淺談結構界面損傷監測技術

趙普天

大連市市政設計研究院有限責任公司 遼寧大連 116011

近年來，隨著由于結構界面損傷給結構帶來的危害愈加多見，在結構界面方面的健康監測已經引起了全世界學者的關注。目前，對鋼筋混凝土結構的耐久性研究也相對滯后。1974年的國際材料與結構試驗研究聯合會（RILEM）和1991年的第二屆國際混凝土耐久性會議最具代表意義，在國際材料與結構試驗研究聯合會中提出了首份鋼筋銹蝕的研究現狀報告，而在第二屆國際混凝土耐久性會議上，Metha教授指出，造成混凝土損壞的主要原因是鋼筋腐蝕，其次是凍害和物理化學作用。

根據組合界面形式的不同，組合結構界面的損傷大致分為：界面粘結裂縫與損傷、界面滑移，界面分離等。對于這些組合結構界面損傷無損監測技術問題，主要分為以下六種監測方法。

1 超聲波界面探測技術

超聲波檢測技術已經在結構體界面的監測上取得了成功，它主要是利用發射超聲波并在碰到障礙物后產生回波，通過在時域上比較發射聲波與回波的異同，得到被測物與發射源的距離，從而實現探測目的。Algernon基于超聲波回波理論，利用激光掃描振動器獲得了混凝土內部的二維圖像。Berriman則利用時間頻率分析的方法成功地確定了混凝土內部與10mm直徑金屬鋼筋的界面位置。Schickert與Stepinski分別利用了合成孔徑聚焦法，實現了對混凝土內部的成像化處理，從而找到其內部不同位置的埋藏物。雖然現在的超聲波監測技術已經有了一些應用，但在對組合結構界面進行無損監測時，現有的超聲波檢測技術仍然存在以下不足：（1）當混凝土內部不均勻、出現空洞等情況時，超聲波檢測可能無法得到預期的信號；（2）由于目前的超聲波監測技術都是在混凝土外表面進行，因此，在對大型混凝土結構進行內界面監測時，超聲波法很難測到理想的距離；（3）在應用合成孔徑聚焦法對混凝土內部成像時，需要在結構體外使用超聲波發射儀與傳感器，不能對結構界面進行實時監測。

2 紅外線熱像技術

紅外線熱像是一種無損探傷檢測技術，只要被測目標與周圍環境表現出不同的熱力學特性，使用紅外熱像技術都可以將其檢測出來。例如，在結構界面的損傷監測中，可以將混凝土界面間的缺陷位置檢測出來。Grande將雙頻帶紅外成像探測技術（DBIR）應用在對混凝土內部與鋼筋界面的腐蝕監測中。Cheng基于紅外熱像技術，成功地實現了對混凝土人為內嵌目標的界面定位。但是，紅外線熱像技術在對界面損傷進行監測時，存在以下缺點：（1）由于紅外線在混凝土內的衰減非常迅速，使得此技術的探測距離有限；（2）在復雜界面下，比如多連接件情況下，紅外線探測技術的結果往往不準確；（3）紅外線熱像法需要外置紅外線發射儀，并使用高昂的人工和儀器費用，且無法實現對結構界面實時監測[1]。

3 電磁波脈沖探測技術

電磁波脈沖雷達探測技術已經用于對道路上裂縫、道路基面、墊層的監測中。由于電磁波雷達的工作頻率一般都在GHz，所以，此方法對目標界面的探測精度較高。Zhu，Xu利用探地雷達原理，成功檢測出混凝土道路內鋼筋界面的具體位置。Feng利用紅外微波成像法成功地實現了對混凝土與其中的玻璃鋼外套界面損傷檢測，Kim則利用三維微波成像方法探測到混凝土中鋼筋和銷的位置。電磁波脈沖探測技術存在以下不足：（1）電磁波在混凝土中的衰減較大，因此，探測距離不遠；（2）電磁波發射儀器造價昂貴而且難以運輸；（3）電磁波對金屬缺陷非常敏感，但對混凝土內界面間存在的裂縫、空洞等損傷情況則無法檢測。

4 激光探測技術

激光剪切成像方法（LSM）也可應用于混凝土內部界面損傷成像監測。這種方法可以把混凝土表層的不可視細微裂縫通過成像的方法檢測出來。Teza利用激光掃描儀，對混凝土表面的損傷進行測量，尋找混凝土表面的裂縫位置。相比之前的幾種無損探傷技術，激光探測技術的缺點則是它只能對混凝土表層進行損傷測量，無法應用在組合結構界面的健康監測中。

5 基于壓電陶瓷材料主動傳感監測技術

基于壓電陶瓷材料的主動傳感監測技術是近年來比較流行的一種無損監測方法。Song基于壓電陶瓷材料的特性，開發了智能骨料傳感器并將其應用于混凝土結構健康監測中。Xu利用智能骨料主動傳感技術和能量分析法監測到了鋼板和混凝土界面間的粘合松緊度。在用智能骨料主動傳感進行界面健康監測時，由于智能骨料可以預先在混凝土澆筑前放置于關鍵位置，因此，它可用于大型結構體的界面監測。但針對結構界面的非均勻、非線性的特征，主動傳感技術的監測準確度會受到影響。

6 基于壓電材料傳感器阻抗法監測技術

壓電材料傳感器阻抗監測技術也是近年來比較流行的一種對結構體損傷的監測方法。均方根差（RMSD）的應用，使得阻抗法技術能夠對結構體界面損傷的程度進行一定的量化比對。Tawie則基于壓電材料傳感器阻抗法對鋼筋混凝土內部鋼筋與混凝土接觸的邊界松緊度進行了監測并取得了理想的結果。盡管壓電材料傳感器阻抗法能夠在一定程度監測到界面損傷的程度，但由于組合結構界面往往存在不均勻以及非線性特征，這種基于傳感器阻抗的方法仍存在著一定的測量誤差[2-3]。

7 結論與展望

隨著社會的不斷進步和發展，人類對物質文明生活有著更高的追求，使得大型混凝土結構不斷涌現，混凝土結構也變得越來越復雜。對于大型結構體系，需要關注其健康狀態，尤其是在復雜的環境狀態下。因此，提出一種能夠穩定快捷，簡單有效的結構界面損傷監測方法迫在眉睫，需要科研工作者與工程相關人員共同開發和努力。