淺析建筑工程混凝土結(jié)構(gòu)表面裂縫實(shí)體檢測在工程中的應(yīng)用

胡進(jìn)權(quán)

（甘肅第七建設(shè)集團(tuán)股份有限公司，蘭州 730020）

混凝土結(jié)構(gòu)是當(dāng)前建筑工程的常規(guī)結(jié)構(gòu)，但是在具體應(yīng)用的過程中，受到外界環(huán)境以及操作手法等因素的影響，混凝土結(jié)構(gòu)會(huì)出現(xiàn)不同程度的裂縫，其中表層裂縫不僅影響了建筑結(jié)構(gòu)的美觀性和耐久性，還會(huì)影響建筑本身的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。因此，掌握新型的混凝土結(jié)構(gòu)表層裂縫實(shí)體檢測技術(shù)，對(duì)于新時(shí)期的建筑工程質(zhì)量提升有極強(qiáng)的促進(jìn)作用。

1 常見的混凝土裂縫檢測技術(shù)體系

1.1 超聲波檢測技術(shù)

超聲波檢測技術(shù)是當(dāng)前在混凝土結(jié)構(gòu)檢測中應(yīng)用極為廣泛的檢測技術(shù)，該種方法屬于無損檢測，通過超聲波探頭能夠檢測混凝土結(jié)構(gòu)中存在的缺陷。超聲波脈沖在結(jié)構(gòu)內(nèi)部的傳播速度、波幅都會(huì)隨著混凝土結(jié)構(gòu)自身的質(zhì)量以及密度出現(xiàn)變化，因此通常應(yīng)用在判斷混凝土結(jié)構(gòu)缺陷領(lǐng)域。超聲波檢測技術(shù)也可以結(jié)合不同的檢測方法分成不同的分支，比如單面平測法、雙面斜測法和鉆孔對(duì)測法，可以結(jié)合實(shí)際地檢測需求，合理地選擇操作方法。

1.2 雷達(dá)檢測技術(shù)

雷達(dá)檢測技術(shù)的載體為微波，微波在傳遞的過程中會(huì)結(jié)合不同的介質(zhì)出現(xiàn)不同的變化，比如材料、物理性能、結(jié)構(gòu)、缺陷都會(huì)影響傳播的細(xì)節(jié)[1]，因此廣泛應(yīng)用在混凝土結(jié)構(gòu)的質(zhì)量檢測中。通過檢測反射回波振幅以及頻率能夠形成可視化圖像，比如在電磁波遇到混凝土結(jié)構(gòu)中的裂縫缺陷時(shí)，會(huì)進(jìn)入到另外一種反射狀態(tài)中，呈現(xiàn)出的圖像也會(huì)顯現(xiàn)出較大波動(dòng)，由此能夠定位裂縫的位置。

1.3 紅外線檢測技術(shù)

紅外線檢測技術(shù)主要是依靠波長在0.78～1000μm的電磁波進(jìn)行檢測，一系列高于絕對(duì)溫度0 度的物體都為紅外輻射源，若表面出現(xiàn)缺損失物體的熱傳導(dǎo)會(huì)出現(xiàn)變化，表面的溫度也會(huì)出現(xiàn)明顯變化。紅外線檢測儀則會(huì)結(jié)合建筑結(jié)構(gòu)的表面溫度進(jìn)行可視化，成像有助于探測表面存在的缺陷，分析溫度場的分布差異還可以探測一部分不可見的裂縫。

1.4 沖擊回波檢測技術(shù)

該項(xiàng)技術(shù)體系始于1980 年，同樣屬于無損檢測技術(shù)，由美國國家標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)研究所的研究人員提出，從檢測原理來看，需要在混凝土結(jié)構(gòu)的表面施加一定的沖擊力，形成沖擊波，沖擊波在混凝土結(jié)構(gòu)中進(jìn)行傳導(dǎo)，若遇到缺陷或者裂縫時(shí)，沖擊波所遇到的不同界面會(huì)產(chǎn)生不同的聲阻抗。傳感器接收到這些數(shù)據(jù)時(shí)，會(huì)計(jì)算出波形的頻譜，結(jié)合最高的頻率能夠判斷混凝土結(jié)構(gòu)的彈性波速度以及其他的檢測信息，進(jìn)而判斷出裂縫所處的具體位置以及裂縫發(fā)育程度。

1.5 聲發(fā)射檢測技術(shù)

該項(xiàng)檢測技術(shù)主要應(yīng)用在結(jié)構(gòu)較小的混凝土構(gòu)件中，或者承力結(jié)構(gòu)中。這些結(jié)構(gòu)在受到外界應(yīng)力的影響下，會(huì)出現(xiàn)材料或者結(jié)構(gòu)變形，比如由混凝土內(nèi)部鋼筋結(jié)構(gòu)變形導(dǎo)致的表面裂縫，或者表面材料受到外界沖擊形成的裂縫，這些裂縫通常會(huì)呈現(xiàn)出局部應(yīng)力較為集中的特點(diǎn)，通過聲發(fā)射檢測技術(shù)可以進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測。但是由于該項(xiàng)技術(shù)體系對(duì)于材料性質(zhì)的敏感程度較高，容易受到其他機(jī)電設(shè)備的噪聲影響，通常會(huì)應(yīng)用在混凝土結(jié)構(gòu)后期施工結(jié)束階段的裂縫檢測中，在施工現(xiàn)場的應(yīng)用平率有所下降。

總體來講，以上一系列技術(shù)體系，在混凝土結(jié)構(gòu)的表面裂縫檢測以及不可見裂縫檢測中有較強(qiáng)應(yīng)用價(jià)值，在此基礎(chǔ)上，一部分混凝土結(jié)構(gòu)溫度裂縫或者由于材料性能問題導(dǎo)致的裂縫，通過常規(guī)的目視檢測、無人機(jī)拍照檢測、手機(jī)拍照檢測便可以完成[2]，但其具體參數(shù)以及發(fā)展程度還需要借助現(xiàn)代化的設(shè)備進(jìn)行定位。

2 新形勢下混凝土表層裂縫監(jiān)測技術(shù)

2.1 長標(biāo)距光纖光柵檢測技術(shù)

從檢測原理的層面來講，該項(xiàng)檢測技術(shù)主要是建立在光纖傳感器以及光纖光柵波長的基礎(chǔ)上進(jìn)行檢測。其中光纖光柵波長會(huì)隨著溫度、應(yīng)變出現(xiàn)變化，而光纖傳感器在檢測到這些變化時(shí)，可以記錄變化的具體狀態(tài)；光源發(fā)出的光線會(huì)經(jīng)過耦合器傳導(dǎo)到光纖內(nèi)部，從而產(chǎn)生散射信號(hào)[3]。當(dāng)光柵受到外界擾動(dòng)出現(xiàn)變化時(shí)，中心波長也會(huì)隨之變化，最終返回散射信號(hào)所攜帶的信息中便包含了裂縫的損耗信息，及時(shí)的監(jiān)測散射信號(hào)的頻率，便可以得到最終的裂縫參數(shù)。在這個(gè)過程中需要關(guān)注光柵中心波長、光纖光柵有效折射率、光柵周期等信息。傳感器中可以結(jié)合具體的檢測需求，調(diào)整靈敏度，利用長標(biāo)距封裝化技術(shù)，能夠讓傳感器檢測的標(biāo)距進(jìn)一步延長，反映被檢測物體中一定區(qū)域內(nèi)的信息，長標(biāo)距光柵傳感器結(jié)構(gòu)示意圖如圖1 所示。

圖1 長標(biāo)距光纖光柵檢測結(jié)構(gòu)

該項(xiàng)技術(shù)在混凝土結(jié)構(gòu)表層裂縫的檢測領(lǐng)域有極強(qiáng)應(yīng)用價(jià)值，尤其可以結(jié)合部分已經(jīng)投入使用的混凝土工程，在外部的裝飾裝修項(xiàng)目完成之后，也可以進(jìn)行表層混凝土裂縫的檢測。和傳統(tǒng)的傳感器檢測技術(shù)相比，監(jiān)測的范圍已經(jīng)提升到了毫米級(jí)別，成本相對(duì)可控，能夠直接反應(yīng)應(yīng)變與溫度耦合之間的關(guān)系，在測量的過程中需要額外進(jìn)行溫度補(bǔ)償。

2.2 柔性導(dǎo)電涂料檢測技術(shù)

該項(xiàng)檢測技術(shù)是以現(xiàn)代化手段實(shí)現(xiàn)混凝土表層裂縫檢測的新興技術(shù)，在混凝土結(jié)構(gòu)上涂抹一層導(dǎo)電涂料，導(dǎo)電涂料干燥之后會(huì)形成薄膜，若混凝土表層出現(xiàn)了應(yīng)力裂縫、撞擊裂縫以及溫度裂縫，導(dǎo)電薄膜會(huì)出現(xiàn)一定的形變，在形變位置會(huì)出現(xiàn)電阻值變化。導(dǎo)電薄膜的兩側(cè)或者兩端會(huì)粘貼平行電極，能夠隨時(shí)檢測導(dǎo)電薄膜的電阻值變化情況[4]，并且通過數(shù)據(jù)記錄的方式構(gòu)建可視化的表層裂縫檢測體系及實(shí)際結(jié)構(gòu)，見圖2。

圖2 柔性導(dǎo)電涂料裂縫檢測技術(shù)

早在2007 年，有建筑研究人員就在技術(shù)研發(fā)的基礎(chǔ)上，分析了柔性導(dǎo)電材料在混凝土裂縫檢測中的價(jià)值，并且建立了混凝土裂縫分布式自動(dòng)檢測系統(tǒng)，在我國的泰州大橋、貴州烏江大橋以及上海地鐵工程中都有應(yīng)用。有學(xué)者結(jié)合高分子導(dǎo)電膜電阻拉敏效應(yīng)進(jìn)行了研究，確定了在混凝土表層裂縫監(jiān)測方面同樣有較強(qiáng)的應(yīng)用價(jià)值，導(dǎo)電膜的及時(shí)電阻變化率以及累計(jì)電阻變化率能夠從不同角度呈現(xiàn)出混凝土裂縫的時(shí)刻、位置、發(fā)育程度。從實(shí)驗(yàn)的角度來講，給混凝土試塊施加荷載壓力，同步監(jiān)測柔性導(dǎo)電涂料的可視化監(jiān)測數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)表層結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了細(xì)微裂縫時(shí)，柔性導(dǎo)電膜的即時(shí)電阻變化率出現(xiàn)了跳躍現(xiàn)象，與此同時(shí)累計(jì)電阻變化率呈現(xiàn)出臺(tái)階式增加的情況，此時(shí)混凝土構(gòu)件上出現(xiàn)了0.02～0.03 毫米的裂縫；而減少對(duì)混凝土試塊施加的壓力，直至完全卸載，能夠發(fā)現(xiàn)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，若再次加載，又會(huì)出現(xiàn)同步跳躍峰值。由此能夠證明，該技術(shù)對(duì)于裂縫損傷的判定具備精準(zhǔn)性，且精準(zhǔn)度能夠達(dá)到0.02 毫米。

2.3 圖像機(jī)器視覺檢測技術(shù)

該項(xiàng)技術(shù)的現(xiàn)代化程度更高，主要是通過計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)結(jié)合混凝土裂縫的具體形態(tài)進(jìn)行參數(shù)識(shí)別，然后通過圖像處理、裂縫識(shí)別、幾何尺寸分析等流程進(jìn)行裂縫的判斷，其具體流程如圖3 所示。

圖3 機(jī)器視覺混凝土表層裂縫檢測技術(shù)

首先，智能相機(jī)會(huì)獲取混凝土表層疑似裂縫的圖片，由于圖片中包含了大量的噪點(diǎn)以及干擾因素，在圖片提取之后會(huì)進(jìn)行前期處理，比如識(shí)別混凝土表面凹凸不平產(chǎn)生的光影、光照不均勻形成的陰影分割線、附著的污跡等等。為了提升圖像識(shí)別的精準(zhǔn)性，當(dāng)前一部分機(jī)器視覺技術(shù)會(huì)融合INLM 算法，能夠增強(qiáng)裂縫分割的準(zhǔn)確性，同時(shí)也可以提升魯棒性效果。其中通過數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)的方法進(jìn)行去噪和圖像優(yōu)化，可以精準(zhǔn)識(shí)別細(xì)小的裂縫，比如有學(xué)者建立在分段求和的像素解析方法上，計(jì)算混凝土結(jié)構(gòu)表層裂縫的寬度，可以將誤差調(diào)整為0.5～0.1 毫米左右，對(duì)于提升混凝土結(jié)構(gòu)表層裂縫檢測質(zhì)量有極強(qiáng)的促進(jìn)作用。

3 問題分析及展望

綜合上文論述可知，我國當(dāng)前在混凝土表層裂縫檢測方面，雖然已經(jīng)形成了較為完善的技術(shù)體系，但是在實(shí)際應(yīng)用的過程中也存在一部分缺陷，比如長標(biāo)距光纖光柵技術(shù)在檢測的過程中，雖然可以將精準(zhǔn)度提升到毫米級(jí)別，但是所花費(fèi)的成本較高，整體成本遠(yuǎn)高于柔性導(dǎo)電涂料的成本；但柔性導(dǎo)電涂料在實(shí)際應(yīng)用的過程中，由于部分工程缺少高超的技術(shù)體系，導(dǎo)電涂料傳感器的標(biāo)準(zhǔn)化以及規(guī)格化不強(qiáng)，在實(shí)際應(yīng)用的過程中容易出現(xiàn)檢測精準(zhǔn)度下降的情況，另外一部分電極容易出現(xiàn)氧化和剝離現(xiàn)象；依托機(jī)器視覺進(jìn)行混凝土表層裂縫的識(shí)別，雖然能夠提升裂縫識(shí)別的精準(zhǔn)度，但是技術(shù)普及難度較大，部分系統(tǒng)的裂縫識(shí)別算法存在速度和精度方面的矛盾，若要追求精度，計(jì)算速度會(huì)有所下降。

總體來講，混凝土表層裂縫檢測體系的優(yōu)化不僅要關(guān)注傳統(tǒng)技術(shù)體系中的可借鑒內(nèi)容，還需要結(jié)合新形式的技術(shù)，不斷進(jìn)行創(chuàng)新。例如長標(biāo)距光纖光柵監(jiān)測技術(shù)以及柔性導(dǎo)電涂料技術(shù)，對(duì)于溫度的敏感性更強(qiáng)，那么可以通過大數(shù)據(jù)分析技術(shù)中的耦合關(guān)系，實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償，從而提升檢測的精準(zhǔn)性。除此之外，混凝土表層裂縫的識(shí)別不僅僅要關(guān)注長度和寬度，還需要結(jié)合其深度進(jìn)行精準(zhǔn)檢測，雖然超聲波技術(shù)以及其他技術(shù)體系能夠?qū)崿F(xiàn)深度檢測，但是整體檢測的流程較為復(fù)雜，可以通過新老技術(shù)體系的融合進(jìn)行綜合性監(jiān)測設(shè)備的研發(fā)，來滿足多種類型數(shù)據(jù)的檢測需求。圖像計(jì)算機(jī)裂縫識(shí)別技術(shù)的使用，強(qiáng)調(diào)降低檢測成本，全面提高檢測效率，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。

4 結(jié)論

綜上所述，建筑工程混凝土結(jié)構(gòu)表層裂縫的檢測，目前已經(jīng)形成了較為完善的體系，但是在細(xì)節(jié)優(yōu)化方面還需要進(jìn)行持續(xù)性的創(chuàng)新。要加大力度進(jìn)行檢測技術(shù)體系的研發(fā)和優(yōu)化，結(jié)合實(shí)際情況打造具有較高性價(jià)比的技術(shù)方案，不僅可以提升混凝土結(jié)構(gòu)的質(zhì)量檢測精準(zhǔn)性，還能夠?yàn)樾聲r(shí)期建筑工程技術(shù)體系的升級(jí)和創(chuàng)新提供保障。