基于超聲尾波法的鋼筋混凝土腐蝕監測研究

呂 鐸, 徐嘉豪, 胡宏偉, 易善昌, 王 磊

(1. 長沙理工大學 汽車與機械工程學院,長沙 410114; 2. 長沙理工大學 土木工程學院,長沙 410114)

在建筑、橋梁等工程基礎設施中,鋼筋混凝土(reinforced concrete, RC)是應用最廣泛的結構材料[1]。鋼筋腐蝕是RC結構承載能力喪失、結構性能劣化最主要的原因之一[2-5]。正常條件下,RC結構內部的堿性環境為內部鋼筋表面提供一層致密的鈍化膜,以保護其免受腐蝕,而當外界氯化物等滲入結構內部時會引起pH值下降,從而導致鈍化膜被破壞[6]。在空氣和水的作用下,鋼筋受到氯離子侵蝕[7]發生電化學反應,腐蝕產物的體積為原體積的2倍～6倍。因而,腐蝕產物的積累膨脹在鋼筋周圍產生應力致使混凝土結構開裂[8-10],大大降低RC結構的承載能力和使用壽命。因此,如何在腐蝕開裂的初期盡早檢測出腐蝕情況,對于確保RC結構應用的安全可靠具有重要意義。

近年來,超聲檢測技術憑借其無損、可操作性強、穿透能力強、穩定性高等優點[11],被廣泛應用于RC結構腐蝕檢測領域。Antonaci等[12]通過比例減法進行線性和非線性超聲測量,表明在換能器對側布置情況下非線性彈性特性對腐蝕裂紋變化非常敏感,但是在同側布置情況下對裂紋不敏感,該方法在混凝土檢測實際應用中換能器布置方式受限。Jiang等[13]將壓電陶瓷換能器嵌入預應力混凝土結構,通過超聲波監測腐蝕過程,并基于小波包的能量指數反映出不同腐蝕階段,但是通常較大裂紋或者較多裂紋的疊加產生才能反映出能量變化,細微裂紋的產生可能不足以引起可見的能量波動,因而該方法對于識別腐蝕的初始開裂階段敏感性不高。Xu等[14]通過對鋼筋腐蝕前后的RC試件進行超聲波測速,將超聲速度、混凝土強度等作為輸入參數進行人工神經網絡訓練,進行腐蝕損傷預測。但由于超聲波在混凝土結構中傳播時的多重散射,混凝土中粗骨料等散射體會使超聲脈沖的傳播路徑發生改變,從而導致超聲傳播速度存在偏差,影響模型預測的準確性。

“尾波干涉”的概念最早由Snieder等[15]提出,通過將散射介質用作干涉儀,利用尾波干涉法(coda wave interference,CWI)分析擾動前后的波形變化,反映出尾波干涉對介質變化極高的敏感性。隨后,Larose等[16]通過擴散尾波監測了混凝土弱應力變化,在對混凝土試件進行單軸加載試驗中,對于較弱的荷載應力變化(50 kPa),其相對速度變化的分辨率可達0.002%。Schurr等[17]結合CWI與聲彈性測量表征混凝土中的熱損傷和動態循環加載損傷,觀察到相對速度變化隨損傷程度的增大而顯著增加,證明了CWI可以用于表征水泥基材料損傷。Niederleithinger等[18]在對大型混凝土梁的載荷測試中發現,在梁接近失效破裂而發生劇烈變化時,CWI可能由于前后波形相差過大而不再適用,將尾波干涉法修改為采用逐步計算的逐步尾波干涉法,進一步增加了CWI的應用范圍。Hu等[19]在利用尾波對混凝土單軸載荷應力監測中,對逐步尾波干涉的伸縮因子累加方法進行了重新推導,以精確計算相對速度變化Δv/v,提高了逐步尾波干涉理論的準確性。Zhan等[20]在對鋼筋混凝土梁的靜載荷測試中,基于CWI對橋梁裂縫進行了Locadiff無損成像,成像結果與結構力學預測的貫穿裂紋的表面結果展現出良好的一致性。

近幾年,憑借CWI對介質損傷變化的高度敏感性,該方法在諸多領域得到了應用和發展。Chen等[21-22]將CWI方法用于螺栓預緊力的早期松動監測,檢測分辨率高達0.326%,基于該方法的預緊力檢測靈敏度比基于能量的小波包分解方法高出約6倍,表明CWI在監測螺栓松動方面的敏感性。Farin等[23]將CWI用于由鹽水腐蝕導致的鋼結構的厚度損失測量,量化尾波隨時間拉伸的參數和腐蝕表面之間顯示出良好的相關性。以上研究顯示出CWI在材料微小損傷監測方面存在的潛力與研究價值。CWI方法對于監測RC結構腐蝕引起的如裂縫等更為復雜的損傷問題,特別是早期損傷檢測的可行性,目前還有待研究。

針對上述超聲腐蝕檢測存在的腐蝕裂縫識別敏感性不高、聲速偏差等問題,本文提出一種基于逐步尾波干涉的RC結構腐蝕監測方法,此方法能夠避免聲速偏差問題,同時對微小損傷具有非常高的敏感性。本文工作如下:首先結合超聲尾波在混凝土中傳播散射現象,引入超聲尾波法原理;其次,搭建快速腐蝕試驗系統對RC試件進行超聲監測,對不同腐蝕率下的尾波監測數據進行對比分析,同時考慮不同換能器布置方式對尾波監測的影響,探究超聲尾波法用于監測RC結構腐蝕開裂的可行性與敏感性。

1 超聲尾波法原理

混凝土是一種非均質強散射材料[24],如圖1所示為超聲波在混凝土中傳播示意圖,超聲波通過換能器激發后,在混凝土結構內部以彈性波的形式與骨料、砂子等聚集體之間發生多次相互作用,形成傳播距離更遠的多重散射波,在波形圖上表現為包含結構細微變化信息的“尾波”。

圖1 混凝土中超聲傳播示意圖Fig.1 Schematic diagram of ultrasonic propagation in concrete

如圖2(a)所示為前后兩次采集的信號對比圖,前一次采集的信號為參考信號,后一次采集的信號為擾動信號。如圖2(b)所示,在信號的早期主要為直達波部分,擾動信號與參考信號相比基本沒有發生變化,不能反映出腐蝕情況;如圖2(c)所示為信號的后期尾波部分,擾動信號明顯相對參考信號發生了相位偏移,這說明擾動后的超聲速度發生變化,也反映出尾波對細微變化的高度敏感性。

圖2 參考信號與擾動信號波形對比Fig.2 Comparison of waveform between reference signal and disturbance signal

CWI的原理是將前后兩次采集到的超聲信號進行互相關分析,主要分為互相關法和拉伸法?；ハ嚓P法最早用于地球物理中測定速度變化,它假設在選定的時間窗口內超聲波形的相位偏移是恒定的;后來Lobkis等[25]提出了一種更符合實際的方法,稱為拉伸法。雖然互相關法計算效率高,但拉伸法更精確,并且具有更好的噪聲魯棒性,能應對更復雜的噪聲環境[26]。拉伸法認為超聲速度變化會導致波形沿時間軸伸縮,并用不同的伸縮因子α來拉伸參考信號u0(t),在時間窗口[tA,tB]內計算擾動信號ui(t)與所有伸縮后的信號u0(t(1+α))之間的互相關系數,如式(1)所示

(1)

使得互相關系數Kc(α)為最大值時的伸縮因子αmax即為相對速度變化Δv/v,如式(2)所示

(2)

去相關系數是在考慮了聲速相位偏移進行CWI計算之后,其他因素引起的尾波變化的剩余失真。去相關系數Kd由式(3)計算[27]

Kd=1-Kc(αmax)

(3)

通常在進行CWI分析時,選擇初始信號作為參考信號與其他擾動信號分別進行互相關,最大互相關系數Kc(αmax)代表了兩個信號之間的相似度。Kc(αmax)越小,說明兩信號之間的失真程度越大,當失真過大時,波形伸縮處理將變得不符合實際,CWI不再適用。為此,研究人員提出了逐步尾部干涉法[28-29],該方法將整個變化過程進行拆分,每一步i中將前一個信號ui-1(t)作為參考信號與當前信號ui(t)進行計算求出每一步的伸縮因子αi,然后將每一步的伸縮因子進行累加,得到整個過程的相對速度變化。逐步尾波干涉法計算的每一步都保證了信號之間較高的相關系數,因此計算結果更準確。本文在對鋼筋進行快速腐蝕試驗中,采用逐步尾波干涉法進行分析,伸縮因子累加公式為

(4)

2 試驗設置

2.1 試樣制作

本試驗澆筑了抗壓強度為C30的鋼筋混凝土試樣,混凝土的橫截面尺寸為100 mm×100 mm,長度為570 mm,在混凝土內部嵌入一根直徑為20 mm的螺紋鋼,混凝土保護層厚度為30 mm。試樣固化時間為28 d,混凝土配合比如表1所示。

表1 混凝土配合比Tab.1 Concrete mix ratio

2.2 快速腐蝕方法

本文采用外加電流技術[30]開展RC腐蝕試驗,通過人工通電對構件進行快速腐蝕。在進行快速腐蝕之前,提前3 d將構件浸泡在質量分數為5%的氯化鈉溶液中,從而使氯離子滲入混凝土內部?？焖俑g試驗裝置包括電流箱、導電電線、銅棒和鋼筋。在電流作用下,鋼筋作為陽極失去電子發生氧化反應而腐蝕,陰極則通過銅棒接入溶液中發生還原反應。在整個腐蝕過程中,電流箱電流被恒定在0.2 A?？焖俑g試驗裝置示意圖如圖3所示。

圖3 快速腐蝕試驗裝置示意圖Fig.3 Schematic diagram of accelerated corrosion experiment device

2.3 試驗設置

RC腐蝕試驗布置示意圖和現場圖如圖4(a)和圖4(b)所示,AFG2021任意函數發生器作為超聲信號的發射端,發射一個頻率為125 kHz的正弦脈沖信號,激勵幅值為100 mV,信號通過前置功率放大器進行50 dB的增益放大,由DPR300脈沖函數發射/接收器進行接收。采用M4i.4420-X8高速數據采集卡對信號進行采集,采樣頻率為15.6 MHz,進行50次重復數據采集求平均值,以減少噪聲干擾。

圖4 鋼筋混凝土快速腐蝕試驗Fig.4 Accelerated corrosion experiment of reinforced concrete

為了降低惡劣環境對換能器的影響,鋼筋腐蝕監測通常采用鉛鋯鈦氧化物(PbZrxTi1-xO3,PZT)等壓電陶瓷材料[31],并將PZT包裹在水泥/聚合物材料或大理石中,這種結構被稱作“智能骨料(smart aggregate,SA)”。本文采用5個SA換能器分為垂直布置、對側布置和同側布置三種布置方式通過環氧樹脂粘貼在混凝土試件的側面和上表面,其中“SA1-SA2”、“SA1-SA4”、“SA3-SA5”構成發射-接收對,分別對應對側布置、垂直布置、和同側布置,以研究換能器布置方式對尾波檢測的影響。

根據法拉第定律可以將通電電流轉換為金屬損耗,公式為[32]

Δm=MIt/zF

(5)

式中:Δm為金屬質量損失,g;M為金屬原子質量,g;Fe取56;I為電流,A;t為通電時間,s;z為離子電荷,取2;F為法拉第常數(A/s),取96 500。

通過對鋼筋損失量的計算,預計14 h的腐蝕率為0.5%,試驗過程中環境溫度控制在24 ℃。

試驗分為三個階段進行:①對完整混凝土試塊進行一次超聲數據采集作為參考信號,隨后每2個小時采集一次超聲數據,直到腐蝕率達到0.5%停止采集;②腐蝕率為1.0%時采集一次數據作為參考信號,隨后每2個小時采集一次超聲數據,直達腐蝕率達到1.5%停止采集;③腐蝕率為2.0%時采集一次數據作為參考信號,隨后每2個小時采集一次超聲數據,直達腐蝕率達到2.5%停止采集,試驗結束。

3 結果分析與討論

在進行尾波分析時,時間窗口選取通常有兩種方式:截取相位偏移較明顯的信號段和將整個波形作為時間窗口。當使用截取信號段作為時間窗口的方式時,由于信號長度較短,因此計算效率更高。然而,截取信號段的位置和長度目前并沒有通用的標準,因此信號段的選取可能會對計算結果形成偏差。而使用整個波形作為時間窗口雖然計算效率會降低,但是穩定性更好。因此,本文為了保證對比分析時的穩定可靠,選擇采用整個波形作為時間窗口進行分析。

3.1 不同腐蝕率下尾波分析結果

為對比鋼筋在不同腐蝕率下進行尾波監測的效果,在腐蝕率分別處于0,1.0%,2.0%時對其進行尾波監測,每次均監測鋼筋腐蝕率變化0.5%的過程,并分別以腐蝕率處于0,1.0%,2.0%時作為初始時刻進行逐步CWI分析。如圖5所示為鋼筋腐蝕率分別在0～0.5%,1.0%～1.5%,2.0%～2.5%三個腐蝕階段的相對速度變化Δv/v隨時間變化的對比曲線,可以看到Δv/v在不同腐蝕階段下都呈現下降的趨勢。當腐蝕率處于0～0.5%階段時,Δv/v先稍微增加而后迅速下降,這可能是由于腐蝕初期鋼筋發生化學反應產生的腐蝕產物膨脹擠壓混凝土,產生的應力導致混凝土的內部細微空隙閉合,增強了聲速的傳播;而后隨著腐蝕膨脹,混凝土內部產生裂紋并擴展,Δv/v迅速下降。腐蝕率達到0.5%時觀察到腐蝕箱內部的混凝土側面外壁上出現裂紋,并伴隨有腐蝕產物流出,如圖6(a)所示。

圖5 不同腐蝕階段相對速度變化與時間的關系曲線Fig.5 Relationship curve of relative velocity change and time in different corrosion stages

圖6 試驗過程中腐蝕裂紋的萌生與擴展Fig.6 Initiation and propagation of corrosion cracks during the experimen

當腐蝕率處于1.0%～1.5%階段時,通過以鋼筋腐蝕率1.0%時的接收信號為參考信號進行CWI分析,可以看到Δv/v仍然在下降,但是相對于腐蝕率0～0.5%階段下降幅度有所減緩;腐蝕率達到2.0%時,裂紋已擴展至腐蝕箱外部,如圖6(b)所示。腐蝕率處于2.0%～2.5%階段時,從圖中可以看到Δv/v下降程度較小,此時腐蝕產物通過較大裂紋口流出,裂紋擴展已相當緩慢,因此Δv/v略有下降逐漸保持相對穩定,此時已處于腐蝕后期。

如圖7所示為腐蝕率分別處于0～0.5%,1.0%～1.5%,2.0%～2.5%三個不同腐蝕階段去相關系數Kd隨時間變化的曲線,可以看到Kd在不同腐蝕階段下都隨著腐蝕時間逐漸增加。腐蝕率處于0～0.5%階段時為裂紋快速擴展時期,混凝土內部舊裂紋的擴展和新裂紋的出現導致前后兩次信號波形產生較大差異,Kd增加較快;腐蝕率處于1.0%～1.5%階段時,裂紋擴展速度變緩,前后兩次信號波形差異相較于0～0.5%階段有所減小,因此Kd增加程度相對0～0.5%腐蝕率時有所降低;腐蝕率處于2.0%～2.5%階段時為腐蝕的后期,裂紋只有少量擴展,Kd略微增加且趨于穩定。

圖7 不同腐蝕階段去相關系數與時間的關系曲線Fig.7 Relationship curve of decorrelation coefficient and time in different corrosion stages

表2所示為鋼筋腐蝕率分別從0,1.0%,2.0%均經過14 h之后達到0.5%,1.5%,2.5%這一過程的尾波特征值變化。從表2可見,腐蝕率處于0～0.5%時的相對速度變化Δv/v下降程度最大,去相關系數Kd增加程度最大,對應于鋼筋腐蝕的裂紋快速擴展時期;腐蝕率處于1.0%～1.5%時次之,此時裂紋擴展速度變緩;腐蝕率處于2.0%～2.5%時Δv/v略微下降,Kd也略微增加并保持相對穩定,對應于腐蝕的后期,腐蝕位置裂紋已基本上不再擴展。

表2 不同腐蝕階段尾波特征值變化Tab.2 Variation of coda indicators in different corrosion stages

3.2 換能器布置方式對尾波檢測的影響

如圖8所示為鋼筋混凝土試樣未腐蝕狀態采用換能器垂直布置、對側布置和同側布置三種不同方式的接收時域波形圖。圖8(a)中,采用換能器垂直布置方式較其他兩種方式相比,采集的信號幅值較大,因此在信號分析時受噪聲影響較小;圖8(c)中,采用換能器同側布置方式時在0.1～0.3 ms存在較明顯的表面波,采用這種方式時由于超聲波與鋼筋腐蝕引起的混凝土裂縫干涉作用區域較小,因此并不能完全反映出內部介質的變化。

圖8 不同布置方式的接收時域波形圖Fig.8 Received time domain waveform of different arrangement

如圖9所示為0～0.5%腐蝕率下,采用垂直布置、同側布置和對側布置三種不同換能器布置方式,相對速度變化Δv/v隨腐蝕時間的變化曲線。從試驗結果可以看出,三種不同的布置方式均可以反映出腐蝕現象的發生,但是對腐蝕檢測的敏感度不同。換能器采用垂直布置方式時,Δv/v對腐蝕的敏感程度最大,這是由于采用這種布置方式壓制了直達波部分,同時含有更多的橫波成分,偏振方向與傳播方向存在較大夾角,因此散射的幾率更大,從而對鋼筋腐蝕產生的裂紋更敏感。采用同側布置方式時對腐蝕裂紋的敏感程度相比垂直布置小,這是因為換能器布置在混凝土表面時,超聲信號一部分傳播到混凝土內部,經過多次散射由接收換能器接收,另一部分以表面波的方式傳播,縮小了腐蝕區域的檢測范圍,因此對鋼筋腐蝕產生的缺陷敏感程度較低;采用對側布置方式時,超聲信號主要以縱波的方式傳播,超聲在混凝土中散射程度最低,因此對鋼筋腐蝕產生的裂紋敏感程度最低。

圖9 不同布置方式下相對速度變化與時間的關系曲線Fig.9 Relationship curve of relative velocity change and time under different layout methods

如圖10所示為0～0.5%腐蝕率下,采用垂直布置、同側布置和對側布置三種不同換能器布置方式,去相關系數Kd隨腐蝕時間的變化曲線。從試驗結果可以看到,三種布置方式中Kd都隨腐蝕時間逐漸增加,采用垂直布置方式Kd的變化程度更大,對腐蝕檢測的敏感程度最大,同側布置其次,而對側布置最小。因此,在實際應用中,建議盡可能采用垂直方式布置換能器,這樣能更靈敏地檢測出腐蝕現象的發生。

圖10 不同布置方式下去相關系數與時間的關系曲線Fig.10 Relationship curve of decorrelation coefficient and time under different layout methods

4 結 論

(1)本文采用逐步尾波干涉法監測了鋼筋混凝土腐蝕開裂的過程,表明超聲尾波法的兩個特征值相對速度變化Δv/v和去相關系數Kd用于鋼筋混凝土結構腐蝕監測是可行的。

(2)在腐蝕率0～0.5%的變化過程中,由于鋼筋腐蝕的早期膨脹,相對速度變化Δv/v先隨腐蝕時間略有增加,而后隨著膨脹應力增大導致裂紋產生和擴展,Δv/v迅速下降;隨著鋼筋進一步腐蝕,腐蝕率1.0%～1.5%的變化過程中Δv/v下降程度變緩;直到腐蝕的后期,腐蝕率2.0%～2.5%的變化過程中Δv/v逐漸趨于穩定。

(3)去相關系數Kd隨腐蝕時間的增加而逐漸增大。在腐蝕率0～0.5%的變化過程中,由于鋼筋腐蝕裂紋產生和迅速擴展,Kd變化程度最大;隨著鋼筋進一步腐蝕,腐蝕率1.0%～1.5%的變化過程中Kd增加的程度變緩;在腐蝕的后期,腐蝕率2.0%～2.5%的變化過程中Kd略微增加且逐漸保持穩定。

(4)換能器垂直、對側和同側布置三種布置方式均能用于檢測RC結構腐蝕開裂。由于采用軸線垂直的換能器布置方式避免了直達波和表面波的干擾,散射程度最大,與同側布置和對側布置方式相比,相對速度變化Δv/v和去相關系數Kd對鋼筋腐蝕引起的裂紋敏感程度更高。