基于超声尾波法的钢筋混凝土腐蚀监测研究

吕 铎, 徐嘉豪, 胡宏伟, 易善昌, 王 磊

(1. 长沙理工大学 汽车与机械工程学院,长沙 410114; 2. 长沙理工大学 土木工程学院,长沙 410114)

在建筑、桥梁等工程基础设施中,钢筋混凝土(reinforced concrete, RC)是应用最广泛的结构材料[1]。钢筋腐蚀是RC结构承载能力丧失、结构性能劣化最主要的原因之一[2-5]。正常条件下,RC结构内部的碱性环境为内部钢筋表面提供一层致密的钝化膜,以保护其免受腐蚀,而当外界氯化物等渗入结构内部时会引起pH值下降,从而导致钝化膜被破坏[6]。在空气和水的作用下,钢筋受到氯离子侵蚀[7]发生电化学反应,腐蚀产物的体积为原体积的2倍～6倍。因而,腐蚀产物的积累膨胀在钢筋周围产生应力致使混凝土结构开裂[8-10],大大降低RC结构的承载能力和使用寿命。因此,如何在腐蚀开裂的初期尽早检测出腐蚀情况,对于确保RC结构应用的安全可靠具有重要意义。

近年来,超声检测技术凭借其无损、可操作性强、穿透能力强、稳定性高等优点[11],被广泛应用于RC结构腐蚀检测领域。Antonaci等[12]通过比例减法进行线性和非线性超声测量,表明在换能器对侧布置情况下非线性弹性特性对腐蚀裂纹变化非常敏感,但是在同侧布置情况下对裂纹不敏感,该方法在混凝土检测实际应用中换能器布置方式受限。Jiang等[13]将压电陶瓷换能器嵌入预应力混凝土结构,通过超声波监测腐蚀过程,并基于小波包的能量指数反映出不同腐蚀阶段,但是通常较大裂纹或者较多裂纹的叠加产生才能反映出能量变化,细微裂纹的产生可能不足以引起可见的能量波动,因而该方法对于识别腐蚀的初始开裂阶段敏感性不高。Xu等[14]通过对钢筋腐蚀前后的RC试件进行超声波测速,将超声速度、混凝土强度等作为输入参数进行人工神经网络训练,进行腐蚀损伤预测。但由于超声波在混凝土结构中传播时的多重散射,混凝土中粗骨料等散射体会使超声脉冲的传播路径发生改变,从而导致超声传播速度存在偏差,影响模型预测的准确性。

“尾波干涉”的概念最早由Snieder等[15]提出,通过将散射介质用作干涉仪,利用尾波干涉法(coda wave interference,CWI)分析扰动前后的波形变化,反映出尾波干涉对介质变化极高的敏感性。随后,Larose等[16]通过扩散尾波监测了混凝土弱应力变化,在对混凝土试件进行单轴加载试验中,对于较弱的荷载应力变化(50 kPa),其相对速度变化的分辨率可达0.002%。Schurr等[17]结合CWI与声弹性测量表征混凝土中的热损伤和动态循环加载损伤,观察到相对速度变化随损伤程度的增大而显著增加,证明了CWI可以用于表征水泥基材料损伤。Niederleithinger等[18]在对大型混凝土梁的载荷测试中发现,在梁接近失效破裂而发生剧烈变化时,CWI可能由于前后波形相差过大而不再适用,将尾波干涉法修改为采用逐步计算的逐步尾波干涉法,进一步增加了CWI的应用范围。Hu等[19]在利用尾波对混凝土单轴载荷应力监测中,对逐步尾波干涉的伸缩因子累加方法进行了重新推导,以精确计算相对速度变化Δv/v,提高了逐步尾波干涉理论的准确性。Zhan等[20]在对钢筋混凝土梁的静载荷测试中,基于CWI对桥梁裂缝进行了Locadiff无损成像,成像结果与结构力学预测的贯穿裂纹的表面结果展现出良好的一致性。

近几年,凭借CWI对介质损伤变化的高度敏感性,该方法在诸多领域得到了应用和发展。Chen等[21-22]将CWI方法用于螺栓预紧力的早期松动监测,检测分辨率高达0.326%,基于该方法的预紧力检测灵敏度比基于能量的小波包分解方法高出约6倍,表明CWI在监测螺栓松动方面的敏感性。Farin等[23]将CWI用于由盐水腐蚀导致的钢结构的厚度损失测量,量化尾波随时间拉伸的参数和腐蚀表面之间显示出良好的相关性。以上研究显示出CWI在材料微小损伤监测方面存在的潜力与研究价值。CWI方法对于监测RC结构腐蚀引起的如裂缝等更为复杂的损伤问题,特别是早期损伤检测的可行性,目前还有待研究。

针对上述超声腐蚀检测存在的腐蚀裂缝识别敏感性不高、声速偏差等问题,本文提出一种基于逐步尾波干涉的RC结构腐蚀监测方法,此方法能够避免声速偏差问题,同时对微小损伤具有非常高的敏感性。本文工作如下:首先结合超声尾波在混凝土中传播散射现象,引入超声尾波法原理;其次,搭建快速腐蚀试验系统对RC试件进行超声监测,对不同腐蚀率下的尾波监测数据进行对比分析,同时考虑不同换能器布置方式对尾波监测的影响,探究超声尾波法用于监测RC结构腐蚀开裂的可行性与敏感性。

1 超声尾波法原理

混凝土是一种非均质强散射材料[24],如图1所示为超声波在混凝土中传播示意图,超声波通过换能器激发后,在混凝土结构内部以弹性波的形式与骨料、砂子等聚集体之间发生多次相互作用,形成传播距离更远的多重散射波,在波形图上表现为包含结构细微变化信息的“尾波”。

图1 混凝土中超声传播示意图Fig.1 Schematic diagram of ultrasonic propagation in concrete

如图2(a)所示为前后两次采集的信号对比图,前一次采集的信号为参考信号,后一次采集的信号为扰动信号。如图2(b)所示,在信号的早期主要为直达波部分,扰动信号与参考信号相比基本没有发生变化,不能反映出腐蚀情况;如图2(c)所示为信号的后期尾波部分,扰动信号明显相对参考信号发生了相位偏移,这说明扰动后的超声速度发生变化,也反映出尾波对细微变化的高度敏感性。

图2 参考信号与扰动信号波形对比Fig.2 Comparison of waveform between reference signal and disturbance signal

CWI的原理是将前后两次采集到的超声信号进行互相关分析,主要分为互相关法和拉伸法。互相关法最早用于地球物理中测定速度变化,它假设在选定的时间窗口内超声波形的相位偏移是恒定的;后来Lobkis等[25]提出了一种更符合实际的方法,称为拉伸法。虽然互相关法计算效率高,但拉伸法更精确,并且具有更好的噪声鲁棒性,能应对更复杂的噪声环境[26]。拉伸法认为超声速度变化会导致波形沿时间轴伸缩,并用不同的伸缩因子α来拉伸参考信号u0(t),在时间窗口[tA,tB]内计算扰动信号ui(t)与所有伸缩后的信号u0(t(1+α))之间的互相关系数,如式(1)所示

(1)

使得互相关系数Kc(α)为最大值时的伸缩因子αmax即为相对速度变化Δv/v,如式(2)所示

(2)

去相关系数是在考虑了声速相位偏移进行CWI计算之后,其他因素引起的尾波变化的剩余失真。去相关系数Kd由式(3)计算[27]

Kd=1-Kc(αmax)

(3)

通常在进行CWI分析时,选择初始信号作为参考信号与其他扰动信号分别进行互相关,最大互相关系数Kc(αmax)代表了两个信号之间的相似度。Kc(αmax)越小,说明两信号之间的失真程度越大,当失真过大时,波形伸缩处理将变得不符合实际,CWI不再适用。为此,研究人员提出了逐步尾部干涉法[28-29],该方法将整个变化过程进行拆分,每一步i中将前一个信号ui-1(t)作为参考信号与当前信号ui(t)进行计算求出每一步的伸缩因子αi,然后将每一步的伸缩因子进行累加,得到整个过程的相对速度变化。逐步尾波干涉法计算的每一步都保证了信号之间较高的相关系数,因此计算结果更准确。本文在对钢筋进行快速腐蚀试验中,采用逐步尾波干涉法进行分析,伸缩因子累加公式为

(4)

2 试验设置

2.1 试样制作

本试验浇筑了抗压强度为C30的钢筋混凝土试样,混凝土的横截面尺寸为100 mm×100 mm,长度为570 mm,在混凝土内部嵌入一根直径为20 mm的螺纹钢,混凝土保护层厚度为30 mm。试样固化时间为28 d,混凝土配合比如表1所示。

表1 混凝土配合比Tab.1 Concrete mix ratio

2.2 快速腐蚀方法

本文采用外加电流技术[30]开展RC腐蚀试验,通过人工通电对构件进行快速腐蚀。在进行快速腐蚀之前,提前3 d将构件浸泡在质量分数为5%的氯化钠溶液中,从而使氯离子渗入混凝土内部。快速腐蚀试验装置包括电流箱、导电电线、铜棒和钢筋。在电流作用下,钢筋作为阳极失去电子发生氧化反应而腐蚀,阴极则通过铜棒接入溶液中发生还原反应。在整个腐蚀过程中,电流箱电流被恒定在0.2 A。快速腐蚀试验装置示意图如图3所示。

图3 快速腐蚀试验装置示意图Fig.3 Schematic diagram of accelerated corrosion experiment device

2.3 试验设置

RC腐蚀试验布置示意图和现场图如图4(a)和图4(b)所示,AFG2021任意函数发生器作为超声信号的发射端,发射一个频率为125 kHz的正弦脉冲信号,激励幅值为100 mV,信号通过前置功率放大器进行50 dB的增益放大,由DPR300脉冲函数发射/接收器进行接收。采用M4i.4420-X8高速数据采集卡对信号进行采集,采样频率为15.6 MHz,进行50次重复数据采集求平均值,以减少噪声干扰。

图4 钢筋混凝土快速腐蚀试验Fig.4 Accelerated corrosion experiment of reinforced concrete

为了降低恶劣环境对换能器的影响,钢筋腐蚀监测通常采用铅锆钛氧化物(PbZrxTi1-xO3,PZT)等压电陶瓷材料[31],并将PZT包裹在水泥/聚合物材料或大理石中,这种结构被称作“智能骨料(smart aggregate,SA)”。本文采用5个SA换能器分为垂直布置、对侧布置和同侧布置三种布置方式通过环氧树脂粘贴在混凝土试件的侧面和上表面,其中“SA1-SA2”、“SA1-SA4”、“SA3-SA5”构成发射-接收对,分别对应对侧布置、垂直布置、和同侧布置,以研究换能器布置方式对尾波检测的影响。

根据法拉第定律可以将通电电流转换为金属损耗,公式为[32]

Δm=MIt/zF

(5)

式中:Δm为金属质量损失,g;M为金属原子质量,g;Fe取56;I为电流,A;t为通电时间,s;z为离子电荷,取2;F为法拉第常数(A/s),取96 500。

通过对钢筋损失量的计算,预计14 h的腐蚀率为0.5%,试验过程中环境温度控制在24 ℃。

试验分为三个阶段进行:①对完整混凝土试块进行一次超声数据采集作为参考信号,随后每2个小时采集一次超声数据,直到腐蚀率达到0.5%停止采集;②腐蚀率为1.0%时采集一次数据作为参考信号,随后每2个小时采集一次超声数据,直达腐蚀率达到1.5%停止采集;③腐蚀率为2.0%时采集一次数据作为参考信号,随后每2个小时采集一次超声数据,直达腐蚀率达到2.5%停止采集,试验结束。

3 结果分析与讨论

在进行尾波分析时,时间窗口选取通常有两种方式:截取相位偏移较明显的信号段和将整个波形作为时间窗口。当使用截取信号段作为时间窗口的方式时,由于信号长度较短,因此计算效率更高。然而,截取信号段的位置和长度目前并没有通用的标准,因此信号段的选取可能会对计算结果形成偏差。而使用整个波形作为时间窗口虽然计算效率会降低,但是稳定性更好。因此,本文为了保证对比分析时的稳定可靠,选择采用整个波形作为时间窗口进行分析。

3.1 不同腐蚀率下尾波分析结果

为对比钢筋在不同腐蚀率下进行尾波监测的效果,在腐蚀率分别处于0,1.0%,2.0%时对其进行尾波监测,每次均监测钢筋腐蚀率变化0.5%的过程,并分别以腐蚀率处于0,1.0%,2.0%时作为初始时刻进行逐步CWI分析。如图5所示为钢筋腐蚀率分别在0～0.5%,1.0%～1.5%,2.0%～2.5%三个腐蚀阶段的相对速度变化Δv/v随时间变化的对比曲线,可以看到Δv/v在不同腐蚀阶段下都呈现下降的趋势。当腐蚀率处于0～0.5%阶段时,Δv/v先稍微增加而后迅速下降,这可能是由于腐蚀初期钢筋发生化学反应产生的腐蚀产物膨胀挤压混凝土,产生的应力导致混凝土的内部细微空隙闭合,增强了声速的传播;而后随着腐蚀膨胀,混凝土内部产生裂纹并扩展,Δv/v迅速下降。腐蚀率达到0.5%时观察到腐蚀箱内部的混凝土侧面外壁上出现裂纹,并伴随有腐蚀产物流出,如图6(a)所示。

图5 不同腐蚀阶段相对速度变化与时间的关系曲线Fig.5 Relationship curve of relative velocity change and time in different corrosion stages

图6 试验过程中腐蚀裂纹的萌生与扩展Fig.6 Initiation and propagation of corrosion cracks during the experimen

当腐蚀率处于1.0%～1.5%阶段时,通过以钢筋腐蚀率1.0%时的接收信号为参考信号进行CWI分析,可以看到Δv/v仍然在下降,但是相对于腐蚀率0～0.5%阶段下降幅度有所减缓;腐蚀率达到2.0%时,裂纹已扩展至腐蚀箱外部,如图6(b)所示。腐蚀率处于2.0%～2.5%阶段时,从图中可以看到Δv/v下降程度较小,此时腐蚀产物通过较大裂纹口流出,裂纹扩展已相当缓慢,因此Δv/v略有下降逐渐保持相对稳定,此时已处于腐蚀后期。

如图7所示为腐蚀率分别处于0～0.5%,1.0%～1.5%,2.0%～2.5%三个不同腐蚀阶段去相关系数Kd随时间变化的曲线,可以看到Kd在不同腐蚀阶段下都随着腐蚀时间逐渐增加。腐蚀率处于0～0.5%阶段时为裂纹快速扩展时期,混凝土内部旧裂纹的扩展和新裂纹的出现导致前后两次信号波形产生较大差异,Kd增加较快;腐蚀率处于1.0%～1.5%阶段时,裂纹扩展速度变缓,前后两次信号波形差异相较于0～0.5%阶段有所减小,因此Kd增加程度相对0～0.5%腐蚀率时有所降低;腐蚀率处于2.0%～2.5%阶段时为腐蚀的后期,裂纹只有少量扩展,Kd略微增加且趋于稳定。

图7 不同腐蚀阶段去相关系数与时间的关系曲线Fig.7 Relationship curve of decorrelation coefficient and time in different corrosion stages

表2所示为钢筋腐蚀率分别从0,1.0%,2.0%均经过14 h之后达到0.5%,1.5%,2.5%这一过程的尾波特征值变化。从表2可见,腐蚀率处于0～0.5%时的相对速度变化Δv/v下降程度最大,去相关系数Kd增加程度最大,对应于钢筋腐蚀的裂纹快速扩展时期;腐蚀率处于1.0%～1.5%时次之,此时裂纹扩展速度变缓;腐蚀率处于2.0%～2.5%时Δv/v略微下降,Kd也略微增加并保持相对稳定,对应于腐蚀的后期,腐蚀位置裂纹已基本上不再扩展。

表2 不同腐蚀阶段尾波特征值变化Tab.2 Variation of coda indicators in different corrosion stages

3.2 换能器布置方式对尾波检测的影响

如图8所示为钢筋混凝土试样未腐蚀状态采用换能器垂直布置、对侧布置和同侧布置三种不同方式的接收时域波形图。图8(a)中,采用换能器垂直布置方式较其他两种方式相比,采集的信号幅值较大,因此在信号分析时受噪声影响较小;图8(c)中,采用换能器同侧布置方式时在0.1～0.3 ms存在较明显的表面波,采用这种方式时由于超声波与钢筋腐蚀引起的混凝土裂缝干涉作用区域较小,因此并不能完全反映出内部介质的变化。

图8 不同布置方式的接收时域波形图Fig.8 Received time domain waveform of different arrangement

如图9所示为0～0.5%腐蚀率下,采用垂直布置、同侧布置和对侧布置三种不同换能器布置方式,相对速度变化Δv/v随腐蚀时间的变化曲线。从试验结果可以看出,三种不同的布置方式均可以反映出腐蚀现象的发生,但是对腐蚀检测的敏感度不同。换能器采用垂直布置方式时,Δv/v对腐蚀的敏感程度最大,这是由于采用这种布置方式压制了直达波部分,同时含有更多的横波成分,偏振方向与传播方向存在较大夹角,因此散射的几率更大,从而对钢筋腐蚀产生的裂纹更敏感。采用同侧布置方式时对腐蚀裂纹的敏感程度相比垂直布置小,这是因为换能器布置在混凝土表面时,超声信号一部分传播到混凝土内部,经过多次散射由接收换能器接收,另一部分以表面波的方式传播,缩小了腐蚀区域的检测范围,因此对钢筋腐蚀产生的缺陷敏感程度较低;采用对侧布置方式时,超声信号主要以纵波的方式传播,超声在混凝土中散射程度最低,因此对钢筋腐蚀产生的裂纹敏感程度最低。

图9 不同布置方式下相对速度变化与时间的关系曲线Fig.9 Relationship curve of relative velocity change and time under different layout methods

如图10所示为0～0.5%腐蚀率下,采用垂直布置、同侧布置和对侧布置三种不同换能器布置方式,去相关系数Kd随腐蚀时间的变化曲线。从试验结果可以看到,三种布置方式中Kd都随腐蚀时间逐渐增加,采用垂直布置方式Kd的变化程度更大,对腐蚀检测的敏感程度最大,同侧布置其次,而对侧布置最小。因此,在实际应用中,建议尽可能采用垂直方式布置换能器,这样能更灵敏地检测出腐蚀现象的发生。

图10 不同布置方式下去相关系数与时间的关系曲线Fig.10 Relationship curve of decorrelation coefficient and time under different layout methods

4 结 论

(1)本文采用逐步尾波干涉法监测了钢筋混凝土腐蚀开裂的过程,表明超声尾波法的两个特征值相对速度变化Δv/v和去相关系数Kd用于钢筋混凝土结构腐蚀监测是可行的。

(2)在腐蚀率0～0.5%的变化过程中,由于钢筋腐蚀的早期膨胀,相对速度变化Δv/v先随腐蚀时间略有增加,而后随着膨胀应力增大导致裂纹产生和扩展,Δv/v迅速下降;随着钢筋进一步腐蚀,腐蚀率1.0%～1.5%的变化过程中Δv/v下降程度变缓;直到腐蚀的后期,腐蚀率2.0%～2.5%的变化过程中Δv/v逐渐趋于稳定。

(3)去相关系数Kd随腐蚀时间的增加而逐渐增大。在腐蚀率0～0.5%的变化过程中,由于钢筋腐蚀裂纹产生和迅速扩展,Kd变化程度最大;随着钢筋进一步腐蚀,腐蚀率1.0%～1.5%的变化过程中Kd增加的程度变缓;在腐蚀的后期,腐蚀率2.0%～2.5%的变化过程中Kd略微增加且逐渐保持稳定。

(4)换能器垂直、对侧和同侧布置三种布置方式均能用于检测RC结构腐蚀开裂。由于采用轴线垂直的换能器布置方式避免了直达波和表面波的干扰,散射程度最大,与同侧布置和对侧布置方式相比,相对速度变化Δv/v和去相关系数Kd对钢筋腐蚀引起的裂纹敏感程度更高。