CN106198368B - 混凝土内部钢筋锈蚀位置检测方法 - Google Patents

Abstract

一种混凝土内部钢筋锈蚀位置检测方法，通过磁传感器获取不同提离高度位置处的平行扫描磁场变化曲线，将对应两次扫描的平行扫描磁场变化曲线叠放在一起，通过判断两条平行扫描磁场变化曲线是否存在交点来确定钢筋混凝土结构体内部是否存在钢筋锈蚀以及确定锈蚀位置；本发明的有益技术效果是：提出了一种混凝土内部钢筋锈蚀位置检测方法，该方法可以较为准确地检测出钢筋混凝土内部的钢筋锈蚀区域范围。

Description

混凝土内部钢筋锈蚀位置检测方法

技术领域

本发明涉及一种钢筋混凝土锈蚀病害检测技术，尤其涉及一种混凝土内部钢筋锈蚀位置检测方法。

背景技术

在钢筋混凝土结构的耐久性问题中，现役结构的耐久性损伤检测是一个十分重要的问题，而混凝土中钢筋锈蚀的检测更是重中之重。混凝土内部钢筋锈蚀的及时发现和准确诊断，有助于工程人员掌握结构耐久性实际损伤的程度，是钢筋混凝土结构耐久性评定、剩余使用寿命预测和维修方案选择的重要前提。

现有的混凝土钢筋锈蚀检测技术中，电化学方法是目前国内外广泛应用的方法，主要有半电池电位法、线性极化法、交流阻抗谱法、宏电池腐蚀电流法等。半电池电位法是通过测量钢筋的自腐蚀电位判断钢筋锈蚀的一种电化学测量方法，测量前需要对混凝土表面做处理，且只能用于定性检测，无法判断钢筋的锈蚀程度；线性极化法可以反映钢筋的锈蚀程度，但是混凝土中钢筋的极化面积很难确定，混凝土湿度和保护层厚度对极化电阻的测量有较大的影响，因此对钢筋锈蚀程度的判断缺乏可靠性和准确性；交流阻抗谱法也可用于钢筋的定量检测，但是由于混凝土腐蚀体系的复杂性，目前没有统一的模拟电路，不同的模拟电路得出的结果相差较大，对于现场检测，交流阻抗谱法比较复杂、专业性强，分析时需要专业知识，且极化面积难以确定，不适用于现场检测；宏电池腐蚀电流法可以用于长期监测钢筋的锈蚀状态，但是，该法是采用其他材料作为阴极模拟钢筋的锈蚀，与实际钢筋的腐蚀存在差异，因此测得的电流不能直接用于钢筋锈蚀的评价，另外，腐蚀电流受环境影响较大，且不能用于已建的混凝土中钢筋腐蚀测试，不适用于现场检测。

发明内容

针对背景技术中的问题，本发明提出了一种混凝土内部钢筋锈蚀位置检测方法，所涉及的硬件包括二维传动装置和磁传感器，通过二维传动装置传动磁传感器对钢筋混凝土结构体进行扫描，其创新在于：所述混凝土内部钢筋锈蚀位置检测方法包括：

与钢筋轴向重合的方向记为X方向，与钢筋径向重合的方向记为Y方向，由X方向和Y方向所形成的平面即为扫描面；磁传感器与钢筋混凝土结构体表面之间的间隔距离记为提离高度；

1)平行扫描：传动磁传感器在扫描面范围内沿X方向进行两次扫描，两次扫描的提离高度不同；扫描过程中，后方处理装置实时记录下磁传感器检测到的磁场数据和各个磁场数据在扫描面内X方向上的位置坐标；扫描面内X方向上的位置坐标记为X坐标；

2)扫描完成后，后方处理装置将单次扫描所获得的多个磁场数据按X坐标的位置关系绘制成平行扫描磁场变化曲线；然后将对应两次扫描的平行扫描磁场变化曲线叠放在一起，判断两条平行扫描磁场变化曲线是否存在交点：

情况一：若两条平行扫描磁场变化曲线不存在交点，则判定扫描范围内的钢筋混凝土结构体内部不存在钢筋锈蚀病害；

情况二：若两条平行扫描磁场变化曲线存在两处交点，则判定两个交点所对应的X坐标之间的区域发生了钢筋锈蚀病害；

情况三：若两条平行扫描磁场变化曲线存在一个交点，则判定扫描范围仅将钢筋锈蚀区域部分覆盖。

本发明的原理是：将金属磁记忆检测应用于钢筋混凝土锈蚀病害检测是近年来的研究热点，为此，发明人进行了大量的研究：当磁传感器以平行于钢筋轴向的方向对钢筋混凝土进行扫描检测时，钢筋周围的磁场会在锈蚀区域和未锈蚀区域的交界处出现突变；在多次试验过程中，发明人发现，当磁传感器以不同的间隔距离沿钢筋轴向进行扫描时，所获得的多个磁场变化曲线均交于相同的两个交点，如图1所示，图中的四条磁场变化曲线是试验过程中对同一钢筋混凝土试件的相同区域进行扫描后获得的，钢筋混凝土试件上预制有锈蚀区，四次扫描时，磁传感器均沿平行于钢筋轴向的方向进行扫描，各次扫描的不同之处仅在于磁传感器与钢筋混凝土的间隔距离不同，四次扫描的间隔距离分别为5cm、6cm、7cm、8cm，从图中可见，四条磁场变化曲线均交于相同的两个交点，在复核了锈蚀区域范围后，发明人发现，两个交点的位置与锈蚀区域两侧的边界基本对应，为了进一步验证前述现象的正确性，发明人又进行了理论推导，推导过程如下：

参见图2，取钢筋的纵向剖面进行分析，假设钢筋上的锈蚀区域长度为2b、锈蚀深度为h，则可唯象地认为在锈蚀区域表面出现了磁荷分布，以锈蚀区域长度方向的中点为0点，假设在x＝-b上的钢筋表面磁荷密度为ρ_max、在x＝b上的钢筋表面磁荷密度为-ρ_max，在x∈(-b，b)范围内的表面磁荷密度为线性分布，则根据现有理论，在钢筋锈蚀区域的表面磁荷密度可用下式表达：

同时，锈蚀区域左端面、锈蚀区域底面和锈蚀区域右端面三个区域中任意源点的磁场强度微元矢量可用如下三式表达(后文简称为式(2))：

其中，dH₁(x,y)为锈蚀区域左端面上任意源点的磁场强度微元矢量，dH₂(x,y)为锈蚀区域底面上任意源点的磁场强度微元矢量，dH₃(x,y)为锈蚀区域右端面上任意源点的磁场强度微元矢量，μ₀为真空磁导率，(x′,y′)为源点坐标，(x,y)为场点坐标，r₁、r₂、r₃分别为三个区域中的源点(x′,y′)到场点(x,y)之间的位移；

根据图2，将r₁、r₂、r₃用坐标形式的向量来表示可得如下三式(后文简称为式(3))：

r₁＝(x+b)i+(y-l_h)j

r₂＝(x-b)i+(y-l_h)j

r₃＝(x-l_x)i+(y+h)j

根据现有理论可知，钢筋外围任意一点(x,y)处的漏磁场强度都是以上三个区域的矢量叠加，故(x,y)处的漏磁场强度H(x，y)可由下式表达：

H(x,y)＝H₁(x,y)+H₂(x,y)+H₃(x,y)

其中，沿x轴方向的分量H_x(x,y)为：

将式(1)、式(2)、式(3)以及图2中所示的各个源点坐标代入上式可得：

令ρ_max＝-10、b＝0.05、h＝0.01、x＝(-0.2:0.01:0.2)、y＝(0.01:0.01:0.02)，则可得H_x(x,y)的图像如图3所示，从图中可以看出，在提离高度分别为10mm、20mm时，切向方向的磁场曲线有两个相交点，由此，即证明了前述试验过程中所发现的现象的正确性，即可以通过磁场变化曲线交点的位置来确定锈蚀区域的位置。

前述方案中所列的三种情况，对于情况一，自不必说，扫描范围内的钢筋混凝土结构体内部不存在钢筋锈蚀病害，不用继续检测，对于情况二，技术人员可根据锈蚀区域的具体位置进行结构性能分析以制定相应的处置措施，对于情况三，则应进一步扩展扫描范围。

在提出了前述方案后，发明人还进行了更加深入的研究，在后续研究过程中，发明人采用动态垂直扫描方式对钢筋混凝土上的锈蚀区域进行垂直扫描，并发现，在垂直扫描获得的磁场变化曲线中，磁场强度存在反转现象：参见图4，图中曲线是对钢筋混凝土上的未锈蚀区域中的某一位置进行垂直扫描后获得的，参见图5，图中曲线是对钢筋混凝土上的锈蚀区域中的某一位置进行垂直扫描后获得的，图4中曲线所表示的磁感应强度随着提离高度的增加基本呈单向的衰减趋势，而图5中曲线则不同，磁场强度先随着提离高度的增加而增加，在经过峰值点后，磁场强度又随着提离高度的增加而衰减，经过分析后发现，造成前述现象的原因是：未锈蚀的钢筋，其外部磁场主要受到钢筋感应磁场的作用，距离钢筋越远，感应磁场越弱，所以随着提离高度的增大，外部磁场呈单向递减趋势；而对于锈蚀后的钢筋，其周围除了存在由剩余完好钢筋所形成的感应磁场外，还存在由锈蚀区域所形成的漏磁场，由于漏磁场主要分布在贴近钢筋周围的区域，因此在提离高度较低时所检测到的磁场数据是漏磁场和感应磁场叠加的结果，漏磁场和感应磁场方向相反且漏磁场的绝对值小于感应磁场，故漏磁场对感应磁场有削弱作用，在贴近钢筋锈蚀区域的位置，漏磁场对感应磁场的削弱最大，故提离高度最低时，总磁场最小，随着提离高度的增大，漏磁场逐渐减弱，漏磁场对感应磁场的削弱作用也逐渐减小，虽然感应磁场也在衰减，但总磁场的绝对值仍呈上升趋势，直到提离高度达到一定数值，漏磁场完全消失，检测空间内只剩下感应磁场，磁场数据又恢复单向递减的趋势；图5中曲线的峰值点对应的Y坐标值可称为反转高度，从前面的分析可以看出，反转高度可以反应漏磁场何时消失，故可以用反转高度来表征漏磁场的影响范围，而漏磁场的产生是由钢筋锈蚀引起的，锈蚀越严重，形成的漏磁场影响范围也越大，故可通过如下方案来检测锈蚀的严重程度：

如出现情况二的情形，则按如下方法继续进行多次垂直扫描：

设定提离高度的下限和提离高度的上限，提离高度的下限记为高度A，提离高度的上限记为高度B；在X方向上两个交点之间的区域设置多个扫描点，各个扫描点之间等间距设置；

单次垂直扫描时，传动磁传感器在扫描面范围内，沿Y方向从高度A运动至高度B；此过程记为垂直扫描操作；垂直扫描操作过程中，后方处理装置实时记录下磁传感器检测到的磁场数据和各个磁场数据在扫描面内Y方向上的位置坐标；扫描面内Y方向上的位置坐标记为Y坐标；

按前述的垂直扫描操作的方式，在各个扫描点位置处进行垂直扫描操作；后方处理装置将单次垂直扫描操作所获得的多个磁场数据按Y坐标关系绘制成垂直扫描磁场变化曲线，然后从垂直扫描磁场变化曲线中提取出磁场数据峰值所对应的Y坐标值，多次垂直扫描操作分别对应多个Y坐标值，计算多个Y坐标值的平均值，平均值越大，说明锈蚀程度越严重。参见图6，从图中可见，锈蚀区域中部所对应的反转高度数值较大，两侧的数值较小，这与锈蚀发展的情况完全吻合，即最开始的锈蚀点的锈蚀情况最为严重，锈蚀的严重程度随着与锈蚀距离的增大而逐渐减弱。参见图7，采用电化学加速锈蚀方法对试件进行加速锈蚀，在锈蚀发展到不同阶段，对锈蚀区域进行垂直扫描，图中的多条反转高度统计曲线即是在不同锈蚀程度条件下获取到的，从图中可看出，随着锈蚀进度的发展，锈蚀区域内各个位置所对应的反转高度也不断增加，且锈蚀区域的范围(即图中横坐标所代表的X坐标)也不断扩展。

本发明的有益技术效果是：提出了一种混凝土内部钢筋锈蚀位置检测方法，该方法可以较为准确地检测出钢筋混凝土内部的钢筋锈蚀区域范围。

附图说明

图1、不同提离高度的四次平行扫描所获得磁场变化曲线图(图中的纵坐标By表示Y方向上的磁感应强度)；

图2、钢筋锈蚀区域漏磁场分布模型；

图3、钢筋锈蚀区域切向磁场强度理论曲线；

图4、对未锈蚀区域进行垂直扫描时获得的磁场变化曲线；

图5、对锈蚀区域进行垂直扫描时获得的磁场变化曲线；

图6、锈蚀区域内多个扫描点位置处反转高度统计曲线；

图7、不同锈蚀程度下反转高度统计曲线。

具体实施方式

一种混凝土内部钢筋锈蚀位置检测方法，所涉及的硬件包括二维传动装置和磁传感器，通过二维传动装置传动磁传感器对钢筋混凝土结构体进行扫描，其创新在于：所述混凝土内部钢筋锈蚀位置检测方法包括：

与钢筋轴向重合的方向记为X方向，与钢筋径向重合的方向记为Y方向，由X方向和Y方向所形成的平面即为扫描面；磁传感器与钢筋混凝土结构体表面之间的间隔距离记为提离高度；

1)平行扫描：传动磁传感器在扫描面范围内沿X方向进行两次扫描，两次扫描的提离高度不同；扫描过程中，后方处理装置实时记录下磁传感器检测到的磁场数据和各个磁场数据在扫描面内X方向上的位置坐标；扫描面内X方向上的位置坐标记为X坐标；

2)扫描完成后，后方处理装置将单次扫描所获得的多个磁场数据按X坐标的位置关系绘制成平行扫描磁场变化曲线；然后将对应两次扫描的平行扫描磁场变化曲线叠放在一起，判断两条平行扫描磁场变化曲线是否存在交点：

情况一：若两条平行扫描磁场变化曲线不存在交点，则判定扫描范围内的钢筋混凝土结构体内部不存在钢筋锈蚀病害；

情况二：若两条平行扫描磁场变化曲线存在两处交点，则判定两个交点所对应的X坐标之间的区域发生了钢筋锈蚀病害；

情况三：若两条平行扫描磁场变化曲线存在一个交点，则判定扫描范围仅将钢筋锈蚀区域部分覆盖。

进一步地，如出现情况二的情形，则按如下方法继续进行多次垂直扫描：

设定提离高度的下限和提离高度的上限，提离高度的下限记为高度A，提离高度的上限记为高度B；在X方向上两个交点之间的区域设置多个扫描点，各个扫描点之间等间距设置；

单次垂直扫描时，传动磁传感器在扫描面范围内，沿Y方向从高度A运动至高度B；此过程记为垂直扫描操作；垂直扫描操作过程中，后方处理装置实时记录下磁传感器检测到的磁场数据和各个磁场数据在扫描面内Y方向上的位置坐标；扫描面内Y方向上的位置坐标记为Y坐标；

按前述的垂直扫描操作的方式，在各个扫描点位置处进行垂直扫描操作；后方处理装置将单次垂直扫描操作所获得的多个磁场数据按Y坐标关系绘制成垂直扫描磁场变化曲线，然后从垂直扫描磁场变化曲线中提取出磁场数据峰值所对应的Y坐标值，多次垂直扫描操作分别对应多个Y坐标值，计算多个Y坐标值的平均值，平均值越大，说明锈蚀程度越严重。

Claims (2)

1.一种混凝土内部钢筋锈蚀位置检测方法，所涉及的硬件包括二维传动装置和磁传感器，通过二维传动装置传动磁传感器对钢筋混凝土结构体进行扫描，其特征在于：所述混凝土内部钢筋锈蚀位置检测方法包括：

与钢筋轴向重合的方向记为X方向，与钢筋径向重合的方向记为Y方向，由X方向和Y方向所形成的平面即为扫描面；磁传感器与钢筋混凝土结构体表面之间的间隔距离记为提离高度；

1)平行扫描：传动磁传感器在扫描面范围内沿X方向进行两次扫描，两次扫描的提离高度不同；扫描过程中，后方处理装置实时记录下磁传感器检测到的磁场数据和各个磁场数据在扫描面内X方向上的位置坐标；扫描面内X方向上的位置坐标记为X坐标；所述磁场数据为磁场强度在X方向上的分量；

2)扫描完成后，后方处理装置将单次扫描所获得的多个磁场数据按X坐标的位置关系绘制成平行扫描磁场变化曲线；然后将对应两次扫描的平行扫描磁场变化曲线叠放在一起，判断两条平行扫描磁场变化曲线是否存在交点：

情况一：若两条平行扫描磁场变化曲线不存在交点，则判定扫描范围内的钢筋混凝土结构体内部不存在钢筋锈蚀病害；

情况二：若两条平行扫描磁场变化曲线存在两处交点，则判定两个交点所对应的X坐标之间的区域发生了钢筋锈蚀病害；

情况三：若两条平行扫描磁场变化曲线存在一个交点，则判定扫描范围仅将钢筋锈蚀区域部分覆盖。

2.根据权利要求1所述的混凝土内部钢筋锈蚀位置检测方法，其特征在于：如出现情况二的情形，则按如下方法继续进行多次垂直扫描：

设定提离高度的下限和提离高度的上限，提离高度的下限记为高度A，提离高度的上限记为高度B；在X方向上两个交点之间的区域设置多个扫描点，各个扫描点之间等间距设置；

单次垂直扫描时，传动磁传感器在扫描面范围内，沿Y方向从高度A运动至高度B；此过程记为垂直扫描操作；垂直扫描操作过程中，后方处理装置实时记录下磁传感器检测到的磁场数据和各个磁场数据在扫描面内Y方向上的位置坐标；扫描面内Y方向上的位置坐标记为Y坐标；

按前述的垂直扫描操作的方式，在各个扫描点位置处进行垂直扫描操作；后方处理装置将单次垂直扫描操作所获得的多个磁场数据按Y坐标关系绘制成垂直扫描磁场变化曲线，然后从垂直扫描磁场变化曲线中提取出磁场数据峰值所对应的Y坐标值，多次垂直扫描操作分别对应多个Y坐标值，计算多个Y坐标值的平均值，平均值越大，说明锈蚀程度越严重。