蚀的5个阶段，即钝化脱钝-起锈-脱黏-继续锈蚀-严重锈蚀；且导波信号振幅不随着锈蚀的加深而持续降低，而是具有一定的变化规律。使用超声导波监测包裹于混凝土中的钢筋锈蚀时，可以直接通过测定导波信号振幅不同阶段来区分钢筋所处的腐蚀阶段。该结论为工程实际监测提供了有力的数据支撑和支持。关键词：压电陶瓷；钢筋锈蚀；结构健康监测；腐蚀阶段；信号分析中图分类号：TU528;TG115.28文献标志码：A文章编号：10 0 0-6 6 56（2 0 2 3)0 8-0 0 19-0 5Ultrasonic guided wave monitoring test for the corrosion status of steel barsJIANG Haosen,JIN Zuquan,ZHANG Xiaoying,ZHOU Zhaoliang(School of Civil Engineering,Qingdao University of Technology,Qingdao 266000,China)Abstract:In order to monitor the corrosion of steel bars,based on the piezoelectric ultrasonic guided wavemethod,active corrosion monitoring was carried out on single steel bars and steel bars in concrete that wereelectrically accelerated,as well as on steel bars in concrete that were not electrically accelerated,by embeddingpiezoelectric sensors attached to both ends of the steel bars inside the concrete.The monitoring results indicated thatduring the corrosion process of steel bars,the amplitude changes of ultrasonic guided wave signals can besignificantly monitored in five stages of corrosion,namely passivation and depassivation,rust initiation,debonding,continued corrosion,and severe corrosion.The amplitude of the guided wave signal did not continuously decreasewith the deepening of corrosion,but had a certain variation pattern.When using ultrasonic guided waves to monitorthe corrosion of steel bars embedded in concrete,the corrosion stage of the steel bars can be directly distinguished bymeasuring the amplitude of the guided wave signal at different stages.This conclusion provided favorable datasupport and support for practical engineering monitoring.Key words:piezoelectric ceramic;steel corrosion;structural health monitoring;corrosion stage;signal analysis近几十年来，随着我国基础设施建设的不断完善，大量的钢筋混凝土材料用于跨海桥梁、海底隧道、地铁的建设中。但海水、海雾中的高浓度氯离子渗透至混凝土内部会使得钢筋发生锈蚀，结构物劣收稿日期：2 0 2 2-0 8-2 9基金项目：国家自然科学基金（U2106221；52 0 7 8 2 59）作者简介：蒋浩森（1994一），男，博士，主要研究方向为钢筋混凝土电化学保护和监测通信作者：金祖权，化失效，引发工程事故1-3。然而，钢筋锈蚀是在混凝土内部缓慢进行的，锈蚀初期的锈蚀产物较少，由于外面混凝土层的包裹作用，钢筋状态往往难以观测出来。随着锈蚀程度的不断加深，锈蚀产物逐渐增加，而对周围混凝土产生钢筋锈胀力，导致混凝土保护层开裂、脱落，虽然此时可以从外部观察到钢筋的锈蚀程度，但整个钢筋混凝土结构的安全性已达不到要求，极有可能引发工程事故。因此，有必要对混凝土中钢筋的锈蚀状态进行主动监测。有许多方法已应用于钢筋混凝土复合材料锈蚀无损检测2023年第45卷第8 期20钢筋锈蚀状态的超声导波监测试验蒋浩森，等：的监测中，如电化学4、光纤5-7、红外E8-9、丝束电极传感器10-11等，但这些方法存在成本普遍偏高、操作相对复杂等问题，故急需一种广泛适用于工程实际且成本相对合理的监测手段。基于压电陶瓷（PZT)的超声导波监测具有监测范围大、对锈蚀变化灵敏度高、信号稳定等优势，非常适合混凝土中钢筋的锈蚀监测。SRIRAMADASUL12-13等利用压电传感器监测了混凝土中钢筋早期的点蚀，发现随着钢筋表面点蚀的产生，其锈坑阻碍了导波的传递，振幅下降；LIUC141等通过新型嵌人式压电传感器监测了钢筋裂纹深度和单点锈蚀深浅，证明导波对于钢筋局部损伤的敏感性，并可以通过计算导波的飞行时间来计算损伤部位；杜永峰等15基于压电传感器监测了灌浆套筒内壁的锈蚀，并通过小波包分析得到EVC（基于小波包总能量的锈蚀识别指标)能量达到40%时即为套筒出现锈蚀的点；王俊龙等16 利用相控阵超声识别了钢材焊接处焊缝的异常。研究者们大多针对混凝土中钢筋某一锈蚀阶段进行研究，却忽略了钢筋锈蚀全阶段对实际工程的意义。因此，利用压电传感器对混凝土中钢筋锈蚀全阶段进行主动监测对实际工程有一定意义。基于压电传感器的优势和适用性，通过埋人嵌人式压电传感器，研究了浸泡于5%（质量分数）氯化钠溶液中钢筋历经钝化脱钝起锈脱黏继续锈蚀严重锈蚀等5个腐蚀阶段的信号振幅的变化。采用稳定且便于观测的正弦波形对整个腐蚀期间的信号进行采集，得到钢筋在混凝土中各阶段的信号变化，划分了钢筋的不同腐蚀阶段。1基于压电超声的钢筋的锈蚀监测1.1基于压电超声导波的监测理论在钢筋混凝土的结构健康监测领域，导波通常指的是沿结构边界不断反射，径直向前的声波，其具有监测范围大，对结构变化敏感及无损等优点，为国际研究热点和前沿技术之一。基于压电超声导波监测钢筋锈蚀全阶段的基本原理是：利用压电传感器的正逆压电效应，通过激励-接收导波信号，使得导波在介质中向前传递17-18。在导波传播过程中，钢筋点蚀起锈造成的锈坑会引起导波的无规律折射、散射、绕射，影响接收端的信号强弱；且脱黏过程使得原先由钢筋传入混凝土中的导波信号振幅能量大大降低，而接收端信号能量的提高。监测时，一端传感器被激励产生信号，另一端传感器接收信号。混凝土中钢筋从脱钝到严重锈蚀的过程中，其自身以及钢筋-混凝土界面状态存在明显的不同，而不同状态下导波在钢筋中传播的能量损失是不同的，故可以根据最后压电传感器接收的能量提取信号信息对钢筋不同锈蚀阶段进行表征。另外，试验所用钢筋较短（长2 0 cm），因此无需考虑超声导波在传播过程中的衰减。在实际工程应用中，所用钢筋较长，则需要考虑导波的衰减。钢筋混凝土复合材料是比较密实的一种传播介质，材料本身对超声导波的衰减较小，超声导波在钢筋混凝土中的衰减主要为扩散衰减，而扩散衰减主要取决于导波的阵面形状。对于导波这种柱面波来说，其传播距离和能量大小成反比，因此在实际工程应用中要合理选择超声导波的振动频率来保证其在监测范围内有良好的效果。1.2混凝土中钢筋的锈蚀理论沿海地区海水中的氯离子被认为是危害钢筋混凝土结构安全性最重要的因素。这是因为氯离子半径较小且渗透能力较强，在潮湿环境下，可以迅速通过混凝土内部的孔隙到达钢筋表面，成为钢筋锈蚀过程中较强的催化剂19-2 1。钢筋在混凝土中的锈蚀是一个电化学过程，其机理为：当钢筋表面集聚的氯离子达到足以破坏钝化膜的临界浓度时，钢筋表面由于高碱而形成的致密钝化膜开始发生局部破坏，从而与未破坏部分连通形成原电池。其中，已发生锈蚀的钢筋部分作为原电池的阳极，未发生锈蚀的钢筋部分作为阴极，混凝土中存在的氧气和水分作为电解液。氯离子则起着搬运工的作用不断加速铁离子的流失，经过一系列反应后最终形成黑褐色的铁锈，附着于钢筋表面。在锈蚀反应过程中，随着锈蚀产物体积的不断扩大，其对混凝土产生应力作用，而引起膨胀并不断加剧，最终导致混凝土结构的锈胀开裂2 2-2 4基于压电陶瓷原理的钢筋锈蚀主动监测是将一对PZT片直接黏接于钢筋两端表面，而之所以没有采用与混凝土声阻抗匹配良好的“智能骨料”形式的压电传感器，是因为“智能骨料”形式的压电传感器尽管可以定向激励导波信号从其中一端按照指定方向发出且吸收背部杂波，但在试验监测中背部传递到混凝土中的信号并不影响钢筋中信号的传播，且封装后的“智能骨料”压电传感器会大幅降低PZT无损检测2023年第45卷第8 期21钢筋锈蚀状态的超声导波监测试验蒋浩森，等：中质子的振动从而降低信号强度。压电陶瓷传感器的黏贴方式如图1所示。图1压电陶瓷传感器的黏贴方式示意2试验设计2.1试验概况钢筋混凝土试块尺寸为30 0 mmX100 mm100mm（长X宽高），混凝土强度等级设计为C30，配合比为水泥：水：砂：石=1:0.48:1.6 0:2.6 1，其中水泥采用强度等级为42.5的基准水泥,砂为中砂,石子的最大粒径为2 0 mm。钢筋选用直径为20mm，长度为2 0 cm的45号冷拔光圆钢筋。发射传感器选用PZT-43型压电陶瓷，其稳定性好，灵敏度高，常用于驱动和接收换能器中。接收传感器选用PZT-5H型压电陶瓷，其具有良好的接收性能。两种传感器的导线采用双轴电缆线，接头采用BNC(刺刀螺母连接器)接头。在黏接传感器过程中，先打磨钢筋两端使其平整，然后使用50 2 胶水把钢筋和传感器黏接起来，最后将环氧树脂和固化剂以1:1的比例调配混合后涂敷在传感器外表面作为保护层，以保护传感器在混凝土中不被损坏，在制作试块过程中，为防止钢筋的相对错动，要进行分层加料振动，确保钢筋在混凝土中的中间位置，使其周围混凝土层厚度均为5cm。笔者共制作了4块钢筋混凝土试块和3块抗压标准试块。钢筋的加速锈蚀采用恒电流加速法，电流密度为2 mAcm-，锈蚀电流为0.2 5A。试块制作完毕后，养护2 8 d，在此阶段用密封袋保护好BNC接头，防止进水和锈蚀，以减少对试验过程的影响。养护完毕先把试块放在5%（质量分数）的氯化钠溶液中浸泡6 0 h，以降低其电阻率，确保试块饱水。然后以半浸泡的方式用Wanptek型直流稳压电源（电压为30 V，电流为6 A)对3块试块进行恒电流加速试验，并同步采集数据，另外一块为半浸泡，不施加恒电流作为对比。同时单独对3根贴有传感器的钢筋在碱性盐溶液中同步进行恒电流加速试验，对钢筋以及界面进行观测。两种钢筋的电加速腐蚀试验现场如图2 所示。图2两种钢筋的电加速腐蚀试验现场监测系统由任意函数发生器，数字示波器和计算机三部分组成，其整体构成如图3所示。图3试验监测系统整体构成考虑到声波在钢筋中传播的模态问题，试验不宜采用高频超声波，以防止模态过多和信号能量集中，也不宜采用频率过低的超声，以避免能量不足，接收信号不稳定。因此在6 0 140 kHz内对所使用的PZT进行测试，压电陶瓷不同频率下的振幅曲线如图4所示，最终采用10 0 kHz频率作为信号的激励频率。550525500Au/475450425400506070 8090100110120130140150频率/kHz图4压电陶瓷不同频率下的信号振幅曲线无损检测2023年第45卷第8 期22钢筋锈蚀状态的超声导波监测试验蒋浩森，等：3试验结果分析3.1时域分析经抗压强度试验，所选C30混凝土的平均强度为34.3MPa,符合规范要求。为了清晰地观测出信号的变化过程，分别绘制纯钢筋锈蚀信号和混凝土中的钢筋锈蚀信号的振幅变化曲线，其结果如图5所示。605550Au/454035钢筋130钢筋225一钢筋320020406080100时间/h图5钢筋锈蚀信号变化趋势曲线纯钢筋锈蚀信号监测试验刚开始时，导波信号趋于稳定，这是因为钢筋整体相对稳定，没有锈蚀；随着反应进行，钢筋发生不均匀锈蚀，出现大量的点蚀坑，造成了信号的少部分散射和折射，信号幅值逐渐下降；随着锈蚀的继续进行，钢筋整个外表面覆盖一层锈蚀产物，钢筋从局部锈蚀向整体锈蚀过渡，信号开始趋于稳定。图5中3根钢筋采集到的信号之所以出现导波信号振幅相差比较大的情况是因为压电传感器在黏接时不可能做到每根钢筋黏接程度的绝对相同，导致导波信号振幅在发射和接收过程中存在差异，信号振幅波动较大。未电加速的钢筋中信号振幅随时间变化曲线如图6 所示，对未进行电加速的试块持续采集信号，发现整个试验过程中的振幅变化相对稳定，即未起锈阶段，导波信号振幅是稳定的；这为后面的混凝土包裹钢筋电加速试验结果提供了有力支持。100908070Au/6050403020100050100150200 250时间/h图6未电加速的钢筋中信号振幅随时间变化曲线为了直观观测监测信号随时间的变化情况，提取压电传感器监测的峰值结果绘制电加速试块振幅随时间变化曲线，其结果如图7 所示。60试块150一试块2Au/试块340302010050100150 200250时间/h图7电加速试块信号振幅峰值随时间变化曲线电加速钢筋的锈蚀反应可以细分为5个阶段：钝化及脱钝阶段；起锈阶段；脱黏阶段；继续锈蚀阶段；严重锈蚀阶段。从图7 中可以看出，黏接于钢筋两侧的传感器对混凝土中钢筋锈蚀的不同阶段变化十分敏感。由于每个试块的制作过程不同故试块每个阶段所处的时间不可能绝对相同，而初始振幅不同则是因为每根钢筋两端的PZT黏接程度很难完全相同，这并不影响试验结果。从图7 中还可以看出，信号在钝化和脱钝阶段的振幅相对平缓，可认为是钢筋发生钝化脱钝的转变。因为在这个阶段钢筋和混凝土间的界面并没有发生大的变化且钢筋自身也没有变化，超声导波并不会造成能量损失，之后在起锈阶段振幅呈现大幅度下降趋势，这是因为钝化膜破裂后，立刻形成了“小阳极，大阴极”的腐蚀原电池，再加上氯离子锈蚀催化剂的影响，钢筋出现点蚀并逐渐加深扩大；蚀坑造成信号的散射、折射和不规则反射，从而影响导波的传播，使得振幅强度逐步降低；在降低到一定值之后振幅开始快速爬升，这是典型的脱黏现象，即钢筋进人到脱黏阶段，钢筋的脱黏使得本来经过钢筋传人到混凝土中的信号大大降低，从而导致信号的爬升；钢筋进人继续锈蚀阶段，对应信号再次达到顶峰后进入下降段，此时钢筋完全脱黏，导波信号主要在钢筋中传播，而随着蚀坑的不断扩大，信号再次降低；最后钢筋此时处于严重锈蚀阶段，钢筋与混凝土之间完全被锈蚀产物包裹，导波很难通过质地稀疏的锈蚀产物将能量传到混凝土中，整个导波信号在被包裹的钢筋内部传递，信号趋于稳定；此时混凝土上的裂缝已经较宽大，用手即可把试块开。考虑到实际工程应用中钢筋长度大大超过试验中所用钢筋的长度，因此将压电传感器黏接于钢筋两端的方法并不适用于实际工程。根据工程对不同钢筋的需求，在实际工程中宜采用环形压电传感器（使钢筋从中间穿过），不同直径钢筋采用不同内径的环无损检测2023年第45卷第8 期23钢筋锈蚀状态的超声导波监测试验蒋浩森，等：形压电传感器，并采用厚度方向的谐振模式产生导波来对埋置于混凝土中的钢筋进行锈蚀监测3.2频谱分析在钢筋的加速锈蚀信号采集试验中，随着钢筋锈蚀的不断加重，信号振幅在不断变化，但整个过程中压电传感器产生的10 0 kHz的超声振动频率未变。根据这一特性，为保证整个试验过程中信号频率的稳定，可以对所监测到的波形信号进行快速傅里叶变换来观测整个试验过程中频率的稳定情况。超声导波频率随时间的变化曲线如图8 所示，可见在整个监测时间段内超声导波信号的频率相对稳定的,波动不超过 0.5kHz,表明整个监测过程频率响应是没有问题的，未出现频率偏移的情况。110105ZH/率源100959085050100150 200250时间/图：超声导波频率随时间的变化曲线4丝结语采用超声导波对混凝土中钢筋锈蚀进行主动监测试验，成功实现了对埋置于混凝土中的钢筋全过程锈蚀监测。（1）尽管各试块初始振幅不同，但通过黏接于钢筋两端的压电传感器，可以很明显的得到钢筋整个锈蚀过程存在5个锈蚀阶段，即钝化脱钝起锈脱黏继续锈蚀严重锈蚀。其不同阶段对应不同腐蚀状态，故可以根据无损监测导波信号的变化来判断埋藏于混凝土中钢筋所处的锈蚀阶段。（2）对钢筋各腐蚀阶段的划分确定，利于判断实际工程中钢筋所处的状态，为实际应用提供一定数据支持。参考文献：1李师财，于泳，金祖权.海水海砂混凝土力学性能与耐久性研究综述J.硅酸盐通报，2 0 2 0，39（12）：37 43-3752.2李刊，魏智强，乔宏霞，等.耦合盐溶液环境下钢筋/混凝土Weibull耐久性寿命预测方法J.复合材料学报,2 0 2 1,38(7)：2 37 0-2 38 2.3陈奇，公伟，苗吉军，氯盐侵蚀下铜矿渣混凝土高温后内部钢筋锈蚀规律J.复合材料学报，2 0 2 2，39（6）：2875-2884.4许晨.混凝土结构钢筋锈蚀电化学表征与相关检/监测技术D.杭州：浙江大学，2 0 12.5丁安心，俞星辰，杨鹏，等.一种灌封结构用环氧树脂的固化行为表征和模拟.复合材料学报，2 0 2 2，39(4):1824-1833.6张冉.基于光纤布拉格光栅（FBG)的钢筋混凝土腐蚀监测系统的研究D.大连：大连理工大学，2 0 19.7王强，赵博研，刘秋寒，等.曲面结构石英纤维增强树脂复合材料分层损伤缺陷太赫兹智能检测.复合材料学报，2 0 2 3,40（3）：17 8 5-17 96.8明慧伶.红外热成像法检测混凝土内部双根钢筋锈蚀试验研究D.昆明：昆明理工大学,2 0 2 1.9朱笑，袁丽华，基于红外热成像的碳纤维增强树脂复合材料低速冲击损伤表征J.复合材料学报，2 0 2 2，39(8)：417 7-418 5.10金祖权，冯光岩，姜玉丹.利用丝束电极技术研究海洋环境下裂缝混凝土中钢筋的锈蚀J.硅酸盐学报，2020,48(11):1791-1800.11高源，金祖权，李宁.利用丝束电极技术研究氧浓度对海水海砂砂浆中钢筋锈蚀的影响.硅酸盐通报，2022,41(8):2672-2683.12SRIRAMADASU R C,BANERJEE S,LU 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mm对测时的测强曲线测的回归测强曲线的乘幂相差不大，且平测略大于对测。2结语（1）平测测距为2 0 0 40 0 mm时，测距越大超声声速回归测强曲线的乘幂越大，更有利于混凝土强度的判定，且检测面宜尽量选择在侧面。（2）在平测测距为40 0 mm，对测测距为2 5 0 mm18苏晨辉，姜明顺，梁建英，等.强噪声下碳纤维增强树脂复合材料结构Lamb波层析损伤成像方法J.复合材料学报，2 0 2 0,37（4)：8 8 6-8 95.19DU F Y,JIN Z Q,XIONG C S,et al.Effects oftransverse crack on chloride ions diffusion and steelbars corrosion behavior in concrete under electricaccelerationJJ.Materials,2019,12(15):2481.20OGUNSANYA I G,HANSSONCM.Thesemiconductor propertiesof passiveffilmsandcorrosion behavior of stainless steel reinforcing barsin simulated concrete pore solution J.Materialia,2019,6:100321.21ZHENG H B,DAI J G,LI W H,et al.Influence of时，平测与对测超声声速回归测强曲线乘幂相差不大，平测法可以代替对测法进行混凝土强度的判定。（3）混凝土超声声速检测方式的多样性为该方法在工程中的应用提供了方便，平测法在工程实际检测中具有检测面选择范围广、超声测距准确等优点，有广泛的应用前景，尤其在建筑物结构混凝土只有一个可测平面（如水池壁、楼板、路面、地下室等）的情况下，超声平测法优势明显。笔者单位在大量试验基础上制定了平测声速与对测声速的相关关系曲线（山东省地方标准DB37混凝土强度和砌体强度现场检测技术系列标准），该研究可望进一步推动超声平测法在混凝土无损检测实际工程中的应用。参考文献：1吴新璇.混凝土无损检测技术手册M.北京：人民交通出版社，2 0 0 4.2张治泰，邱平.超声波在混凝土质量检测中的应用M.北京：化学工业出版社，2 0 0 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