基于水泥基压电智能复合材料的钢筋锈蚀原位监测方法研究

The corrosion of steel bar seriously affects the safety and durability of the reinforced structures. In this research,based on smart piezoelectric material,an advanced corrosion monitoring method is developed,which is real time and in situ.The actuation and sensing function of piezoelectric mateiral is utilized to fabricate corrosion sensor which is suitable to be embedded into concrete.The bonding layer of concrete and steel bar is monitored and the interaction among concrete,steel bar and corrosion products is studied.The stage of corrosion could be determined.The author will use cement-based piezoelectric matreial and the actuation of this type of material could be controlled.Because the coupling of different vibration modes could be resolved,and the wave type of the piezoelectric actuator could meet the requirement of monitoring.The propagation of the wave in concrete and steel bar will also be studied based on the boundary.The in-situ monitoring will meet many problems. The influence on sensing mechanism from environmental factors will be studied. A reliable monitoring system will be developed.The application of the project will improve the structure monitoring techniques,and bring a series of achievement with independent intellectual property rights.It will prevent catastrophes in concrete structures.

钢筋锈蚀是主要的耐久性问题，严重危害混凝土结构的安全与使用性能。本课题拟开发一种基于智能压电材料，适应现代健康监测技术要求的钢筋锈蚀监测方法，利用压电智能材料的驱动、传感性能制备埋入式钢筋锈蚀传感器，以钢筋、混凝土与锈蚀产物三者之间的成层介质为信号载体，实现钢筋锈蚀定量化表征，从而突破传统混凝土结构锈蚀监测技术的局限。申请者以水泥基压电复合材料为基础，研究嵌入式传感器与混凝土基体的相容性，解决振荡模态耦合问题；研究信号在成层介质中的传播规律，揭示新型锈蚀传感机理；系统性地研究不同作用机制对传感机理的影响，以形成有效的腐蚀环境混凝土性能劣化信息提取和评估的新方法。本课题的实施可极大地拓展并提升全寿命健康监测理论及应用技术，形成一系列拥有自主知识产权的研究成果，对混凝土结构重大灾变的预防具有重要意义。

钢筋混凝土结构中钢筋锈蚀的普遍性、隐蔽性和破坏的突发性直接威胁着人类生命财产的安全，其所造成的危害不容乐观。因此应优化完善钢筋混凝土结构在服役期的锈蚀监测方法，建立有效的耐久性监测系统。本研究正是基于以上背景，利用埋入混凝土中压电传感器发射、接受超声波以监测钢筋的锈蚀过程。本研究主要制备适于埋入混凝土的压电复合材料，研究压电传感器制备方法，对钢筋锈蚀过程中的导波进行了监测。 选用1-3水泥基压电复合材料作为传感器的核心材料，通过材料试验，确定压电相组分体积为25-30%为较理想的材料。通过理论分析与实验研究，得到了钢筋中传播的导波的频率与群速度，相速度，模态的关系，确定了导波的适用监测频率，结合压电传感器制备工艺，以100KHz作为传感器的谐振频率。从超声导波的波幅分析看，钢筋锈蚀可以分为三个阶段，第一个阶段波幅稍有下降，第二个阶段，波幅有上升，第三个阶段，波幅保持基本稳定。主要是因为钢筋锈蚀产物导致钢筋与混凝土的界面产生变化，从而导致导波出现变化。最初阶段锈蚀产物积累，界面空隙充实，波幅下降。随着界面锈蚀产物的积累膨胀，界面开始开裂，波幅开始下降，当裂缝接续扩大，锈蚀产物从裂缝渗出时，波幅基本不再变化。混凝土材料的配合比变化时，混凝土的强度产生变化，界面的微观结构，主要是孔隙率产生较大变化，从而导致导波在传播过程中的规律有一定的变化。界面的微观结构观察与声发射监测从不同的角度解释这种变化。此外还利用制备的可埋入混凝土的传感器对混凝土结构中动态应变响应与开裂过程中裂缝的精准定位进行了初步研究，以进一步用于钢筋锈蚀监测。本研究利用埋入混凝土中的压电传感器对钢筋锈蚀过程中的超声导波进行了研究，对导波传播的机理，以及影响因素的研究结果表明，本方法能够对钢筋锈蚀的进程进项主动识别，判断钢筋锈蚀程度。这对混凝土结构耐久性研究，对维护混凝土结构安全具有重要意义。