摘要
钢筋混凝土结构是目前广泛使用的建筑结构形式之一，然而其存在的耐久性问题一直是土木工程可持续发展的瓶颈之一，其中钢筋锈蚀是造成钢筋混凝土发生耐久性破坏的关键原因。因此，怎样有效完成对钢筋混凝土内部钢筋早期锈蚀的无损检测成为近数十年来混凝土结构耐久性及防灾减灾研究工作中的一个重点探索方向。目前使用的钢筋锈蚀检测手段包括分析法、物理法和化学法，上述手段大多在钢筋锈蚀发展到第二阶段末（混凝土表面出现裂缝）甚至第三阶段才能实现检测，没有办法给予更及时的早期锈蚀检测。随着半导体和光电子技术的不断发展，一种新型检测技术正在不同的领域取得突破性的进展——太赫兹探测技术。研究发现混凝土中钢筋锈蚀初期产生的锈蚀产物中，某些铁氧化物和羟基铁氧化物在太赫兹频率范围内会表现出吸收共振现象，并且在实验室条件下，可以采用太赫兹时域光谱技术（Terahertz Time-domain Spectroscopy，以下简称THz-TDS）检测到特征吸收峰，且大多数土木工程领域覆盖层材料为非极性材料，其能够被太赫兹电磁波穿透，因此，这为钢筋混凝土早期锈蚀实时监测提供了一种新的途径并奠定了理论基础。本课题对太赫兹波作用下钢筋锈蚀产物的特征吸收机理进行了理论研究、试验分析和数值仿真模拟，为基于太赫兹时域光谱技术对钢筋早期锈蚀进行实时监测提供前期理论基础和模拟依据。其基本原理为，钢筋腐蚀产物中的四种主关键物质（α-Fe2O3、α-FeOOH、β-FeOOH和γ-FeOOH）由于结构振动转动在太赫兹波段产生特征吸收峰，故可通过该技术识别这四种物质，进而在钢筋脱钝后形成锈蚀产物的阶段即可实现钢筋混凝土的早期锈蚀检测。 本文对钢筋锈蚀产物（α-Fe2O3、α-FeOOH、β-FeOOH和γ-FeOOH）在太赫兹波段产生吸收峰进行理论研究，主要针对晶体结构探究其在该波段产生特征吸收峰的原因，以此为依据分析影响特征吸收峰强度和数目的因素；并对太赫兹透射式时域光谱的系统组成进行分析，基于傅里叶变换和菲涅耳方程处理太赫兹时域光谱信号，计算太赫兹吸收系数、折射率和消光系数，进而研究四种物质在太赫兹波段的特征吸收峰，作为THz-TDS研究钢筋锈蚀早期检测的理论依据。 本课题考虑影响锈蚀产物成分的主要因素和规范中耐久性设计使用的环境分类，通过实验室通电加速锈蚀法和现场采集方法共获取六种不同环境的锈蚀产物，采用X射线衍射技术分析样品组分，研究四种主要物质（α-Fe2O3、α-FeOOH、β-FeOOH和γ-FeOOH）在不同环境下的存在性和含量变化；基于傅里叶变换和菲涅耳方程处理透射式太赫兹时域光谱信号，计算四种物质和六种锈蚀产物的太赫兹吸收谱和功率谱，分析四种物质在太赫兹波段的特征吸收峰，进而研究锈蚀产物样品的组分，并与对应的X射线衍射图谱对比，验证基于THz-TDS对钢筋混凝土早期锈蚀产物特征吸收峰的可测性和准确性。 基于密度泛函理论，本文采用常见的第一性原理软件——Gaussian16，对四种物质进行太赫兹吸收谱模拟。首先确定密度泛函理论方法和基组选用，经过结构建模、构型优化和振动频率分析，得出对应的太赫兹吸收谱，并将光谱模拟结果与THz-TDS试验结果相对比，通过可视化软件GaussView，对四种结构的特征吸收峰作出振动模式指认，进一步分析四种物质在太赫兹波段产生吸收峰的原因，巩固了该检测方法对钢筋锈蚀早期识别的理论依据。 通过考虑混凝土保护层厚度、介电常数、锈蚀层厚度和不同锈蚀产物介电常数对太赫兹波的影响，采用COMSOL有限元软件建立太赫兹波作用下钢筋混凝土锈蚀模型，模拟太赫兹时域光谱信号，通过反射波的数目和幅值、波峰之间的时间延迟和波形特征等信息判断结构是否发生锈蚀、以及反馈混凝土保护层和锈蚀层的厚度。本章的核心目的是探究在混凝土材料和锈蚀产物对太赫兹能量的衰减影响下，从锈蚀层反射回来的太赫兹电磁波信号能否被成功检测，结合第四章中锈蚀产物在太赫兹波段存在的特征吸收峰，在实际运用中通过接收的锈蚀产物材料信息可根据频域信号分析对应的吸收峰，从而证明太赫兹波检测钢筋混凝土早期锈蚀的可行性。
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