基于自發(fā)漏磁效應(yīng)的鋼筋銹蝕分級(jí)評(píng)估研究

周建庭，夏乾文，楊 茂，張 洪，蔣合靖

(重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，重慶 400074)

0 引 言

鋼筋發(fā)生腐蝕會(huì)對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的承載力產(chǎn)生嚴(yán)重的削減作用，是引發(fā)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)開裂乃至破壞的最重要原因之一[1]。鋼筋腐蝕而引發(fā)的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性降低已升級(jí)為全球關(guān)注的焦點(diǎn)，由鋼筋腐蝕而產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)損失也十分巨大。因此，如何準(zhǔn)確地檢測(cè)和科學(xué)地評(píng)定鋼筋的腐蝕情況變得非常重要且十分迫切。

作為典型的鐵磁材料，鋼筋的微觀磁特性將隨著諸如裂縫、應(yīng)力和銹蝕等缺陷的出現(xiàn)而改變[2]。因此，磁性測(cè)量可用于表征包括鋼筋在內(nèi)的鐵磁性材料的結(jié)構(gòu)變化。自發(fā)漏磁(SMFL)檢測(cè)技術(shù)作為目前最為專業(yè)有效的電磁無損檢測(cè)方法之一，相關(guān)研究已經(jīng)取得了一系列的成果，如ZHANG Hong等[3]，楊茂等[4]研究了SMFL與鋼筋混凝土試樣銹蝕性能之間的關(guān)系；周建庭等[5]研究了鋼筋銹蝕損傷而產(chǎn)生的自發(fā)漏磁磁場(chǎng)的空間分布規(guī)律，并提出了相關(guān)計(jì)算理論；邱俊澧等[6]對(duì)銹蝕后的鋼筋混凝土梁抗彎強(qiáng)度與自發(fā)漏磁的相關(guān)性進(jìn)行了大量深入的研究；PANG Caoyuan等[7]針對(duì)鋼筋內(nèi)部拉力檢測(cè)問題，提出了基于自發(fā)漏磁技術(shù)一種新的無損檢測(cè)方法；吉祥等[8]針對(duì)鋼筋混凝土梁銹蝕問題，展開了相關(guān)試驗(yàn)，但影響因素過多，未建立起鋼筋銹蝕等級(jí)與磁特征指標(biāo)之間的關(guān)系。筆者首先開展了40根HRB400熱軋螺紋鋼筋的銹蝕試驗(yàn)，基于自發(fā)漏磁檢測(cè)技術(shù)探索裸筋銹蝕與漏磁信號(hào)之間的特征關(guān)系，提出磁特征指標(biāo)值，建立鋼筋銹蝕評(píng)價(jià)體系，提出支持向量機(jī)(SVM)的鋼筋銹蝕評(píng)估預(yù)測(cè)模型，驗(yàn)證該評(píng)價(jià)體系的可信度，以期為在役橋梁的運(yùn)營(yíng)管理提供參考。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試件銹蝕

使用切割機(jī)將表面無銹蝕的鋼筋(HRB400熱軋螺紋)切割成長(zhǎng)度為50 mm的試件，按照直徑不同共分為4組(每組10根)，分別為12、14、16、20 mm，共計(jì)40根鋼筋。分別對(duì)40根鋼筋試件進(jìn)行編號(hào)，其中，直徑12 mm鋼筋的編號(hào)對(duì)應(yīng)為1#～10#，直徑14 mm鋼筋的編號(hào)對(duì)應(yīng)為11#～20#，直徑16 mm鋼筋的編號(hào)對(duì)應(yīng)為21#～30#，直徑20 mm鋼筋的編號(hào)對(duì)應(yīng)為31#～40#。

本試驗(yàn)采用電化學(xué)法，鋼筋正中間5 cm長(zhǎng)區(qū)域用毛巾包裹好，整個(gè)過程中用滴管將5%Nacl溶液連續(xù)滴入毛巾中，打開穩(wěn)壓直流電源后，則可通過控制銹蝕時(shí)間T和電流大小I對(duì)鋼筋進(jìn)行不同程度的銹蝕，如圖1。本試驗(yàn)通過控制理論最大截面損耗率S來進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)，按式(1)計(jì)算理論最大截面損耗率，列于表1中。銹蝕完成后，按式(2)計(jì)算實(shí)際截面銹蝕度α，列于表1中。

圖1 試驗(yàn)鋼筋銹蝕布置

表1 試件銹蝕參數(shù)設(shè)計(jì)

(1)

式中：F為法拉第常數(shù)，取96 487 C/mol；I為平均電流強(qiáng)度，A；T為通電時(shí)間，s；ΔW理為理論上腐蝕所造成的金屬損失，g；R為鋼筋的公稱直徑，cm；l為銹蝕區(qū)域的寬度,cm；ρ為鋼筋的密度,g/cm3。

(2)

式中：ΔW實(shí)為實(shí)際腐蝕所造成的金屬損失，g；Ro為未銹蝕鋼筋的實(shí)測(cè)直徑，cm；Rc為銹蝕鋼筋銹蝕區(qū)域內(nèi)的實(shí)測(cè)最小直徑，cm。

1.2 試件SMFL信號(hào)采集

試件SMFL信號(hào)掃描采用自主設(shè)計(jì)的三維磁掃描裝置對(duì)鋼筋試件的空間磁信號(hào)進(jìn)行采集。該自動(dòng)化三維磁掃描裝置由支架、軌道、控制箱、磁掃描探頭和控制計(jì)算機(jī)組成。磁掃描探頭是由美國(guó)霍尼韋爾公司生產(chǎn)制造的三維智能數(shù)字磁力計(jì)，簡(jiǎn)稱HMR2300，它能夠檢測(cè)試件在不同方向上的磁感應(yīng)強(qiáng)度，并與計(jì)算機(jī)直接傳輸，最終輸出掃描路徑上數(shù)據(jù)采集點(diǎn)的空間坐標(biāo)x、y、z和磁場(chǎng)分量Bx、By、Bz，檢測(cè)精度達(dá)到1 mGs，如圖2。

圖2 三維磁掃描裝置

試件長(zhǎng)度方向沿著掃描裝置的y軸擺放，磁探頭沿y軸掃描獲取不同位置的空間磁信號(hào)。在試件SMFL信號(hào)采集試驗(yàn)中，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)內(nèi)設(shè)定掃描路徑和移動(dòng)速度，其中設(shè)定x軸坐標(biāo)為定值200 mm，y軸的掃描范圍是200～700 mm，z軸的掃描范圍是5～350 mm，而每個(gè)軸的移動(dòng)速度均為500 mm/min。為了研究HMR2300磁力計(jì)提離高度LFH對(duì)SMFL的影響，掃描了5、10、40、80、350 mm這5個(gè)掃描路徑的SMFL信號(hào)，如圖3。

圖3 掃描路徑

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

對(duì)40個(gè)試件銹蝕前后的SMFL信號(hào)進(jìn)行分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，y方向的磁感應(yīng)強(qiáng)度By和沿z方向的磁感應(yīng)強(qiáng)度Bz對(duì)鋼筋銹蝕比較敏感，且相關(guān)規(guī)律具有普適性，故主要分析SMFL信號(hào)By和Bz的分布情況。

以10# 試件為例，當(dāng)銹蝕度α接近或等于0時(shí)，各個(gè)提離高度的Bz曲線基本上是單調(diào)遞減，且基本都在曲線的兩端附近分別達(dá)到最值，如圖4；各個(gè)提離高度的By曲線基本呈現(xiàn)包絡(luò)狀且曲線互不相交，端部由于鋼筋切割導(dǎo)致部分損傷和應(yīng)力集中，其初始磁信號(hào)在受損處開始突變，呈現(xiàn)出不規(guī)律性，如圖5。當(dāng)銹蝕度α>0時(shí)，各個(gè)提離高度的Bz曲線的單調(diào)性在銹蝕區(qū)域發(fā)生改變，銹蝕處出現(xiàn)單調(diào)遞增的現(xiàn)象，且在銹蝕區(qū)域附近形成新的波峰和波谷，新的波峰和波谷之間的范圍可以作為判定銹蝕位置的依據(jù)，如圖6；各個(gè)提離高度的By曲線在銹蝕區(qū)域形成一個(gè)新的波谷，各曲線交點(diǎn)之間的范圍也可作為判定銹蝕位置的依據(jù)，如圖7。

圖4 當(dāng)α=0時(shí)，10#試件Bz試驗(yàn)曲線

在提離高度相同的前提下，隨著銹蝕度α增加，銹蝕區(qū)域的Bz曲線形成新的波峰和波谷，且新的波峰和波谷之間隨著銹蝕度α增加而越陡，波峰和波谷之間的斜率越高，如圖4、圖6；銹蝕區(qū)域的By曲線形成新的波谷，且新的波谷隨著銹蝕度α增加而越低，如圖5、圖7。當(dāng)采集裝置的提離高度LFH=350 mm 時(shí)，試件的銹蝕程度對(duì)SMFL信號(hào)的影響較小，可近似忽略。

圖5 當(dāng)α=0時(shí)，10# 試件By試驗(yàn)曲線

圖6 當(dāng)α=0.417時(shí)，10# 試件Bz試驗(yàn)曲線

圖7 當(dāng)α=0時(shí)，10# 試件By試驗(yàn)曲線

2.2 磁特征指標(biāo)的提取

為了建立磁信號(hào)與試件銹蝕度α之間的模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同銹蝕試件的定量檢測(cè)，需提取能夠反映銹蝕度α的磁特征指標(biāo)。由于提離高度(LFH)對(duì)磁感應(yīng)強(qiáng)度By、Bz具有較大影響。因此，在磁特征指標(biāo)的提取時(shí)，提離高度統(tǒng)一取為5 mm。如圖8(a)，銹蝕使曲線的梯度發(fā)生了由負(fù)到正的變化，斜率β可以反映試件的銹蝕程度，斜率β由式(3)計(jì)算可得。同時(shí)，如圖8(b)，波谷值Bymax可以反映試件的銹蝕程度，但是不同尺寸的試件具有不同的初始磁場(chǎng)。因此，定義了γ，以排除不同初始磁場(chǎng)的影響，具體計(jì)算見式(4)。其中，ΔBymax代表銹蝕區(qū)域波谷處的磁場(chǎng)增量，Bymax為銹蝕后波谷處的磁感應(yīng)強(qiáng)度，By0為該位置銹蝕前的磁感應(yīng)強(qiáng)度，B0為環(huán)境磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度，通常為常數(shù)，設(shè)為0 mGs。

圖8 試件磁特征指標(biāo)定義示意

定義磁特征指標(biāo)為：

(3)

(4)

將收集到的1#～40#試件SMFL信號(hào)，分別進(jìn)行提取和計(jì)算，得到磁特征指標(biāo)β和γ值，以此構(gòu)建反映銹蝕度α的磁特征矩陣，可二維表征α，以提高定量識(shí)別的精度。由圖9可知，隨著銹蝕度α的增大，磁特征指標(biāo)β、γ總體上呈上升趨勢(shì)，但是均存在不同程度的離散性?；诖?，筆者通過建立相應(yīng)的評(píng)價(jià)體系，對(duì)磁特征指標(biāo)β、γ與銹蝕度α之間的關(guān)系作深入探究。

圖9 所有試件磁特征指標(biāo)值隨α的變化趨勢(shì)

3 鋼筋銹蝕分級(jí)評(píng)估

3.1 鋼筋銹蝕程度的等級(jí)劃分

采用的是自發(fā)漏磁檢測(cè)技術(shù)，作為當(dāng)前無損檢測(cè)領(lǐng)域的最新技術(shù)之一，具有不需外加磁場(chǎng)、低成本、高效快捷等明顯優(yōu)勢(shì)。但是，該技術(shù)針對(duì)鋼筋銹蝕度的分類還沒有確切的標(biāo)準(zhǔn)，可以借鑒目前使用最為廣泛的電化學(xué)法的分類標(biāo)準(zhǔn)。

在鋼筋銹蝕檢測(cè)的工程實(shí)踐中，根據(jù)相關(guān)檢測(cè)評(píng)定規(guī)程[9]，利用電化學(xué)法測(cè)得的半電池電位值大小可作為其銹蝕程度的評(píng)定依據(jù)，主要分為5個(gè)等級(jí)。如果半電池電位值不小于-200 mV時(shí)，銹蝕等級(jí)可判定為Ⅰ級(jí)，此時(shí)鋼筋大概率無銹蝕；如果半電池電位值介于-300～-200 mV之間時(shí)，銹蝕等級(jí)可判定為Ⅱ級(jí)，此時(shí)鋼筋可能有銹蝕，但不知鋼筋銹蝕的程度；如果半電池電位值介于-400～-300 mV之間時(shí)，銹蝕等級(jí)可判定為Ⅲ級(jí)，鋼筋有超過90%的概率出現(xiàn)銹蝕；如果電位值介于-400～-500 mV之間時(shí)，銹蝕等級(jí)可判定為Ⅳ級(jí)，鋼筋大概率出現(xiàn)嚴(yán)重銹蝕的狀況；如果半電池電位值小于-500 mV時(shí)，銹蝕等級(jí)可判定為Ⅴ級(jí)，此時(shí)構(gòu)件在銹蝕的位置存在開裂情況。但是半電池電位法更多的是對(duì)鋼筋銹蝕的定性檢測(cè)和模糊的定量分類，而自發(fā)漏磁檢測(cè)技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)鋼筋銹蝕更清晰地定量復(fù)合分類。

通過參考XIA Runchuan等[10]對(duì)鋼絞線銹蝕等級(jí)評(píng)估的研究成果，結(jié)合電化學(xué)法的分類標(biāo)準(zhǔn)，筆者依據(jù)銹蝕度α的大小對(duì)鋼筋銹蝕程度進(jìn)行分級(jí)，總共分為4個(gè)等級(jí)，見表2。

表2 鋼筋的銹蝕度α分類

3.2 磁特征指標(biāo)判別銹蝕等級(jí)

通過分析、整理銹蝕度α與磁特征指標(biāo)β、γ表征關(guān)系，總結(jié)出描述結(jié)構(gòu)銹蝕程度的評(píng)價(jià)指標(biāo)，提出鋼筋銹蝕評(píng)價(jià)體系，并對(duì)鋼筋銹蝕程度進(jìn)行分級(jí)，并給出了相應(yīng)等級(jí)的準(zhǔn)確率。由表3、表4可知，磁特征指標(biāo)β、γ單一指標(biāo)判別的準(zhǔn)確率均為80%，整體評(píng)價(jià)體系具有一定的可信度，但單一指標(biāo)對(duì)中度銹蝕程度判別的準(zhǔn)確率最低。由表5可知，磁特征指標(biāo)β、γ綜合判別準(zhǔn)確率為92.5%，相比單一指標(biāo)判別準(zhǔn)確率提高了15%，特別是中度銹蝕程度的判別準(zhǔn)確率最多提高了50%，評(píng)價(jià)體系具有較高的可信度。因此，后續(xù)試驗(yàn)采取磁特征指標(biāo)β、γ綜合判別的方法進(jìn)行。為驗(yàn)證評(píng)價(jià)體系的準(zhǔn)確性，同時(shí)，也為提高評(píng)價(jià)體系的精確度，筆者采用支持向量機(jī)多分類模型進(jìn)行銹蝕等級(jí)的預(yù)測(cè)。

表3 β判別準(zhǔn)確率

表4 γ判別準(zhǔn)確率

表5 β和γ綜合判別準(zhǔn)確率

4 基于SVM的銹蝕評(píng)估驗(yàn)證

4.1 SVM原理

支持向量機(jī)是一種以結(jié)構(gòu)風(fēng)險(xiǎn)最小化為基礎(chǔ)的模式識(shí)別算法，克服了在傳統(tǒng)機(jī)器學(xué)習(xí)中維數(shù)災(zāi)難等問題。相關(guān)研究表明，SVM在處理小樣本數(shù)據(jù)集中的分類問題上具有明顯優(yōu)勢(shì)，其基本理論是將相關(guān)樣本或數(shù)據(jù)集輸入到指定的特征空間，然后將其映射到高維特征空間中，在這個(gè)高維特征空間中求解最優(yōu)的分類超平面，該平面需要滿足既具有相當(dāng)?shù)姆诸悳?zhǔn)確度，同時(shí)又能使超平面兩側(cè)的分類間隔最大[11]。最優(yōu)的分類超平面問題式(5)具有等價(jià)關(guān)系，因此，SVM要求解的最優(yōu)化問題，等同于求解式(5)：

(5)

(6)

式中：δj為lagrange乘子，對(duì)應(yīng)的內(nèi)積核函數(shù)P(xi，xj)。在內(nèi)積核函數(shù)眾多類型中，應(yīng)用最為廣泛的且分類效果最理想的函數(shù)是RBF函數(shù)。因此，RBF核函數(shù)作為SVM算法的核函數(shù)[12]，見式(7)：

P(xi,xj)=exp(-μ‖xi-xj‖2)

(7)

式中：μ為核函數(shù)待定參數(shù)。υ和μ對(duì)分類的精度有較大影響，因此，需要采用網(wǎng)絡(luò)搜索尋優(yōu)法來使參數(shù)υ和μ最優(yōu)化。

4.2 SVM多分類算法實(shí)現(xiàn)

從1#～40# 試件中隨機(jī)選取30個(gè)試件作為訓(xùn)練組，剩余10個(gè)試件作為測(cè)試組，訓(xùn)練組的銹蝕等級(jí)和β、γ均已知，測(cè)試組的β、γ已知，假設(shè)其銹蝕等級(jí)未知，需要我們來預(yù)測(cè)。用支持向量機(jī)對(duì)訓(xùn)練組的銹蝕等級(jí)和β、γ進(jìn)行深入分析并建立相應(yīng)的分類模型，再將此分類模型用來對(duì)測(cè)試組的試件進(jìn)行銹蝕度分類。采用LIBSVM工具箱實(shí)現(xiàn)SVM的多分類算法，將上述訓(xùn)練組的銹蝕等級(jí)作為類別標(biāo)簽，磁特征指標(biāo)β、γ作為特征值輸入，SVM多分類算法的具體實(shí)現(xiàn)流程，如圖10；由表6可知，SVM多分類模型對(duì)測(cè)試組的樣本進(jìn)行了銹蝕等級(jí)預(yù)測(cè)，在10個(gè)測(cè)試樣本中，只有35#樣本的銹蝕等級(jí)預(yù)測(cè)錯(cuò)誤，預(yù)測(cè)精度達(dá)到90%，且預(yù)測(cè)錯(cuò)誤的銹蝕等級(jí)和真實(shí)的銹蝕等級(jí)較為接近，該評(píng)價(jià)體系具有可信度。

圖10 SVM算法流程

表6 測(cè)試組試件的輸出的銹蝕等級(jí)與實(shí)際銹蝕等級(jí)對(duì)比

5 結(jié) 論

通過對(duì)在不同銹蝕狀態(tài)下4種直徑的試件進(jìn)行自發(fā)漏磁信號(hào)采集試驗(yàn)，分析了鋼筋銹蝕度α與By、Bz之間的關(guān)系，重點(diǎn)探究了試件的銹蝕度α和磁特征指標(biāo)β、γ之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，建立了鋼筋銹蝕等級(jí)和磁特征指標(biāo)β、γ之間的評(píng)價(jià)體系，具體結(jié)論為：

1)對(duì)試件銹蝕前后的磁感應(yīng)強(qiáng)度By、Bz進(jìn)行了探究，發(fā)現(xiàn)當(dāng)提離高度一定時(shí)，磁特征指標(biāo)值β、γ和鋼筋試件的銹蝕度α具有較強(qiáng)的相關(guān)性，以此作為表征試件銹蝕度α的二維磁特征值，隨著銹蝕度α的增加，磁特征指標(biāo)值β、γ整體呈遞增趨勢(shì)，但都具有一定離散性。

2)通過分析銹蝕度α與磁特征指標(biāo)β、γ表征關(guān)系，建立了鋼筋銹蝕等級(jí)和磁感應(yīng)強(qiáng)度By、Bz之間的評(píng)價(jià)體系。通過對(duì)評(píng)價(jià)體系的分析，發(fā)現(xiàn)磁特征指標(biāo)β、γ綜合判別準(zhǔn)確率達(dá)到92.5%，具有較高的可信度。

3)通過引入SVM統(tǒng)計(jì)學(xué)習(xí)算法，對(duì)評(píng)價(jià)體系的準(zhǔn)確性進(jìn)行評(píng)估。對(duì)測(cè)試組的試件進(jìn)行相關(guān)的評(píng)估和分類，準(zhǔn)確率也達(dá)到90%。相關(guān)模型結(jié)果證明了該評(píng)價(jià)體系具有可信度，可為在役橋梁的運(yùn)營(yíng)管理提供參考。