钢筋混凝土材料因具有力学性能优异、可塑性强、防火性高等特点，被广泛应用于建筑行业。随着服役时间的增加，钢筋混凝土结构的耐久性会逐渐变差，可能引发安全事故。
由于混凝土结构内钢筋锈蚀前期无明显表征现象，当出现锈蚀迹象时结构可能已经受到损坏，此时维护的费用较高，甚至承载力下降而带来安全隐患。因此，对钢筋锈蚀过程进行监测以及早期损伤识别是很有必要的。
钢筋混凝土材料因具有力学性能优异、可塑性强、防火性高等特点，被广泛应用于建筑行业。随着服役时间的增加，钢筋混凝土结构的耐久性会逐渐变差，可能引发安全事故。
由于混凝土结构内钢筋锈蚀前期无明显表征现象，当出现锈蚀迹象时结构可能已经受到损坏，此时维护的费用较高，甚至承载力下降而带来安全隐患。因此，对钢筋锈蚀过程进行监测以及早期损伤识别是很有必要的。
为此，重庆科技大学等单位的技术人员利用超声导波技术，采用压电材料设计了一个适用于U型钢筋锈蚀监测的传感系统，可以对信号干扰进行滤波处理，并能够消除环境干扰。最后搭建了钢筋混凝土试块加速锈蚀监测系统，实现了对钢筋混凝土试块锈蚀的全过程实时监测。
超声导波在钢筋中的频散特性
超声导波在介质中的传播会受到其几何尺寸和材料特性的影响，例如在钢筋中的传播与钢筋的直径和物理特性有关。因此超声导波在钢筋中的传播速度会随着激励频率的改变而发生变化，这就是导波在钢筋中传播的频散现象，其强弱跟激励频率以及激发的模态有关。 导波在钢筋中传播的频散曲线与钢筋的直径以及密度、弹性模量等物理参数有关。利用MATLAB软件绘制出导波在直径12 mm钢筋中传播的频散曲线，群速度频散曲线和相速度频散曲线分别如图1和图2所示，其可以反映出导波模态、频率以及群速度和相速度之间的关系。 图1 钢筋中导波群速度频散曲线 图2 钢筋中导波相速度频散曲线 图1和图2中显示了L模态、T模态、F模态波群速度与相速度在频率1000 kHz以下的变化特性，可以看出导波模态数量随频率增大而增加，在 0~200 kHz内模态数量最少，1000 kHz左右数量最多。在200 kHz以上任一频率时至少存在3种以上的导波模态，并随着频率增加导波多模态现象加剧，各模态声速变化剧烈，频散严重。而200 kHz以下导波群速度波动较慢，频散较为轻微，故初步确定监测频率为200 kHz以下。
U型钢筋传感器结构设计
研究的超声换能器需要埋入混凝土结构中，其结构包括背衬层、压电元件和匹配层3部分，检测对象为直径为10 mm、厚度为5 mm的圆柱形混凝土。针对防水、界面和强度、尺寸等问题设计换能器，换能器结构设计图如图3所示。 图3 超声换能器结构示意 制作的超声换能器用于信号发射和信号接收，选用PZT-4压电陶瓷制作发射型超声换能器，PZT-5压电陶瓷制作接收型超声换能器。 匹配层的主要作用是保护压电元件，并使压电元件和钢筋表面良好耦合，因此匹配层材料采用水泥和环氧树脂的混合物。 背衬层除了起到保护压电元件和防水防锈等作用外，还要具备吸收声波的功能。背衬层材料的声阻抗与压电元件的接近时，可以增大传感器的分辨率。理论上背衬层的厚度越大吸波效果越好，但是过厚会降低传感器的灵敏度和分辨率。背衬层主要材料为水泥和环氧树脂的混合物。
U型钢筋传感器结构设计
研究的超声换能器需要埋入混凝土结构中，其结构包括背衬层、压电元件和匹配层3部分，检测对象为直径为10 mm、厚度为5 mm的圆柱形混凝土。针对防水、界面和强度、尺寸等问题设计换能器，换能器结构设计图如图3所示。 图3 超声换能器结构示意 制作的超声换能器用于信号发射和信号接收，选用PZT-4压电陶瓷制作发射型超声换能器，PZT-5压电陶瓷制作接收型超声换能器。 匹配层的主要作用是保护压电元件，并使压电元件和钢筋表面良好耦合，因此匹配层材料采用水泥和环氧树脂的混合物。 背衬层除了起到保护压电元件和防水防锈等作用外，还要具备吸收声波的功能。背衬层材料的声阻抗与压电元件的接近时，可以增大传感器的分辨率。理论上背衬层的厚度越大吸波效果越好，但是过厚会降低传感器的灵敏度和分辨率。背衬层主要材料为水泥和环氧树脂的混合物。
结 论
针对U型钢筋，提出了一种基于超声导波技术的损伤识别监测方法，设计出的U型钢筋表面黏贴式结构，能够有效防止环境干扰。
在锈蚀监测过程中接收信号的幅值、耗时均发生明显变化，能够准确对应钢筋锈蚀的不同阶段，实现对钢筋混凝土结构中弯曲钢筋的锈蚀监测评价。
该方法可有效应用于实际工程，对保障钢筋混凝土结构的安全性具有重要意义。
作者：王潇1，廖芸彬2，孟思鑫1，袁小平3，傅小峰1，邹宗华1，张丰1
工作单位：1. 重庆科技大学 土木与水利工程学院
2. 重庆市经贸中等专业学校
3. 重庆市潼南区生态环境监测站
第一作者简介：王潇，硕士研究生，主要从事钢筋混凝土结构、无损检测方面的研究。
来源：《无损检测》2025年4期
