RC梁鋼筋銹蝕監(jiān)測(cè)與概率成像定位

王 娟,姜紹飛,崔二江,查 忍

(福州大學(xué) 土木工程學(xué)院，福州 350108)

鋼筋銹蝕是導(dǎo)致RC結(jié)構(gòu)耐久性降低的重要影響因素。銹蝕初期，由于混凝土的包裹作用，鋼筋的銹蝕程度較輕而不易被察覺(jué)。當(dāng)銹蝕程度能夠被察覺(jué)時(shí)，混凝土內(nèi)部已經(jīng)開(kāi)裂，甚至保護(hù)層脫落，這將嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)的安全性和耐久性[1-2]。因此，開(kāi)展RC結(jié)構(gòu)中鋼筋銹蝕監(jiān)測(cè)，對(duì)保障結(jié)構(gòu)安全尤為重要。

半電池電位法和光纖傳感技術(shù)等在鋼筋的銹蝕監(jiān)測(cè)中應(yīng)用廣泛[3]，然而，這些方法存在安裝不便、易損壞、無(wú)法實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)等缺點(diǎn)。因此，實(shí)際工程中急需一種穩(wěn)定、高效的監(jiān)測(cè)方法來(lái)彌補(bǔ)這一不足。近年來(lái)，壓電陶瓷以其靈敏度高、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)中，其對(duì)鋼筋銹蝕監(jiān)測(cè)的適用性已得到了驗(yàn)證。如Du等[4]發(fā)現(xiàn)鋼筋銹蝕會(huì)嚴(yán)重導(dǎo)致應(yīng)力波衰減，Liu等[5]根據(jù)監(jiān)測(cè)信號(hào)的主頻分量變化，定性地評(píng)價(jià)了鋼筋混凝土的腐蝕程度。同時(shí)，Sriramadasu等[6]根據(jù)導(dǎo)波模式的變化將鋼筋銹蝕過(guò)程劃分為：起始、發(fā)展和直徑減小3個(gè)階段。通常，鋼筋銹蝕是從表面鈍化膜的破壞開(kāi)始的，隨后由于蝕坑位置的增多和銹蝕產(chǎn)物的累積，混凝土與鋼筋之間的黏結(jié)性能逐步退化，最終導(dǎo)致結(jié)構(gòu)承載力的降低。胡志堅(jiān)等[7]對(duì)RC構(gòu)件的銹脹力分析也驗(yàn)證了這一點(diǎn)。因此，考慮到鋼筋脫鈍、脫黏在整個(gè)腐蝕過(guò)程中的關(guān)鍵作用，確定鋼筋的銹蝕全過(guò)程及通過(guò)監(jiān)控指標(biāo)量化其與銹蝕率的關(guān)系，對(duì)實(shí)際工程中鋼筋銹蝕的預(yù)防和結(jié)構(gòu)的修復(fù)意義重大。

此外，由于混凝土內(nèi)部鋼筋銹蝕的隱蔽性，很多學(xué)者在關(guān)注銹蝕發(fā)展過(guò)程的同時(shí)也較為關(guān)注銹蝕位置[8]。隨著監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展，成像技術(shù)被逐步運(yùn)用于銹蝕產(chǎn)物的檢測(cè)中，如通過(guò)計(jì)算機(jī)斷層掃描技術(shù)(XCT)可以呈現(xiàn)鋼筋和銹蝕產(chǎn)物的三維可視化表征[9]及鋼筋銹蝕分布[10]；通過(guò)電阻層析成像技術(shù)分析鋼筋銹蝕區(qū)域等[11]。然而，銹蝕最先發(fā)生于混凝土內(nèi)部，在結(jié)構(gòu)表面安裝的傳感器發(fā)射的信號(hào)需要通過(guò)混凝土保護(hù)層才能檢測(cè)到鋼筋，且銹蝕發(fā)生的時(shí)間、位置和程度都存在隨機(jī)性。因此，如何實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確評(píng)估RC結(jié)構(gòu)中鋼筋銹蝕損傷程度和位置是急需解決的問(wèn)題。目前，基于嵌入式壓電傳感技術(shù)與成像方法相結(jié)合的損傷定位技術(shù)已經(jīng)成功應(yīng)用于航空航天及橋梁工程結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測(cè)中[12-13]，其中概率成像方法能夠?qū)崿F(xiàn)稀疏傳感器條件下的成像。如Hong等[14]采用該技術(shù)以直觀的方式呈現(xiàn)了金屬結(jié)構(gòu)的損傷從開(kāi)始到宏觀形成的連續(xù)自適應(yīng)的結(jié)果，而Liu等[15]則實(shí)現(xiàn)了復(fù)合材料的清晰損傷定位，這些都為混凝土結(jié)構(gòu)損傷定位提供了新思路。

本文通過(guò)嵌入式壓電傳感器，研究了浸泡于3.5%NaCl溶液的RC梁中鋼筋的腐蝕全過(guò)程。采用基4FFT對(duì)連續(xù)監(jiān)測(cè)的信號(hào)進(jìn)行頻譜分析，從而有效地表征了鋼筋的脫鈍、脫黏和失效3個(gè)階段的特征，并建立損傷因子與銹蝕率的定量關(guān)系。此外，基于修正權(quán)重函數(shù)的概率成像方法實(shí)現(xiàn)了混凝土內(nèi)部鋼筋銹蝕損傷的成像定位。

1 鋼筋的銹蝕監(jiān)測(cè)與成像定位

1.1 基于壓電傳感器的鋼筋銹蝕監(jiān)測(cè)機(jī)理

氯離子被認(rèn)為是危害RC結(jié)構(gòu)安全性的侵蝕介質(zhì)之一，這是因?yàn)樵诔睗癍h(huán)境中氯離子具有較強(qiáng)的滲透能力，能夠通過(guò)混凝土內(nèi)部的孔隙到達(dá)鋼筋表面，從而成為鋼筋銹蝕時(shí)的催化劑。自然環(huán)境下，鋼筋的銹蝕是一個(gè)電化學(xué)過(guò)程，其機(jī)理是：當(dāng)鋼筋表面的氯離子達(dá)到臨界濃度時(shí)，鋼筋表面形成的致密鈍化膜開(kāi)始發(fā)生局部破壞，與未破壞部位連通形成原電池。其中，銹蝕的鋼筋作為原電池的陽(yáng)極，未發(fā)生銹蝕的鋼筋表面作為陰極，混凝土中的氧氣和水分作為電解液。氯離子則作為催化劑不斷加速鐵離子的流失，鐵離子反應(yīng)后最終形成鐵銹(主要成分是Fe2O3和Fe3O4)附著于鋼筋表面[2]。在銹蝕過(guò)程中，隨著鐵銹體積的不斷增大，其對(duì)混凝土的膨脹作用不斷加劇，最終導(dǎo)致RC結(jié)構(gòu)的銹脹開(kāi)裂(鋼筋銹蝕機(jī)理見(jiàn)圖1)。

基于壓電陶瓷(piezoelectric lead zirconate titanate, PZT)的鋼筋銹蝕監(jiān)測(cè)是將一對(duì) PZT片粘貼于鋼筋表面，激勵(lì)導(dǎo)波信號(hào)從其中一端傳感器發(fā)出，通過(guò)銹蝕損傷的鋼筋傳播，由另一端傳感器接收，見(jiàn)圖1。銹蝕過(guò)程中鋼筋鈍化膜破壞、鋼筋與混凝土的脫黏等都會(huì)造成導(dǎo)波信號(hào)的波形、頻率和幅值發(fā)生變化，因此，通過(guò)對(duì)比導(dǎo)波信號(hào)在不同銹蝕狀態(tài)的變化來(lái)確定鋼筋的銹蝕程度和銹蝕位置。

圖1 混凝土中鋼筋銹蝕機(jī)理及PZT監(jiān)測(cè)方法

1.2 信號(hào)分析及銹蝕程度評(píng)估

離散傅里葉變換(DFT)被廣泛應(yīng)用于信號(hào)分析中，然而，由于DFT的計(jì)算量較大，高效且計(jì)算量小的快速傅里葉變換(FFT)得以快速發(fā)展。其中，基4FFT的計(jì)算效率尤為顯著，它是通過(guò)每次把序列信號(hào)一分為四，最后分割成4點(diǎn)DFT來(lái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)分析的，具體計(jì)算步驟如下：

首先，將采集到的序列信號(hào)x(n)(n=0,1,…,N-1)的DFT定義為

(1)

若N=4M，則將x(n)分成4個(gè)N/4點(diǎn)的序列x1(n)、x2(n)、x3(n)、x4(n)(n=0,1,…,N/4-1)，即

x(n)=x1(n)+x2(n)+x3(n)+x4(n)

(2)

式中x1(n)=x(n),x2(n)=x(n+N/4),x3(n)=x(n+N/2),x4(n)=x(n+3N/4),n=0,1,…,N/4-1。

然后，把x(n)代入式(1)，則有

k=0,1,…,N-1

(3)

最后，把X(k)按頻率抽取，則有

(4)

以上即是按頻率抽取的基4FFT。通過(guò)將一個(gè)N點(diǎn)DFT轉(zhuǎn)化為4個(gè)N/4點(diǎn)DFT來(lái)計(jì)算，依此類推，直至分解到最后一級(jí)?；?FFT的乘法量約減少25%，加法量也略有減少。經(jīng)過(guò)基4FFT提取的信號(hào)頻域峰值隨著腐蝕時(shí)間的變化而變化，其變化趨勢(shì)反映了相應(yīng)的鋼筋銹蝕狀態(tài)。其中，鋼筋的脫鈍、脫黏將會(huì)造成導(dǎo)波信號(hào)的改變，提取導(dǎo)波信號(hào)的頻譜特征即可作為RC結(jié)構(gòu)中鋼筋脫鈍、脫黏的判斷依據(jù)。

研究發(fā)現(xiàn)，通過(guò)信號(hào)的頻譜變化可以觀察到鋼筋腐蝕特征的變化，但是卻難以量化腐蝕程度。因此，可通過(guò)定義損傷因子FDI來(lái)評(píng)估鋼筋的銹蝕程度，計(jì)算式為

(5)

式中Hmax為無(wú)損傷參考信號(hào)的頻域峰值，Dimax為i時(shí)刻采集信號(hào)的頻域峰值。

通過(guò)建立損傷因子與銹蝕率的定量關(guān)系，即可達(dá)到對(duì)RC結(jié)構(gòu)中鋼筋的銹蝕程度評(píng)估的目的。但RC結(jié)構(gòu)中鋼筋的銹蝕位置是隨機(jī)變化的，如何確定鋼筋銹蝕位置，對(duì)實(shí)際結(jié)構(gòu)的安全性和可靠性評(píng)估具有重大意義。

1.3 新的鋼筋銹蝕概率成像定位

概率成像算法是將待檢測(cè)區(qū)域均勻地劃分為多個(gè)分布的網(wǎng)格(網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)即像素點(diǎn))，網(wǎng)格中的每對(duì)傳感器均形成一條激勵(lì)-接收路徑，每條路徑中的每個(gè)像素點(diǎn)都有一個(gè)值(即經(jīng)過(guò)該像素點(diǎn)的全部路徑的概率之和)來(lái)表示該處存在損傷的概率，則最大概率值即表示損傷最可能位置。待檢測(cè)區(qū)域中像素點(diǎn)(x,y)的損傷概率值可定義為

(6)

式中：FDIi為第i條路徑的損傷因子，Ri(x,y)為像素點(diǎn)(x,y)距激勵(lì)、接收傳感器的相對(duì)距離，wi[Ri(x,y)]為第i條路徑的損傷權(quán)重分布函數(shù)。

其中，Ri(x,y)如式(7)和圖2所示。

圖2 相對(duì)距離示意

(7)

式中：(x,y)為任一像素點(diǎn)坐標(biāo)，(xs,ys)為激勵(lì)傳感器坐標(biāo)，(xt,yt)為接收傳感器坐標(biāo)。

其中，假定權(quán)重分布函數(shù)wi[Ri(x,y)]為一線性衰減的橢圓分布，其表達(dá)式為

(8)

式中β是控制橢圓分布影響區(qū)域的參數(shù)。

可以看出，權(quán)重分布函數(shù)wi[Ri(x,y)]只和相對(duì)距離Ri(x,y)有關(guān)，并且會(huì)影響成像結(jié)果。隨著相對(duì)距離Ri(x,y)的增加，權(quán)重分布函數(shù)的值逐步降低。由于鋼筋表面的傳感器采用一維布置，鋼筋銹蝕在稀疏傳感器條件下的成像精度很難保證，常用的監(jiān)測(cè)陣列橢圓成像理論(式(8))將不再適用。因此，在使用損傷概率成像算法中的權(quán)重分布函數(shù)時(shí)，還應(yīng)充分考慮各條激勵(lì)-接收路徑中損傷因子的影響。

為此，提出一種新的算法，即在綜合考慮上述情況的前提下，對(duì)權(quán)重分布函數(shù)進(jìn)行了修正。

(9)

式中FDIi是第i條激勵(lì)-接收路徑的損傷因子，F(xiàn)DImax是所有路徑中的最大損傷因子。

同時(shí)，為降低成像結(jié)果的邊界效應(yīng)，后續(xù)分析中將通過(guò)歸一化的方式對(duì)各路徑的損傷概率值進(jìn)行處理，并采用映射函數(shù)形成最終的概率圖像。

2 試驗(yàn)驗(yàn)證

2.1 試驗(yàn)概況

2.1.1 試件制作

構(gòu)件尺寸為1 400 mm×120 mm×240 mm(長(zhǎng)×寬×高)，混凝土強(qiáng)度設(shè)計(jì)等級(jí)為C30，配合比為水泥∶水∶砂∶石=1∶0.45∶1.35∶2.68，其中水泥采用強(qiáng)度等級(jí)為42.5的普通硅酸鹽水泥，砂為中砂，石子最大粒徑為20 mm。構(gòu)件配筋及PZT傳感器布置見(jiàn)圖3?？v筋等級(jí)為HRB335，架立筋直徑為10 mm，受拉筋直徑為12 mm，箍筋等級(jí)為HPB300，直徑為8 mm，混凝土保護(hù)層為20 mm?；炷量箟簭?qiáng)度采用3組標(biāo)準(zhǔn)立方體試件(150 mm×150 mm×150 mm)的平均值；縱向受力鋼筋等級(jí)為HRB335，縱筋的拉伸性能試驗(yàn)根據(jù)GB/T 228—2002《金屬材料室溫拉伸試驗(yàn)方法》的規(guī)定進(jìn)行，見(jiàn)表1?；炷梁弯摻畹膹椥阅Ａ繀⒖糋B 50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》，分別取值3.0×104、2.0×105MPa。鋼筋銹蝕監(jiān)測(cè)主要是針對(duì)底部受拉鋼筋，因此將4個(gè)PZT傳感器以間隔350 mm的距離粘貼于鋼筋表面，PZT的參數(shù)見(jiàn)表2。在監(jiān)測(cè)過(guò)程中，將監(jiān)測(cè)區(qū)域劃分為3個(gè)區(qū)段(圖3)，并依次進(jìn)行信號(hào)的采集：區(qū)段①，PZT2作為驅(qū)動(dòng)器激勵(lì)信號(hào)，PZT1作為接收器接收信號(hào)；區(qū)段②，PZT2激勵(lì)信號(hào)，PZT3接收信號(hào)；區(qū)段③，PZT4激勵(lì)信號(hào)，PZT3接收信號(hào)。

表1 混凝土與鋼筋性能參數(shù)

表2 PZT-5A型壓電陶瓷性能參數(shù)

圖3 構(gòu)件配筋及PZT傳感器布置(mm)

2.1.2 鋼筋銹蝕與試件監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

自然界中鋼筋銹蝕是一個(gè)緩慢的過(guò)程，為了快速實(shí)現(xiàn)鋼筋的不同銹蝕程度，采用施加外部電流的方式進(jìn)行加速銹蝕。為了避免箍筋銹蝕帶來(lái)的影響，構(gòu)件澆筑時(shí)對(duì)箍筋與縱筋的交叉位置進(jìn)行涂刷絕緣漆、纏繞絕緣膠帶處理。在室溫下養(yǎng)護(hù)28 d后，將RC梁浸泡在3.5%的NaCl溶液(類海水溶液)中。通電過(guò)程中，RC梁中縱筋作為陽(yáng)極，浸泡于NaCl溶液中的鋁板作為陰極形成通電回路。

根據(jù)文獻(xiàn)[16]，構(gòu)件的腐蝕最佳電流密度為0.045～3 mA/cm2。因此，為了實(shí)現(xiàn)良好的銹蝕效果，試驗(yàn)中采用的設(shè)計(jì)電流密度為1.99 mA/cm2。由法拉第定律(Faraday’s law)可知，電極上發(fā)生化學(xué)變化物質(zhì)的量與通過(guò)該電極的電量成正比[17]，因此，鋼筋的理論銹蝕率可采用下式計(jì)算

(10)

式中:t為通電銹蝕時(shí)間，s；i為銹蝕電流密度，A；d為鋼筋直徑，m。

試驗(yàn)監(jiān)測(cè)裝置和加速銹蝕裝置見(jiàn)圖4。

圖4 基于PZT傳感器的鋼筋加速銹蝕和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

其具體過(guò)程為：首先采用穩(wěn)壓直流電源對(duì)RC梁中的鋼筋進(jìn)行通電銹蝕；隨后，使用NI信號(hào)采集儀(型號(hào)：USB6363)和計(jì)算機(jī)進(jìn)行導(dǎo)波信號(hào)的激勵(lì)和接收；之后，觀察RC梁的外觀有無(wú)產(chǎn)生裂縫；如此持續(xù)進(jìn)行，直至RC梁產(chǎn)生貫通的銹脹裂縫。采用掃頻正弦脈沖信號(hào)作為激勵(lì)信號(hào)，其頻率范圍為10～250 kHz，電壓為10 V，采樣頻率為2 MHz/s。為了減小外界因素的影響，每次采集5組信號(hào)進(jìn)行處理。

2.2 監(jiān)測(cè)信號(hào)分析

2.2.1 時(shí)域分析

通電初期，銹蝕主要發(fā)生在鋼筋表面，從RC梁外觀上很難發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的變化。隨著通電時(shí)間的增長(zhǎng)，RC梁表面不斷有鐵銹溶液析出。最終，在RC梁的橫截面(圖5左)、側(cè)面(沿縱筋方向，圖5右上)和梁底(圖5右下)處產(chǎn)生的銹脹裂縫均不斷延長(zhǎng)和變寬。

圖5 銹脹裂縫

為了清晰顯示出信號(hào)的變化過(guò)程，這里對(duì)具有代表性的信號(hào)進(jìn)行疊加繪制。3個(gè)監(jiān)測(cè)段的時(shí)域信號(hào)疊加，見(jiàn)圖6?？梢钥闯觯?個(gè)監(jiān)測(cè)段存在相同的特征：銹蝕初期(0～120 h)，信號(hào)幅值衰減較?。划?dāng)銹蝕到240 h時(shí)，信號(hào)幅值已有較大幅度的減??；當(dāng)達(dá)到360 h時(shí)，信號(hào)的幅值幾乎為0。說(shuō)明雖然監(jiān)測(cè)的位置不同，但鋼筋銹蝕過(guò)程中信號(hào)的衰減規(guī)律是一致的。為了量化鋼筋的銹蝕程度，后續(xù)將通過(guò)基4FFT進(jìn)行信號(hào)的頻譜分析，并采用新的損傷概率成像方法進(jìn)行銹蝕位置的定位分析。

圖6 時(shí)域信號(hào)

2.2.2 頻譜分析

雖然銹蝕導(dǎo)致信號(hào)幅值衰減，但其振動(dòng)頻率并未發(fā)生太大改變。利用鋼筋的這一特性，采用基4FFT的頻譜分析獲取各監(jiān)測(cè)區(qū)段的頻域峰值(即信號(hào)在鋼筋上傳輸?shù)哪芰恐?見(jiàn)圖7～9。

圖7 PZT2-PZT1組接收信號(hào)的頻譜分析

圖8 PZT2-PZT3組接收信號(hào)的頻譜分析

從圖7～9可看出，隨著腐蝕時(shí)間的增加，各監(jiān)測(cè)段的信號(hào)幅值呈現(xiàn)出先減小后增大再減小的趨勢(shì)，這是由于鋼筋銹蝕過(guò)程分別經(jīng)歷了表面鈍化膜破壞、鋼筋與混凝土脫黏及鋼筋截面面積減小3個(gè)階段，具體分析如下：

1)對(duì)于同一監(jiān)測(cè)段，3個(gè)區(qū)段的信號(hào)頻譜峰值均在未銹蝕階段達(dá)到最大值。當(dāng)通電銹蝕48 h，其峰值分別降低了45.34%、54.72%和33.52%，表明此時(shí)鋼筋的銹蝕速度較快；然而，銹蝕120 h，其峰值又分別提高到了未腐蝕階段的24.29%、26.74%和28.99%，此時(shí)表明鋼筋周圍的密實(shí)度較高，提高了信號(hào)的傳輸效率；隨后信號(hào)峰值持續(xù)下降到最小值。

2)對(duì)比3個(gè)監(jiān)測(cè)段的頻率區(qū)間可知，RC結(jié)構(gòu)內(nèi)部銹蝕鋼筋的共振頻率在130～180 kHz之間，造成這一差別的主要原因是不同區(qū)段鋼筋的蝕坑位置、銹蝕程度及與混凝土黏結(jié)程度的差異性。

圖9 PZT4-PZT3組接收信號(hào)的頻譜分析

2.3 鋼筋銹蝕監(jiān)控分析

2.3.1 RC梁中鋼筋銹蝕監(jiān)控過(guò)程分析

通過(guò)對(duì)前述代表點(diǎn)的頻域分析，可得出鋼筋銹蝕過(guò)程的變化特征。為詳細(xì)確定鋼筋的銹蝕過(guò)程，本文提取了全部監(jiān)測(cè)信號(hào)的頻域峰值見(jiàn)圖10。可看出，信號(hào)的頻域峰值隨腐蝕時(shí)間的增長(zhǎng)，同樣呈現(xiàn)出先減小后增大，再逐步減小的趨勢(shì)，因此可將鋼筋的銹蝕過(guò)程分為3個(gè)階段。

圖10 頻域峰值隨腐蝕時(shí)間的變化

1)脫鈍階段：此時(shí)鋼筋表面鈍化膜發(fā)生破壞。由于氯離子的催化作用，鋼筋表面鐵離子不斷流失，形成銹蝕產(chǎn)物，從而導(dǎo)致信號(hào)在鋼筋表面的傳輸中發(fā)生散射和反射。隨著銹蝕產(chǎn)物的不斷累積，有更多的能量通過(guò)界面?zhèn)鬟f給了混凝土，使得傳感器接收信號(hào)的頻域峰值不斷下降。

2)脫黏階段：隨著蝕坑面積增加，銹蝕產(chǎn)物在鋼筋表面不斷累積，其體積將會(huì)增大5～6倍，引起鋼筋與混凝土的脫黏，此時(shí)，傳入混凝土中的信號(hào)能量減少。因此，呈現(xiàn)出頻域峰值小幅度上升的趨勢(shì)。但是由于鐵銹的增多，鋼筋將逐步與混凝土脫離，失去黏結(jié)錨固力，隨后進(jìn)入第3個(gè)階段。

3)失效階段：當(dāng)混凝土內(nèi)部的銹脹力達(dá)到一定程度時(shí)，由于混凝土的抗拉性能較差將會(huì)產(chǎn)生銹脹裂縫，隨著銹脹裂縫的增多，接收信號(hào)的頻域峰值則不斷下降，鋼筋的直徑也不斷減小，最終因局部鋼筋銹斷，導(dǎo)致接收信號(hào)中斷。

可看出，通過(guò)壓電傳感監(jiān)控的方法，可以判斷出混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋銹蝕發(fā)展的全過(guò)程。通過(guò)對(duì)鋼筋銹蝕過(guò)程的三階段劃分，有效地揭示鋼筋在銹蝕過(guò)程中的狀態(tài)。為此，下文將從鋼筋的腐蝕機(jī)理方面展開(kāi)對(duì)比研究。

2.3.2 銹蝕過(guò)程驗(yàn)證分析

Melchers等[18-19]提出了海洋環(huán)境下的混凝土結(jié)構(gòu)銹蝕開(kāi)裂的現(xiàn)象模型，從而將混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋的銹蝕過(guò)程劃分為：①起銹，②銹蝕產(chǎn)物堆積，③混凝土脹裂，④裂縫貫通4個(gè)階段，見(jiàn)圖11。

結(jié)合2.3.1節(jié)中監(jiān)控信號(hào)頻域峰值的變化趨勢(shì)可知，當(dāng)鋼筋表面氯離子濃度達(dá)到一定程度時(shí)，鋼筋表面在混凝土堿性環(huán)境中形成的致密鈍化膜會(huì)被逐步破壞，從而失去保護(hù)作用，導(dǎo)致鋼筋開(kāi)始發(fā)生銹蝕，此時(shí)稱為①起銹階段(圖10中的脫鈍階段)；隨著銹蝕的持續(xù)發(fā)生，鋼筋表面堆積的銹蝕產(chǎn)物越來(lái)越多，阻礙了氧氣和水分的傳輸，從而降低了鋼筋的銹蝕速率，此時(shí)稱為②銹蝕產(chǎn)物堆積階段；隨后由于銹蝕產(chǎn)物的不斷累積，混凝土內(nèi)部的銹脹力不斷增大，致使鋼筋與混凝土發(fā)生脫離，也即進(jìn)入到了圖10中的脫黏階段；之后，隨著銹脹力的進(jìn)一步增大，混凝土開(kāi)始沿鋼筋縱向開(kāi)裂，即③混凝土脹裂階段；最后，由于裂縫的產(chǎn)生，鋼筋銹蝕速度大大加快，最終達(dá)到了④混凝土裂縫的貫通階段，也即結(jié)構(gòu)進(jìn)入到了圖10中的失效階段。因此，對(duì)比圖10和圖11發(fā)現(xiàn)，通過(guò)對(duì)鋼筋銹蝕的全過(guò)程監(jiān)測(cè)，可以定性地判斷出RC梁中鋼筋所處的銹蝕狀態(tài)，并可為鋼筋的銹蝕損傷定位及銹蝕損傷程度的界定打下良好的基礎(chǔ)。

圖11 混凝土內(nèi)部鋼筋的銹蝕量與銹蝕時(shí)間的關(guān)系

3 鋼筋銹蝕損傷定位與量化評(píng)估

對(duì)于長(zhǎng)期服役的RC結(jié)構(gòu)，從外觀上很難觀測(cè)到其內(nèi)部鋼筋的銹蝕。并且由于構(gòu)件所處環(huán)境及承受荷載的差異性，其損傷程度也會(huì)存在較大差別。因此，通過(guò)壓電傳感器對(duì)鋼筋銹蝕過(guò)程中產(chǎn)生的損傷進(jìn)行定位和損傷程度量化顯得尤為重要。

3.1 鋼筋銹蝕損傷定位

為了識(shí)別鋼筋銹蝕位置及其變化趨勢(shì)，采用新的概率成像方法對(duì)RC梁中鋼筋的銹蝕位置進(jìn)行成像和定位分析。為了消除邊界效應(yīng)，形成清晰的圖像，文中采用將損傷概率值歸一化的處理方法，并提取適當(dāng)?shù)膱D像閾值(-3 dB)，成像結(jié)果見(jiàn)圖12。

圖12 鋼筋腐蝕損傷概率成像

從圖12可看出，隨著腐蝕時(shí)間的增加，鋼筋銹蝕程度越來(lái)越嚴(yán)重。銹蝕24 h時(shí)，由于鋼筋表面氯離子的濃度較低，鈍化膜還未出現(xiàn)較大范圍的破壞，此時(shí)圖中未出現(xiàn)明顯的銹蝕痕跡；48 h時(shí)，RC梁跨中率先出現(xiàn)了銹蝕產(chǎn)物，這與混凝土澆筑的均勻性有關(guān)：由于粗、細(xì)骨料分布不均勻，導(dǎo)致局部混凝土內(nèi)孔隙的“暢通性”存在差別，從而造成跨中鋼筋表面氯離子最先達(dá)到臨界濃度，進(jìn)而產(chǎn)生銹蝕反應(yīng)；120 h時(shí)，RC梁的兩端也出現(xiàn)了明顯的銹蝕產(chǎn)物，并且隨著銹蝕時(shí)間的增加，所成圖像中的銹蝕區(qū)域不斷增大，說(shuō)明銹蝕產(chǎn)物在不斷累積。還可以發(fā)現(xiàn)，基于修正權(quán)重函數(shù)的概率圖像與頻譜分析結(jié)果一致。說(shuō)明通過(guò)該技術(shù)不但可以實(shí)現(xiàn)RC結(jié)構(gòu)內(nèi)部鋼筋從初始銹蝕狀態(tài)到結(jié)構(gòu)表面出現(xiàn)銹脹裂縫的全過(guò)程定位，而且可以呈現(xiàn)出銹蝕損傷的累積程度，有效提高了RC結(jié)構(gòu)的性能評(píng)估精度，對(duì)于結(jié)構(gòu)的安全使用意義重大。

3.2 基于頻域損傷因子的鋼筋銹蝕程度量化分析

通過(guò)頻譜分析可以確定RC梁中鋼筋銹蝕的脫鈍、脫黏過(guò)程，但卻難以量化鋼筋的銹蝕程度。工程中常采用銹蝕率來(lái)量化鋼筋的腐蝕程度，因此，文中通過(guò)式(10)計(jì)算不同通電時(shí)間的鋼筋銹蝕率，在與式(5)得到的損傷因子FDI聯(lián)立的情況下，建立了RC梁內(nèi)鋼筋銹蝕損傷監(jiān)測(cè)信號(hào)與銹蝕率的定量關(guān)系(圖13)?？梢钥闯觯摻畹匿P蝕率與損傷因子FDI的關(guān)系呈分段式變化。為了量化鋼筋的銹蝕程度，采用分段擬合的方式，對(duì)損傷因子FDI和銹蝕率的關(guān)系進(jìn)行分析，結(jié)果見(jiàn)式(11)。

圖13 損傷因子FDI與理論銹蝕率關(guān)系曲線

(11)

式中：x是不同通電腐蝕時(shí)間的損傷因子FDI；y是不同通電腐蝕時(shí)間對(duì)應(yīng)的銹蝕率，%。

可以看出，初始銹蝕階段鋼筋FDI呈現(xiàn)出上升趨勢(shì)；在銹蝕中期，隨著銹蝕量的增加，大量的銹蝕產(chǎn)物堆積于鋼筋表面，反而形成了損傷因子FDI減小的“假象”；銹蝕后期，隨著混凝土的開(kāi)裂，F(xiàn)DI再次呈現(xiàn)快速上升的趨勢(shì)。因此，區(qū)別選用式(11)中3個(gè)公式的依據(jù)是：1)當(dāng)FDI呈現(xiàn)減小趨勢(shì)時(shí)，采用脫黏階段對(duì)應(yīng)的公式計(jì)算銹蝕率；當(dāng)FDI呈現(xiàn)增大趨勢(shì)時(shí)，考慮采用脫鈍或破壞階段對(duì)應(yīng)的公式進(jìn)行計(jì)算；2)結(jié)構(gòu)表面無(wú)銹脹裂縫時(shí)，表明鋼筋的銹蝕程度較小，采用脫鈍階段對(duì)應(yīng)的公式計(jì)算銹蝕率；結(jié)構(gòu)表面存在明顯銹脹裂縫時(shí)，表明鋼筋的銹蝕程度較為嚴(yán)重，采用破壞階段對(duì)應(yīng)的公式計(jì)算銹蝕率。將試驗(yàn)采集信號(hào)得到的損傷因子FDI代入式(11)發(fā)現(xiàn)，相對(duì)誤差均在±15%以內(nèi)，說(shuō)明其精度可行，可滿足工程實(shí)際需求。

4 結(jié) 論

通過(guò)基于PZT的RC梁中鋼筋銹蝕的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)試驗(yàn)，在頻譜分析和修正權(quán)重函數(shù)的概率成像方法基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了鋼筋銹蝕全過(guò)程監(jiān)控及鋼筋銹蝕損傷定位,主要結(jié)論如下:

1)通過(guò)基4FFT的頻譜分析，發(fā)現(xiàn)鋼筋在銹蝕48 h后，3個(gè)區(qū)段頻的譜峰值分別降低了45.34%、54.72%和33.52%；在銹蝕120 h后，峰值又分別提高了24.29%、26.74%和28.99%，隨后峰值則持續(xù)減小，即分別對(duì)應(yīng)于鋼筋銹蝕全過(guò)程中的脫鈍、脫黏和失效3個(gè)階段。

2)新的概率成像方法實(shí)現(xiàn)了精確定位鋼筋表面銹蝕位置從發(fā)生到發(fā)展的目的，有效提高了精細(xì)化評(píng)估結(jié)構(gòu)內(nèi)部鋼筋銹蝕損傷程度。

3)結(jié)合鋼筋腐蝕的3個(gè)階段，建立損傷因子FDI與鋼筋銹蝕率之間的關(guān)系模型，并給出各個(gè)階段的使用條件，實(shí)現(xiàn)了評(píng)估RC結(jié)構(gòu)中鋼筋銹蝕程度的目的。

基于PZT監(jiān)測(cè)和概率成像技術(shù)對(duì)RC結(jié)構(gòu)的鋼筋銹蝕預(yù)警及銹蝕位置的呈現(xiàn)具有良好的適用性，可以作為侵蝕環(huán)境下既有RC結(jié)構(gòu)銹蝕程度和銹蝕位置的分析方法。然而，由于侵蝕環(huán)境和材料類別的差異性，在后續(xù)研究中仍需要進(jìn)一步提高導(dǎo)波信號(hào)的準(zhǔn)確性，并提高成像精度。