钢筋混凝土结构在当今建筑工程领域中应用最为广泛。作为基础设施,钢筋混凝土结构应在较长使用期限内能安全承受设计状况,满足设计要求的各项指标,在正常维护条件下具有足够的耐久性。然而,这些土木工程在实际使用期间,由于结构本身缺陷或所处恶劣环境的影响,其使用寿命往往达不到使用年限,其中由钢筋锈蚀引发的混凝土结构破坏的例子比比皆是。钢筋混凝土结构安全可靠与否直接危及国家和人民的生命财产安全,因此对结构进行及时的健康监测在预防结构破坏方面具有重要意义。近年来,智能传感和数据采集分析系统在无损监测领域备受青睐。其中,采用压电陶瓷制备的换能器集驱动与传感于一身,具有线性度好、能耗与成本低、安装使用灵活等诸多优点,它在智能传感系统中扮演着重要的角色。本论文基于上述背景,研究了用于混凝土结构-钢筋锈蚀监测的压电换能器及超声技术。主要研究内容如下:(1)研究了超声导波在钢筋内的纵向模态(L)、扭转模态(T)、弯曲模态(F)。分析了导波的频散现象,基于声发射仪与数值方法得到了不同模态波速与频率之间的关系。结果表明:当声波频率高于200kHz时导波模态增多,当声波频率在80-150kHz时模态最少。(2)设计接收型压电换能器,制备了环形压电换能器、1-3型压电复合材料换能器以及圆片压电陶瓷换能器。对其进行了阻抗、信噪比、稳定性、接收能力等测试,结果表明:串联环形压电复合材料换能器谐振频率在100kHz附近,在钢筋锈蚀监测中具有性能稳定、阻抗值大、谐振峰单一、信噪比大等特点;模态波速测试结果表明,L波速度和与F波速度与理论速度相差仅为1.2%和1.3%。(3)分别对钢筋机械损伤与锈蚀损伤进行检测,结果表明:单点与两点钢筋机械损伤情况下,损伤深度每增加1mm,L波和F波的幅值快速下降;L、F波的端面回波随损伤深度的增加,幅值逐渐减小直至消失,损伤回波幅值则是随着损伤深度增加先增加后减小;在两点机械损伤时,声波受多个损伤点的干扰导致反射回波增多,时域波形图较单点机械损伤时复杂。(4)钢筋锈蚀损伤测试结果表明:在均匀锈蚀状况下,随锈蚀量增加,时域波形图没有出现因损伤造成的回波,而幅值在原来基础上降低;此外,随锈蚀量增加,L波波速略减小而F波波速减小至2800m/s;单点锈蚀状况下,随锈蚀时间延长,L、F波的幅值均逐渐减小,仅当锈蚀达到一定值,才会出现相应反射回波,且受锈蚀坑的直径大小以及锈蚀深度影响;点锈蚀对波速影响较小,单点锈蚀损伤与两点锈蚀损伤对声波的影响与机械损伤相似,损伤回波相对要少。(5)电化学工作站研究钢筋混凝土结构的电化学锈蚀损伤,阻抗谱测试结果表明:钢筋处于钝化状态,双电层传递电阻增大,阻抗谱低频区为直线,高频区为半圆形;钝化膜破裂时,等效电路中出现与扩散有关的元件,低频区出现45°的直线;继续锈蚀,混凝土胀裂,电荷传递电阻减小,等效电路元件发生变化,出现两个半圆弧。压电换能器监测结果表明:钢筋被混凝土包裹后,换能器接收的声波幅值较未包裹前衰减10倍左右;均匀锈蚀情况下,时域波形没有太多回波干扰,锈蚀量超过5%,整个结构对声波的影响增强;单点锈蚀到一定值,超声时域图会出现损伤反射回波;两点锈蚀时域波形图比其他类型损伤复杂,波峰位置有较多杂波耦合。(6)采用小波变换将时域波形转换为时频域谱图进行分析。结果表明:均匀、单点锈蚀的小波图中主能量包络集中在L首波,后面反射回波能量值均较小,而在两点锈蚀中,主能量包络在时间轴上分散为三部分,反射回波也占据较大部分能量。根据能量值的大小可判断声波频率范围,均匀与单点锈蚀的首波频率范围在80-200kHz,两点锈蚀的首波频率范围在80-300kHz。