混凝土裂縫檢測與監(jiān)測技術(shù)研究進(jìn)展

李 菲，彭自強(qiáng)，2，石 顯，吳龍彪

（1、武漢理工大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院 武漢 430070；2、武漢理工大學(xué)·江西飛尚科技有限公司聯(lián)合技術(shù)研發(fā)中心 江西南昌 330200；3、江西飛尚科技有限公司 江西南昌 330200）

0 引言

混凝土作為一種重要的建筑材料，是當(dāng)今建筑物中使用最廣泛的建筑材料之一。由于其工作狀態(tài)及缺陷對結(jié)構(gòu)帶來潛在性的安全隱患，影響了建筑物的美觀和耐久性，甚至縮短其使用壽命，威脅結(jié)構(gòu)安全。裂縫是混凝土結(jié)構(gòu)安全狀況最直接的外觀表現(xiàn)形式之一，也是對混凝土結(jié)構(gòu)養(yǎng)護(hù)維修加固最基本、最主要的定量指標(biāo)。了解裂縫深度、寬度及裂縫出現(xiàn)的位置，分析其原因和損傷的程度為結(jié)構(gòu)在施工及運(yùn)營維護(hù)階段的裂縫處理提供可靠參考依據(jù)。對混凝土裂縫的檢測是十分必要的。隨著科技技術(shù)的進(jìn)步，混凝土裂縫檢測的手段不斷的豐富，技術(shù)越來越成熟。

1 常用的混凝土裂縫檢測方法

1.1 超聲波法

超聲波法是目前應(yīng)用最為廣泛的無損檢測技術(shù)，其主要是使用超聲波探頭測量超聲脈沖波在混凝土中的傳播速度（聲速）、首波幅度（波幅）和接收信號主頻率（主頻）等聲學(xué)參數(shù)，并根據(jù)這些參數(shù)及其相對變化，判定混凝土裂縫深度情況及損傷狀態(tài)［1］。根據(jù)測試表面發(fā)射探頭和接受探頭的位置及檢測深度可分為單面平測法、雙面斜測法和鉆孔對測法［1-2］。運(yùn)用超聲波技術(shù)在大壩、隧道、房屋、橋面、路面等領(lǐng)域成功的檢測出裂縫，解決相關(guān)的工程問題的。

1.2 雷達(dá)法

雷達(dá)法是以微波作為傳遞信息的媒介，依據(jù)微波傳播特性，對被測材料、結(jié)構(gòu)、物體的物理特性、缺陷做出無損檢測診斷的技術(shù)［3-4］。利用不同介質(zhì)電磁波阻抗和幾何形態(tài)的差異，根據(jù)反射回波的振幅及頻率隨時(shí)間變化的構(gòu)成圖像，并進(jìn)行分析［5］。將電磁波傳射如混凝土結(jié)構(gòu)中，電磁波在遇到裂縫等缺陷時(shí)電磁波進(jìn)入到另一種介質(zhì)發(fā)生反射，根據(jù)發(fā)射波和反射波時(shí)間、傳播速度來確定檢測裂縫的位置。

1.3 紅外線法

紅外線是波長0.78～1 000 μm 的電磁波，任何高于絕對溫度零度的物體都是紅外輻射源，當(dāng)物體內(nèi)部存在缺陷時(shí)，它將改變物體的熱傳導(dǎo)，使物體表面溫度分布發(fā)生變化，紅外檢測儀可以測量表面溫度分布變化，探測缺陷的位置，依據(jù)熱像圖中溫度場的分布差異，就可以推斷物體內(nèi)部存在的裂縫特征［6］。

1.4 沖擊回波法

沖擊回波法為興起于20 世界80 年代的一種混凝土無損檢測技術(shù)，由美國Cornell University 的SANSA?LONE 博士以及美國國家標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)研究所的CARI?NO于1984年研究開發(fā)。通過在混凝土結(jié)構(gòu)表面施加微小的沖擊力，從而激發(fā)出應(yīng)力波，當(dāng)遇到裂縫等缺陷進(jìn)入不同界面時(shí)其聲阻抗不同，將產(chǎn)生來回反射并在結(jié)構(gòu)表面引起微小響應(yīng)，并為傳感器所接收，計(jì)算機(jī)分析響應(yīng)波形的頻譜，從而得出最高峰的頻率，計(jì)算出結(jié)構(gòu)彈性波速度等所需要檢測的項(xiàng)目信息［7］。

1.5 聲發(fā)射法

聲發(fā)射是由于材料發(fā)生變形或者結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，內(nèi)部能量瞬間改變而釋放出彈性波現(xiàn)象，也稱為應(yīng)力波發(fā)射［8］?；炷林谐霈F(xiàn)裂縫等缺陷會產(chǎn)生局部應(yīng)力集中，通過對過程中釋放出的應(yīng)力波特性進(jìn)行檢測從而確定裂縫所處的位置和損傷程度。HABIB 等人［9］提出了一種基于切比雪夫不等式去噪的處理，研究結(jié)果表明將聲發(fā)射特征和多尺度系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)損傷識別方法能夠檢測混凝土梁的早期裂縫和損傷發(fā)展。

上述5種混凝土裂縫檢測方法特點(diǎn)比較如表1所示。

表1 常用混凝土裂縫監(jiān)測方法特點(diǎn)Tab.1 Characteristics of Common Concrete Crack Monitoring Methods

2 用于混凝土裂縫監(jiān)測方法

常用的混凝土裂縫檢測方法都比較耗時(shí)費(fèi)力，有些檢測方法對操作人員技術(shù)要求高，如雷達(dá)法。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷創(chuàng)新發(fā)展，本節(jié)將結(jié)合應(yīng)用的案例和研究現(xiàn)狀對基于柔性導(dǎo)電涂料、基于長標(biāo)距光纖光柵和從計(jì)算機(jī)視覺圖像識別3種方法進(jìn)行介紹。

2.1 基于長標(biāo)距光纖光柵的混凝土裂縫監(jiān)測技術(shù)

2.1.1 基本工作原理

基于光纖傳感技術(shù)（DOFS）利用光纖光柵（FBG）波長的變化是由溫度或者應(yīng)變引起的這一特性，光源發(fā)出的光線經(jīng)耦合器進(jìn)入傳導(dǎo)光纖中產(chǎn)生散射信號，當(dāng)光柵受到外界擾動(dòng)引起中心波長的改變，光纖所返回散射信號攜帶有損耗信息，對散射信號光進(jìn)行頻率檢測可確目標(biāo)監(jiān)測項(xiàng)的變化值，波長計(jì)算如式⑴所示：

式中：λB為光柵中心波長；neff為光纖光柵有效折射率；Λ為光柵周期。

長標(biāo)距光纖光柵是在傳統(tǒng)光纖光柵基礎(chǔ)上通過標(biāo)距內(nèi)增加傳感器對應(yīng)變的靈敏度，采用長標(biāo)距封裝化技術(shù)，使光纖光柵傳感器測量的標(biāo)距由一點(diǎn)延長到一定的長度，從而可以反映被測物體一定區(qū)域內(nèi)被測物理量的變化情況，長標(biāo)距光柵傳感器結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，其與傳統(tǒng)傳感器的對比如圖2所示［10］，長標(biāo)距光纖光柵傳感器的監(jiān)測值更接近實(shí)際的變化。

圖1 長標(biāo)距光纖光柵傳感器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic Diagram of Long Distance FIBER Grating Sensor

圖2 傳統(tǒng)FBG和長標(biāo)距FBG傳感器應(yīng)變監(jiān)測對比Fig.2 Comparison of Strain Monitoring between Traditional FBG and Long-distance FBG Sensors

主要特點(diǎn)：監(jiān)測范圍增加到米級別、成本相對較高、環(huán)境影響顯著，抗電磁干擾強(qiáng)，傳輸距離遠(yuǎn)；直接反映應(yīng)變和溫度耦合的變化，在測量時(shí)必須進(jìn)行溫度補(bǔ)償。

2.1.2 發(fā)展與應(yīng)用

1978 年，加拿大的HILL 等人［11］運(yùn)用駐波法研制了世界上第一根光纖光柵。1989 年，MENDEZ 等學(xué)者［12］，首次提出將光纖光柵傳感器用混凝土結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測。無錫地鐵采用了長標(biāo)距光纖光柵傳感器技術(shù)對其基坑開挖過程有效進(jìn)行變形監(jiān)測，保障安全生產(chǎn)順利施工［13］。魏洋等人［14］將長標(biāo)距光纖光柵傳感技術(shù)用于渦河特大橋?qū)嶋H工程進(jìn)行長期監(jiān)測數(shù)據(jù)研究，實(shí)踐表明該技術(shù)對于連續(xù)橋梁長期監(jiān)測具有數(shù)據(jù)穩(wěn)定、飄移小，能夠?qū)蛄簯?yīng)力、應(yīng)變進(jìn)行長期的實(shí)時(shí)監(jiān)測。從以上的應(yīng)用研究可以看到長標(biāo)距光纖光柵在應(yīng)變變形、撓度方面的應(yīng)用是非常廣泛的。同時(shí)，該技術(shù)還可以用于混凝土的裂縫監(jiān)測，王俊維［15］從傳感器分布技術(shù)去研究，提出了采用平行拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以監(jiān)測結(jié)構(gòu)的平均曲率、彎矩、裂縫深度等信息。

2.2 基于柔性導(dǎo)電涂料的混凝土裂縫監(jiān)測技術(shù)

2.2.1 工作原理

運(yùn)用導(dǎo)電涂料形成的薄膜在發(fā)生變形時(shí)，其電阻在數(shù)值上會發(fā)生相應(yīng)的變化這一特性。將含有大量導(dǎo)電顆粒的柔性涂料固化成導(dǎo)電膜，附著在混凝土表面或內(nèi)嵌到混凝土內(nèi)部，在兩端粘貼平行電極并連接導(dǎo)線用于測試導(dǎo)電膜的電阻值［16］。當(dāng)混凝土某處出現(xiàn)裂縫并擴(kuò)展時(shí)，柔性導(dǎo)電涂料與混凝土協(xié)調(diào)變形，利用儀器監(jiān)測其電阻變化，實(shí)時(shí)的反饋混凝土裂縫情況，如圖3所示［17］。

圖3 柔性導(dǎo)電涂料傳感器電阻隨時(shí)間的變化曲線Fig.3 Resistance Curve of the Flexible Conductive Coating Sensor with Time

柔性導(dǎo)電涂料傳感元件示意圖和傳感元件現(xiàn)場布置如圖4所示［18-19］。

圖4 導(dǎo)電涂料元件示意圖及傳感元件應(yīng)用布設(shè)Fig.4 Schematic of Conductive Coating Element and Application Layout of Sensing Element

主要特點(diǎn)：環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、耐久性好及全過程監(jiān)測，能夠監(jiān)測到混凝土受環(huán)境或外部荷載等因素發(fā)生的反復(fù)張合的現(xiàn)象。導(dǎo)電涂膜的性價(jià)比高，可進(jìn)行裂縫位置識別，判斷結(jié)構(gòu)是否開裂。

2.2.2 發(fā)展與應(yīng)用

2007 年，趙啟林等人［19］基于國家863 專項(xiàng)“基于柔性導(dǎo)電涂料的混凝土裂縫分布分布式自動(dòng)檢測系統(tǒng)研制”下進(jìn)行研發(fā)，并將成果投入到泰州大橋夾江橋、上海地鐵施工運(yùn)營和貴州烏江大橋等工程進(jìn)行試用。目前基于柔性導(dǎo)電涂料的混凝土裂縫分布式監(jiān)測技術(shù)已被應(yīng)用于30 余座混凝土橋梁施工期或運(yùn)營期的裂縫監(jiān)測。

鄧安仲等人［20］利高分子導(dǎo)電膜電阻拉——敏效應(yīng)，提出將導(dǎo)電涂料作為傳感器監(jiān)測混凝土裂縫的方法新技術(shù)，利用導(dǎo)電膜即時(shí)電阻變化率Mt曲線圖與累計(jì)電阻的變化率At曲線圖出現(xiàn)“峰值”或“臺階”形狀時(shí)，能表征混凝土出現(xiàn)裂縫的時(shí)刻和位置。

式中：Rt為t時(shí)刻的導(dǎo)電膜電阻；Rt-1為t-1 時(shí)刻導(dǎo)電膜的電阻；R0為導(dǎo)電膜初始電阻；k為放大系數(shù)，取1 000。

如圖5、圖6［20］所示，試驗(yàn)過程中在10∶21 左右，即時(shí)電阻變化率出現(xiàn)跳躍峰值5.4，同時(shí)累計(jì)電阻變化率出現(xiàn)臺階式增加，與混凝土構(gòu)件出現(xiàn)0.02～0.03 mm裂縫情況相吻合。在10∶43 完全卸載，導(dǎo)電膜即時(shí)電阻變化率和累計(jì)電阻變化率同步陡降，而繼續(xù)加載電阻變化率又產(chǎn)生跳躍峰值，表明裂縫寬度的變化對導(dǎo)電膜電阻變化率之間存在一定關(guān)系的同步變化。完全卸載后11∶22 左右，導(dǎo)電膜電阻變化率趨于穩(wěn)定且無法恢復(fù)初始值，這是由于出現(xiàn)不可恢復(fù)的裂縫且對裂縫出現(xiàn)起到記錄的效果，便于監(jiān)測人員的長期監(jiān)測判斷。此方法能有效的對混凝土開裂及發(fā)展進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，能監(jiān)測到最小有效寬度達(dá)0.02 mm。

圖5 導(dǎo)電膜即時(shí)電阻變化率曲線Fig.5 Change Rate Curve of Immediate Resistance of Conductive Film

圖6 導(dǎo)電膜累計(jì)電阻變化率曲線Fig.6 Change Rate Curve of Cumulative Resistance of Conductive Film

導(dǎo)電涂料傳感器應(yīng)用于南京地鐵2號線隧道管片裂縫監(jiān)測，設(shè)置了18條導(dǎo)電涂料條和其他傳感器用于驗(yàn)證導(dǎo)電涂料傳感元件對裂縫監(jiān)測及識別其發(fā)展趨勢，與現(xiàn)場檢測狀況吻合［21］。

2.3 基于圖像機(jī)器視覺的自動(dòng)化裂縫檢測技術(shù)

2.3.1 裂縫檢測整體框架

運(yùn)用計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)對混凝土裂縫進(jìn)行識別，通過消費(fèi)級相機(jī)獲取圖像，再對圖像進(jìn)行圖像處理、裂縫識別、裂縫幾何尺寸測算，流程如圖7所示。

圖7 裂縫識別整體框架Fig.7 Overall Frame of Crack Identification

隨著《Deep Learning》一文在《Nature》上發(fā)表［22］，推進(jìn)圖像裂縫自動(dòng)化、智能化識別。基于Mask R-CNN 網(wǎng)絡(luò)和遷移學(xué)習(xí)對混凝土路面裂縫識別準(zhǔn)確率可達(dá)到98.12%［23］。

相機(jī)所獲取的混凝土裂縫圖片包含的大量噪音會對后續(xù)裂縫的識別提取造成嚴(yán)重干擾，比如混凝土表面的凹凸不平、光照不均勻、附著的污跡。

2.3.2 研究與發(fā)展

對于混凝土裂縫識別過程的核心3個(gè)部分可以分為：前期的圖像預(yù)處理階段、深度網(wǎng)絡(luò)的選擇與訓(xùn)練和后續(xù)裂縫的提取。圖像上的噪音是裂縫識別的一大痛處及難點(diǎn)，為提高其識別的高效性、準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性，許多學(xué)者對識別中各流程的處理技術(shù)做了大量的研究和推進(jìn)。楊心蕊等人［24］運(yùn)用INLM 算法并結(jié)合INLM 算法提高裂縫分割的準(zhǔn)確性同時(shí)達(dá)到增強(qiáng)魯棒性效果。王睿等人［25］提出prewitt 邊緣算子和Otsu 閾值法結(jié)合對圖像進(jìn)行分割，并用數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)方法實(shí)現(xiàn)圖片去噪優(yōu)化，提高對裂縫特征的提取準(zhǔn)確率。周穎等人［26］提出分段求和的像素解析方法計(jì)算裂縫寬度，誤差在控制在0.05～0.1 mm 內(nèi)。某高鐵軌道板［27］采用隨機(jī)抽樣一致算法（RANSAC）去噪并綜合深度學(xué)習(xí)卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型及三維點(diǎn)云融合技術(shù)實(shí)現(xiàn)在5 km∕h速度下進(jìn)行裂縫和離縫的自動(dòng)檢測。

3 存在的問題與研究展望

基于長標(biāo)距光纖光柵技術(shù)裂縫監(jiān)測范圍雖然增加到米級別但成本相對較高，成本幾乎到達(dá)但電涂料技術(shù)的2倍以上。基于柔性導(dǎo)電涂料的混凝土裂縫監(jiān)測存在技術(shù)問題：①缺少對柔性導(dǎo)電涂料傳感元件標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)格化生產(chǎn)及傳感器元件施工指導(dǎo)標(biāo)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行文件；②存在電極易氧化、剝離問題?；趫D像機(jī)算計(jì)視覺的裂縫識技術(shù)痛點(diǎn)：③對采集圖像中受到光線不均勻等因素噪音去除；④裂縫識別算法存在速度與精度上的矛盾，難以實(shí)現(xiàn)兩全。

對長標(biāo)距光纖光柵和柔性導(dǎo)電涂料受溫度影響較大的傳感元件，可利用大數(shù)據(jù)分析其中的耦合關(guān)系，通過溫度系數(shù)補(bǔ)償提高監(jiān)測精度；此外，混凝土裂縫識別不僅可以從寬度、長度上進(jìn)行監(jiān)測，未來可以通過研究新的算法對裂縫深度加以評定為裂縫的損傷評判進(jìn)一步提供參考。針對裂縫圖像識別中對受光線不均、污跡等復(fù)雜背景引起的噪音去除問題，針對每一項(xiàng)的干擾因素單獨(dú)研究最優(yōu)算法根據(jù)監(jiān)測目標(biāo)綜合采用算法研發(fā)識別系統(tǒng)。為研推廣基于圖像計(jì)算機(jī)裂縫識別技術(shù)使用，降低檢測成本，提高檢測效率，真正實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離、非接觸、實(shí)時(shí)檢測，未來還需進(jìn)一步研發(fā)高效穩(wěn)健的算法。