随着地铁的大规模修建，地铁系统产生的杂散电流对沿线附近的钢筋混凝土结构产生的影响也越来越严重。杂散电流进入钢筋混凝土后会导致钢筋发生电化学腐蚀，而钢筋在发生腐蚀后又会进一步导致混凝土出现开裂、剥落、服役时间缩短等一系列结构问题。因此，有必要对杂散电流干扰严重区域的钢筋混凝土结构的腐蚀情况进行检测，以便及时对钢筋混凝土采取维护措施，减少维护成本。

目前已有的混凝土检测技术以无损检测为主，根据其使用手段不同，主要有超声法、射线检测、回弹法等。

超声法是利用超声探头向混凝土内部发射超声波，超声波在遇到不同介质时会发生反射，通过接收这些反射波信号并进行分析可以实现对混凝土内部结构的探测。该方法检测速度较快，技术手段成熟，但容易受到外界环境的干扰。

射线检测法是通过向混凝土内部发射射线如X射线，通过检测X射线的变化情况得到混凝土内部的二维图像，对二维图像进行分析可以确定混凝土内部结构情况。该方法可以得到较为直观的结果，但检测时设备便携性较低，且射线本身对人体有害。

回弹法是在弹簧的作用下将弹击锤打击在混凝土表面，由于弹击锤的回弹高度与混凝土表层硬度存在一定关系，且混凝土表层硬度与混凝土抗压强度存在函数关系，因此通过测量弹击锤的回弹高度来检测混凝土的抗压强度，进而推测混凝土的整体强度。回弹法因其设备简单、操作便捷，已经广泛应用于混凝土无损检测，但其只能检测混凝土表面结构的性能，无法检测混凝土的内部缺陷。

探地雷达是一种优秀的地球物理测试方法，其原理是通过发射天线向地下物体发射高频电磁脉冲，当电磁波在地下介质中传播时，其传播路径、电磁场强度、波形会随介质的电性参数（介电常数、磁导率、电导率）变化而在介质分界面处发生变化并产生反射波，接收天线则接收来自地下的反射波信号，对反射波进行分析便可以确定地下介质的结构和空间分布情况。

探地雷达因其检测迅速、安全、成本低等特点，被广泛应用于建筑结构和材料状况的评估，如建筑结构检测、灾害地质调查以及钢筋腐蚀检测等。但是有关研究表明，若研究人员想要观察混凝土内部的裂缝蔓延情况，只能在实验结束后对混凝土样本进行切割观察，难以有效地观察裂缝的发展过程。

图2 不同阳极交换电流密度雷达反射波波形变化

为此，华东交通大学等单位的研究人员使用多物理场瞬态仿真方法，探究了杂散电流对钢筋混凝土结构腐蚀损伤的影响，并得到了不同服役时间下的混凝土内部裂缝分布图。在此基础上，基于探地雷达数值正演模拟方法，进一步研究了钢筋腐蚀过程对探地雷达检测混凝土损伤时电磁反射波信号影响的机理。结果表明，在钢筋混凝土发生电化学腐蚀的过程中，钢筋直径的减小和腐蚀产物厚度的增加对探地雷达检测信号影响较小，因膨胀应力而产生的混凝土裂缝对探地雷达检测信号的影响起主要作用。

图3 不同抗拉强度雷达反射波波形变化

他们指出，杂散电流会导致钢筋混凝土发生电化学腐蚀，随着腐蚀产物在钢筋表面不断累积，混凝土受到的膨胀应力逐渐增大，形成氧化顶升效应，从而产生裂缝。可以通过观察B-scan得到的反射波曲线的峰值和分布情况判断混凝土的结构损伤情况。在相同条件下，曲线峰值越小且分布杂乱无章则表示混凝土结构损伤越严重。

图4 不同孔隙饱和度雷达反射波波形变化

研究者表示，随着杂散电流的增大，对应的腐蚀电流密度增大，因此，当服役时间相同时，混凝土的损伤程度会随之加剧。抗拉强度越大，混凝土自身的结构强度越大。混凝土孔隙饱和度越大，氧气扩散速率越慢。因此，抗拉强度和混凝土孔隙饱和度越大，在同一服役时间的混凝土损伤也就越轻微。

本工作成果发表在2024年第21期《电工技术学报》，论文标题为“基于探地雷达的杂散电流环境下混凝土损伤检测研究”。本课题得到国家自然科学基金青年科学基金、省部共建电工装备可靠性与智能化国家重点实验室（河北工业大学）开放课题基金、江西省自然科学基金面上项目和江西省自然科学基金重点项目的支持。