混凝土內部鋼筋鏽蝕位置檢測方法與流程
2023-11-29 23:11:56
本發明涉及一種鋼筋混凝土鏽蝕病害檢測技術，尤其涉及一種混凝土內部鋼筋鏽蝕位置檢測方法。
背景技術：
：在鋼筋混凝土結構的耐久性問題中，現役結構的耐久性損傷檢測是一個十分重要的問題，而混凝土中鋼筋鏽蝕的檢測更是重中之重。混凝土內部鋼筋鏽蝕的及時發現和準確診斷，有助於工程人員掌握結構耐久性實際損傷的程度，是鋼筋混凝土結構耐久性評定、剩餘使用壽命預測和維修方案選擇的重要前提。現有的混凝土鋼筋鏽蝕檢測技術中，電化學方法是目前國內外廣泛應用的方法，主要有半電池電位法、線性極化法、交流阻抗譜法、宏電池腐蝕電流法等。半電池電位法是通過測量鋼筋的自腐蝕電位判斷鋼筋鏽蝕的一種電化學測量方法，測量前需要對混凝土表面做處理，且只能用於定性檢測，無法判斷鋼筋的鏽蝕程度；線性極化法可以反映鋼筋的鏽蝕程度，但是混凝土中鋼筋的極化面積很難確定，混凝土溼度和保護層厚度對極化電阻的測量有較大的影響，因此對鋼筋鏽蝕程度的判斷缺乏可靠性和準確性；交流阻抗譜法也可用於鋼筋的定量檢測，但是由於混凝土腐蝕體系的複雜性，目前沒有統一的模擬電路，不同的模擬電路得出的結果相差較大，對於現場檢測，交流阻抗譜法比較複雜、專業性強，分析時需要專業知識，且極化面積難以確定，不適用於現場檢測；宏電池腐蝕電流法可以用於長期監測鋼筋的鏽蝕狀態，但是，該法是採用其他材料作為陰極模擬鋼筋的鏽蝕，與實際鋼筋的腐蝕存在差異，因此測得的電流不能直接用於鋼筋鏽蝕的評價，另外，腐蝕電流受環境影響較大，且不能用於已建的混凝土中鋼筋腐蝕測試，不適用於現場檢測。技術實現要素：針對
背景技術：
中的問題，本發明提出了一種混凝土內部鋼筋鏽蝕位置檢測方法，所涉及的硬體包括二維傳動裝置和磁傳感器，通過二維傳動裝置傳動磁傳感器對鋼筋混凝土結構體進行掃描，其創新在於：所述混凝土內部鋼筋鏽蝕位置檢測方法包括：與鋼筋軸向重合的方向記為X方向，與鋼筋徑向重合的方向記為Y方向，由X方向和Y方向所形成的平面即為掃描面；磁傳感器與鋼筋混凝土結構體表面之間的間隔距離記為提離高度；1)平行掃描：傳動磁傳感器在掃描面範圍內沿X方向進行兩次掃描，兩次掃描的提離高度不同；掃描過程中，後方處理裝置實時記錄下磁傳感器檢測到的磁場數據和各個磁場數據在掃描面內X方向上的位置坐標；掃描面內X方向上的位置坐標記為X坐標；2)掃描完成後，後方處理裝置將單次掃描所獲得的多個磁場數據按X坐標的位置關係繪製成平行掃描磁場變化曲線；然後將對應兩次掃描的平行掃描磁場變化曲線疊放在一起，判斷兩條平行掃描磁場變化曲線是否存在交點：情況一：若兩條平行掃描磁場變化曲線不存在交點，則判定掃描範圍內的鋼筋混凝土結構體內部不存在鋼筋鏽蝕病害；情況二：若兩條平行掃描磁場變化曲線存在兩處交點，則判定兩個交點所對應的X坐標之間的區域發生了鋼筋鏽蝕病害；情況三：若兩條平行掃描磁場變化曲線存在一個交點，則判定掃描範圍僅將鋼筋鏽蝕區域部分覆蓋。本發明的原理是：將金屬磁記憶檢測應用於鋼筋混凝土鏽蝕病害檢測是近年來的研究熱點，為此，發明人進行了大量的研究：當磁傳感器以平行於鋼筋軸向的方向對鋼筋混凝土進行掃描檢測時，鋼筋周圍的磁場會在鏽蝕區域和未鏽蝕區域的交界處出現突變；在多次試驗過程中，發明人發現，當磁傳感器以不同的間隔距離沿鋼筋軸向進行掃描時，所獲得的多個磁場變化曲線均交於相同的兩個交點，如圖1所示，圖中的四條磁場變化曲線是試驗過程中對同一鋼筋混凝土試件的相同區域進行掃描後獲得的，鋼筋混凝土試件上預製有鏽蝕區，四次掃描時，磁傳感器均沿平行於鋼筋軸向的方向進行掃描，各次掃描的不同之處僅在於磁傳感器與鋼筋混凝土的間隔距離不同，四次掃描的間隔距離分別為5cm、6cm、7cm、8cm，從圖中可見，四條磁場變化曲線均交於相同的兩個交點，在覆核了鏽蝕區域範圍後，發明人發現，兩個交點的位置與鏽蝕區域兩側的邊界基本對應，為了進一步驗證前述現象的正確性，發明人又進行了理論推導，推導過程如下：參見圖2，取鋼筋的縱向剖面進行分析，假設鋼筋上的鏽蝕區域長度為2b、鏽蝕深度為h，則可唯象地認為在鏽蝕區域表面出現了磁荷分布，以鏽蝕區域長度方向的中點為0點，假設在x＝-b上的鋼筋表面磁荷密度為ρmax、在x＝b上的鋼筋表面磁荷密度為-ρmax，在x∈(-b，b)範圍內的表面磁荷密度為線性分布，則根據現有理論，在鋼筋鏽蝕區域的表面磁荷密度可用下式表達：ρ(x′,y′)=ρmax,(x′=-b,-h<y′<0)-ρmax,(x′=b,-h<y′<0)-ρmaxx′b,(-b<x′同時，鏽蝕區域左端面、鏽蝕區域底面和鏽蝕區域右端面三個區域中任意源點的磁場強度微元矢量可用如下三式表達(後文簡稱為式(2))：dH1(x,y)=ρ(x′,y′)dy′2πμ0r12r1]]>dH2(x,y)=-ρ(x′,y′)dy′2πμ0r22r2]]>dH3(x,y)=ρ(x′,y′)dx′2πμ0r32r3]]>其中，dH1(x,y)為鏽蝕區域左端面上任意源點的磁場強度微元矢量，dH2(x,y)為鏽蝕區域底面上任意源點的磁場強度微元矢量，dH3(x,y)為鏽蝕區域右端面上任意源點的磁場強度微元矢量，μ0為真空磁導率，(x′,y′)為源點坐標，(x,y)為場點坐標，r1、r2、r3分別為三個區域中的源點(x′,y′)到場點(x,y)之間的位移；根據圖2，將r1、r2、r3用坐標形式的向量來表示可得如下三式(後文簡稱為式(3))：r1＝(x+b)i+(y-lh)jr2＝(x-b)i+(y-lh)jr3＝(x-lx)i+(y+h)j根據現有理論可知，鋼筋外圍任意一點(x,y)處的漏磁場強度都是以上三個區域的矢量疊加，故(x,y)處的漏磁場強度H(x，y)可由下式表達：H(x,y)＝H1(x,y)+H2(x,y)+H3(x,y)其中，沿x軸方向的分量Hx(x,y)為：Hx(x,y)=H1x(x,y)+H2x(x,y)+H3x(x,y)=dH1x(x,y)+dH2x(x,y)+dH3x(x,y)=-h0ρmax(x+b)2πμ0((x+b)2+(y-lh)2)dlh+-h0-ρmax(x-b)2πμ0((x-b)2+(y-lh)2)dlh+-bb-ρmaxblx(x-lx)2πμ0((x-lx)2+(y+h)2)dlh]]>將式(1)、式(2)、式(3)以及圖2中所示的各個源點坐標代入上式可得：Hx(x,y)=ρmax2πμ0(arctan(y+hx+b)-arctan(yx+b))-ρmax2πμ0(arctany+hx-b-arctanyx-b)+ρmax2πμ0b(2b-(y+h)(arctanb-xy+h-arctan-b-xy+h)+x2ln(b-x)2+(y+h)2(b+x)2+(y+h)2)]]>令ρmax＝-10、b＝0.05、h＝0.01、x＝(-0.2:0.01:0.2)、y＝(0.01:0.01:0.02)，則可得Hx(x,y)的圖像如圖3所示，從圖中可以看出，在提離高度分別為10mm、20mm時，切向方向的磁場曲線有兩個相交點，由此，即證明了前述試驗過程中所發現的現象的正確性，即可以通過磁場變化曲線交點的位置來確定鏽蝕區域的位置。前述方案中所列的三種情況，對於情況一，自不必說，掃描範圍內的鋼筋混凝土結構體內部不存在鋼筋鏽蝕病害，不用繼續檢測，對於情況二，技術人員可根據鏽蝕區域的具體位置進行結構性能分析以制定相應的處置措施，對於情況三，則應進一步擴展掃描範圍。在提出了前述方案後，發明人還進行了更加深入的研究，在後續研究過程中，發明人採用動態垂直掃描方式對鋼筋混凝土上的鏽蝕區域進行垂直掃描，並發現，在垂直掃描獲得的磁場變化曲線中，磁場強度存在反轉現象：參見圖4，圖中曲線是對鋼筋混凝土上的未鏽蝕區域中的某一位置進行垂直掃描後獲得的，參見圖5，圖中曲線是對鋼筋混凝土上的鏽蝕區域中的某一位置進行垂直掃描後獲得的，圖4中曲線所表示的磁感應強度隨著提離高度的增加基本呈單向的衰減趨勢，而圖5中曲線則不同，磁場強度先隨著提離高度的增加而增加，在經過峰值點後，磁場強度又隨著提離高度的增加而衰減，經過分析後發現，造成前述現象的原因是：未鏽蝕的鋼筋，其外部磁場主要受到鋼筋感應磁場的作用，距離鋼筋越遠，感應磁場越弱，所以隨著提離高度的增大，外部磁場呈單向遞減趨勢；而對於鏽蝕後的鋼筋，其周圍除了存在由剩餘完好鋼筋所形成的感應磁場外，還存在由鏽蝕區域所形成的漏磁場，由於漏磁場主要分布在貼近鋼筋周圍的區域，因此在提離高度較低時所檢測到的磁場數據是漏磁場和感應磁場疊加的結果，漏磁場和感應磁場方向相反且漏磁場的絕對值小於感應磁場，故漏磁場對感應磁場有削弱作用，在貼近鋼筋鏽蝕區域的位置，漏磁場對感應磁場的削弱最大，故提離高度最低時，總磁場最小，隨著提離高度的增大，漏磁場逐漸減弱，漏磁場對感應磁場的削弱作用也逐漸減小，雖然感應磁場也在衰減，但總磁場的絕對值仍呈上升趨勢，直到提離高度達到一定數值，漏磁場完全消失，檢測空間內只剩下感應磁場，磁場數據又恢復單向遞減的趨勢；圖5中曲線的峰值點對應的Y坐標值可稱為反轉高度，從前面的分析可以看出，反轉高度可以反應漏磁場何時消失，故可以用反轉高度來表徵漏磁場的影響範圍，而漏磁場的產生是由鋼筋鏽蝕引起的，鏽蝕越嚴重，形成的漏磁場影響範圍也越大，故可通過如下方案來檢測鏽蝕的嚴重程度：如出現情況二的情形，則按如下方法繼續進行多次垂直掃描：設定提離高度的下限和提離高度的上限，提離高度的下限記為高度A，提離高度的上限記為高度B；在X方向上兩個交點之間的區域設置多個掃描點，各個掃描點之間等間距設置；單次垂直掃描時，傳動磁傳感器在掃描面範圍內，沿Y方向從高度A運動至高度B；此過程記為垂直掃描操作；垂直掃描操作過程中，後方處理裝置實時記錄下磁傳感器檢測到的磁場數據和各個磁場數據在掃描面內Y方向上的位置坐標；掃描面內Y方向上的位置坐標記為Y坐標；按前述的垂直掃描操作的方式，在各個掃描點位置處進行垂直掃描操作；後方處理裝置將單次垂直掃描操作所獲得的多個磁場數據按Y坐標關係繪製成垂直掃描磁場變化曲線，然後從垂直掃描磁場變化曲線中提取出磁場數據峰值所對應的Y坐標值，多次垂直掃描操作分別對應多個Y坐標值，計算多個Y坐標值的平均值，平均值越大，說明鏽蝕程度越嚴重。參見圖6，從圖中可見，鏽蝕區域中部所對應的反轉高度數值較大，兩側的數值較小，這與鏽蝕發展的情況完全吻合，即最開始的鏽蝕點的鏽蝕情況最為嚴重，鏽蝕的嚴重程度隨著與鏽蝕距離的增大而逐漸減弱。參見圖7，採用電化學加速鏽蝕方法對試件進行加速鏽蝕，在鏽蝕發展到不同階段，對鏽蝕區域進行垂直掃描，圖中的多條反轉高度統計曲線即是在不同鏽蝕程度條件下獲取到的，從圖中可看出，隨著鏽蝕進度的發展，鏽蝕區域內各個位置所對應的反轉高度也不斷增加，且鏽蝕區域的範圍(即圖中橫坐標所代表的X坐標)也不斷擴展。本發明的有益技術效果是：提出了一種混凝土內部鋼筋鏽蝕位置檢測方法，該方法可以較為準確地檢測出鋼筋混凝土內部的鋼筋鏽蝕區域範圍。附圖說明圖1、不同提離高度的四次平行掃描所獲得磁場變化曲線圖(圖中的縱坐標By表示Y方向上的磁感應強度)；圖2、鋼筋鏽蝕區域漏磁場分布模型；圖3、鋼筋鏽蝕區域切向磁場強度理論曲線；圖4、對未鏽蝕區域進行垂直掃描時獲得的磁場變化曲線；圖5、對鏽蝕區域進行垂直掃描時獲得的磁場變化曲線；圖6、鏽蝕區域內多個掃描點位置處反轉高度統計曲線；圖7、不同鏽蝕程度下反轉高度統計曲線。具體實施方式一種混凝土內部鋼筋鏽蝕位置檢測方法，所涉及的硬體包括二維傳動裝置和磁傳感器，通過二維傳動裝置傳動磁傳感器對鋼筋混凝土結構體進行掃描，其創新在於：所述混凝土內部鋼筋鏽蝕位置檢測方法包括：與鋼筋軸向重合的方向記為X方向，與鋼筋徑向重合的方向記為Y方向，由X方向和Y方向所形成的平面即為掃描面；磁傳感器與鋼筋混凝土結構體表面之間的間隔距離記為提離高度；1)平行掃描：傳動磁傳感器在掃描面範圍內沿X方向進行兩次掃描，兩次掃描的提離高度不同；掃描過程中，後方處理裝置實時記錄下磁傳感器檢測到的磁場數據和各個磁場數據在掃描面內X方向上的位置坐標；掃描面內X方向上的位置坐標記為X坐標；2)掃描完成後，後方處理裝置將單次掃描所獲得的多個磁場數據按X坐標的位置關係繪製成平行掃描磁場變化曲線；然後將對應兩次掃描的平行掃描磁場變化曲線疊放在一起，判斷兩條平行掃描磁場變化曲線是否存在交點：情況一：若兩條平行掃描磁場變化曲線不存在交點，則判定掃描範圍內的鋼筋混凝土結構體內部不存在鋼筋鏽蝕病害；情況二：若兩條平行掃描磁場變化曲線存在兩處交點，則判定兩個交點所對應的X坐標之間的區域發生了鋼筋鏽蝕病害；情況三：若兩條平行掃描磁場變化曲線存在一個交點，則判定掃描範圍僅將鋼筋鏽蝕區域部分覆蓋。進一步地，如出現情況二的情形，則按如下方法繼續進行多次垂直掃描：設定提離高度的下限和提離高度的上限，提離高度的下限記為高度A，提離高度的上限記為高度B；在X方向上兩個交點之間的區域設置多個掃描點，各個掃描點之間等間距設置；單次垂直掃描時，傳動磁傳感器在掃描面範圍內，沿Y方向從高度A運動至高度B；此過程記為垂直掃描操作；垂直掃描操作過程中，後方處理裝置實時記錄下磁傳感器檢測到的磁場數據和各個磁場數據在掃描面內Y方向上的位置坐標；掃描面內Y方向上的位置坐標記為Y坐標；按前述的垂直掃描操作的方式，在各個掃描點位置處進行垂直掃描操作；後方處理裝置將單次垂直掃描操作所獲得的多個磁場數據按Y坐標關係繪製成垂直掃描磁場變化曲線，然後從垂直掃描磁場變化曲線中提取出磁場數據峰值所對應的Y坐標值，多次垂直掃描操作分別對應多個Y坐標值，計算多個Y坐標值的平均值，平均值越大，說明鏽蝕程度越嚴重。當前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