鋼筋混凝土材料因具有力學(xué)性能優(yōu)異、可塑性強、防火性高等特點，被廣泛應(yīng)用于建筑行業(yè)。隨著服役時間的增加，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性會逐漸變差，可能引發(fā)安全事故。

由于混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)鋼筋銹蝕前期無明顯表征現(xiàn)象，當(dāng)出現(xiàn)銹蝕跡象時結(jié)構(gòu)可能已經(jīng)受到損壞，此時維護的費用較高，甚至承載力下降而帶來安全隱患。因此，對鋼筋銹蝕過程進行監(jiān)測以及早期損傷識別是很有必要的。

目前，對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部鋼筋銹蝕識別的方法，主要分為物理監(jiān)測法、電化學(xué)監(jiān)測法以及無損檢測技術(shù)。DRAVNIEKS等[1]提出了電阻探針監(jiān)測技術(shù)。JOHN等[2]提出利用交流阻抗譜法對混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部損傷進行監(jiān)測。鐘志恒等[3]深入研究線性極化法，對混凝土中鋼筋的腐蝕機理與腐蝕速率控制進行了闡述。但其提出的方法在實用性上具有一定的局限性，通常作為人工短暫定期監(jiān)測方法使用。

相對來說，最近興起的超聲導(dǎo)波檢測技術(shù)較為全面。李幸鈺等[4]通過對不同缺陷深度的鋼筋進行超聲導(dǎo)波監(jiān)測試驗和數(shù)值模擬，利用小波分析對試驗數(shù)據(jù)進行處理分析，試驗結(jié)果和數(shù)值模擬得到的結(jié)論基本一致，表明利用小波包能量分析能夠?qū)︿摻罨炷龄P蝕損傷進行識別。

SHARMA等[5-6]利用帶痕損傷鋼筋混凝土梁進行超聲導(dǎo)波監(jiān)測試驗，發(fā)現(xiàn)L（0，1）模態(tài)導(dǎo)波的傳播集中分布于鋼筋表面，且會在帶痕損傷區(qū)域發(fā)生散射、反射，對鋼筋損傷變化反應(yīng)敏感，同時發(fā)現(xiàn)低頻模態(tài)導(dǎo)波在自鋼筋表面向混凝土區(qū)域傳播的過程中位移減小，能量損失增大，驗證了使用導(dǎo)波進行混凝土內(nèi)鋼筋表面損傷監(jiān)測的可行性。

FARHIDZADEH等[7-9]基于多尺寸圓柱體內(nèi)導(dǎo)波聲速差異性，設(shè)計多組小尺寸不同直徑鋼筋銹蝕超聲檢測試驗，試驗發(fā)現(xiàn)銹蝕初期點銹蝕較少，聲速變化較小，中期至后期銹蝕點數(shù)量、范圍增大致使導(dǎo)波發(fā)生散射，聲速變化較大，驗證了基于導(dǎo)波聲速變化的鋼筋銹蝕檢測的可行性。相比傳統(tǒng)方法，基于超聲導(dǎo)波技術(shù)的監(jiān)測方法更具有實用性，適用于鋼筋混凝土這種復(fù)雜結(jié)構(gòu)的內(nèi)部監(jiān)測，且準(zhǔn)確性高、整體成本較低。

利用超聲導(dǎo)波技術(shù)對混凝土進行檢測時存在以下問題：①信號處理復(fù)雜，使用小波變換等技術(shù)需要大算力支持，增加了系統(tǒng)實現(xiàn)難度；②傳感器信號易受到干擾，監(jiān)測時會產(chǎn)生許多干擾信號；③導(dǎo)波穿透復(fù)合材料時，信號會發(fā)生衰減。

文章利用超聲導(dǎo)波技術(shù)，采用壓電材料設(shè)計了一個適用于U型鋼筋銹蝕監(jiān)測的傳感系統(tǒng)，可以對信號干擾進行濾波處理，并能夠消除環(huán)境干擾。最后搭建了鋼筋混凝土試塊加速銹蝕監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)了對鋼筋混凝土試塊銹蝕的全過程實時監(jiān)測。

1. 超聲導(dǎo)波在鋼筋中的頻散特性

超聲導(dǎo)波在介質(zhì)中的傳播會受到其幾何尺寸和材料特性的影響，例如在鋼筋中的傳播與鋼筋的直徑和物理特性有關(guān)。因此超聲導(dǎo)波在鋼筋中的傳播速度會隨著激勵頻率的改變而發(fā)生變化，這就是導(dǎo)波在鋼筋中傳播的頻散現(xiàn)象，其強弱跟激勵頻率以及激發(fā)的模態(tài)有關(guān)[10]。

導(dǎo)波在鋼筋中傳播的頻散曲線與鋼筋的直徑以及密度、彈性模量等物理參數(shù)有關(guān)。利用MATLAB軟件[11]繪制出導(dǎo)波在直徑12 mm鋼筋中傳播的頻散曲線，群速度頻散曲線和相速度頻散曲線分別如圖1，2所示，其可以反映出導(dǎo)波模態(tài)、頻率以及群速度和相速度之間的關(guān)系[12]。繪制頻散曲線所用到的鋼筋物理參數(shù)如表1所示。

圖 1 鋼筋中導(dǎo)波群速度頻散曲線

圖 2 鋼筋中導(dǎo)波相速度頻散曲線

圖1和圖2中顯示了L模態(tài)、T模態(tài)、F模態(tài)波群速度與相速度在頻率1 000 kHz以下的變化特性，可以看出導(dǎo)波模態(tài)數(shù)量隨頻率增大而增加，在0~200 kHz內(nèi)模態(tài)數(shù)量最少，1 000 kHz左右數(shù)量最多。在200 kHz以上任一頻率時至少存在3種以上的導(dǎo)波模態(tài)，并隨著頻率增加導(dǎo)波多模態(tài)現(xiàn)象加劇，各模態(tài)聲速變化劇烈，頻散嚴(yán)重。而200 kHz以下導(dǎo)波群速度波動較慢，頻散較為輕微，故初步確定監(jiān)測頻率為200 kHz以下。

2. U型鋼筋傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計

文章研究的超聲換能器需要埋入混凝土結(jié)構(gòu)中，其結(jié)構(gòu)包括背襯層、壓電元件和匹配層3部分，檢測對象為直徑為10 mm、厚度為5 mm的圓柱形混凝土。針對防水、界面和強度、尺寸等問題設(shè)計換能器，換能器結(jié)構(gòu)設(shè)計圖如圖3所示。

圖 3 超聲換能器結(jié)構(gòu)示意

制作的超聲換能器用于信號發(fā)射和信號接收，選用PZT-4壓電陶瓷制作發(fā)射型超聲換能器，PZT-5壓電陶瓷制作接收型超聲換能器。

匹配層的主要作用是保護壓電元件，并使壓電元件和鋼筋表面良好耦合，因此匹配層材料采用水泥和環(huán)氧樹脂的混合物。

背襯層除了起到保護壓電元件和防水防銹等作用外，還要具備吸收聲波的功能。背襯層材料的聲阻抗與壓電元件的接近時，可以增大傳感器的分辨率。理論上背襯層的厚度越大吸波效果越好，但是過厚會降低傳感器的靈敏度和分辨率。背襯層主要材料為水泥和環(huán)氧樹脂的混合物。

3. U型鋼筋電化學(xué)加速銹蝕導(dǎo)波監(jiān)測試驗

混凝土中的鋼筋銹蝕是一個電化學(xué)反應(yīng)過程?；炷林泻蠧a(OH)2、KOH、NaOH等氫氧化物，總體呈堿性，鋼筋表面會發(fā)生鈍化反應(yīng)形成Fe2O3薄膜，對鋼筋起到保護作用。由于骨料、拌合水、氯化鈣外加劑等可能含有氯離子，而氯離子的入侵會破壞Fe2O3薄膜，從而使得鋼筋表面形成一個活性電極，發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，混凝土中鋼筋發(fā)生銹蝕。

3.1 裸鋼筋銹蝕試驗

由于試驗采集到的數(shù)據(jù)會存在不同頻率的干擾聲波，為了提高數(shù)據(jù)信號的有效性，需要通過濾波來消除一定的干擾聲波。文章采用ORIGIN軟件中FFT（快速傅立葉變換）的帶通濾波方法，過濾掉低于激勵頻率20 kHz和高于激勵頻率20 kHz的信號，僅保留激勵頻率±20 kHz范圍內(nèi)的信號。

濾波處理前后的信號分別如圖4，5所示。根據(jù)信噪比公式得出處理前信噪比為9.54 dB，處理之后信噪比為23.52 dB，經(jīng)過處理之后的信噪比明顯得到了提升，并符合基本要求。文章后續(xù)分析的數(shù)據(jù)均為帶通濾波處理后的信號。

圖 4 濾波前存在干擾的信號

圖 5 濾波后清除干擾后的信號

處理完信號后，進行裸鋼筋銹蝕監(jiān)測試驗，對直徑為12 mm、長度為35 cm的U型鋼筋進行電化學(xué)加速腐蝕，試驗裝置實物如圖6所示。將鋼筋固定在泡沫圈中，泡沫圈放置在水槽中，使U型鋼筋下端部能夠完全浸泡在質(zhì)量百分比濃度為5%的NaCl溶液里，然后固定泡沫圈。鋼筋左端銅線與直流電源的正極連接，溶液中的銅線與負極連接，通過氯化鈉溶液連通電路。

圖 6 U型鋼筋外加電流加速銹蝕試驗裝置實物

鋼筋銹蝕試驗過程中，控制恒定電流為0.5 A，電壓約為15 V。根據(jù)計算，鋼筋銹蝕部分的質(zhì)量為132 g，結(jié)合公式計算出鋼筋理論銹蝕率與通電時間的關(guān)系（見表2）。

將100 kHz和120 kHz激勵頻率下，加速銹蝕試驗過程中所采集到的整時刻信號幅值匯總，可以發(fā)現(xiàn)整個銹蝕過程中幅值的變化都是先減小后增大。根據(jù)相關(guān)定律，裸鋼筋銹蝕試驗過程中通電電流恒定時，能夠通過通電時間對鋼筋的理論銹蝕率進行估算。由于數(shù)據(jù)值本身較小，且兩種信號幅值相差大，故將數(shù)據(jù)歸一化進行繪圖，裸鋼筋接收信號幅值與理論銹蝕率的關(guān)系曲線如圖7所示。

圖 7 裸鋼筋接收信號幅值與理論銹蝕率的關(guān)系曲線

如圖7所示，100 kHz頻率下，接收信號幅值從銹蝕開始到理論銹蝕率約達到30%時處于下降狀態(tài)；隨后開始上升，當(dāng)理論銹蝕率達到50%時，接收信號幅值上升到與剛開始時的持平。120 kHz頻率下，接收信號幅值從銹蝕開始一直下降直到理論銹蝕率約達到35%后，再開始上升。

根據(jù)圖7和銹蝕試驗過程外觀記錄圖（見圖8），發(fā)現(xiàn)幅值下降階段是鋼筋銹蝕剛開始階段，隨著銹蝕進行到一定程度，鋼筋表面銹蝕物增加并達到一定厚度而將鋼筋包裹住，激勵信號在鋼筋內(nèi)傳播的過程中，能量會向周圍銹蝕層泄漏，所以幅值處于下降狀態(tài)。當(dāng)銹蝕試驗進行到約72 h時，幅值下降到最低點，銹蝕物厚度達到最厚并且開始有破開的跡象。隨后銹蝕層破開并逐漸脫落于NaCl溶液中，鋼筋表面銹蝕物厚度變薄，接收信號幅值開始上升?？芍诠潭l率下，固定模態(tài)導(dǎo)波在裸鋼筋中的傳播速度隨著鋼筋直徑變化而變化。 <