钢筋锈蚀引起保护层的开裂，是混凝土结构耐久性极限状态的主要表现形式之一[1]．对保护层锈胀开裂的研究是混凝土结构适用性能评估和剩余寿命预测的重要环节．很多研究者采用电化学法围绕保护层锈胀开裂时钢筋的锈蚀率或锈蚀深度[2-4]、锈蚀产物的填充行为[5]、锈蚀产物的物理力学性能[6-8]进行了较为深入的研究，建立了钢筋锈胀力模型、临界锈蚀量模型等，量化了钢筋混凝土锈蚀过程中钢筋的损失情况及锈胀力大小．然而，限于测试方法的制约，对保护层内锈胀裂缝产生、发展历程的研究仅限于仿真分析[9-11]，考虑到声发射(AE)在混凝土受力损伤分析中已有不少成功应用[12-15]，本研究采用参数、小波及双谱分析等多种方法，对保护层锈蚀胀裂发展历程中的声发射信号变化特征进行较为细致的分析，希望所得结果能为钢筋混凝土构件锈胀开裂耐久性寿命的预测提供参考．1 实验方案1.1　试件设计试件尺寸为150 mm×150 mm×150 mm，基材设计强度等级为M25，选用P·O 42.5普通硅酸盐水泥和细度模数为2.54的黄砂，按配合比浇筑；选用长140 mm、直径20 mm的HPB300级钢筋，除锈、焊线封胶，试验区域为100 mm长的未封胶段，设置保护层为30 mm，埋入基材中．在为(20±1) ℃环境中养护28 d．1.2　锈蚀方案在试件保护层厚度为30 mm的一侧安装水槽，并注入质量分数为3.5%的NaCl溶液．3 d后进行锈蚀试验，电源正极与钢筋相连，负极与置于水槽内的不锈钢钢片相连，通过NaCl溶液构成闭合回路．设定钢筋表面电流密度为600 μA/cm2．1.3　监测方案为阻隔外界噪声，在声发射隔音箱[16]中进行试件通电加速锈蚀试验，并进行应变采集及声发射监测．a. 应变监测：在试件顶面，以钢筋为中心，粘贴4个3 mm×30 mm的应变片，并从应变片端部引出导线与应变采集仪连接，获取试件在试验过程中的应变变化．b. 声发射信号监测：采用声华SAEU2S声发射系统，选用6个声华SR150N谐振式传感器，前置放大器调置为60 dB，声发射仪器门槛值设置为30 dB，采样频率设为5 MHz，峰值定义时间(PDT)设为200 μs、撞击定义时间(HDT)设为800 μs、撞击闭锁时间(HLT)设为1 ms；为保证各通道对裂缝声源产生的应力波有相近的灵敏度，将传感器合理分布于试件表面．2 实验结果分析2.1　参数分析通过对保护层锈胀开裂过程中的声发射信号进行参数分析得到声发射累积计数(n)曲线如图1所示，图中t为时间．结合应变(ε)变化分析可知：当时间0 h≤t20 h时累积计数缓慢增加，应变也缓慢增加；当20 h≤t40 h时，累积计数快速增加，应变也快速增大；当t≈40 h时，累积计数出现陡增，应变出现小幅回落，仔细观察发现试件表面出现可见裂缝，表明保护层已锈胀开裂；t 43 h之后，累积计数曲线逐渐趋于稳定．10.13245/j.hust.210621.F001图1应变与累积计数综上所述，推测保护层内裂可能发生在t=0~20 h，为进一步确定内裂时刻，借鉴文献[17]方法，采用高斯混合模型(GMM)对试件锈胀开裂0~20 h的振铃计数/持续时间( fA)与上升时间/幅值(Ur)两参数[18]进行聚类分析，结果如图2所示．发现在0~6 h拉伸声源较少，其他类型声源较多，6 h后出现拉伸裂缝声源涌现，初步判断在6 h左右保护层内部开裂．为了更加准确描述保护层锈胀开裂历程，对声发射信号进行频谱分析．10.13245/j.hust.210621.F002图20~20 h声源类型2.2　小波分析基于Morlet小波在时间与频率的局部化之间良好的平衡能力，选用一种复Morlet小波——cmor3-3子小波进行小波分析[14,19]．沿声发射累积计数曲线分析如图3所示，A点(1.52 h)前后声发射信号频率主要集中在50 kHz附近，并伴有少量高频信号频率在100~150 kHz，与文献[14]对钢筋钝化膜破裂、锈蚀产生阶段声发射信号特征研究结果较为一致；至B点(4.73 h)声发射信号频率范围显著增大，之后信号频率逐渐集中于100~150 kHz，推测在B点时随锈蚀物累积保护层内侧已开裂，相比参数分析的结果，保护层内裂的时间可能更早；从C点(28.72 h)到D点(33.73 h)，声发射信号频率范围又再次增大，表明该阶段锈胀裂缝正逐步发展，至E点(41.38 h)试件表面裂缝贯通，与文献[20]表面裂缝出现的信号频率较为一致；至F点(44.30 h)声发射信号范围逐渐回落，G点(63.00 h)后信号在集中于100~150 kHz，意味着10.13245/j.hust.210621.F003图3小波分析宏观锈胀裂缝已形成，钢筋锈蚀稳定发展．可见小波分析能够更为准确地确定保护层内裂时刻，但考虑到小波分析在高频段频率分辨率下降，为更准确捕获保护层开裂阶段信号特征，进一步采用双谱分析在更高阶概率层次对信号的局部特征进行分析．2.3　双谱分析高阶谱分析可有效抑制高斯噪声，揭示信号的非线性信息，已广泛应用于各个领域．双谱又称三阶谱，是最常用的高阶谱之一[21]．任意二维区间的双谱幅值计算所得的信息熵称为双谱熵(BIE)[22]，描述了双谱幅值形态上的变化，反映了双谱形态的复杂程度．非高斯强度(NGI)是对双谱幅值大小的描述，反映了双谱频域内非高斯性的强弱．对声发射累积计数曲线(图3a)中A~G各处的瞬时波形进行双谱分析，结果如图4和图5所示，图中：Ud为双谱幅值；s为双谱熵值；I为非高斯强度．可见：在A点时双谱表现为谱峰结构简单、能量集中，BIE值和NGI值小，较小波分析结果更为明显；随着试验时间的累积，到B点时双谱中小谱峰数目增多，其能量分布变得更为离散，BIE值和NGI值较前期显著增大，充分表明试件内部声源增加，可以确定为保护层内裂；随着钢筋锈蚀程度的增大，C点和D点双谱形态基本一致，谱峰数目较B点减少，BIE值和NGI值较B点也减小，表明保护层内部裂缝稳定扩展，钢筋锈蚀持续进行；到E点时，双谱中小谱峰数目突然最多，能量分布不再集中，主谱峰波动性加剧，BIE值和NGI值也达到最大值，十分明显地表征了试件表面裂缝的产生；随着裂缝的扩展及贯通，从F点到G点，双谱逐渐回到单一谱峰，能量分布集中，BIE值和NGI值逐渐减小，与小波分析频率的变化趋势相似，到G点时保护层锈胀裂缝已完全贯通．10.13245/j.hust.210621.F004图4双谱分析10.13245/j.hust.210621.F005图5双谱熵值和非高斯强度1—累积计数曲线；2—双谱熵值；3—非高斯强度．3 结论a. 采用声发射信号参数分析，可以较为准确地辨识水泥基材料中钢筋产生锈蚀、保护层内裂和保护层表面锈胀开裂三个阶段；小波分析可较准确地表征混凝土锈胀开裂历程中声发射信号的频域特征，而双谱分析能使信号局部突变直观化、定量化；以小波分析为主，参数分析、双谱分析为辅，可全面准确提取水泥基材料保护层锈胀开裂阶段的声信号特征．b. 声音发射累计计数曲线陡增的起点，可作为保护层微裂纹出现的信号；在保护层内裂过程中双谱熵值的减小可作为保护层开裂的前兆；非高斯强度中的两个极值点可分别作为保护层内裂开始和表面开裂的标志；当BIE值和NGI值达到最大时，表明保护层表面胀裂．