基于微波無損檢測的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)腐蝕檢測

摘 要：為進(jìn)一步提高鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)腐蝕檢測效率，本文提出基于微波無損的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)銹蝕檢測方法，通過微波信息的變化來評估鋼筋的銹蝕狀態(tài)，并建立微波無損檢測模擬試驗平臺，制作不同腐蝕長度和深度的鋼筋混凝土試驗?zāi)Ｐ汀＝Y(jié)果表明，當(dāng)波導(dǎo)垂直放置進(jìn)行微波掃頻檢測時，可以通過S21振幅的變化來識別鋼筋的腐蝕深度，但當(dāng)檢測頻率過大時，由于微波衰減過大，檢測效果會減弱，當(dāng)矩形波導(dǎo)水平放置時，波導(dǎo)開口長度為46mm，因此可以區(qū)分腐蝕長度為20mm和60mm的試驗?zāi)Ｐ汀．?dāng)腐蝕長度為60mm和100mm時，腐蝕缺陷的長度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于波導(dǎo)的開口長度。

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

中圖分類號：TU 37" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

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

目前，對微波無損檢測方面已經(jīng)有大量研究。樊瑋潔等[3]使用頻率為8GHz～12GHz的微波信號檢測鋼筋混凝土的腐蝕情況，驗證遠(yuǎn)程現(xiàn)場微波無損檢測技術(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，腐蝕會導(dǎo)致微波傳輸能量降低和傳輸時間延遲。周穎等[5]對主動微波紅外熱成像技術(shù)檢測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鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)腐蝕與非腐蝕進(jìn)行識別，但對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)腐蝕定量檢測的研究較少。基于此，本文利用微波掃頻和移動掃描檢測方式，提出定量檢測鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)腐蝕缺陷的方法，進(jìn)一步驗證微波無損檢測方法檢測鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)腐蝕缺陷的可行性。

1 微波無損技術(shù)的腐蝕檢測原理

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，微波信號會在混凝土、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 測試平臺和方法

2.1 鋼筋混凝土試驗?zāi)Ｐ?/p>

混凝土中鋼筋的實際腐蝕過程十分復(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粉末來模擬實際鐵銹。混合比例分別為60%和40%。

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

2.2 微波探測測試平臺

2.2.1 測試平臺和布局

鋼筋混凝土腐蝕微波檢測試驗平臺主要包括矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀、矩形波導(dǎo)、活動支架、同軸線和鋼筋混凝土試驗?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，其動態(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號和2號端口分別為微波信號輸出端口和輸入端口。在檢測過程中，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)固定在活動支架的滑塊上。用活動支架控制波導(dǎo)的移動距離和方向，可實現(xiàn)X、Y、Z方向移動，利用移動波導(dǎo)可實現(xiàn)移動掃描檢測。

2.2.2 檢測方法

鋼筋混凝土試驗?zāi)Ｐ偷臋z測方法主要有兩種，分別是波導(dǎo)掃頻檢測法和移動掃描檢測法。掃頻檢測法是將波導(dǎo)置于試驗?zāi)Ｐ蛢蓚?cè)的中心位置，檢測過程中波導(dǎo)的位置保持不變。用4GHz～6GHz全頻段微波掃頻檢測獲得參數(shù)變化。波導(dǎo)的放置方法有水平放置（波導(dǎo)長邊平行于鋼筋）和垂直放置（波導(dǎo)長邊垂直于鋼筋）兩種。移動掃描檢測方法利用兩根波導(dǎo)平齊地放置在測試模型的兩側(cè)，并同步移動。在檢測過程中，波導(dǎo)從測試塊的一側(cè)水平移動到另一側(cè)，每次移動距離為1cm，并用4GHz～6GHz全頻段微波掃頻檢測，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 腐蝕深度的檢測效果

當(dāng)腐蝕長度為60mm，腐蝕深度為0mm、3mm、6mm、9mm和11mm時，水平放置波導(dǎo)掃頻檢測的結(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?zāi)Ｐ偷腟11和S21之間沒有明顯的規(guī)律性。當(dāng)腐蝕深度為3～11mm時，S21的振幅差異較小，沒有明顯的規(guī)律。由此可見，水平放置波導(dǎo)進(jìn)行微波頻率掃描檢測時，可以識別鋼筋的腐蝕情況，但無法識別鋼筋的腐蝕深度。

當(dāng)波導(dǎo)垂直放置時，不同腐蝕深度試驗?zāi)Ｐ偷奈⒉⊕哳l檢測結(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有明顯的規(guī)律，這與波導(dǎo)水平放置的檢測結(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，S21的振幅隨著腐蝕深度增加而增加。當(dāng)檢測頻率為4GHz～5GHz時，在相同頻率下，鋼筋腐蝕深度每增加3mm，S21的振幅就會增加約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會產(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)無銹蝕鋼筋直徑變小，對微波信號的干擾減弱。因此，S21的振幅隨著腐蝕深度增加而增加。由此可見，當(dāng)波導(dǎo)垂直放置進(jìn)行微波掃頻檢測時，可以通過S21振幅的變化來識別鋼筋的腐蝕深度，但當(dāng)檢測頻率過大時，由于微波衰減過大，因此檢測效果較差。

3.2 腐蝕長度的檢測效果

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

4 結(jié)論

鋼筋混凝土銹蝕后，微波S參數(shù)會發(fā)生明顯變化，通過S參數(shù)的變化可以識別鋼筋的銹蝕情況。S11和S21的振幅隨著微波頻率增加而減少。波導(dǎo)的提升距離過大會導(dǎo)致S21出現(xiàn)較大衰減，影響檢測精度。當(dāng)波導(dǎo)的提升距離為0～6mm時，探測效果較好。

水平放置矩形波導(dǎo)時，微波掃頻檢測可以識別鋼筋混凝土是否銹蝕，但無法識別鋼筋的銹蝕深度。當(dāng)波導(dǎo)垂直放置時，微波掃頻檢測對鋼筋銹蝕深度的檢測效果較好，且S21的振幅隨銹蝕深度增加而增加。水平放置的波導(dǎo)對鋼筋腐蝕長度的檢測效果優(yōu)于垂直放置的波導(dǎo)，但當(dāng)腐蝕長度遠(yuǎn)大于波導(dǎo)開口長度時，檢測效果會變差。

參考文獻(xiàn)

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