太赫茲無損成像技術(shù)在水泥基材料的結(jié)構(gòu)的裂縫和裂紋中應(yīng)用

申益銘

(黑龍江省泰斯特森工程檢測有限公司，黑龍江 哈爾濱 150028)

0 引 言

水泥基材料廣泛用于民用，水電，公路和公路建設(shè)。橋梁工程。對于所有水泥基復(fù)合材料，最常用的是砂漿和混凝土由于它們具有高壓縮特性，分別用作基質(zhì)材料和建筑材料強度。但是，由于它們的材料特性，例如低拉伸強度，較差的韌性和抗沖擊性，在制造或應(yīng)用過程中很難避免損壞。通常，損壞的形式是局部裂紋和影響耐用性的微裂縫。傳統(tǒng)水泥基結(jié)構(gòu)的承載能力，最初在表面出現(xiàn)裂紋的擴散并在內(nèi)部擴展，從而導(dǎo)致進一步退化。為了更好地控制裂紋和為確保結(jié)構(gòu)安全，有必要探究水泥基材料的破壞行為。以前的研究已經(jīng)通過使用多種檢測方法解決了這個問題。沖擊回波法廣泛用于識別單側(cè)混凝土結(jié)構(gòu)中的裂縫。不幸的是從本質(zhì)上講，它導(dǎo)致了在復(fù)雜條件下難以控制的精度，并且受限于樣品。雖然超聲波檢測方法檢查效率很高，它們具有由于嘈雜的氣氛產(chǎn)生的讀取錯誤，因此適用性有限。紅外熱成像進行表面檢測，檢測較小的空隙效率較低。X射線顯微照相法具有很高的穿透能力，但由于具有輻射性對人體組織有害。激光檢測技術(shù)用于檢測混凝土裂縫結(jié)構(gòu)很長一段時間。但是，激光掃描技術(shù)更側(cè)重于檢測裂縫寬度超過1 cm。鑒于這些問題，高度優(yōu)選無損且危害較小的方法。過度在過去的幾年中，太赫茲脈沖成像(TPI)技術(shù)已經(jīng)被提出作為一種新的技術(shù)。用于材料表征的工具。太赫茲波是在遠紅外區(qū)域的電磁頻譜，與微波相比，太赫茲波的分辨率要好得多。因此，太赫茲技術(shù)被用于分析和理解材料和結(jié)構(gòu)。作為有效而無害的無損檢測，太赫茲技術(shù)廣泛用于各種復(fù)合材料的檢測。

本文的研究中，主要使用太赫茲時域成像技術(shù)檢測裂紋和裂紋。制備了兩種類型的樣品，一種是常規(guī)砂漿，作為對照組。另一個是在試驗中將超高分子聚乙烯(UHMWPE)纖維混凝土作為纖維增強材料的水泥復(fù)合材料樣品。采用了擴展加載設(shè)備，以方便裂紋形成過程的控制。整個加載過程由THz-TPI系統(tǒng)監(jiān)控，可以提供高清晰度圖片。

1 THZ成像原理

太赫茲輻射穿透許多固體材料的能力使涂層的結(jié)構(gòu)特征得以實現(xiàn)深度探查固體樣品。另外，太赫茲輻射是一種非電離輻射。在鑒于此，TPI是一種非常適合無損檢測的安全技術(shù)。核心模塊在TPI系統(tǒng)中使用的是時域光譜(TDS)系統(tǒng)。的一代太赫茲脈沖輻射基于光電導(dǎo)開關(guān)。太赫茲光電導(dǎo)發(fā)射器依靠使用超快(飛秒)激光激發(fā)偏磁產(chǎn)生幾個周期的太赫茲脈沖GaAs天線。太赫茲輻射的相干檢測是在類似的光電導(dǎo)中進行的天線電路。通過與飛秒同步的飛秒脈沖選通光電導(dǎo)間隙太赫茲發(fā)射，可以測量與太赫茲電場成比例的電流。通過改變光學(xué)到接收器的路徑長度，可以對THz時域信號進行采樣。因此，兩個振幅可以得到入射太赫茲波的相位。

太赫茲波形記錄了光時延遲的函數(shù)，TPI檢測過程中，在研究區(qū)域采集多點數(shù)據(jù)從而畫出樣品的表面圖。通過逐點測量TPI成像的整個樣品是耗時的，可以使用提取頻率相關(guān)的成像。

2 實 驗

2.1 樣品的制備

為了研究不同水泥基材料的裂紋及其裂紋擴展，制備了由不同配合比制成的兩種樣品。通過混合澆筑一個(樣品M)普通硅酸鹽水泥、河沙和水，另一種(樣品U)是通過混合澆筑的含UHMWPE，河砂和水的普通波特蘭水泥，水灰比(w/c)為0.5澆筑的樣品。河沙的細度模量(FM)為2.72?；旌衔锉壤姳硪?。最后將所有樣品澆鑄到厚度為8 mm，內(nèi)徑為10 mm，外徑為100 mm。鑄造后，將樣品水固化28 d以達到充分的強度，此后在實驗室環(huán)境中養(yǎng)護，即22C，相對60±20%濕度。

2.2 裂紋形成的控制

用于控制樣品開裂形成的加載方法是樣品的重要組成部分。在THz掃描系統(tǒng)中部署的擴展加載設(shè)備和加載系統(tǒng)是如圖所示。樣品通過插入膨脹螺栓進行拉伸斷裂(M8，304不銹鋼)作為膨脹芯插入樣品集線器。裂縫開展的核心，包括內(nèi)部是一個圓錐形圓柱體，底部有四個螺栓的套筒上覆蓋著鋁箔，以減少樣品和螺栓之間的摩擦。高強度鋼螺栓和螺母是用于將圓錐形圓柱體頂在螺栓上。通過旋轉(zhuǎn)頂部的螺母，直徑芯的應(yīng)力逐漸增加以增加內(nèi)部壓力并最終在樣品內(nèi)部引起變形。樣品表面在應(yīng)力作用下略有損壞，尤其是核心區(qū)域。裂紋是由于膨脹應(yīng)力的增加而形成的。最終，樣品中裂紋的產(chǎn)生和擴展可能被檢測到。

2.3 太赫茲成像過程

在前文所述的樣品的整個加載過程中均進行了THz成像。所有TPI實驗是使用TeraView tPS 3000THz光譜儀進行的。儀器產(chǎn)生的THz脈沖輻射范圍很廣60 GHz至3 THz(2～100 cm-1)。所有的光學(xué)組件都安裝在定制的鑄件中，使儀器具有機械穩(wěn)定性，幾乎不需要每天進行調(diào)整。太赫茲以每秒30的速率采集脈沖。對于二維掃描成像，使用不銹鋼將樣品安裝在平臺上。提供鋼棒和夾具。運動階段由主控制柜控制，它為平臺提供電源和控制，并與控制PC通信。由于掃描速度固定為每個像素約0.5 s，因此整個成像時間取決于成像像素的數(shù)量，而成像像素的數(shù)量取決于掃描區(qū)域和空間分辨率。

3 結(jié)果和討論

3.1 表面的反射波成像

太赫茲波的反射率取決于局部材料的介電常數(shù)。藍色區(qū)域表示弱反射，紅色區(qū)域表示強反射。裂縫和損壞區(qū)域會減弱反射。結(jié)果，這些區(qū)域的顏色比其表面的顏色要深域。太赫茲成像揭示了樣品的一些細節(jié)：周圍的深藍色區(qū)域中心代表原始裂縫；隨機分布的深藍色區(qū)域表示不光滑的表面。中心的紅色區(qū)域是螺栓的高反射金屬表面。因此，可以得出結(jié)論，可以從太赫茲成像技術(shù)可以清晰地讀取表面信息成像。

3.2 裂紋和開裂過程的檢測

按照所述的方法進行實驗。掃描區(qū)域為在中心附近調(diào)整。識別變化裂紋，連續(xù)進行加載測試，直到出現(xiàn)可見裂紋和樣品為止壞了。

4 結(jié) 果

(1)THz-TPI反射成像該技術(shù)能夠提供水泥基結(jié)構(gòu)的裂縫和缺陷信息，可能會進一步開發(fā)用于現(xiàn)場測試。

(2)裂紋擴展與內(nèi)部結(jié)構(gòu)還可以通過使用THz-TPI技術(shù)并比較不同圖像加載步驟，有助于裂紋形成機理的研究。

(3)很明顯，超高分子量聚乙烯的應(yīng)用可以增強水泥基結(jié)構(gòu)的抗裂性能。(這種方法允許非接觸和非破壞性檢查水泥基材料樣本中經(jīng)常涉及水的情況。