基于金属磁记忆的混凝土结构钢筋锈蚀无损定量表征

It is of important significance in the safety and durability assessment of structures to develop a quantitive, accurate and non-destructive method for the test of steel corrosion in the reinforced concrete(RC) structures. Based on the magneto-mechanical coupling behavior of steel, we propose a brand new method called metal magnetic memory (MMM) testing. Firstly, we prepare to carry on the theoretical and experimental researches to get the relation of rebar corrosion, concrete cracking and MMM signals because there exists a strong bond stress on the steel rebar for corrosion expansion, which lead to the magneto-mechanical coupling effect. Secondly, we will carry on the MMM test for the RC structures under the different corrosion levels, analyze distribution pattern of MMM signals for the single rebar under different influence and research the interference and coupling of multiple rebars. Finally, we prepare to propose a theoretical model for the time evolution of rebar corrosion, concrete cracking and MMM signals. We will check and amend this model by the destructive and repeated experiment on the real RC structures. By the researches in the project, we will find out the intrinsic mechanism of MMM effect leaded by the corrosion in the RC structures, the distribution pattern of MMM signals produced by the corrosion and the mathematic model for the quantitively corrosion test. This project aims to provide a scientific support to the structural safety assessment.

量化、精准、无损获取钢筋混凝土结构的内部钢筋锈蚀状态对科学评估其安全性和耐久性具有积极的现实意义。本项目基于力磁耦合原理，采用理论分析与试验研究相结合的方法，提出一种基于金属磁记忆的混凝土结构钢筋锈蚀无损定量检测新路径。考虑混凝土握裹作用和钢筋锈胀效应，探究钢筋锈蚀—锈胀开裂—金属磁记忆效应的物理机制；开展钢筋混凝土结构在不同锈蚀阶段下的金属磁记忆检测试验，分析不同影响因素下的单筋混凝土结构的钢筋锈蚀自发漏磁分布规律，探索多筋锈蚀的漏磁干扰及耦合作用机制；探究钢筋锈蚀程度—锈胀裂缝—自发漏磁信号特征之间的演化关系模型，并通过结构破坏性试验和多传感器重复性试验来验证及修正该模型。项目预期将剖析混凝土结构钢筋锈蚀的金属磁记忆效应机理，揭示混凝土结构钢筋锈蚀自发漏磁分布规律，最终构建混凝土结构钢筋累积锈蚀的金属磁记忆无损定量表征模型，为实际混凝土结构钢筋锈蚀的无损定量表征提供重要的科学依据。

针对钢筋混凝土结构的内部钢筋锈蚀状态如何量化、精准、无损评估的问题，以钢筋以及钢筋混凝土试件作为研究对象，采用理论分析、试验研究、仿真模拟和分类评估相结合的研究手段，探索混凝土结构钢筋锈蚀原理及与混凝土结构性能劣化的关系，建立了三维磁偶极子模型，开展了裸筋与钢筋混凝土梁的“锈蚀-自发漏磁信号采集-锈蚀度检测”系列试验，探究了钢筋直径、钢筋长度和混凝土保护层厚度等因素对各锈蚀时间下锈蚀缺陷漏磁信号变化的影响情况。研究发现漏磁信号切向分量差值在锈蚀区域内其极值与各影响因素间：随钢筋直径的增大而大幅削减，随着钢筋长度的减小而大幅削减，随混凝土保护层厚度的变化无明显变化。研究得到了提高定量判断钢筋锈蚀区域宽度精度的方法，该方法下其误差最大值为24.08%，最小值为2.77%，平均误差为12.99%，以及得到考虑钢筋端部效应影响得到锈蚀度评价指标。在理论推导磁偶极子量化参数的基础上详细研究了抗弯承载力和自发漏磁之间的关系，随着锈蚀程度的增加，只有锈蚀区域内的自发漏磁信号曲线呈现出明显的凸起并出现峰谷差值，而弯曲强度则单调降低，磁偶极子量化参数随着锈蚀程度的增加单调增加，其实验值随抗弯承载力损失率的增加呈指数增加。同时发现箍筋对磁偶极子量化参数的大小以及磁偶极子量化参数与抗弯承载力损失率之间的相关性没有特别明显的影响，该参数有效地消除了钢筋不同磁化状态的不利影响。同时进行了钢筋混凝土试件整体锈蚀磁信号检测研究，通过切向磁信号在不同提离高度下的曲线的交叉区域可以确定锈蚀严重的区域。最后研究了混凝土结构钢筋锈蚀相应的磁特征指标，通过运用混凝土结构钢筋锈蚀的磁特征指标，结合分类评估方法对不同锈蚀程度进行分类评估。针对混凝土结构钢筋锈蚀自发漏磁检测分级评估中，模型NBC-Ⅲ和模型SVM的准确率最高，分别达到90.7%和88.9%，钢筋混凝土结构锈蚀分级评估结果与裸筋锈蚀分级评估结果具有一致性。