钢筋锈蚀的涡流红外检测方法

钢筋锈蚀的涡流红外检测方法

杨文琦阳珊清丁江徐晓雪杨康

重庆交通大学重庆400074

摘要：钢筋锈蚀是影响钢筋混凝土桥梁耐久性的主要因素。本文采用了电涡流加热裸钢筋和混凝土内部的钢筋，并通过红外热像方法测量钢筋和混凝土表面的温度变化和分布情况，得到了钢筋在未锈蚀和锈蚀后的温度的变化规律，成为钢筋混凝土桥梁钢筋锈蚀检测的新方法。

关键词：钢筋锈蚀检测方法

在我国公路桥梁中，钢筋混凝土梁桥从数量上占绝对比重。然而，部分桥梁由于建设质量存在问题、超重车辆破坏作用、自然灾害以及桥梁自身老化等众多因素，桥梁的安全难以得到保障。其中，钢筋混凝土桥梁的锈蚀问题是影响桥梁安全和耐久性问题的重要原因。特别是桥梁内部的锈蚀问题，具有隐蔽性、突发性，大危害性等特点。

1钢筋锈蚀

1.1钢筋锈蚀原理

混凝土中钢筋的锈蚀实际上主要是，外界离子和钢筋中的铁离子发生作用的过程，还有部分碳化腐蚀。目前，有关对钝化膜破坏作用的机理主要有氧化膜理论、吸附理论、过渡络合理论及场效应理论[1]。以下为基本电化学式：

阴极：

阳极：

1.2钢筋锈蚀检测方法

为此，国内外提出了许多钢筋锈蚀的检测方法，基本上可分为三种：分析法、电化学法和物理法三种。其中，分析法包括半电池电位法、线性极化法等；物理法包括电阻探针法、射线探伤法、声波发射法等。但大量工程实例表明，每种方法都存在一定的局限性，不能准确、有效、快速地判定混凝土内部钢筋的锈蚀程度。

2涡流红外检测原理

本文提出了涡流红外检测方法，即利用高频交变电流产生的涡流使钢筋发热，再通过热成像技术显示出不同锈蚀程度热状态变化，从而达到检测桥梁内部钢筋锈蚀程度的目的。

2.1涡流加热原理

涡流红外检测钢筋锈蚀的核心原理是通过使用高频感应加热仪的感应加热线圈，在钢筋混凝土内部钢筋产生感应电流，钢筋将产生热量，致使钢筋温度上升。依据是焦耳定律，即下式：

钢筋温度的升高破坏了钢筋混凝土原有的热平衡，使得热量在混凝土内部传导，焦耳热会通过热量传递导致混凝土表面的温度变化。钢材的导热系数一般介于28.2-48W/m.k之间，但对于混凝土而言，一般介于1.4~3.6W/m.k之间，对比可知钢筋的热传导系数约为混凝土的20~30倍。两者相差如此之大是因为钢材是良好的导热体，而混凝土是热惰性材料，导热性能差。

2.1红外成像原理

红外热成像是由点到而实时显示被测物体表而的温度分布，是红外测温技术的重大发展。由于目标温度与辐射率之间存在着固定的对应关系，用红外探测器测出目标的热辐射功率，就能计算出目标的表面温度。

同时，对于锈蚀程度不同的钢筋试件，其热传导效率不同，使得混凝土表面温度变化速率不同，采用红外热像仪记录分析混凝土表面的温度变化速率，就可以达到钢筋锈蚀检测的目的。

图1为红外热像仪记录的，钢筋直径为10mm的100mm×100mm×400mm钢筋混凝土长方体试件，从室温开始，加热三分钟后停止加热，混凝土表面的温度变化情况。

3方法可行性验证

根据上述原理及方法，本文采用电涡流加热了裸钢筋和混凝土内部的钢筋，并通过红外热像方法测量钢筋和混凝土表面的温度变化和分布情况，得到了钢筋在未锈蚀和锈蚀后的温度的变化规律。

图1涡流加热钢筋砼试件温度变化曲线

混凝土中钢筋的锈蚀由于混凝土本身氯离子扩散系数较低，过程比较缓慢。室内试验通常采用通电的方法加速化学腐蚀过程，也即是电化学加速锈蚀法。通过对钢筋施加外电流，加速其电化学反应，达到快速钢筋锈蚀的目的。钢筋的锈蚀程度采用电化学法，分阶段对试件进行锈蚀。根据锈蚀时间的不同，对应不同的锈蚀程度。

图2裸钢筋温度增长速率变化曲线

试验分析了不同锈蚀程度的裸钢筋和混凝土内部的钢筋，上图为直径为20mm的钢筋随着锈蚀时间的增长，钢筋表面的温度增长速率的变化情况。结果表明：在电涡流感应加热情况下，锈蚀后钢筋的发热效率更大，钢筋表面的温度增长速率更快，且随钢筋锈蚀程度的增加，钢筋表面的温度率继续增大；随着混凝土中钢筋锈蚀程度的增加，混凝土试件的表面温度增长速率增大。

根据初步的试验验证可知，利用高频交变电流产生的涡流使钢筋发热，再通过热成像技术显示出不同锈蚀程度细微的热状态变化的电涡流红外钢筋检测方法是可行的。

在今后的试验中，将采用控制变量法，对钢筋和钢筋混凝土试件进行进一步试验。即分别改变钢筋的钢筋直径、提离高度等因素，改变钢筋直径、混凝土保护厚度、混凝土强度和混凝土湿度等因素，得到不同工况下钢筋和钢筋混凝土试件表面的温度变化。从而得到关键因素对电磁感应加热条件下钢筋混凝土温度增长影响规律，进一步探究电涡流热成像无损检测量化方法。

参考文献：

[1]许晨.混凝土结构钢筋锈蚀电化学表征与相关检/监测技术[D].浙江大学,2012.

[2]李秀凤，刘玉磊.红外成像技术在上木工程中的应用研究[J].黑龙江交通科技，2010

[2]贺虎.基于红外热成像技术在支挡结构无损检测中的应用研究[D].重庆大学,2012.