应用压电钛酸铅传感器和电磁声换能器进行腐蚀钢筋与混凝土接触面检测的方法.doc

应用压电钛酸铅传感器和电磁声换能器进行腐蚀钢筋与混凝土接触面检测的方法摘要 我们已经进行了一次应用压电钛酸铅传感器（PZT）和电磁声换能器相结合的方法进行钢筋与混凝土之间界面的观测的试验。PTZ通过机械振动产生弹性波然后是用EMAT接收超声波的传播制导波。这种方式是为了客服和EMAT的主要缺点。为了调查这种技术在某些环境下的适用性，在实验室环境之外，进行不同形态的钢筋，比如无腐蚀，自然腐蚀，镀锌腐蚀等情况的实验。研究表明，PZT-EMAT组合检测方法对于钢筋与混凝土界面的检测是非常有效的。利用这种方法，在钢筋-混凝土界面可以有效地检测腐蚀或无腐蚀试件的微小裂缝。该方法可推广应用在预应力筋和土钉的检测领域。关键字界面检测、混凝土、PTZ、EMAT介绍 圆柱制导波(或兰姆波)是弹性波，这种波在圆柱状的结构中传播，如钢筋和管道中。这种波重要的特点是：它们能传播很长的距离，并且各种波的模式不同类型的缺陷十分敏感。因此，与传统的超声波利用内部缺陷对常规超声波反射，传输，纵向或剪切波的散射的技术相比，这种技术，利用圆柱制导波进行民用基础设施无损检测更有效。有些研究人员已经应用了制导波技术进行土建结构的缺陷检查。Pavlakovic用时间的差异进行界面浆液、钢筋之间空隙的识别。 Jung使用了兰姆波检测方法。Na使用倾向的角度和扫频技术分层检测钢筋与混凝土界面之间的分层问题。已经证明，该方法可以有效地用于检查的界面裂缝的程度。 上述所有的实验都使用PZTs产生和接收制导波。当使用PTZ时，必须仔细。因为任何在耦合使用或表面光洁度方面的不一致都会影响实验结果的一致性。因此，一般而言，运用PTZ进行多次试验是必要的。应用超声制导波限制了土木工程师的在民用建筑领域的检测。这就是为什么选择EMAT代替传统的PTZ的原因。然而，EMAT在土建结构检测方面也有缺陷。这些都是无损检测(NDT)所不希望的。最近证明PZT-EMAT的组合混凝土组合是有效的检查方式。他们想出用PZT-EMAT的组合的方式来客服技术缺陷。在早前的试验中，钢筋是理想的，没有受到过任何损伤。然而，在实际工程中钢筋时腐蚀的或者镀上某种材料（通常是锌）。在本篇论文中，我们研究如何做好PZT-EMAT组合技术对于腐蚀或镀锌钢筋的检测。 在这里，对于三种表面不同类型的钢材进行了研究，调查PZT-EMAT技术对不同钢筋的表面情况的可靠性：无腐蚀、腐蚀、和镀锌腐蚀。 过去研究PZT-EMAT组合是用于检测有不同程度腐蚀的钢筋与混凝土界面。为了这个目的，进行了三种不同的试样的试验：1)无腐蚀钢筋植入混凝土中；(2)锈蚀钢筋植入混凝土中；(3)镀锌腐蚀钢筋植入混凝土中。对于自然腐蚀钢筋的两组试样置于亚利桑那州的图森户外2年，温度变化为40摄氏度。对于每种试样，有三种表面剥离程度不同的钢筋:0%(没有分离)，25%，和50%。为了研究实验结果的一致性，所有的试验都进行两次。结果发现试验结果基本一致，所以只列出一组数据。V(t)曲线在通过傅里叶变换(FFT)频域转换生成V(f)曲线。这些曲线与每组试件的剥离程度有关。本研究显示PZT-EMAT组合检测土建结构检测方面是一种行之有效的方法，尤其是对检测钢筋混凝土界面的检测。传感器 PTZ是一种将电脉冲转换成机械波且反之亦然的装置。这种传感器性得到了很好开发并广为使用。对于传统的PTZ，其主要限制因素是需要使用耦合剂，如水，凡士林，油，蜂蜜等。很难保持耦合剂尤其是水在大多数领域的应用。此外，这些耦合剂可能会影响实验结果的一致性。这个问题已经促成了各种装置的出现。Patton 和 Hsu开发出一种装置，它利用真空泵使水得到循环利用。Guo 和 Kundu 开发了使用圆锥形容器中的固体耦合器和液体耦合器进行管道检测的传感器装置。这个问题也促成干耦合替代技术的发展，包括使用空气耦合传感器，激光超声，磁致伸缩传感器和电磁传感器。空气耦合传感器是解决耦合问题的一个有效方案。为了提高传输的能量，传感器需要使用无衬层，从而利用压电磁盘较高的机械特性。此外，为了提高传感器的发射和接收效率，其由具有低阻抗的薄多孔材料制成前端的保护层。 激光超声传感器是另一种诱导和接收超声波的有效的方法，而不需要耦合剂。接收到的信号是采用与脉冲回波技术相同的方式进行分析。然而，虽然激光超声在实验室环境中有航空航天和机械工业的应用潜力，但它在检查民用基础设施或现场应用上并不是很有前途。磁致伸缩传感器采用磁致伸缩和逆磁致伸缩效应。在过去，磁致伸缩装置的发展缓慢是因为磁致伸缩传感器的能量转换效率普遍偏低。然而，这种传感器在相对较低的频率下具有相当大的应用潜力，而不需要任何耦合剂。一些研究者已经使用绝缘材料的磁致伸缩性能开发了一个新的磁致伸缩设备，而没有使用磁致伸缩材料。该装置可以同铁磁材料共同工作，也可用于非铁磁性金属甚至是非金属材料，它通过在放置传感器的地方提供铁磁材料。这种传感器已应用于检查丝，管和棒等构件。EMAT在导电材料的洛仑兹力，电磁效应，或两者的结合下产生超声波。这两种现象影响试件的原子排列，使声波直接在试样中产生，而不是在该传感器内部。因此，这是一个非接触式装置。与PTZ相比EMAT的主要优势是它不需要任何耦合剂；因此，我们可以消除在无损检测时使用偶合剂所引起的结果不一致。这一特点吸引了研究人员应用EMAT确定材料性能或检测其结构缺陷。该装置另一个主要优点是是不同的引导模式可以通过改变线圈等方式改变。因此，该传感器可以诱导特异的超声模式包括正常梁和角梁剪切波，水平剪切波，瑞利波和兰姆波.这有助于研究人员能够方便地为特定测试选择传感器。EMAT的其他优点是：（1）它可以利用水平极化剪切波有效地检测奥氏体焊缝；（2）可在高温下操作。然而，这种传感器可能有一些缺点：（1）只可以用于黑色金属和有色金属，但这对于检测非金属材料如纤维增强复合材料（FRP）是不准确的；（2）给出了一个相对较低的传输超声波能量和低信号噪声比；（3）激发能量关键取决于探头附近的测试对象，距离为1mm之内。要克服PTZ的主要缺点，即耦合剂和电磁超声的要求，换言之，就是相对较低能量的超声波的传输，Na 和 Kundu使用了PTZ和EMAY相结合的方式。他们尝试将不同的PTZ和EMAT相结合作为发射装置和接收装置，并得出以下结论： 1、可通过将PTZ直接接触钢筋作为发射机显著提高接收到的电磁超声信号的强度。 2、EMAT-EMAT和PTZ-PTZ的组合都适用于于检测大分层。然而，对于小分层检测，建议使用压PTZ-EMAT组合。 3、试样表面的光洁度影响实验结果的一致性；但使用电磁超声作为接收器时这种不一致会减少。试样 三种不同类型的样本集是組合的。第一种试样用的是表面无腐蚀钢筋， 如图l(a)。第二种试样用的是表面腐蚀钢筋，如图1(b)，第三种试样用的是表面镀锌并且锈蚀的钢筋，如图l(c)。腐蚀试件采集于置于亚利桑那州图森市户外2年的试件，因此，是自然腐蚀。 每种试样钢筋和混凝土界面都有不同程度的剥离。分别为0%(完好粘结)，25%和50%，如图2。试样尺寸，如图2。试件的尺寸的127mm127mm，钢筋的直径从19到22 mm。对人工剥离的区域，PVC管在混凝土浇注六小时后从木质模具中抽出。图 1图 2实验装置 实验装置如图3所示。信号发射器用TM515驱动，用TM505放大器增强的信号作为试件的函数显示在示波器中。时程曲线以这样的方式来产生V(t)曲线。然后，应用FFT技术将V(t)曲线转化为频域生成V(f)曲线。 以1兆赫兹为中心频率的PTZ作为发射机和以以3.5毫米为波长的EMAT作为接收机。图3显示发射机装置以纵向制导波传播模式通过钢筋。显然这种发射机保持直接接触钢筋的端部。图3显示的EMAT也能接收制导波模式。在这种情况下，因为EMAT的这种机制我们不需要任何传感器。图4显示PTZ和EMAT的不同组合方式是由Na and Kundu发明的。如图4(c)的布置方式发现是最有效的观测钢筋与和混凝土界面的方式，因此在本试验中被采纳。在这里，要注意这种方式在检查嵌入在混凝土中的钢筋不是很实用。然而，这种布置方式，将发射机和接收机设置在同一侧，即可被用于检测土钉等加固构造。图 3图 4实验结果 图5所显示的试样1的V(t)曲线（无腐蚀钢筋与混凝土，如图 1(a)），使用如图4(c)所示的发射接收装置。以振幅总和我们的认为所有V(t)振幅值在整个时间窗口中。前三组V(t)曲线分别显示剥离程度为0%、25%和50%的试件，最后为各条曲线振幅的总和。虽然一组试验结果显示一组试件，每次试验都进行两次来比较结果的一致性。两组试验在不同的两天内进行，其他的试验条件完全一致。结果发现实验结果相当一致。这些曲线表明，剥离程度对V(t)曲线具有显著的影响，如图6（a）（c）。数据显示v(f)曲线对应于v(t)曲线，如图5(a)-(c)。三组V(f)曲线振幅总和在图6(d)中显示。正如所预料的那样，这些曲线依赖于剥离程度的百分比。 图7所显示的试样2的V(t)曲线（锈蚀钢筋与混凝土，如图 1(b)），使用如图4(c)所示的发射接收装置。前三组V(t)曲线分别表示剥离程度为0%、25%、50%的试件，图7(d)显示三组V(t)曲线振幅总和。这些试验各进行了两次并且发现实验结果大致相似。因此，只列出一组结果在图7中。这些曲线还表明，剥离程度对信号的记录有重要影响。图8显示相应的V(f)曲线和振幅的总和。图5或7（或6、8）相比较揭示了制导波对于剥离程度小的腐蚀试件更敏感。注意到，相对于标准试件，对于无腐蚀钢筋，剥离程度为25%的试件产生一个小变化(但是很明显)，如图5、6所示。然而，这些变化都对于锈蚀试件更加剧烈。虽然不是很清楚为什么制导波对于腐蚀试件低程度剥离现象更加敏感。这些结果是令人鼓舞的，因为在实际工程中钢筋往往时腐蚀的。然而，对有腐蚀钢筋的试件，接收到的信号强度较弱。 在这里还应该指出的是，虽然相比较于无腐蚀钢筋，腐蚀钢筋在0%和25%的剥离程度时收到的信号会更强，但是在25%和50%的剥离情况下，得到的结果是不一样的。一个复杂的理论模型，该模型已经超出了本文的范围，对解释这一现象十分有用。从图58中，我们可以得出，光滑的表面状况能够影响检测的灵敏度。图9所显示的V(t)曲线（镀锌锈蚀钢筋与混凝土，如图 1(c)），使用如图4(c)所示的发射接收装置。前三组V(t)曲线分别为剥离度为0%、25%和50%时的曲线。图9(d)分别显示三组V(t)曲线的振幅总和。同时，实验结果显示，信号在一定程度上依附于剥离程度。图10显示相应的V(f)曲线和振幅总和。与前两例相比，如图1（a）（b），因为这种情况下钢筋高度腐蚀，产生的信号强度更弱，如图9与5或7相比。然而，有趣的是，我们注意到，即使这些微弱的信号也明显显示出剥离程度为0%、25%和50%的试件的区别。图 5图 6图 7图 8总结和讨论 我们已经推出了PZT-EMAT组合方式检测钢-混凝土界面的方法。考虑到不同的钢材的表面状况(无腐蚀、镀膜和腐蚀)是为了研究在实验室环境之外进行检测的可行性。通过实验得到了V(t)和V(f)曲线。实验结果表明，该组合方式对于各种类型锈蚀钢筋与混凝土界面的检测是非常有效地是有效的。迄今为止该技术，仅在实验室环境下进行，还未在实际工程中应用。参考文献1. 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