Page 40 - 无损检测2025年第四期

王 潇，等：

基于超声导波技术的 U 型钢筋锈蚀监测

图 1 和图 2 中显示了L模态、T模态、F模态波 坏Fe O 薄膜，从而使得钢筋表面形成一个活性电
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群速度与相速度在频率1 000 kHz以下的变化特性， 极，发生电化学反应，混凝土中钢筋发生锈蚀。
可以看出导波模态数量随频率增大而增加，在0~ 3.1 裸钢筋锈蚀试验
200 kHz内模态数量最少，1 000 kHz左右数量最多。 由于试验采集到的数据会存在不同频率的干扰
在200 kHz以上任一频率时至少存在3种以上的导 声波，为了提高数据信号的有效性，需要通过滤波
波模态，并随着频率增加导波多模态现象加剧，各模 来消除一定的干扰声波。文章采用ORIGIN软件中
态声速变化剧烈，频散严重。而200 kHz以下导波群 FFT（快速傅立叶变换）的带通滤波方法，过滤掉低
速度波动较慢，频散较为轻微，故初步确定监测频率 于激励频率20 kHz和高于激励频率20 kHz的信号，
为200 kHz以下。 仅保留激励频率±20 kHz范围内的信号。
滤波处理前后的信号分别如图4，5所示。根据
2 U型钢筋传感器结构设计
信噪比公式得出处理前信噪比为9. 54 dB，处理之后
文章研究的超声换能器需要埋入混凝土结构 信噪比为23. 52 dB，经过处理之后的信噪比明显得
中，其结构包括背衬层、压电元件和匹配层3部分， 到了提升，并符合基本要求。文章后续分析的数据
检测对象为直径为10 mm、厚度为5 mm的圆柱形混 均为带通滤波处理后的信号。
凝土。针对防水、界面和强度、尺寸等问题设计换能
器，换能器结构设计图如图3所示。

图 3 超声换能器结构示意
制作的超声换能器用于信号发射和信号接
收，选用PZT-4 压电陶瓷制作发射型超声换能器， 图 4 滤波前存在干扰的信号
PZT-5压电陶瓷制作接收型超声换能器。
匹配层的主要作用是保护压电元件，并使压电
元件和钢筋表面良好耦合，因此匹配层材料采用水
泥和环氧树脂的混合物。
背衬层除了起到保护压电元件和防水防锈等作
用外，还要具备吸收声波的功能。背衬层材料的声
阻抗与压电元件的接近时，可以增大传感器的分辨
率。理论上背衬层的厚度越大吸波效果越好，但是
过厚会降低传感器的灵敏度和分辨率。背衬层主要
材料为水泥和环氧树脂的混合物。

3 U型钢筋电化学加速锈蚀导波监测试验 图 5 滤波后清除干扰后的信号
混凝土中的钢筋锈蚀是一个电化学反应过程。 处理完信号后，进行裸钢筋锈蚀监测试验，对直
混凝土中含有Ca(OH) 、KOH、NaOH等氢氧化物， 径为12 mm、长度为35 cm的U型钢筋进行电化学加
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总体呈碱性，钢筋表面会发生钝化反应形成Fe O 薄 速腐蚀，试验装置实物如图6所示。将钢筋固定在
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膜，对钢筋起到保护作用。由于骨料、拌合水、氯化 泡沫圈中，泡沫圈放置在水槽中，使U型钢筋下端部
钙外加剂等可能含有氯离子，而氯离子的入侵会破 能够完全浸泡在质量百分比浓度为5%的NaCl溶液

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2025 年 第 47 卷 第 4 期
无损检测