混凝土结构钢筋锈蚀无损检测方法研究进展.pdf

2024.3,4（2）|工程建造与维护混凝土结构钢筋锈蚀无损检测方法研究进展周佳骏，李丹（东南大学土木工程学院，江苏 南京 211189）摘要：钢筋混凝土结构性能优良并且成本低廉，广泛应用于基础设施建设和工业民用建筑中。在外部荷载和环境侵蚀等因素的作用下，结构中的钢筋不可避免地出现锈蚀情况，降低了结构的安全性和耐久性，导致高昂的维修费用。对混凝土结构钢筋锈蚀情况进行定期检测，对于确定锈蚀出现后结构的承载力、预测结构剩余寿命等有直接意义。经过多年发展，融合了多学科理论，钢筋锈蚀无损检测技术已经应用在一些实际工程上。但是现代工程建设对锈蚀检测技术提出了更高的要求，尤其是在大数据和机器学习等新一代信息技术的推动下，钢筋检测方法面临着向数字化、自动化和智能化的产业变革和技术升级。为了推动钢筋混凝土结构检测技术和评价体系的进步，本文对钢筋锈蚀无损检测的主要方法进行了总结评述，重点探讨新兴智能感知技术在钢筋锈蚀检测方面的应用和研究成果，提出现有技术面临的挑战，展望其未来发展方向。关键词：钢筋锈蚀；无损检测；半电池电位；光纤传感器；射频识别；声表面波Research progress on nondestructive testing methods for rebar corrosion in concrete structuresZHOU Jiajun,LI Dan（School of Civil Engineering，Southeast University，Nanjing 211189，China）Abstract：Reinforced concrete structures are widely used in infrastructure construction and industrial and civil buildings because of their high performance and low cost.Under the action of external loads and environmental erosion，corrosion of reinforcing bars in structures inevitably occurs，which reduces the safety and durability of the structure and leads to high maintenance costs.Regular inspection of the corrosion of reinforcing steel in concrete structures is of direct significance in determining the bearing capacity of the structure after the appearance of corrosion and predicting the remaining life of the structure.After years of development and integration of multidisciplinary theories，the non-destructive testing technology of reinforcement corrosion has been applied to some practical projects.However，modern engineering construction has put forward higher requirements for corrosion detection technology，especially under the impetus of new generation of information technology such as big data and machine learning.Rebar detection methods are facing industrial change and technological upgrading towards digitalization，automation and intelligence.In order to promote the progress of the inspection technology and evaluation system of reinforced concrete structure，this paper summarizes and reviews the main methods of non-destructive testing of rebar corrosion，focuses on the application and research results of the 中图分类号:TU755.7 文献标志码:A 文章编号：2097-017X（2024）02-0062-15DOI:10.3969/j.issn.2097-017X.2024.02.011收稿日期：2023-04-04基金项目：国家自然科学基金项目（52108273）第一作者简介：周佳骏（2001），男，硕士研究生。研究方向：结构健康监测。通讯作者简介：李 丹（1989），男，博士，讲师。研究方向：结构健康监测。62混凝土结构钢筋锈蚀无损检测方法研究进展 周佳骏 等emerging intelligent perception technology in rebar corrosion detection，puts forward the challenges faced by the existing technology，and looks forward to the direction of its future development.Key words：rebar corrosion；non-destructive testing；half-cell potential；fiber optic sensor；radio frequency identification；acoustic surface waves引 言钢筋混凝土结构结合了钢筋与混凝土各自的优点，自 19 世纪中叶开始使用后，已经成为世界上应用最为广泛的结构形式之一。虽然钢筋混凝土结构具有承载能力强、防火性能优异、耐久性高等特点，但是结构在长期自然环境和外部荷载的作用下仍然会出现性能退化的不可逆过程。引起钢筋混凝土结构性能劣化的原因可以分为两大类，一类是混凝土材料自身损伤，另一类是混凝土内钢筋的锈蚀。混凝土材料自身的损伤往往由于受到外界荷载的影响抑或是外部温度环境的变化导致，例如地震、水灾引起的混凝土开裂1和冻原环境导致的混凝土表面性能退化2。这两类损伤既有不同，又会相互作用加速整体结构的性能退化。由于混凝土碱骨料反应、碳化开裂等损伤，使得氧气、水和氯离子等有害物质渗入到结构内部，导致钢筋锈蚀。钢筋锈蚀引起力学性能劣化，构件承载能下降，并且锈蚀后致使周围混凝土开裂，影响钢筋与混凝土之间的粘结，这会进一步造成结构承载能力劣化，危及结构耐久性和安全性。钢筋锈蚀引起混凝土结构性能劣化已经成为关系国计民生的重要问题，使得对结构进行有效锈蚀评估的需求日益增加。经验表明，早期发现钢筋锈蚀损伤可以大大降低结构维修费用，并且有利于制定实施有效的维护策略，保证结构的承载力。目视检查是传统的混凝土结构检测方法。但是，大部分钢筋锈蚀损伤都是隐藏在结构内部，只有将混凝土凿开或者锈蚀达到显著水平才会被发现。钢筋的锈蚀过程伴随着材料一系列的物理变化和化学反应。通过对特定外部物理量和化学物质的量测，可以推断、评估钢筋混凝土结构内部锈蚀程度。本文针对用于钢筋锈蚀无损检测的传感器进行简要的总结和评述，介绍各类传感器的工作原理与应用方法，重点探讨在实际应用过程中遇到的各种问题，并对其发展方向进行讨论。1钢筋锈蚀检测技术1.1半电池电位法半电池电位（Half-Cell Potential，HCP）法是工程实践中常用的定性判断混凝土中钢筋锈蚀程度的无损检测方法。混凝土中的钢筋锈蚀是一种电化学腐蚀过程，在这个过程中包含有阴极反应和阳极反应，其结果是在钢筋上建立一个电位。HCP 检测方法是通过测量钢筋和一个放置在混凝土表面的参比电极之间的电位差（如图 1 所示），来实现对钢筋锈蚀程度的评估。研究表明，钢筋与参比电极之间的电位值与钢筋腐蚀程度有一定的相关性，可以定性评估钢筋是否容易锈蚀的可能性3-9。HCP 方法是一套较为成熟的钢筋锈蚀测定方法，美国出台过相应的检测标准10，我国冶金部等单位也开展了相应的研究工作并给出检测方法指导11。Elsener等12详细介绍了 HCP 方法的工作原理、操作方法、实桥应用、影响因素以及对电势等值线图（如图 2 所示红色区域钢筋锈蚀严重）的解读，为实际应用 HCP 提供有效的指导意见。Yodsudjai等13探讨了影响 HCP测量结果的因素，主要包括混凝土保护层厚度、氯离子浓度、混凝土抗压强度、环境湿度等，为得到可靠的检测结果提供依据。Sassine等14研究了钢筋相互连接对 HCP 测量结果的影响，试验表明钢筋相互连接并不是有效的 HCP测量结果的必要条件。Kessler 等15使用概率分析法对HCP 测量结果的可靠性进行分析，所提出的概率分析框架可以有效评估测量结果的可靠性。使用HCP 测量方法从宏观和微观角度对钢筋临界锈蚀进行研究，何志川16探讨了不同因素对临界锈蚀电位的影响并与规范作比较，根据实际工程数据建立了逆向传播（Back Propagation，BP）神经网络电位预测模型。HCP 方法操作简单，发展成熟，但是只能对钢图 1半电池电位测量系统示意图Fig.1Schematic diagram of the half-cell potential measurement system 63筋锈蚀的可能性提供定性评估，无法定量标定钢筋锈蚀程度以及锈蚀速率。此外，当混凝土结构表面有高电阻层，如沥青防护层时，HCP 方法难以得到可靠地结果。对于无外露钢筋的结构，需要破除混凝土保护层，测试繁琐且对结构造成局部破坏。特别地，对于预应力混凝土结构，在锚固区钢筋较多，电极相互连通，HCP 不能提供有价值的信息；并且由于预应力筋套管的绝缘性能，使得沿预应力筋测量 HCP没有应用价值1。1.2光纤传感器光纤传感器（Optical Fiber Sensor，OFS）是一种将外界物理参数转化为可测光信号的传感器。在调制器与外界物理参数的相互作用下，由光源射入光纤的光束的光学性质（如强度、频率、相位等）发生变化成为调制光信号，再经光纤送入解调器获得被测参数。光纤是性能优良的敏感元件，可用于恶劣环境，抗电磁干扰能力强，并且适用于远程传输，监控范围广，在多个工业领域得到了研究和应用17-22。根据空间分布特征，OFS 可以分为单点式、准分布式和分布式。单点式 OFS 的传感器几何尺寸较小，一般只针对单点范围的物理量进行测量。这类传感器的检测性能较高，但难以给出被测物理量的空间分布信息。准分布式 OFS 的一根光纤上连接多个传感器，可以同时对多个点进行观测。分布式 OFS 的整根光纤作为感知元件，可以在大范围内进行连续实时测量。1.2.1单点式 OFS单点式 OFS通常在光纤的一端或一小段区域安装锈蚀感知薄膜，通过薄膜对光束吸收和反射的性质变化来测量腐蚀程度。图 3所示为用于锈蚀检测的单点式 OFS 示意图，在光纤的一端设置铁质薄膜。随着铁质薄膜的厚度因锈蚀不断减小，部分光束穿透薄膜，而反射光的强度不断降低。因此，通过检测反射光强度可以估计锈蚀程度。这类单点式 OFS检测原理清晰，适用范围广，价格低廉，易于大批量生产，并且可以方便地安装在既有结构中，具有广阔的应用前景23。类似于在端部设置铁质薄膜，也有学者在光纤中间 12 cm 的区域设置 Fe-C 合金镀层，通过输出光强度的变化来检测锈蚀情况 24-25。光纤布拉格光栅（Fiber Bragg Grating，FBG）传感器利用光的波长编码来测量外部物理量。经过高强度紫外激光处理的掺锗光纤可以形成一段光纤光栅。如图 4所示，当宽谱入射光经过光栅段时，满足一定波长条件的光将被反射回去，其余光则继续向前传输。由于外界物理量可以引起 FBG 中心波长变化，因此通过采集处理反射光的波长即可以达到测量外界物理量的目的。FBG反射光波长为：B=2neff(1)式中 B为反射光波长，neff为光纤纤芯的有效折射率，为光栅栅距。由于应变和温度可以直接影响 FBG 中心波长，通过测量反射光的波长，FBG 传感器可以有效地推图 3用于锈蚀检测的单点式 OFS示意图23Fig.3Schematic diagram of single-point OFS for corrosion detection 23图 4单点式 FBG传感器工作原理26Fig.4Working principle of single point FBG sensor 26图 2电位等值线图12Fig.2Potential contour plot 12 64混凝土结构钢筋锈蚀无损检测方法研究进展 周佳骏 等断物体变形和环境温度。严云等27利用 FBG 传感器测量钢筋的径向变形来评估钢筋的锈蚀程度。具体的检测方法是将光纤直接缠绕并固定在钢筋上，当钢筋出现锈蚀后其直径会发生响应变化，从而达到用 FBG 测量的应变变化表征钢筋锈蚀程度的目的。这类 FBG 传感器可以用于钢筋早期锈蚀的监测检测，但是这种测量方法没有考虑环境温度对FBG 中心波长的影响，而且光纤裸露于混凝土中容易受到损坏。为了提升 FBG 传感器的性能，宋世德等28、祁瑛29根据混凝土中钢筋出现锈蚀后会膨胀的特点，使用两个 FBG 制作了灵敏度较高的钢筋锈蚀传感器，如图 5所示。在传感器中，钢筋件使用实际混凝土结构中的钢筋为原材料加工而成，一个FBG 缠绕在钢筋件上用于测量钢筋件的径向变形，另一个 FBG 穿过钢筋件用于温度补偿。实验表明，所制作的传感器测量灵敏度高，可以有效地监测混凝 土 中 钢 筋 的 早 期 腐 蚀。杨 立30开 发 了 类 似 的FBG 锈蚀传感器，并对传感器进行封装，可以较好地保护光纤光栅。Almubaied等31使用 FBG 应变传感器来测量锈蚀导致的裂缝发展，进而评估钢筋锈蚀情况。这类 FBG 传感器灵敏度高，可以有效地监测混凝土中钢筋的早期锈蚀过程。但是，传感器需要预先埋置在结构中才能发挥其监测检测的作用，而且无法对既有结构的钢筋锈蚀情况进行测量。1.2.2准分布式 OFSFBG 传感器不仅可以用于单点式测量，也可以用于准分布式测量。准分布式 FBG 传感器工作原理与单点式 FBG 传感器类似，区别只是在一根光纤上设置多个光栅（如图 6 所示）。这样，使用一根光栅可以测量结构在多个位置的锈蚀情况。除了直接测量钢筋锈蚀程度，准分布式 FBG 传感器更多的应用 于 环 境 化 学 物 质 以 及 pH 值 等 其 他 物 理 量 的测量32-34。1.2.3分布式 OFS可以应用于分布式测量是 OFS 的一个主要优势。与单点式传感器相比，分布式 OFS 可以连续地进行大范围测量，降低监测成本，对土木工程结构健康监测具有重大应用价值。常用的分布式 OFS 是基于背向散射（Back Scattering）原理工作的。光的散射主要有瑞利散射（Rayleigh Scattering）、拉曼散射（Raman Scattering）和布里渊散射（Brillouin Scattering）三种类型。相比于其他两种散射，布里渊散射的频移大小、散射光强度等性质对光纤的温度和应变变化更加敏感，因此在工程监测领域应用更为广泛35。目前各国研究人员从理论和实验等方面对布里渊散射光纤传感技术作了大量研究，取得了丰富的研究成果。赵雪峰等36开发了一种基于布里渊光 学 时 域 反 射（Brillouin Optical Time Domain Reflectometry，BOTDR）的钢筋锈蚀光纤传感器，推导了相应的钢筋锈蚀定量评价公式，并在实验室模拟环境下对锈蚀传感特性进行研究。Fan 等37-38将光纤以螺旋线的方式缠绕在钢筋上（如图 7（a）所示），通过脉冲预泵浦布里渊光时域分析法（Pulse Pre-pump Brillouin Optical Time Domain Analysis，PPP-BOTDA）测量由锈胀作用引起钢筋的变形来评估锈蚀程度。图 7（b）显示了试验测量结果，可以明显看出随着时间增加锈蚀不断发展，钢筋的径向变形不断增加，因此可以通过钢筋的变形来估计其锈蚀程度。基于分布式 OFS 的锈蚀传感器灵敏度高，造价低廉，可以实现长距离、大范围的实时锈蚀监测。光纤的化学性质稳定，耐久性好，适用于钢筋混凝土结构的长期监测以及在恶劣环境下监测。但在另一方面，一般光纤与钢筋直接接触，当混凝土发生较大裂缝以及钢筋锈蚀特别严重时，光纤容易受到破坏。此外，在测量时需要对 OFS 进行温度补偿，使其能够在温度变化的环境中使用。1.3射频识别技术射 频 识 别（Radio Frequency Identification，图 5用于锈蚀检测的 FBG传感器28Fig.5FBG sensor for corrosion detection 28图 6准分布式 FBG传感器工作原理26Fig.6Working principle of quasi-distributed FBG sensor 26 65RFID）技术通过无线射频方式对电子标签进行读写，从而达到识别目标和数据交换的目的。RFID技术具有非接触式、数据存储量大、读写速度快等特点，广泛应用于结构健康监测领域39。如图 8 所示，RFID 系统一般由读写器、天线和电子标签三个部分构成。读写器通过天线向安装在被测物体上的电子标签发射一定频率的射频探询信号，标签获得信号携带的能量被激活后，将芯片编码和存储的信息反射回读写器，读写器通过解码读取采集到的信息，从而实现读写器与电子标签之间的无线数据通信。当混凝土内钢筋出现锈蚀后，安装在钢筋上的电子标签的电磁性质发生改变，进而由标签反射回读写器的响应信号也会发生变化。通过测量标签的性质变化或者响应信号的特征变化可以评估钢筋的锈蚀情况。Sunny 等40利用 125 kHz 低频射频标签的瞬态响应变化来评估低碳钢在不同涂层情况下的锈蚀情况。Zhang 等41通过测量 13.56 MHz 高频射频标签的阻抗变化来评估低碳钢的锈蚀情况，并使用主成分分析（Principal Component Analysis，PCA）方法来降低读写器位置变化的影响。Zhao 等42使用 915 MHz 超高频射频芯片结合折叠天线开发了用于低碳钢锈蚀检测的小型化无线传感器。实验表明，天线的特征频率与钢材锈蚀情况有一定的相关性，可以在一定程度上反映锈蚀程度。Materer等43将 RFID 技术与锈蚀敏感元件结合起来制作高灵敏度的无线锈蚀传感器。另外，RFID传感器也可以通过无线测量腐蚀电势、环境氯离子浓度、pH 值等参数间接监测钢筋腐蚀情况44-48。李平安等49开发了一种可以进行线性极化、开路电势和温度测量的RFID传感器，该传感器可以有效监测混凝土结构锈蚀情况。张腾等50-51设计制作了具有温度补偿功能的射频识别锈蚀传感器。此外，还有研究将 RFID 技术与传统电化学测量方法相结合，开发相应的无线传感器。如图 9 所示，Leon-Salas等52设计了可以用于线性极化、开路电势以及温度测量的 RFID 传感器。其中，射频信号作为传感器的能量来源，驱动传感器工作；低功耗的微处理器用于控制协调各个模块正常工作，内含一个 10 位的模数转换器用于将测量得到的数据转化为数字信号，并携带温度传感器测量环境温度；低功耗的电极用于测量电位；数模转化器用于给测量电极提供电压。通过测量一个加速锈蚀构件，RFID无线传感器与商用的恒电位仪的测量性能相近，可以用于钢筋锈蚀的无线检测。可以发现，大多数基于 RFID 技术的锈蚀传感器可以通过无线的方式将测量数据传输到数据采集端（读写器），并且测量端（电子标签）不需要电池即可工作。这样可以免除使用导线来传输数据和提供能源，降低了测量系统的安装维护风险和费用，并且可以应用在高温、高压等极端环境中。RFID传感器兼具感知和通信的能力，利用较少数量的电子元件就可以实现无线传感的功能，为设计制作小型化高性能传感器提供便利。但是，在通常情况下感知和通信对传感器设计提出相反的需求，即钢筋锈蚀会引起电子标签电磁性质的变化，这种变化可以作为锈蚀的表征，但也会引起天线与芯片阻抗失配，从而图 7使用分布式 OFS测量钢筋锈蚀37Fig.7Measurement of rebar corrosion using distributed OFS 37 图 8射频识别系统39Fig.8Radio frequency identification system 39 66混凝土结构钢筋锈蚀无损检测方法研究进展 周佳骏 等导致通信距离的减少53。因此，在设计 RFID 传感器时需要考虑感知和通信性能的平衡。1.4声表面波传感器声表面波（Surface Acoustic Wave，SAW）传感器利用在压电基片表面上的金属叉指换能器（Interdigitated Transducer，IDT）实现电-声信号转换，对在压电基片上传播的声信号进行采集和处理，从而实现测量特定物理量的功能。SAW 传感器具有精度高、设计灵活性大、抗干扰性能好等特点，广泛应用于物理、化学和生物传感领域。图 10所示为常见的 SAW 传感器结构，主要组成构件包括：IDT、压电基片（衬底）、敏感薄膜和天线等。传感器工作时，输入 IDT 接收外部探询信号，将电信号转化为 SAW并沿敏感薄膜传播，输出 IDT 将接受到的 SAW 转化为电信号通过天线发射回探测器，从而实现无线传感功能。传感器的敏感薄膜根据外部环境改变SAW 的特征，选择使用不同的敏感薄膜可以达到测量不同物理量（如应变、温度、湿度等）的目的。SAW 传感器设计灵活性大，通过搭配响应的传感 元 件，可 以 直 接 测 量 钢 筋 锈 蚀 程 度。朱 玺 峰等55-56设计了一种 SAW 电容传感器用于钢筋锈蚀检测，其作用原理是将钢筋置于平板电容器之中，利用钢筋锈蚀厚度引起平板电容器的阻抗变化，通过分析反射信号的振幅和相位实现对钢筋锈蚀的无线传感。SAW 传感器也可以用于测量与锈蚀相关的环境物理量来评估出现锈蚀的可能性。Qiu等57以ZnO 作为敏感薄膜设计并制作了用于 pH 检测的SAW 电容传感器，实验表明，当 pH 值降低或升高时SAW 的谐振频率下降。与 RFID 传感器相似，SAW 传感器功耗小，具有无线无源的工作特点58-59，拓宽了传感器的应用场景。相应地，由于在测量端没有额外电源供应，SAW 传感系统的无线探测距离较短，而且容易受到混凝土层中各种颗粒和缺陷的影响，给提取有效信号特征带来一定的困难。1.5漏磁检测漏磁（Magnetic Flux Leakage，MFL）检测是一种根据磁场变化来识别钢构件损伤缺陷的无损检测方法。漏磁检测的基本原理如图 12 所示。在外部磁场作用下，连续均匀的铁磁材料内的磁感线基本被约束在材料中，几乎没有磁感线从材料表面穿过，如图 12（a）所示。当材料中存在切割磁感线的缺陷时，部分磁感线将离开材料表面，发生“泄漏”，如图 图 9RFID锈蚀传感器52Fig.9RFID rust sensor 52图 10声表面波传感器54Fig.10Surface acoustic wave sensor 54图 11SAW 电容传感器55Fig.11SAW capacitive sensor 55 6712（b）所示。通过检测是否有磁感线“泄漏”即可以对材料损伤缺陷进行识别评估。在过去的工程中，漏磁检测技术已经成功用于评估钢筋混凝土结构的锈蚀和损伤情况，如桥梁、建筑物、港口码头等。通过对钢筋进行磁化，观察磁场中的变化，可以检测到钢筋中的锈蚀、裂缝和其他缺陷，帮助工程师判断结构的安全性和维护需求。漏磁检测易于自动化、检测效率高、可靠性强，在工业管道61-63、桥梁钢索60，64、高速钢轨65-66等结构的损伤识别检测上有广泛的应用。对于混凝土结构钢筋锈蚀检测，文献 67-71 进行了大量的理论与实践的研究工作，通过数值模拟和试验验证等方式探究锈蚀钢筋混凝土梁的漏磁检测方式，并且研究锈蚀钢筋混凝土梁的承载力与漏磁场的相关性。试验表明，随着锈蚀加深，试件自发漏磁分量曲线（如图 13中HL）出现明显磁异变峰；随着试件承载力进一步衰减，漏磁曲线梯度和领域增量都出现非线性单调增加。漏磁检测检测速度快，适用于大范围的损伤检测。在实践中，漏磁检测技术也存在一定的局限性。漏磁检测一般用于定性分析，目前的技术手段难以探测损伤的形状与程度。而且，混凝土保护层厚度过大时，钢筋与传感器距离较远，难以区分磁场信号之间的差异，且易受混凝土磁导率和磁滞的影响，检测结果的准确性会有一定程度的降低。另外，漏磁检测一般不适用于形状复杂的构件，当钢筋布置复杂时，增大了磁场信号特征提取的难度，降低了检测结果的可靠性。1.6探地雷达探地雷达（Ground Penetrating Radar，GPR）探测技术是一种无损检测技术，具有探测速度快、操作简便、分辨率高等特点。如图 14 所示，GPR 在结构表面上向结构内部发射电磁波，电磁波在结构内传播过程中，当遇到介质特性发生变化的界面（如内部缺陷、钢筋层等）时，发生反射返回雷达。根据反射波信号的相位、幅值及频谱等特性参数，可以解析结构内部损伤情况。在 GPR 测量中，结构内的每一个反射点反射的电磁波都可以被雷达接收。通过对反射波数据进行处理可以得到反射点的空间位置而形成雷达剖面图，从而得到结构内部介质的分布。图 15所示为钢筋混凝土试件的 GPR 成像结果，图像显示混凝土试件的上、下表面可以被 GPR 探测得到，另外相比于无锈蚀构件，有锈蚀构件反射波的散射程度更大。对于利用 GPR 来检测混凝土结构钢筋锈蚀情况，国内外学者进行了大量的研究工作。Sossa等73通过实验室模拟试验研究了 GPR 反射波幅值与钢筋腐蚀程度的对应关系，试验表明 GPR 反射波的幅值可以用于评估钢筋腐蚀程度，特别是对于钢筋早期腐蚀有较好的定性分析效果。Lai等74使用 1.5和2.6 GHz的 GPR 以及半电池反应对钢筋锈蚀情况进行检测，试验结果表明所应用的不同检测方法均可以对混凝土结构内钢筋锈蚀情况进行定性评估。Zanzi等75通过比较理论计算与试验测量的结果，提图 12漏磁检测工作原理60Fig.12Working principle of magnetic leakage detection 60图 13试验梁磁场分布71Fig.13Magnetic field distribution of the test beam 71图 14探地雷达测量原理示意图72Fig.14Schematic diagram of the principle of ground-penetrating radar measurement 72 68混凝土结构钢筋锈蚀无损检测方法研究进展 周佳骏 等出了提高 GPR 检测精度的系统框架，并建议在使用GPR 探测钢筋直径时使用双极化天线。Hong 等76使用 GPR 对混凝土结构钢筋锈蚀情况进行长时间（10 年）的周期性检测，提出使用图像配准技术（Image Registration Technique，IRT）对在不同时段测量的结果进行归一化以便于相互比较，研究结果表明所提出的方法可以对不同锈蚀程度的钢筋进行可靠地评估。在迈阿密军舰博物馆的修复项目中，使用了探地雷达技术对一艘历史悠久的军舰进行无损检测。这艘军舰是美国海军的一艘退役船只，被用作博物馆的展品展示。然而，由于多年的暴露在海水和风化作用下，其钢筋混凝土结构可能出现了损坏和锈蚀。为了评估军舰结构的健康状况，工程师们使用探地雷达技术在军舰表面进行扫描。探地雷达可以通过发射电磁波并监测其反射来检测混凝土结构中的缺陷和异物。通过分析探地雷达扫描的结果，工程师们能够非侵入性地确定钢筋混凝土结构中的裂缝、空洞和锈蚀情况，从而确定军舰结构的完整性和安全性。这个案例展示了探地雷达在钢筋混凝土结构无损检测方面的应用，有助于保护历史建筑和确保公众安全。当然，在实际工程中，探地雷达技术也被广泛应用于其他钢筋混凝土结构的检测和维护工作。国内外的工程实践和理论研究表明，GPR 对混凝土厚度及分层，单层钢筋网的钢筋间距与埋深等具有较好的探测效果。但是，当结构内钢筋间距较小且布置多层钢筋网时，由于钢筋网对雷达信号的屏蔽作用以及钢筋之间的相互干扰，使得雷达采集到的数据质量下降，给数据处理和解析带来困难，导致检测结果可靠性降低。此外，钢筋锈蚀会破坏周边混凝土，产生的裂缝则会引起 GPR 信号的散射，降低反射信号幅值，使得数据处理更加困难（如图16 所示）。GPR 的正演模拟是雷达成像解释的基础，通过对反射信号的数值模拟研究，可以加深对雷达图像剖面的认识，为反演提供依据。通过研究混凝土介质非均匀性以及随机干扰对雷达反射信号的影响，可以提高 GPR 的探测可靠性，拓宽该技术的应用领域。1.7声波检测声波检测即通过测量在介质中传播的声信号进行损伤定位与识别的检测技术。常用的声波检测方法有次声波检测、声波 CT 技术、声发射检测、超声波检测等77-81。本节重点介绍声发射检测和超声波检测在钢筋锈蚀评估方面的应用。1.7.1声发射检测声发射（Acoustic Emission，AE）是材料在外界因素作用下快速释放的能量产生应力波的现象。结构的塑性变形、裂纹扩展以及应力腐蚀等均会伴随有 AE 现象，通过检测 AE 信号，可以连续监测结构内部变化的过程。值得注意的是，AE探测得到的能量来自于被测物本身，而不需要探测装置发射外部探测信号。陈忠购82通过 AE 累积信号强度分析，确定钢筋混凝土构件锈胀开裂时刻；通过 AE 参数频谱特征分析，对锈蚀损伤和加载损伤进行区分；通过 AE强 度 对 锈 蚀 损 伤 的 劣 化 程 度 进 行 定 量 表 征。Li等83使用 AE 监测钢筋与混凝土的粘结破坏，钢筋拔出试验表明，AE信号的振幅和峰值频率均与粘结破坏程度有一定的相关性，可以用作定性分析。Lei等84通过测量 AE 计数来评估不同锈蚀程度的钢筋与混凝土的粘结破坏，AE计数与钢筋滑移有一定的相关性，测量得到的 AE 发射源与损伤出现位置一图 15探地雷达测量结果73Fig.15Results of ground-penetrating radar measurements 73图 16混凝土受钢筋锈蚀破坏引起 GPR信号散射73Fig.16Scattering of GPR signals due to concrete damage by corrosion of steel reinforcement 73 69致。Patil等85使用 AE 检测法对一个在役混凝土板钢筋锈蚀情况进行评估，并且与电化学方法测试结果进行比较，AE检测法对钢筋出现锈蚀可能性的检测结果与电化学方法结果相符合。Zheng等86应用AE测量海水环境中钢筋混凝土桩的锈蚀情况，试验表明 AE 信号可以反映钢筋锈蚀损伤程度（如图 17所示），并且应用多层感知机（Multilayer Perceptron，MLP）可以对损伤进行定位。目前研究表明，AE的累积信号强度与钢筋锈蚀发展有一定的相关性。但是为了有效测量钢筋锈蚀发展，需要在结构服役初期开始进行观测并对测量结果进行统计。另外，多种其他因素包括结构形状、混凝土含水量、水泥型号、骨料大小以及荷载作用大小、方向等均会对 AE 信号产生影响，导致 AE 信号过于复杂，使得有效特征难以提取。1.7.2超声波检测超声波检测是指利用超声波对结构内部缺陷进行检查的无损检测方法。依据基本的声学定律，超声波携带的信息，如声速、传播时间、衰减和频谱等与传播介质的几何、物理量等有关。超声声速依赖于传播介质的刚度和密度，传播时间与传播距离和声速有关，超声衰减和频谱的变化与介质成分和内部颗粒大小有关。因此通过测量分析超声信号可以检测和定位结构中的缺陷以及钢筋锈蚀等情况。Ghosh 等87-88使用超声波探测并应用合成孔径聚焦技术（Synthetic Aperture Focusing Technique，SAFT）生成混凝土板的水平剖面图，以此来识别钢筋锈蚀程度。如图 18 所示不同锈蚀程度的超声波探测成像，可以直观地观察到钢筋锈蚀发展。Liu等89-90开发并测试了环式超声波传感器检测钢筋锈蚀的效果，验证了超声波的振幅与钢筋锈蚀程度存在一定的相关性。但是所开发的传感器需要以嵌套的方式安装在钢筋上，这为实际应用带来一定的不便。Sharma等91使用 AE传感器以及超声波导技术（Ultrasonic Guided Wave Technique，UGWT）对钢筋锈蚀进行检测，检测结果表明 AE 可以检测钢筋锈蚀发展与混凝土损伤，而 UGWT 可区分钢筋表面锈蚀与点蚀等不同的锈蚀情况。1.8X射线显微 CTX 射线显微 CT（X-ray microcomputed tomography，X-ray CT）技术为观察事物提供了新的视野，可以直观地呈现各种物体的内部构造，在生物医学、材料科学、半导体技术等领域均有重要应用。当 X图 17声发射测量结果86Fig.17Acoustic emission measurement results 86图 18超声波检测成像88Fig.18Ultrasonic detection imaging88 70混凝土结构钢筋锈蚀无损检测方法研究进展 周佳骏 等射线穿过物体时，X 射线与材料介质发生相互作用，其振幅和相位信息都会发生改变。这种信息的改变可以被探测器记录下来，从而获得物体内部构造图像。图 19 所示为混凝土试件内部钢筋锈蚀情况的X 射线显微 CT 测量系统，发射器向试件发射 X 射线，射线穿过试件后被 CCD 处理器接收形成图像，最后通过多个角度的扫描可以生成试件内部的 3D图像。Itty 等93应用 X 射线显微 CT 技术对水泥净浆内钢筋锈蚀情况进行定性和定量的研究，显微 CT成像可以实时观测到钢筋锈蚀发展和水泥破坏，其分 辨 率 可 以 达 到 微 米 级。图 20 显 示 了 低 碳 钢（ASTM A36）与不锈钢（UNS S41000）在加速锈蚀试验中的锈蚀发展情况。从图中可以看出，低碳钢呈现均匀锈蚀，钢筋表面整体逐渐被侵蚀；不锈钢更多呈现出点蚀，在钢筋的一侧明显地出现许多锈蚀孔。Dong 等94使用 X 射线显微 CT 技术对钢筋锈蚀发展以及锈蚀导致的裂缝发展进行观测，并对钢筋因锈蚀损失的质量进行计算，计算结果表明，通过显微 CT 技术测量结果估算的质量损失与通过电磁感应定律估算的质量损失相符合。1.9钢筋锈蚀检测技术比较无损检测方法在钢筋混凝土结构评估中扮演着至关重要的角色。针对不同工程需求和结构特征，研究人员和工程师们不断探索和发展各种先进的检测技术，以提高结构的安全性和可靠性。在前文中详细介绍了半电池电位法、光纤传感器、射频识别技术、声表面波传感器、漏磁检测、探地雷达、声波检测以及 X 射线显微 CT 这八种应用于钢筋锈蚀的无损检测方法。为了更全面地理解和比较这些检测方法的优缺点及其适用场景，制作了如表 1 所示的横向对比表格。该表格将重点关注各种方法在以下方面的性能：是否可以定量检测钢筋锈蚀程度、检测原理、适用场景、检测精度、成本、操作复杂性和检测时间。通过对这些关键要素进行综合评估，可以更好地了解每种方法的优势