基于探地雷达(GPR)的混凝土板钢筋腐蚀试验评价

摘要

钢筋锈蚀是结构损坏的主要原因，需要维修或更换。及早发现钢的腐蚀可以限制必要的维修或更换的范围，以及与修复工程相关的费用。探地雷达(GPR)方法是评价既有混凝土结构钢筋锈蚀的有效方法。本文利用探地雷达对混凝土板中钢筋的腐蚀进行了评估。采用直流电源加5%氯化钠溶液加速钢筋腐蚀技术，对该混凝土板内的预埋钢筋进行腐蚀处理。采用2ghz GPR对钢筋的腐蚀进行了评估。对探地雷达数据的分析结果表明，可以有效地对钢筋的腐蚀进行局部定位和评估。

1.介绍

钢筋腐蚀是混凝土结构的世界性问题[1］.腐蚀已被认为是一种主要的变质现象，由于环境作用而导致混凝土结构退化[2］.许多报告强调，世界各地的混凝土结构都因腐蚀而受损，全球范围内所需的维修和维护费用已超过数十亿美元[3.］.混凝土结构的成功修复需要混凝土结构条件的可靠信息，包括损坏的原因，损坏的程度，以及损坏对实际结构行为的影响。

对整个结构进行目视检查，以评估钢筋锈蚀在混凝土结构中的腐蚀状况，是一种常见的常规检查方法，但由于看不见的腐蚀不易被发现，因此高度依赖于操作人员的专业知识[2］.同时，半电池电位(HCP)技术是目前应用最广泛的检测钢筋腐蚀的无损检测技术。半电池电位技术基于电化学原理，提供有关混凝土结构中钢筋腐蚀概率的信息[2，4］.另一方面，探地雷达(GPR)，一种替代的无损检测(NDT)方法，在过去几年已经成为一种有价值的检查混凝土结构的工具[5］.探地雷达能够早期检测混凝土结构中的钢筋锈蚀[6- - - - - -11］.基于探地雷达法检测钢筋锈蚀的能力，本文提出了一种用探地雷达评估钢筋锈蚀的混凝土板。

2.文献综述

2．1．探地雷达(GPR)

探地雷达(GPR)是一种电磁探测方法，主要用于反射模式，即信号通过天线发射到被探测结构中。记录和分析材料性质变化引起的反射能量[12，13］.探地雷达的发展在过去的35年里不断发展。与探地雷达相关的早期研究主要集中在探地雷达的可能性和适用性上。GPR在1904年的首次应用是探测金属物体[14］.地质探地雷达在土木工程应用上的应用始于八十年代[15］.康托尔(16在这些领域发展了分析和解释技术的基础。此外,Clemena [17利用探地雷达进行混凝土结构试验。探地雷达是定期检查和维修混凝土结构的一种可行方法[18］.一般来说，GPR技术可用于钢筋定位、裂缝定位、空隙定位和评估、蜂窝状或裂缝定位、腐蚀检测、钢筋尺寸估计、混凝土配合比和环境条件[10，19- - - - - -31］.

探地雷达无损检测(NDT)的原理包括将电磁波传输到被研究的结构中。探地雷达电磁波的传播取决于材料相应的介电特性[32- - - - - -34］.介电常数反过来取决于EM特性，而EM特性受温度、含水率、含盐量、孔隙结构和脉冲频率的影响[35］.当电磁波遇到具有不同介电常数的两种介质的界面时，部分电磁波被反射回接收天线。散射的大小取决于两种介质介电特性的对比[36］.各种材料的介电常数范围从1到81(1 =空气，81 =水)[35］.电磁波通过介质传播，并在具有不同介电特性的材料的界面上反射。反射波由接收天线记录下来。这些接收到的波然后被转换成电压波，称为道(一个-scan)，如图所示1．探地雷达系统产生快速序列的迹线，这些迹线显示为所谓的雷达图(b-扫描)，沿着一条线研究材料，如图所示2(一个)．其他波形显示为时间切片(c-扫描)，通过沿着网格模式研究材料，如图所示2 (b)［37］.

2．2．加速腐蚀过程

在实践中，混凝土结构中钢筋的腐蚀是一个长期的过程。腐蚀的开始和扩展需要相当长的时间。对于研究来说，在短时间内达到不同程度(即质量损失水平)的腐蚀是不容易的。因此，一些研究人员使用了各种加速混凝土结构中钢筋腐蚀的方法[39］.在许多研究中，外加电流技术已被用于研究腐蚀混凝土结构的力学行为[40]、锈蚀钢筋的粘结性能[41]、受腐蚀的混凝土结构构件的结构特性[42，43]，以及混凝土结构的性能[44］.采用这种技术的优点是可以在短时间内获得较高的腐蚀程度，并且易于控制所需的腐蚀程度。

阳极反应释放电子，而阴极反应消耗电子。数字3.图示钢筋在混凝土中的腐蚀过程[3.］.

阳极反应取决于电解质的pH值和阴离子的存在。给出了钢筋腐蚀的阳极反应

外加电流技术用于通过外部电源施加直流(DC)来加速混凝土中钢筋的腐蚀。该直流电源的正极接在钢筋上作为阳极，负极接在对电极上成为阴极。对电极可以是内部棒的形式[45，外网[46，或外板[41，47］.混凝土试件应在适当的水箱中部分浸泡在氯化钠溶液中，氯化钠溶液与结构底部直接接触。在这里，NaCl溶液起电解质的作用。腐蚀量与能量消耗有关，能量消耗是电压(V)、电流(a)和时间间隔的函数。通常，通过直流电源在阳极和阴极之间施加恒定的电压。该方法的原理见ASTM G1-03 [48]和ASTM G31-72 [49］.

腐蚀通常以单位时间的重量损失或单位时间的厚度损失和钢的表面积来报道。腐蚀速率与实测电流密度成正比，总质量损失根据法拉第定律与实测电流有关[50由…给予 在哪里Δm =钢材消耗量(g);米=金属的原子或分子量(铁为56克);我=电流(安培),t=电流或电位施加的时间(秒);z=半电池反应中的离子电荷或电子转移(Fe为2);F=法拉第常数(96,500安培/秒)

腐蚀钢试样的实际腐蚀程度或质量损失程度可通过公式[51]： 在哪里米l=质量损失%;Mi =腐蚀试验前称重的未腐蚀试样质量(g)Mf =腐蚀试验后称重的腐蚀试样质量(g)。

3.材料和方法

3．1.标本

试验采用C30级普通混凝土。混合比例为380kg /m^3.硅酸盐水泥190 kg/m^3.水(w/c = 0.5)， 780公斤/米^3.未碎砂(细骨料)，1080kg /m^3.碎石花岗岩(粗骨料)，最大骨料粒径为20mm。平均28天和150天抗压强度分别为44.43 MPa和58.88 MPa。直径为20mm的钢筋选用异形型钢配筋。钢筋外露长度为0.6 m。

混凝土板的长度为(l) = 1米，宽(w) = 0.5米，高度(h) = 0.2米。数字4显示了这个混凝土板的示意图。湿养护28天后，对嵌在混凝土板中的三根钢筋(即钢筋b、c、d)施加直流电流。为了达到预期的腐蚀程度，通过改变施加电流的持续时间来加速单个钢筋的腐蚀。直流电源的正极接钢筋作为阳极，负极接阴极。在这里，铜板作为外部阴极完全浸没在NaCl溶液中。将平板部分浸入5% NaCl和95%蒸馏水的溶液中，并将其储存在塑料罐中。NaCl溶液与板坯底部直接接触。图中显示了测试设置的照片5．

在整个试验期间，总阳极电流0.4 a用于加速一组3根钢筋(钢筋b-c-d)的腐蚀过程。这个过程持续进行，直到不同的钢筋通过不同的暴露时间腐蚀到要求的程度。根据不同的腐蚀程度计算所需的施加电流的持续时间。法拉第定律被应用于加速技术。首先，利用法拉第定律计算质量损失(Δm)，如(2)[50］.其次，钢筋的腐蚀程度是根据钢筋的初始质量与最终质量之差的百分比(2)[52］.表格1显示电流适用于每3根钢筋的持续时间。

3．2.探地雷达收购

本次研究中使用的探地雷达设备由意大利比萨IDS (Ingegneria Dei Sistemi S.p.A)制造，如图所示6．特殊的全极性高频天线(2ghz)与专利Pad Survey Guide (PSG)相结合。在这项工作中，使用探地雷达设备对前面描述的钢筋混凝土板进行扫描。2 GHz GPR天线具有两种极化(横向和纵向)，能够在一次扫描中识别两种类型的扫描目标(浅和深)。

平板在PSG地毯上被扫描成行。PSG地毯上的扫描步长为0.78 cm，如图所示7(一)．PSG地毯保持交替的上下导轨，以使幻灯片完美贴合，并使天线实现直线扫描。此外，如图所示，该幻灯片在其外部表面上保留了一层特殊薄膜，在天线对PSG的拖动过程中消除了最小的摩擦7 (b)．最后，PSG在它的边缘上有一个刻度的水平杆，以数字和字母的顺序表示，以便在扫描开始时给用户一个参考点。

扫描的GPR结果存储在一台计算机中，由GPR集合中的IDS完成。从探地雷达获取图像后，利用GRED软件获取数据图像，然后利用图像处理技术对数据图像进行处理。数据图像可以表示为一个扫描,b扫描,c-scan和3D图像。

4.结果和讨论

4．1.腐蚀程度

采用定性和定量的方法对混凝土板中4根钢筋的腐蚀程度进行了分析。定性结果如图所示9．为腐蚀过程完成后的腐蚀板(钢筋a =无腐蚀，b = 4.5%质量损失，c = 21.2%质量损失，d = 35.4%质量损失)，根据(3.）.c、d以上钢筋混凝土覆盖层出现裂缝，d钢筋混凝土覆盖层沿整个钢筋长度出现明显的宏观裂缝。这种类型的裂缝会影响混凝土板的完整性。

在那之后，混凝土板被打破，以收回锈蚀的钢筋。钢筋按照ASTM G1-2003标准清洗，以去除所有腐蚀产品[48］.清洗后锈蚀程度不同的清洗后钢筋如图所示10．最后，对清洗后的钢筋进行称重，以量化因腐蚀而造成的质量损失，具体依据为(3.）.

4．2．用探地雷达评估钢筋腐蚀

数字11显示了一个-在加速腐蚀过程前对第25行进行扫描。这一行被用作参考，因为第25行是在钢筋的中间，也代表钢筋的状况。钢筋a, b, c和d是钢筋的条件，与表中包含的信息一致1．在数据11- - - - - -14，指直波信号和为钢筋-混凝土界面反射波信号。四根钢筋的波峰(直达波和反射波)振幅和传播时间均无显著差异，说明钢筋状态良好(无腐蚀)。波浪对钢筋混凝土耐久性非常重要，因为它可以提供混凝土覆盖层的信息，即混凝土覆盖层的厚度和质量(是否存在缺陷)[53］.波峰信息如表所示2．

数字12显示了一个-第21天b钢筋腐蚀完成后，对25号线混凝土板进行扫描。表格3.提供有关的量化信息一个扫描如图所示12．由于加速腐蚀导致频率衰减，直达波和反射波峰值振幅增大[34，53，54］.钢筋b、c、d的振幅比钢筋a的振幅大。这些情况可能是由于氯含量高引起的[35］.这可能发生在混凝土覆盖开裂后，允许氯离子更快地进入钢筋;但在开裂之前，钢筋附近几乎没有氯离子存在。在这种情况下，氯离子被迫聚集在钢筋周围。离子的积累使反射波在时间和频率上衰减和吸收。

数字13显示了一个-第55天c钢筋腐蚀过程完成后对25号线混凝土板进行扫描。由于腐蚀过程的影响，波的频率向较低的区域移动。钢筋c的反射波振幅较低比钢筋a, b, d,因为它可能是,钢筋的腐蚀过程c的积累影响氯离子在钢筋的混凝土保护层区比其他的钢筋。氯离子含量越高，在时间和频率上对波的吸收就越慢[55，56］.波的量化值如表所示4．

数字14显示了一个-第85天d钢筋腐蚀过程完成后对25号线混凝土板进行扫描。钢筋d的直波峰高于钢筋a、b和c的直波峰。这种情况可能是由于混凝土覆盖开裂影响了钢筋c。裂缝区域的空洞的存在可能增加了振幅[34］.而钢筋d则没有出现这种现象，如表所示5，由诱发腐蚀产生的较高的水分和氯化物含量影响探地雷达反射波的振幅[35］.由于腐蚀，水含量和氯化物含量增加。虽然假设钢筋a没有腐蚀，而钢筋b腐蚀程度较低，但钢筋b和钢筋d的反射波振幅(分别为0.370和0.321)高于钢筋a(0.289)。钢筋c具有较低的振幅(0.213)和较高的旅行时间(1.964 ns)。这可能是由于氯离子含量高，造成波浪的衰减影响，对钢筋c的影响比其他钢筋更大[56，57］.

数字15显示了b-扫描第25行混凝土板钢筋。在图(15日)，由于钢筋处于良好的状态(没有腐蚀)，所以双曲线图像和钢筋的各自深度没有差异。以Figure为例15 (b)，腐蚀过程降低了波的频率信号，其作用是降低钢筋的双曲线图像。与此同时,在图15 (c)时，由于腐蚀产物的形成和输运，腐蚀产物在波的衰减影响下，对腐蚀产物有很强的影响，使图像模糊b扫描图像(57］.钢筋c的腐蚀产物扩散到较浅的覆盖深度，如图所示(16日)．这可能是由于在外加电流加速腐蚀过程时，腐蚀产物的类型不同，而且体积小于正常自由腐蚀条件下形成的产物。

最后,图15 (d)结果表明，钢筋c的双曲线图像因腐蚀而显著降低。这可以用b-钢筋c的扫描图像，由于腐蚀产物在混凝土表面扩散到更接近的地方，因此更加模糊[58，如图所示(16日)．然而，不同的现象可以观察到b-扫描钢筋d的图像，认为钢筋d的腐蚀程度比钢筋c高，但从图中可以看到相反的情况b扫描。从理论上讲，由于腐蚀程度的增加，图像变得模糊[59］.而钢筋d的图像则清晰得多。钢筋图像的深度变得比参考(钢筋a)浅。可能的解释是，由于扩散到较浅的混凝土覆盖层的腐蚀产物，波的能量衰减较小[58，如图所示16 (b)．d钢筋的腐蚀产物量大于c钢筋;然而钢筋d的腐蚀产物(图16 (b))没有像c钢筋的腐蚀产物那样扩散到混凝土表面，如图所示(16日)．

5.结论

在本文中，已经证明了钢筋锈蚀的存在，在混凝土板已成功地评估使用探地雷达。该过程从混凝土板制造开始，然后是施加的当前技术的结果和数据收集，通过使用2ghz的GPR扫描钢筋混凝土板。利用探地雷达技术评估混凝土板的钢筋腐蚀可以得到一些结果。结果由一个扫描和b扫描。结果表明，钢筋腐蚀可以在出现视觉损伤或其他腐蚀迹象之前的早期检测和识别。结果一个-扫描，即较低的振幅和较大的传播时间的波锈蚀钢筋，可能是由于增加氯化物含量和腐蚀产物的存在。为b-扫描时，钢筋图像特征模糊和变暗的形式，明显表明钢筋腐蚀是由于氯化物含量和腐蚀产物影响图像阈值水平所致。一般情况下，a扫描的结果可以反映钢筋腐蚀损伤的情况。外加电流会导致均匀的腐蚀，而在实际(实际结构)中，氯化物诱导的腐蚀通常以强烈的局部腐蚀为特征。综上所述，探地雷达的研究结果表明，探地雷达还可以有效地从氯化物含量和腐蚀产物的角度评估混凝土板的局部腐蚀损伤。

数据可用性

作者声明，本研究中使用的所有数据都包含在手稿中。

的利益冲突

本论文的发表不存在利益冲突。

致谢

作者要感谢马来西亚圣大学提供的财政支持，以提供题为"使用无损检测方法的具体健康监测"的RU-PGRS赠款计划，以及印度尼西亚北干巴鲁阿卜杜拉大学提供的财政支持。

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