基于探地雷达的混凝土锈蚀可视化周期监测

Chloride-induced reinforcement corrosion is one of the main deterioration processes in reinforced concrete structures. Most of the commonly used corrosion testing methods, like half-cell potential are electrochemical-based. These methods provide indications of the current, instantaneous state of corrosion activity and could not measure the development of corrosion. And the results are always infected by the environment. In the latest research of the applicant, it was founded that Ground Penetrating Radar (GPR) holds the potential to visualize the early-stage corrosion. By comparing the results of periodic GPR monitoring, the development of reinforcement corrosion can be found qualitatively. In this new project, this method is going to be developed in to a quantitative corrosion monitoring method. Experiments will be carried out to study the relation between the change of GPR signal and corrosion degree. A corrosion image processing and registration program will be developed to automatically process the massive datasets, which warrants the possibilities of further transferring the proposed method to large-scale measurements on site.

钢筋锈蚀是影响混凝土耐久性的最主要原因。及时定位早期锈蚀发生的位置和监测锈蚀的程度可以为耐久性的评估和维修、加固的决策提供必要的依据，对确保结构设计年限内的安全运营并降低其全寿命周期费用成本有着重要的意义。目前在实际工程中,常使用半电池电位法等基于电化学原理的方法进行锈蚀检测,但此类方法的结果并无法定量判断锈蚀的程度，且结果的可靠度受诸多环境因素的影响。申请人在之前的研究中发现高频探地雷达可以用于钢筋锈蚀监测，在保护层混凝土开裂之前发现钢筋的早期锈蚀，并提出通过周期性监测，可定性地判断钢筋锈蚀的发展。提出该项目申请，旨在进一步发展该方法，通过实验研究雷达信号的变化和锈蚀程度的关系，找到利用探地雷达进行锈蚀定量监测的方法。同时开发自动锈蚀图像处理和配准程序，用于分析实际应用中不同年份采集的海量数据，进行快速自动处理和比对，将该方法发展为具有实际工程应用价值的创新性技术。

钢筋锈蚀是影响混凝土耐久性的最主要原因。及时定位早期锈蚀发生的位置和监测锈蚀的程度可以为耐久性的评估和维修、加固的决策提供必要的依据，对确保结构设计年限内的安全运营并降低其全寿命周期费用成本有着重要的意义。目前在实际工程中,常使用半电池电位法等基于电化学原理的方法进行锈蚀检测,但此类方法的结果并无法定量判断锈蚀的程度，且结果的可靠度受诸多环境因素的影响。负责人在该项目的研究中发现高频探地雷达可以用于钢筋锈蚀监测，在保护层混凝土开裂之前发现钢筋的早期锈蚀，并提出通过周期性监测，可定性地判断钢筋锈蚀的发展。通过实验研究雷达信号的变化和锈蚀程度的关系，分析锈蚀形态、保护层混凝土湿度、氯离子含量等因素对雷达信号的影响。同时开发自动锈蚀图像处理和配准程序，用于分析实际应用中不同年份采集的海量数据，进行快速自动处理和比对，将该方法发展为具有实际工程应用价值的创新性技术。研究成果发表论文四篇，其中SCI论文两篇，EI一篇，核心期刊一篇，申请发明专利两项，获批实用新型专利两项。.在实验研究中,发现随着锈蚀的发展,高频探地雷达的反射波能量增强。为了解释这一现象，研究钢筋锈蚀过程中由于锈蚀产物的产生、锈蚀产物的迁移及裂缝的开展而引起的电磁波变化，提出基于X 射线层析扫描技术（XCT）表征钢筋锈蚀过程，再将所得的三维形貌导入场模拟软件，分析反射雷达波在锈蚀过程中的变化。. 在前期的实验研究中发现探地雷达电磁波信号除了受到锈蚀的影响，在钢筋混凝土劣化过程中，也受到保护层混凝土碳化、氯离子侵蚀等过程的影响。为了分离这部分影响，找到钢筋锈蚀量与电磁波变化的对应关系，提出了利用X射线断层扫描和电化学阻抗谱跟踪碳化和氯离子侵蚀过程，了解这两种劣化的过程，及过程中的电参数变化。. 为将前期研究中提出的利用锈蚀探地雷达检测钢筋锈蚀的方法用于实际环境中的锈蚀长期监测，提出了探地雷达图像配准、比对的算法，并完成该算法的程序编写。分析了长期监测数据，成功地利用探地雷达对锈蚀进展进行可视化成像并进行自动比对。克服了目前传统的基于电化学锈蚀检测方法只能测得当下时刻的锈蚀反应电流或者概率，无法检测累积的锈蚀的缺陷。