Page 54 - 无损检测2023年第八期
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蒋浩森, 等:

   钢筋锈蚀状态的超声导波监测试验

   的监测中, 如电化学        [ 4 ] 、 光纤 [ 5-7 ] 、 红外  [ 8-9 ] 、 丝束电极  监测时, 一端传感器被激励产生信号, 另一端
   传感器   [ 10-11 ] 等, 但这些方法存在成本普遍偏高、 操               传感器接收信号。混凝土中钢筋从脱钝到严重锈
   作相对复杂等问题, 故急需一种广泛适用于工程实                           蚀的过程中, 其自身以及钢筋 - 混凝土界面状态存
   际且成本相对合理的监测手段。                                    在明显的不同, 而不同状态下导波在钢筋中传播
       基于压电陶瓷( PZT ) 的超声导波监测具有监                      的能量损失是不同的, 故可以根据最后压电传感
   测范围大、 对锈蚀变化灵敏度高、 信号稳定等优                           器接收的能量提取信号信息对钢筋不同锈蚀阶段
   势, 非 常 适 合 混 凝 土 中 钢 筋 的 锈 蚀 监 测。                 进行表征。

                   [ 12-13 ] 等利用压电传感器监测了混                 另外, 试验所用钢筋较短( 长20cm ), 因此无需
   SRIRAMADASU
   凝土中钢筋早期的点蚀, 发现随着钢筋表面点蚀的                           考虑超声导波在传播过程中的衰减。在实际工程应
                                              [ 14 ]  用中, 所用钢筋较长, 则需要考虑导波的衰减。钢筋
   产生, 其锈坑阻碍了导波的传递, 振幅下降; LIU
   等通过新型嵌入式压电传感器监测了钢筋裂纹深度                            混凝土复合材料是比较密实的一种传播介质, 材料
   和单点锈蚀深浅, 证明导波对于钢筋局部损伤的敏                           本身对超声导波的衰减较小, 超声导波在钢筋混凝
   感性, 并可以通过计算导波的飞行时间来计算损伤                           土中的衰减主要为扩散衰减, 而扩散衰减主要取决
   部位; 杜永峰等      [ 15 ] 基于压电传感器监测了灌浆套筒               于导波的阵面形状。对于导波这种柱面波来说, 其
   内壁的锈蚀, 并通过小波包分析得到 EVC ( 基于小                       传播距离和能量大小成反比, 因此在实际工程应用
   波包总能量的锈蚀识别指标) 能量达到40%时即为                          中要合理选择超声导波的振动频率来保证其在监测
   套筒出现锈蚀的点; 王俊龙等            [ 16 ] 利用相控阵超声识         范围内有良好的效果。
   别了钢材焊接处焊缝的异常。研究者们大多针对混                            1.2 混凝土中钢筋的锈蚀理论
   凝土中钢筋某一锈蚀阶段进行研究, 却忽略了钢筋                             沿海地区海水中的氯离子被认为是危害钢筋混
   锈蚀全阶段对实际工程的意义。因此, 利用压电传                           凝土结构安全性最重要的因素。这是因为氯离子半
   感器对混凝土中钢筋锈蚀全阶段进行主动监测对实                            径较小且渗透能力较强, 在潮湿环境下, 可以迅速通
   际工程有一定意义。                                         过混凝土内部的孔隙到达钢筋表面, 成为钢筋锈蚀
       基于压电传感器的优势和适用性, 通过埋入嵌                         过程中较强的催化剂           [ 19-21 ] 。钢筋在混凝土中的锈
   入式压电传感器, 研究了浸泡于 5% ( 质量分数) 氯                      蚀是一个电化学过程, 其机理为: 当钢筋表面集聚的
   化钠溶液中钢筋历经钝化脱钝→起锈→脱黏→继续                            氯离子达到足以破坏钝化膜的临界浓度时, 钢筋表
   锈蚀→严重锈蚀等 5 个腐蚀阶段的信号振幅的变                           面由于高碱而形成的致密钝化膜开始发生局部破
   化。采用稳定且便于观测的正弦波形对整个腐蚀期                            坏, 从而与未破坏部分连通形成原电池。其中, 已发
   间的信号进行采集, 得到钢筋在混凝土中各阶段的                           生锈蚀的钢筋部分作为原电池的阳极, 未发生锈蚀
   信号变化, 划分了钢筋的不同腐蚀阶段。                               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
  1 基于压电超声的钢筋的锈蚀监测
                                                     铁离子的流失, 经过一系列反应后最终形成黑褐色
   1.1 基于压电超声导波的监测理论                                 的铁锈, 附着于钢筋表面。在锈蚀反应过程中, 随着
     在钢筋混凝土的结构健康监测领域, 导波通常                           锈蚀产物体积的不断扩大, 其对混凝土产生应力作
   指的是沿结构边界不断反射, 径直向前的声波, 其具                         用, 而引起膨胀并不断加剧, 最终导致混凝土结构的
   有监测范围大, 对结构变化敏感及无损等优点, 为国                         锈胀开裂     [ 22-24 ] 。
   际研究热点和前沿技术之一。基于压电超声导波监                                 基于压电陶瓷原理的钢筋锈蚀主动监测是将一

   测钢筋锈蚀全阶段的基本原理是: 利用压电传感器                           对 PZT 片直接黏接于钢筋两端表面, 而之所以没有
   的正逆压电效应, 通过激励 - 接收导波信号, 使得导                       采用与混凝土声阻抗匹配良好的“ 智能骨料” 形式的
   波在介质中向前传递          [ 17-18 ] 。在导波传播过程中, 钢         压电传感器, 是因为“ 智能骨料” 形式的压电传感器
   筋点蚀起锈造成的锈坑会引起导波的无规律折射、                            尽管可以定向激励导波信号从其中一端按照指定方
   散射、 绕射, 影响接收端的信号强弱; 且脱黏过程使                        向发出且吸收背部杂波, 但在试验监测中背部传递
   得原先由钢筋传入混凝土中的导波信号振幅能量大                            到混凝土中的信号并不影响钢筋中信号的传播, 且
   大降低, 而接收端信号能量的提高。                                 封装后的“ 智能骨料” 压电传感器会大幅降低 PZT
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          2023年 第45卷 第8期
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