淺談結(jié)構(gòu)界面損傷監(jiān)測(cè)技術(shù)

趙普天

大連市市政設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司 遼寧大連 116011

近年來，隨著由于結(jié)構(gòu)界面損傷給結(jié)構(gòu)帶來的危害愈加多見，在結(jié)構(gòu)界面方面的健康監(jiān)測(cè)已經(jīng)引起了全世界學(xué)者的關(guān)注。目前，對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性研究也相對(duì)滯后。1974年的國際材料與結(jié)構(gòu)試驗(yàn)研究聯(lián)合會(huì)（RILEM）和1991年的第二屆國際混凝土耐久性會(huì)議最具代表意義，在國際材料與結(jié)構(gòu)試驗(yàn)研究聯(lián)合會(huì)中提出了首份鋼筋銹蝕的研究現(xiàn)狀報(bào)告，而在第二屆國際混凝土耐久性會(huì)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(xué)作用。

根據(jù)組合界面形式的不同，組合結(jié)構(gòu)界面的損傷大致分為：界面粘結(jié)裂縫與損傷、界面滑移，界面分離等。對(duì)于這些組合結(jié)構(gòu)界面損傷無損監(jiān)測(cè)技術(shù)問題，主要分為以下六種監(jiān)測(cè)方法。

1 超聲波界面探測(cè)技術(shù)

超聲波檢測(cè)技術(shù)已經(jīng)在結(jié)構(gòu)體界面的監(jiān)測(cè)上取得了成功，它主要是利用發(fā)射超聲波并在碰到障礙物后產(chǎn)生回波，通過在時(shí)域上比較發(fā)射聲波與回波的異同，得到被測(cè)物與發(fā)射源的距離，從而實(shí)現(xiàn)探測(cè)目的。Algernon基于超聲波回波理論，利用激光掃描振動(dòng)器獲得了混凝土內(nèi)部的二維圖像。Berriman則利用時(shí)間頻率分析的方法成功地確定了混凝土內(nèi)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(shí)現(xiàn)了對(duì)混凝土內(nèi)部的成像化處理，從而找到其內(nèi)部不同位置的埋藏物。雖然現(xiàn)在的超聲波監(jiān)測(cè)技術(shù)已經(jīng)有了一些應(yīng)用，但在對(duì)組合結(jié)構(gòu)界面進(jìn)行無損監(jiān)測(cè)時(shí)，現(xiàn)有的超聲波檢測(cè)技術(shù)仍然存在以下不足：（1）當(dāng)混凝土內(nèi)部不均勻、出現(xiàn)空洞等情況時(shí)，超聲波檢測(cè)可能無法得到預(yù)期的信號(hào)；（2）由于目前的超聲波監(jiān)測(cè)技術(shù)都是在混凝土外表面進(jìn)行，因此，在對(duì)大型混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行內(nèi)界面監(jiān)測(cè)時(shí)，超聲波法很難測(cè)到理想的距離；（3）在應(yīng)用合成孔徑聚焦法對(duì)混凝土內(nèi)部成像時(shí)，需要在結(jié)構(gòu)體外使用超聲波發(fā)射儀與傳感器，不能對(duì)結(jié)構(gòu)界面進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

2 紅外線熱像技術(shù)

紅外線熱像是一種無損探傷檢測(cè)技術(shù)，只要被測(cè)目標(biāo)與周圍環(huán)境表現(xiàn)出不同的熱力學(xué)特性，使用紅外熱像技術(shù)都可以將其檢測(cè)出來。例如，在結(jié)構(gòu)界面的損傷監(jiān)測(cè)中，可以將混凝土界面間的缺陷位置檢測(cè)出來。Grande將雙頻帶紅外成像探測(cè)技術(shù)（DBIR）應(yīng)用在對(duì)混凝土內(nèi)部與鋼筋界面的腐蝕監(jiān)測(cè)中。Cheng基于紅外熱像技術(shù)，成功地實(shí)現(xiàn)了對(duì)混凝土人為內(nèi)嵌目標(biāo)的界面定位。但是，紅外線熱像技術(shù)在對(duì)界面損傷進(jìn)行監(jiān)測(cè)時(shí)，存在以下缺點(diǎn)：（1）由于紅外線在混凝土內(nèi)的衰減非常迅速，使得此技術(shù)的探測(cè)距離有限；（2）在復(fù)雜界面下，比如多連接件情況下，紅外線探測(cè)技術(shù)的結(jié)果往往不準(zhǔn)確；（3）紅外線熱像法需要外置紅外線發(fā)射儀，并使用高昂的人工和儀器費(fèi)用，且無法實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)界面實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)[1]。

3 電磁波脈沖探測(cè)技術(shù)

電磁波脈沖雷達(dá)探測(cè)技術(shù)已經(jīng)用于對(duì)道路上裂縫、道路基面、墊層的監(jiān)測(cè)中。由于電磁波雷達(dá)的工作頻率一般都在GHz，所以，此方法對(duì)目標(biāo)界面的探測(cè)精度較高。Zhu，Xu利用探地雷達(dá)原理，成功檢測(cè)出混凝土道路內(nèi)鋼筋界面的具體位置。Feng利用紅外微波成像法成功地實(shí)現(xiàn)了對(duì)混凝土與其中的玻璃鋼外套界面損傷檢測(cè)，Kim則利用三維微波成像方法探測(cè)到混凝土中鋼筋和銷的位置。電磁波脈沖探測(cè)技術(shù)存在以下不足：（1）電磁波在混凝土中的衰減較大，因此，探測(cè)距離不遠(yuǎn)；（2）電磁波發(fā)射儀器造價(jià)昂貴而且難以運(yùn)輸；（3）電磁波對(duì)金屬缺陷非常敏感，但對(duì)混凝土內(nèi)界面間存在的裂縫、空洞等損傷情況則無法檢測(cè)。

4 激光探測(cè)技術(shù)

激光剪切成像方法（LSM）也可應(yīng)用于混凝土內(nèi)部界面損傷成像監(jiān)測(cè)。這種方法可以把混凝土表層的不可視細(xì)微裂縫通過成像的方法檢測(cè)出來。Teza利用激光掃描儀，對(duì)混凝土表面的損傷進(jìn)行測(cè)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(shù)，激光探測(cè)技術(shù)的缺點(diǎn)則是它只能對(duì)混凝土表層進(jìn)行損傷測(cè)量，無法應(yīng)用在組合結(jié)構(gòu)界面的健康監(jiān)測(cè)中。

5 基于壓電陶瓷材料主動(dòng)傳感監(jiān)測(cè)技術(shù)

基于壓電陶瓷材料的主動(dòng)傳感監(jiān)測(cè)技術(shù)是近年來比較流行的一種無損監(jiān)測(cè)方法。Song基于壓電陶瓷材料的特性，開發(fā)了智能骨料傳感器并將其應(yīng)用于混凝土結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)中。Xu利用智能骨料主動(dòng)傳感技術(shù)和能量分析法監(jiān)測(cè)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(dòng)傳感進(jìn)行界面健康監(jiān)測(cè)時(shí)，由于智能骨料可以預(yù)先在混凝土澆筑前放置于關(guān)鍵位置，因此，它可用于大型結(jié)構(gòu)體的界面監(jiān)測(cè)。但針對(duì)結(jié)構(gòu)界面的非均勻、非線性的特征，主動(dòng)傳感技術(shù)的監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確度會(huì)受到影響。

6 基于壓電材料傳感器阻抗法監(jiān)測(cè)技術(shù)

壓電材料傳感器阻抗監(jiān)測(cè)技術(shù)也是近年來比較流行的一種對(duì)結(jié)構(gòu)體損傷的監(jiān)測(cè)方法。均方根差（RMSD）的應(yīng)用，使得阻抗法技術(shù)能夠?qū)Y(jié)構(gòu)體界面損傷的程度進(jìn)行一定的量化比對(duì)。Tawie則基于壓電材料傳感器阻抗法對(duì)鋼筋混凝土內(nèi)部鋼筋與混凝土接觸的邊界松緊度進(jìn)行了監(jiān)測(cè)并取得了理想的結(jié)果。盡管壓電材料傳感器阻抗法能夠在一定程度監(jiān)測(cè)到界面損傷的程度，但由于組合結(jié)構(gòu)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(cè)量誤差[2-3]。

7 結(jié)論與展望

隨著社會(huì)的不斷進(jìn)步和發(fā)展，人類對(duì)物質(zhì)文明生活有著更高的追求，使得大型混凝土結(jié)構(gòu)不斷涌現(xiàn)，混凝土結(jié)構(gòu)也變得越來越復(fù)雜。對(duì)于大型結(jié)構(gòu)體系，需要關(guān)注其健康狀態(tài)，尤其是在復(fù)雜的環(huán)境狀態(tài)下。因此，提出一種能夠穩(wěn)定快捷，簡單有效的結(jié)構(gòu)界面損傷監(jiān)測(cè)方法迫在眉睫，需要科研工作者與工程相關(guān)人員共同開發(fā)和努力。