连载 | 热成像和超声结合表征混凝土表面下的裂缝（1）

为了防止民用基础设施过度老化，需要定期进行有效的监测和修复。维护过程一般通过技术的组合展开，即先采用一种全局监测技术对结构进行全面评估，再将一种技术局部应用于特定的部位，以更准确地表征损伤参数。环境对建筑材料的性能有较大影响，甚至会影响结构的安全，如钢筋的腐蚀就可能导致混凝土结构的地下开裂。然而，这种破坏直到表面时才可以被发现。因此，需要采用无损检测方法对材料状况进行早期评估，以便工程师采取适当的修复措施，如注入环氧树脂或水泥以密封裂缝。

大型结构的裂缝并不总是能够被观察到的，因此在进行无损检测时，需要先用热成像技术进行全局监测，以指示地下缺陷和单侧超声波传播的可能区域，然后进行单侧超声测量，其参数主要受特定区域的损伤深度影响。

在本研究中，钢纤维增强混凝土棱柱体试件受到4点弯曲，这导致可见的裂缝从底部、拉伸侧向顶部扩展。由于纤维的作用，试件没有被分离成两部分，裂缝在到达压缩侧之前停止。在烘箱加热后的冷却阶段，用红外摄像机扫描试件的拉伸侧。利用共振声发射传感器对试件进行了单侧弹性波测量，以估计裂缝对基本波参数的影响。同时，本文对具体的弹性波问题也进行了数值模拟，以便验证本文提出的检测方法能够适用于不同频率的结构和不同几何形状的裂缝，并提出适合现场使用的试验参数。

1 试验方案

1.1 试件设计

试件采用钢纤维增强混凝土（Steel Fiber Reinforced Concrent，SFRC），尺寸为100 mm×100 mm×400 mm，水灰比为0.5，骨料与水泥比为5，最大骨料粒径为10 mm，钢纤维体积含量分别为0.5 %、1 %和1.5 %。此外，还浇筑了素混凝土试件。本文对试件进行4点弯曲测试。

1.2 超声波实验装置

弹性波测量的实验装置如图1所示。两个传感器放置在样本的完整侧，距离为70 mm。通过铅笔芯断裂进行激发，该断裂引入了高达约200 kHz的频带。传感器是普通的声发射传感器，标称最大灵敏度约为60 kHz，在150 kHz时响应非常好，直径为15 mm，采集板的采样频率设置为5 MHz。

图1 弹性波测量的实验装置

声音材料的典型波形如图2（a）所示。为了确定脉冲速度，使用了第一个扰动，起始点对应最快类型的纵波。瑞利波速度由瑞利波的强特征峰（图2（a））测量，由于其能量较高，瑞利波的峰值高于其起始点波速。图2（b）显示了地下开裂混凝土试件的典型波形，传感器1记录的波形与完整的情况相似；然而，传感器2记录的波形振幅要低得多，因此出于演示的目的，在图2（b）中将其放大80倍。在一些严重开裂的情况下，很难辨别瑞利峰，然而，这表明裂缝已经贯穿了整个截面。

图2 声音材料和地下裂缝材料的典型波形

（a）声音材料；（b）地下裂缝材料

1.3 热成像实验装置

热成像实验装置由红外摄像机和烤箱组成，烤箱温度范围为20 ~200 ℃，4个试件在90 ℃的烤箱中加热3 h，试验在室温23 ℃、相对湿度70 %的恒定条件下进行。红外热成像实验装置如图3所示，红外摄像机放置在距离试件约1.6 m处，混凝土的热发射率为0.92，无须对表面进行喷漆。

图3 红外热成像实验装置

2 实验结果与讨论分析

2.1 破坏模式

试件4点弯曲使试件出现了接近垂直的裂缝，从底部拉伸表面扩展到顶部（图1）。图4为SFRC试件的典型裂缝。主裂缝伴随着较小的裂缝，这是这种材料的典型特征，增加了断裂过程区。尽管从侧视图可以看到裂缝网络，但从压缩侧看却没有明显的裂缝迹象。

图4 SFRC试件的典型裂缝

2.2 裂缝对弹性波参数的影响

弹性波参数如图5所示，在正常SFRC试件上测得的纵向速度为4 307 m/s，在具有裂缝的试件上测得的纵向速度为3 304 m/s，下降了约23 %。瑞利波的结果相似，速度也从2 231 m/s降至1 814 m/s，下降了约19 %。由于吸收、散射和几何扩散等不同的机制，传感器2接收到的波形振幅比传感器1低。除此之外，地下裂缝的存在导致了大部分波能的反射，进一步降低了传感器2上的波形振幅。用传感器2记录的波形的绝对最大振幅除以传感器1记录的波形的绝对最大振幅，声音材料的比值为0.335。在损伤情况下，该比值下降到0.061，下降了约82 %。

图5 弹性波参数

图6显示不同弹性波参数的变异系数（COV，标准偏差除以20次测量的平均值）。有裂缝的混凝土的纵向散射和瑞利散射都显著增加，未受损的混凝土表现出非常相似的测量结果，COV小于3 %。而有裂缝的混凝土的COV约为14 %。另外，未受损试件测得的振幅比超过20 %，大于有裂缝试件测得的振幅比，这是因为弹性波在空气中更易衰减。

图6 不同弹性波参数的COV