基于微波無損檢測的鋼筋混凝土結構腐蝕檢測

摘 要：為進一步提高鋼筋混凝土結構腐蝕檢測效率，本文提出基于微波無損的鋼筋混凝土結構銹蝕檢測方法，通過微波信息的變化來評估鋼筋的銹蝕狀態，并建立微波無損檢測模擬試驗平臺，制作不同腐蝕長度和深度的鋼筋混凝土試驗模型。結果表明，當波導垂直放置進行微波掃頻檢測時，可以通過S21振幅的變化來識別鋼筋的腐蝕深度，但當檢測頻率過大時，由于微波衰減過大，檢測效果會減弱，當矩形波導水平放置時，波導開口長度為46mm，因此可以區分腐蝕長度為20mm和60mm的試驗模型。當腐蝕長度為60mm和100mm時，腐蝕缺陷的長度遠遠大于波導的開口長度。

關鍵詞：微波無損檢；鋼筋混凝土結構；腐蝕檢測

中圖分類號：TU 37" 文獻標志碼：A

鋼筋混凝土的腐蝕檢測方法有很多種，例如半電池電位檢測法、線性極化檢測法等[1-2]。現有的腐蝕檢測方法難以滿足建筑設備基礎的檢測要求。而微波無損檢測方法具有能耗低、穿透力強、無接觸、設備體積和質量小等優點。在建筑設備混凝土結構腐蝕檢測中具有較高的應用價值。

目前，對微波無損檢測方面已經有大量研究。樊瑋潔等[3]使用頻率為8GHz～12GHz的微波信號檢測鋼筋混凝土的腐蝕情況，驗證遠程現場微波無損檢測技術在鋼筋混凝土成像中的可行性。湯敏吉等[4]使用頻率為3GHz～12GHz的微波信號照射不同腐蝕條件下的鋼筋混凝土試塊，結果表明，腐蝕會導致微波傳輸能量降低和傳輸時間延遲。周穎等[5]對主動微波紅外熱成像技術檢測和表征銹蝕鋼筋外露銹蝕的能力進行初步研究，發現銹蝕比例越高，微波能量吸收越大。雖然目前的研究可以對鋼筋混凝土結構腐蝕與非腐蝕進行識別，但對鋼筋混凝土結構腐蝕定量檢測的研究較少。基于此，本文利用微波掃頻和移動掃描檢測方式，提出定量檢測鋼筋混凝土結構腐蝕缺陷的方法，進一步驗證微波無損檢測方法檢測鋼筋混凝土結構腐蝕缺陷的可行性。

1 微波無損技術的腐蝕檢測原理

微波是一種頻率為300MHz～300GHz的電磁波。微波的基本特性包括反射、折射和吸收，不僅可以穿透非金屬材料，還可以在金屬材料表面反射。當鋼筋混凝土結構存在腐蝕缺陷時，微波信號會在混凝土、腐蝕層和鋼筋界面之間發生反射。圖1是微波輻照銹蝕鋼筋混凝土結構的示意圖，包括三層介質，即混凝土層、銹蝕層和鋼筋層。射入鋼筋的微波在界面2處折射并反射到腐蝕層。

2 測試平臺和方法

2.1 鋼筋混凝土試驗模型

混凝土中鋼筋的實際腐蝕過程十分復雜，自然腐蝕速率緩慢且難以量化。因此，需要制作不同腐蝕缺陷的模擬模型。腐蝕產物的成分相對復雜，包括Fe2O3、Fe3O4、α-FeOOH、β-FeOOH和γ-FeOOH。其中，Fe2O3和Fe3O4為主要成分。因此，混合Fe2O3和Fe3O4粉末來模擬實際鐵銹。混合比例分別為60%和40%。

根據輸變電基礎設施的實際情況，選用HRB400型鋼筋，其公稱直徑為22mm。鋼筋腐蝕后，直徑會縮小，腐蝕產物會附著在外表面。因此，通過縮小直徑，填充鐵銹粉末來模擬不同腐蝕缺陷的鋼筋，實施方法見表1。鋼筋混凝土試驗模型的尺寸分別為150mm、150mm和300mm，混凝土強度等級為C30。在制作試驗模型的過程中，不同銹蝕缺陷的鋼筋位于鋼筋混凝土試驗模型的中心位置。

2.2 微波探測測試平臺

2.2.1 測試平臺和布局

鋼筋混凝土腐蝕微波檢測試驗平臺主要包括矢量網絡分析儀、矩形波導、活動支架、同軸線和鋼筋混凝土試驗模型。安捷倫E5071C型矢量網絡分析儀用于生成和處理微波信號，其動態范圍大于123dB，工作頻率為100kHz～8.5GHz。矢量網絡分析儀的1號和2號端口分別為微波信號輸出端口和輸入端口。在檢測過程中，將微波功率設置為10dBm。用矩形波導發射和接收微波，通過同軸電纜與矩形波導連接矢量網絡分析儀的端口1和2。將波導固定在活動支架的滑塊上。用活動支架控制波導的移動距離和方向，可實現X、Y、Z方向移動，利用移動波導可實現移動掃描檢測。

2.2.2 檢測方法

鋼筋混凝土試驗模型的檢測方法主要有兩種，分別是波導掃頻檢測法和移動掃描檢測法。掃頻檢測法是將波導置于試驗模型兩側的中心位置，檢測過程中波導的位置保持不變。用4GHz～6GHz全頻段微波掃頻檢測獲得參數變化。波導的放置方法有水平放置（波導長邊平行于鋼筋）和垂直放置（波導長邊垂直于鋼筋）兩種。移動掃描檢測方法利用兩根波導平齊地放置在測試模型的兩側，并同步移動。在檢測過程中，波導從測試塊的一側水平移動到另一側，每次移動距離為1cm，并用4GHz～6GHz全頻段微波掃頻檢測，獲得S參數振幅隨波導位置的變化規律。

3 結果與討論

3.1 腐蝕深度的檢測效果

當腐蝕長度為60mm，腐蝕深度為0mm、3mm、6mm、9mm和11mm時，水平放置波導掃頻檢測的結果如圖2所示。鋼筋銹蝕后，S11反射系數明顯增加，最大反射系數為-68dB，而S21透射系數明顯減少，但不同銹蝕深度試驗模型的S11和S21之間沒有明顯的規律性。當腐蝕深度為3～11mm時，S21的振幅差異較小，沒有明顯的規律。由此可見，水平放置波導進行微波頻率掃描檢測時，可以識別鋼筋的腐蝕情況，但無法識別鋼筋的腐蝕深度。

當波導垂直放置時，不同腐蝕深度試驗模型的微波掃頻檢測結果如圖3所示。鋼筋銹蝕后，S11的振幅增加，但不同銹蝕深度模型之間沒有明顯的規律，這與波導水平放置的檢測結果類似。但S21的振幅明顯減少，并呈現出一定的規律性。當腐蝕深度為3mm～11mm時，S21的振幅隨著腐蝕深度增加而增加。當檢測頻率為4GHz～5GHz時，在相同頻率下，鋼筋腐蝕深度每增加3mm，S21的振幅就會增加約2 dB。分析表明，銹蝕層使混凝土-銹蝕層-鋼筋界面處的微波信號會產生多重折射，S參量顯著衰減，鋼筋腐蝕后的S21振幅顯著減弱。腐蝕深度為3mm、6mm、9mm、11mm，隨著腐蝕程度加深，內無銹蝕鋼筋直徑變小，對微波信號的干擾減弱。因此，S21的振幅隨著腐蝕深度增加而增加。由此可見，當波導垂直放置進行微波掃頻檢測時，可以通過S21振幅的變化來識別鋼筋的腐蝕深度，但當檢測頻率過大時，由于微波衰減過大，因此檢測效果較差。

3.2 腐蝕長度的檢測效果

當腐蝕深度為6mm，腐蝕長度為0mm、20mm、60mm和100mm時，水平波導放置的微波掃頻檢測結果如圖4所示。從圖4可以看出，S11的振幅隨著腐蝕長度增加而增加，但腐蝕模型之間的差異很小，沒有明顯的規律。鋼筋腐蝕后，S21的幅值明顯減少，當頻率為4GHz～6GHz時超過8dB。當螺紋鋼的腐蝕長度為20mm時，4GHz～6 GHz頻率下的S21振幅遠大于螺紋鋼腐蝕長度為60mm和100 mm時的S21振幅，而且隨著頻率增加，兩者的差異也在變大。腐蝕長度為60 mm和100 mm時的S21曲線在整個頻段內基本一致。分析表明，當矩形波導水平放置時，波導開口長度為46 mm，因此可以區分腐蝕長度為20 mm和60 mm的試驗模型。當腐蝕長度為60 mm和100 mm時，腐蝕缺陷的長度遠遠大于波導的開口長度。

4 結論

鋼筋混凝土銹蝕后，微波S參數會發生明顯變化，通過S參數的變化可以識別鋼筋的銹蝕情況。S11和S21的振幅隨著微波頻率增加而減少。波導的提升距離過大會導致S21出現較大衰減，影響檢測精度。當波導的提升距離為0～6mm時，探測效果較好。

水平放置矩形波導時，微波掃頻檢測可以識別鋼筋混凝土是否銹蝕，但無法識別鋼筋的銹蝕深度。當波導垂直放置時，微波掃頻檢測對鋼筋銹蝕深度的檢測效果較好，且S21的振幅隨銹蝕深度增加而增加。水平放置的波導對鋼筋腐蝕長度的檢測效果優于垂直放置的波導，但當腐蝕長度遠大于波導開口長度時，檢測效果會變差。

參考文獻

[1]王政.鋼筋混凝土結構工程質量檢測鑒定的非破壞性方法研究[J].工程質量，2024，42（增刊1）：108-111，120.

[2]焦揚，鄭寒英，李安亮.裝配式混凝土結構施工現場檢測技術體系研究[J].重慶建筑，2024，23（5）：74-77.

[3]樊瑋潔，徐聽，徐夫軒，等.環氧涂層鋼筋混凝土梁的涂層破損檢測及疲勞壽命研究[J].中國港灣建設，2024，44（5）：9-15.

[4]湯敏吉，王玲，吳辰斌，等.基于高頻探地雷達的超深電力隧道工作井結構損傷檢測方法研究[J].電力與能源，2024，45（2）：203-207.

[5]周穎，孟詩喬，孔慶釗，等.建筑結構損傷智能檢測與響應智能預測研究綜述[J].建筑結構學報，2024，45（6）：107-132.