基于微波無(wú)損檢測(cè)的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)腐蝕檢測(cè)

摘 要：為進(jìn)一步提高鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)腐蝕檢測(cè)效率，本文提出基于微波無(wú)損的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)銹蝕檢測(cè)方法，通過(guò)微波信息的變化來(lái)評(píng)估鋼筋的銹蝕狀態(tài)，并建立微波無(wú)損檢測(cè)模擬試驗(yàn)平臺(tái)，制作不同腐蝕長(zhǎng)度和深度的鋼筋混凝土試驗(yàn)?zāi)Ｐ?。結(jié)果表明，當(dāng)波導(dǎo)垂直放置進(jìn)行微波掃頻檢測(cè)時(shí)，可以通過(guò)S21振幅的變化來(lái)識(shí)別鋼筋的腐蝕深度，但當(dāng)檢測(cè)頻率過(guò)大時(shí)，由于微波衰減過(guò)大，檢測(cè)效果會(huì)減弱，當(dāng)矩形波導(dǎo)水平放置時(shí)，波導(dǎo)開(kāi)口長(zhǎng)度為46mm，因此可以區(qū)分腐蝕長(zhǎng)度為20mm和60mm的試驗(yàn)?zāi)Ｐ?。?dāng)腐蝕長(zhǎng)度為60mm和100mm時(shí)，腐蝕缺陷的長(zhǎng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于波導(dǎo)的開(kāi)口長(zhǎng)度。

關(guān)鍵詞：微波無(wú)損檢；鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)；腐蝕檢測(cè)

中圖分類號(hào)：TU 37" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

鋼筋混凝土的腐蝕檢測(cè)方法有很多種，例如半電池電位檢測(cè)法、線性極化檢測(cè)法等[1-2]?，F(xiàn)有的腐蝕檢測(cè)方法難以滿足建筑設(shè)備基礎(chǔ)的檢測(cè)要求。而微波無(wú)損檢測(cè)方法具有能耗低、穿透力強(qiáng)、無(wú)接觸、設(shè)備體積和質(zhì)量小等優(yōu)點(diǎn)。在建筑設(shè)備混凝土結(jié)構(gòu)腐蝕檢測(cè)中具有較高的應(yīng)用價(jià)值。

目前，對(duì)微波無(wú)損檢測(cè)方面已經(jīng)有大量研究。樊瑋潔等[3]使用頻率為8GHz～12GHz的微波信號(hào)檢測(cè)鋼筋混凝土的腐蝕情況，驗(yàn)證遠(yuǎn)程現(xiàn)場(chǎng)微波無(wú)損檢測(cè)技術(shù)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(hào)照射不同腐蝕條件下的鋼筋混凝土試塊，結(jié)果表明，腐蝕會(huì)導(dǎo)致微波傳輸能量降低和傳輸時(shí)間延遲。周穎等[5]對(duì)主動(dòng)微波紅外熱成像技術(shù)檢測(cè)和表征銹蝕鋼筋外露銹蝕的能力進(jìn)行初步研究，發(fā)現(xiàn)銹蝕比例越高，微波能量吸收越大。雖然目前的研究可以對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)腐蝕與非腐蝕進(jìn)行識(shí)別，但對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)腐蝕定量檢測(cè)的研究較少?；诖耍疚睦梦⒉⊕哳l和移動(dòng)掃描檢測(cè)方式，提出定量檢測(cè)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)腐蝕缺陷的方法，進(jìn)一步驗(yàn)證微波無(wú)損檢測(cè)方法檢測(cè)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)腐蝕缺陷的可行性。

1 微波無(wú)損技術(shù)的腐蝕檢測(cè)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(dāng)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)存在腐蝕缺陷時(shí)，微波信號(hào)會(huì)在混凝土、腐蝕層和鋼筋界面之間發(fā)生反射。圖1是微波輻照銹蝕鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的示意圖，包括三層介質(zhì)，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(cè)試平臺(tái)和方法

2.1 鋼筋混凝土試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

混凝土中鋼筋的實(shí)際腐蝕過(guò)程十分復(fù)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(chǎn)物的成分相對(duì)復(fù)雜，包括Fe2O3、Fe3O4、α-FeOOH、β-FeOOH和γ-FeOOH。其中，F(xiàn)e2O3和Fe3O4為主要成分。因此，混合Fe2O3和Fe3O4粉末來(lái)模擬實(shí)際鐵銹?；旌媳壤謩e為60%和40%。

根據(jù)輸變電基礎(chǔ)設(shè)施的實(shí)際情況，選用HRB400型鋼筋，其公稱直徑為22mm。鋼筋腐蝕后，直徑會(huì)縮小，腐蝕產(chǎn)物會(huì)附著在外表面。因此，通過(guò)縮小直徑，填充鐵銹粉末來(lái)模擬不同腐蝕缺陷的鋼筋，實(shí)施方法見(jiàn)表1。鋼筋混凝土試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷某叽绶謩e為150mm、150mm和300mm，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30。在制作試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷倪^(guò)程中，不同銹蝕缺陷的鋼筋位于鋼筋混凝土試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷闹行奈恢谩?/p>

2.2 微波探測(cè)測(cè)試平臺(tái)

2.2.1 測(cè)試平臺(tái)和布局

鋼筋混凝土腐蝕微波檢測(cè)試驗(yàn)平臺(tái)主要包括矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀、矩形波導(dǎo)、活動(dòng)支架、同軸線和鋼筋混凝土試驗(yàn)?zāi)Ｐ汀０步輦怑5071C型矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀用于生成和處理微波信號(hào)，其動(dòng)態(tài)范圍大于123dB，工作頻率為100kHz～8.5GHz。矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的1號(hào)和2號(hào)端口分別為微波信號(hào)輸出端口和輸入端口。在檢測(cè)過(guò)程中，將微波功率設(shè)置為10dBm。用矩形波導(dǎo)發(fā)射和接收微波，通過(guò)同軸電纜與矩形波導(dǎo)連接矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的端口1和2。將波導(dǎo)固定在活動(dòng)支架的滑塊上。用活動(dòng)支架控制波導(dǎo)的移動(dòng)距離和方向，可實(shí)現(xiàn)X、Y、Z方向移動(dòng)，利用移動(dòng)波導(dǎo)可實(shí)現(xiàn)移動(dòng)掃描檢測(cè)。

2.2.2 檢測(cè)方法

鋼筋混凝土試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷臋z測(cè)方法主要有兩種，分別是波導(dǎo)掃頻檢測(cè)法和移動(dòng)掃描檢測(cè)法。掃頻檢測(cè)法是將波導(dǎo)置于試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛢蓚?cè)的中心位置，檢測(cè)過(guò)程中波導(dǎo)的位置保持不變。用4GHz～6GHz全頻段微波掃頻檢測(cè)獲得參數(shù)變化。波導(dǎo)的放置方法有水平放置（波導(dǎo)長(zhǎng)邊平行于鋼筋）和垂直放置（波導(dǎo)長(zhǎng)邊垂直于鋼筋）兩種。移動(dòng)掃描檢測(cè)方法利用兩根波導(dǎo)平齊地放置在測(cè)試模型的兩側(cè)，并同步移動(dòng)。在檢測(cè)過(guò)程中，波導(dǎo)從測(cè)試塊的一側(cè)水平移動(dòng)到另一側(cè)，每次移動(dòng)距離為1cm，并用4GHz～6GHz全頻段微波掃頻檢測(cè)，獲得S參數(shù)振幅隨波導(dǎo)位置的變化規(guī)律。

3 結(jié)果與討論

3.1 腐蝕深度的檢測(cè)效果

當(dāng)腐蝕長(zhǎng)度為60mm，腐蝕深度為0mm、3mm、6mm、9mm和11mm時(shí)，水平放置波導(dǎo)掃頻檢測(cè)的結(jié)果如圖2所示。鋼筋銹蝕后，S11反射系數(shù)明顯增加，最大反射系數(shù)為-68dB，而S21透射系數(shù)明顯減少，但不同銹蝕深度試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷腟11和S21之間沒(méi)有明顯的規(guī)律性。當(dāng)腐蝕深度為3～11mm時(shí)，S21的振幅差異較小，沒(méi)有明顯的規(guī)律。由此可見(jiàn)，水平放置波導(dǎo)進(jìn)行微波頻率掃描檢測(cè)時(shí)，可以識(shí)別鋼筋的腐蝕情況，但無(wú)法識(shí)別鋼筋的腐蝕深度。

當(dāng)波導(dǎo)垂直放置時(shí)，不同腐蝕深度試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷奈⒉⊕哳l檢測(cè)結(jié)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(méi)有明顯的規(guī)律，這與波導(dǎo)水平放置的檢測(cè)結(jié)果類似。但S21的振幅明顯減少，并呈現(xiàn)出一定的規(guī)律性。當(dāng)腐蝕深度為3mm～11mm時(shí)，S21的振幅隨著腐蝕深度增加而增加。當(dāng)檢測(cè)頻率為4GHz～5GHz時(shí)，在相同頻率下，鋼筋腐蝕深度每增加3mm，S21的振幅就會(huì)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(hào)會(huì)產(chǎn)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(nèi)無(wú)銹蝕鋼筋直徑變小，對(duì)微波信號(hào)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(jiàn)，當(dāng)波導(dǎo)垂直放置進(jìn)行微波掃頻檢測(cè)時(shí)，可以通過(guò)S21振幅的變化來(lái)識(shí)別鋼筋的腐蝕深度，但當(dāng)檢測(cè)頻率過(guò)大時(shí)，由于微波衰減過(guò)大，因此檢測(cè)效果較差。

3.2 腐蝕長(zhǎng)度的檢測(cè)效果

當(dāng)腐蝕深度為6mm，腐蝕長(zhǎng)度為0mm、20mm、60mm和100mm時(shí)，水平波導(dǎo)放置的微波掃頻檢測(cè)結(jié)果如圖4所示。從圖4可以看出，S11的振幅隨著腐蝕長(zhǎng)度增加而增加，但腐蝕模型之間的差異很小，沒(méi)有明顯的規(guī)律。鋼筋腐蝕后，S21的幅值明顯減少，當(dāng)頻率為4GHz～6GHz時(shí)超過(guò)8dB。當(dāng)螺紋鋼的腐蝕長(zhǎng)度為20mm時(shí)，4GHz～6 GHz頻率下的S21振幅遠(yuǎn)大于螺紋鋼腐蝕長(zhǎng)度為60mm和100 mm時(shí)的S21振幅，而且隨著頻率增加，兩者的差異也在變大。腐蝕長(zhǎng)度為60 mm和100 mm時(shí)的S21曲線在整個(gè)頻段內(nèi)基本一致。分析表明，當(dāng)矩形波導(dǎo)水平放置時(shí)，波導(dǎo)開(kāi)口長(zhǎng)度為46 mm，因此可以區(qū)分腐蝕長(zhǎng)度為20 mm和60 mm的試驗(yàn)?zāi)Ｐ?。?dāng)腐蝕長(zhǎng)度為60 mm和100 mm時(shí)，腐蝕缺陷的長(zhǎng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于波導(dǎo)的開(kāi)口長(zhǎng)度。

4 結(jié)論

鋼筋混凝土銹蝕后，微波S參數(shù)會(huì)發(fā)生明顯變化，通過(guò)S參數(shù)的變化可以識(shí)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(dǎo)的提升距離過(guò)大會(huì)導(dǎo)致S21出現(xiàn)較大衰減，影響檢測(cè)精度。當(dāng)波導(dǎo)的提升距離為0～6mm時(shí)，探測(cè)效果較好。

水平放置矩形波導(dǎo)時(shí)，微波掃頻檢測(cè)可以識(shí)別鋼筋混凝土是否銹蝕，但無(wú)法識(shí)別鋼筋的銹蝕深度。當(dāng)波導(dǎo)垂直放置時(shí)，微波掃頻檢測(cè)對(duì)鋼筋銹蝕深度的檢測(cè)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(dǎo)對(duì)鋼筋腐蝕長(zhǎng)度的檢測(cè)效果優(yōu)于垂直放置的波導(dǎo)，但當(dāng)腐蝕長(zhǎng)度遠(yuǎn)大于波導(dǎo)開(kāi)口長(zhǎng)度時(shí)，檢測(cè)效果會(huì)變差。

參考文獻(xiàn)

[1]王政.鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)工程質(zhì)量檢測(cè)鑒定的非破壞性方法研究[J].工程質(zhì)量，2024，42（增刊1）：108-111，120.

[2]焦揚(yáng)，鄭寒英，李安亮.裝配式混凝土結(jié)構(gòu)施工現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)技術(shù)體系研究[J].重慶建筑，2024，23（5）：74-77.

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

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

[5]周穎，孟詩(shī)喬，孔慶釗，等.建筑結(jié)構(gòu)損傷智能檢測(cè)與響應(yīng)智能預(yù)測(cè)研究綜述[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，2024，45（6）：107-132.