浅谈结构界面损伤监测技术

赵普天

大连市市政设计研究院有限责任公司 辽宁大连 116011

近年来，随着由于结构界面损伤给结构带来的危害愈加多见，在结构界面方面的健康监测已经引起了全世界学者的关注。目前，对钢筋混凝土结构的耐久性研究也相对滞后。1974年的国际材料与结构试验研究联合会（RILEM）和1991年的第二届国际混凝土耐久性会议最具代表意义，在国际材料与结构试验研究联合会中提出了首份钢筋锈蚀的研究现状报告，而在第二届国际混凝土耐久性会议上，Metha教授指出，造成混凝土损坏的主要原因是钢筋腐蚀，其次是冻害和物理化学作用。

根据组合界面形式的不同，组合结构界面的损伤大致分为：界面粘结裂缝与损伤、界面滑移，界面分离等。对于这些组合结构界面损伤无损监测技术问题，主要分为以下六种监测方法。

1 超声波界面探测技术

超声波检测技术已经在结构体界面的监测上取得了成功，它主要是利用发射超声波并在碰到障碍物后产生回波，通过在时域上比较发射声波与回波的异同，得到被测物与发射源的距离，从而实现探测目的。Algernon基于超声波回波理论，利用激光扫描振动器获得了混凝土内部的二维图像。Berriman则利用时间频率分析的方法成功地确定了混凝土内部与10mm直径金属钢筋的界面位置。Schickert与Stepinski分别利用了合成孔径聚焦法，实现了对混凝土内部的成像化处理，从而找到其内部不同位置的埋藏物。虽然现在的超声波监测技术已经有了一些应用，但在对组合结构界面进行无损监测时，现有的超声波检测技术仍然存在以下不足：（1）当混凝土内部不均匀、出现空洞等情况时，超声波检测可能无法得到预期的信号；（2）由于目前的超声波监测技术都是在混凝土外表面进行，因此，在对大型混凝土结构进行内界面监测时，超声波法很难测到理想的距离；（3）在应用合成孔径聚焦法对混凝土内部成像时，需要在结构体外使用超声波发射仪与传感器，不能对结构界面进行实时监测。

2 红外线热像技术

红外线热像是一种无损探伤检测技术，只要被测目标与周围环境表现出不同的热力学特性，使用红外热像技术都可以将其检测出来。例如，在结构界面的损伤监测中，可以将混凝土界面间的缺陷位置检测出来。Grande将双频带红外成像探测技术（DBIR）应用在对混凝土内部与钢筋界面的腐蚀监测中。Cheng基于红外热像技术，成功地实现了对混凝土人为内嵌目标的界面定位。但是，红外线热像技术在对界面损伤进行监测时，存在以下缺点：（1）由于红外线在混凝土内的衰减非常迅速，使得此技术的探测距离有限；（2）在复杂界面下，比如多连接件情况下，红外线探测技术的结果往往不准确；（3）红外线热像法需要外置红外线发射仪，并使用高昂的人工和仪器费用，且无法实现对结构界面实时监测[1]。

3 电磁波脉冲探测技术

电磁波脉冲雷达探测技术已经用于对道路上裂缝、道路基面、垫层的监测中。由于电磁波雷达的工作频率一般都在GHz，所以，此方法对目标界面的探测精度较高。Zhu，Xu利用探地雷达原理，成功检测出混凝土道路内钢筋界面的具体位置。Feng利用红外微波成像法成功地实现了对混凝土与其中的玻璃钢外套界面损伤检测，Kim则利用三维微波成像方法探测到混凝土中钢筋和销的位置。电磁波脉冲探测技术存在以下不足：（1）电磁波在混凝土中的衰减较大，因此，探测距离不远；（2）电磁波发射仪器造价昂贵而且难以运输；（3）电磁波对金属缺陷非常敏感，但对混凝土内界面间存在的裂缝、空洞等损伤情况则无法检测。

4 激光探测技术

激光剪切成像方法（LSM）也可应用于混凝土内部界面损伤成像监测。这种方法可以把混凝土表层的不可视细微裂缝通过成像的方法检测出来。Teza利用激光扫描仪，对混凝土表面的损伤进行测量，寻找混凝土表面的裂缝位置。相比之前的几种无损探伤技术，激光探测技术的缺点则是它只能对混凝土表层进行损伤测量，无法应用在组合结构界面的健康监测中。

5 基于压电陶瓷材料主动传感监测技术

基于压电陶瓷材料的主动传感监测技术是近年来比较流行的一种无损监测方法。Song基于压电陶瓷材料的特性，开发了智能骨料传感器并将其应用于混凝土结构健康监测中。Xu利用智能骨料主动传感技术和能量分析法监测到了钢板和混凝土界面间的粘合松紧度。在用智能骨料主动传感进行界面健康监测时，由于智能骨料可以预先在混凝土浇筑前放置于关键位置，因此，它可用于大型结构体的界面监测。但针对结构界面的非均匀、非线性的特征，主动传感技术的监测准确度会受到影响。

6 基于压电材料传感器阻抗法监测技术

压电材料传感器阻抗监测技术也是近年来比较流行的一种对结构体损伤的监测方法。均方根差（RMSD）的应用，使得阻抗法技术能够对结构体界面损伤的程度进行一定的量化比对。Tawie则基于压电材料传感器阻抗法对钢筋混凝土内部钢筋与混凝土接触的边界松紧度进行了监测并取得了理想的结果。尽管压电材料传感器阻抗法能够在一定程度监测到界面损伤的程度，但由于组合结构界面往往存在不均匀以及非线性特征，这种基于传感器阻抗的方法仍存在着一定的测量误差[2-3]。

7 结论与展望

随着社会的不断进步和发展，人类对物质文明生活有着更高的追求，使得大型混凝土结构不断涌现，混凝土结构也变得越来越复杂。对于大型结构体系，需要关注其健康状态，尤其是在复杂的环境状态下。因此，提出一种能够稳定快捷，简单有效的结构界面损伤监测方法迫在眉睫，需要科研工作者与工程相关人员共同开发和努力。