一种基于压缩波和瑞利波SAFT成像技术的混凝土钢筋锈蚀无损检测方法

2021-01-01 21:51:08
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一、研究背景

钢筋混凝土结构为最常用的承重构件之一。但当前,钢筋混凝土结构中钢筋锈蚀问题已成为全球关注的一大焦点。钢筋锈蚀会导致混凝土结构性能退化,出现强度及耐久性降低、使用寿命缩短等问题。而及早发现由钢筋锈蚀引起的损伤,并采取相应措施进行及时修复,可有效延长钢筋混凝土结构的使用寿命。通常,超声波法适用于混凝土结构的局部损伤检测。其中,深层损伤一般通过体波,如压缩波或剪切波等加以成像,根据其散射信息,利用合成孔径聚焦(SAFT)算法即可判断混凝土结构中包裹物的相关状况。而表层损伤则通常由散射的瑞利波进行检测。此前,De La Haza等人(2013年)及Shokouhi等人(2014年)曾利用基于SAFT算法的商用剪切波传感器阵列检测过因钢筋锈蚀而引起的混凝土结构分层剥落等病害。但实际上,钢筋锈蚀不但会引起混凝土结构的分层剥落,还会导致其表面出现开裂,因此,将体波和瑞利波加以组合应用似乎更为有效(尽管像逆时偏移等先进成像方法在检测垂直界面方面也十分有效,但后期涉及的计算量极其庞大)。近来,来自印度中央建筑研究所、印度新德里理工大学及印度理工学院蒂鲁伯蒂分校的研究人员创造性地提出了一项新的钢筋锈蚀检测技术。该项技术结合基于体波的SAFT超声成像技术和基于瑞利波的SAFT超声成像技术,可用于检测钢筋锈蚀各阶段混凝土结构所发生的变化。相关成果以论文形式发表在《Journal of Materials in Civil Engineering》期刊上。

二、研究方法

该研究以含有单根钢筋的混凝土板作为试验对象。所用混凝土抗压强度为30 MPa,其中水、水泥、砂、粗骨料等各组分的配合比为0.45:1:1.7:2.77,粗骨料最大粒径为20 mm,混凝土板尺寸为400×400×100 mm(浇筑后养护28天)。另外,所埋钢筋长350 mm、直径10 mm、埋深45 mm,内通20伏恒定直流电。为快速模拟钢筋锈蚀各阶段所导致的混凝土结构损伤并对其加以检测,研究人员还专门开发了一款基于氯化物的锈蚀加速试验装置,如图1所示。将底部开口容器粘接在混凝土试件上表面,并向容器中倒入浓度为3.5%的NaCl溶液,之后将铜板浸入溶液并与负极相连,钢筋与正极相连。

与此同时,该研究采用基于压缩波和瑞利波相结合的超声波法在钢筋锈蚀各阶段对混凝土板进行了扫描:1)初始状态(无锈蚀);2)试验第8天(锈蚀中期阶段);3)试验第11天(锈蚀后期阶段),如图2所示。其中,基于压缩波的检测是在混凝土板表面的矩形网格上进行的,所用传感器为直接放置于试件表面的250 kHz普通传感器,如图2(a)所示;而基于瑞利波的检测则是在采集线(平行于钢筋的孔径)上进行的,所用传感器为安装在楔块(楔形角为41°)上的100 kHz楔形传感器,如图2(b)所示。

该项研究包含两种方法。方法1:利用基于压缩波的SAFT技术对混凝土板的水平和垂直面进行成像。方法2:利用基于瑞利波的SAFT超声检测技术对垂直锈蚀裂纹进行检测。此外,该研究还探讨了与成像算法中所包含的传感器方向性有关的校正。

该项研究的创新之处在于:1)于实验室中构建真实的钢筋锈蚀环境,并展示各锈蚀阶段的监测结果;2)采用超声波法进行检测,极大降低工作量;3)运用一种新的信号处理技术,方便在结构的不同平面成像;4)首创钢筋锈蚀预测指标。

三、结论

根据该研究所得出的相关结论如下:

所提方法为定性检测法,不对钢筋锈蚀程度及因锈蚀而产生的裂缝的深度做定量估算。

基于压缩波的SAFT超声成像技术可提供各锈蚀阶段钢筋的三维图像。初始状态下,通过图像可看到完整状态的钢筋;中期,会发现钢筋部分影像消失,对应区域即钢筋锈蚀区域;后期,会发现钢筋影像完全消失。其原因在于,随着钢筋锈蚀的加剧,锈蚀产物及微裂缝导致入射压缩波场出现散射,压缩波反射减弱,进而导致钢筋及混凝土板底部影像信息逐渐消失。

基于瑞利波的SAFT超声成像技术可检测钢筋锈蚀的任一阶段近表面所出现的细小裂纹,以对基于压缩波的SAFT成像信息加以补充。研究表明,随着钢筋锈蚀的加剧,钢筋影像逐步从基于压缩波的SAFT图像中消失,而由锈蚀引起的表面开裂则出现在基于瑞利波的SAFT图像中。此外,鉴于该技术无需参照,可最先投入结构近表面垂直裂缝的检测,之后再利用基于压缩波的SAFT成像技术对结构内的钢筋锈蚀情况加以检测。

即便钢筋锈蚀程度较轻,利用该方法也能准确将其探测。基于两种方法所组合的上述新方法,可有效识别和定位因钢筋锈蚀所导致的混凝土结构损坏,以便采取相应措施进行及时修复,延长钢筋混凝土结构的使用寿命。该技术还可进一步推广至多钢筋混凝土结构。但若其中一根钢筋位于阴影区域下方(即处于另一钢筋下方),则需从结构另一面加以扫描,而这将是未来研究的主题。此外,该研究选取凡士林作为超声波检测的耦合剂,使得当前数据采集过程相对耗时(如在特定网格点采集数据,大约需要30 s时间)。对此,有必要采用自动扫描系统。而随着新一代超声波传感器技术(即干点接触式传感器)的问世,自动化将使数据采集更为高效。

(资料来源:Journal of Materials in Civil Engineering)


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