混凝土裂缝检测与监测技术研究进展

李 菲，彭自强，2，石 显，吴龙彪

（1、武汉理工大学土木工程与建筑学院 武汉 430070；2、武汉理工大学·江西飞尚科技有限公司联合技术研发中心 江西南昌 330200；3、江西飞尚科技有限公司 江西南昌 330200）

0 引言

混凝土作为一种重要的建筑材料，是当今建筑物中使用最广泛的建筑材料之一。由于其工作状态及缺陷对结构带来潜在性的安全隐患，影响了建筑物的美观和耐久性，甚至缩短其使用寿命，威胁结构安全。裂缝是混凝土结构安全状况最直接的外观表现形式之一，也是对混凝土结构养护维修加固最基本、最主要的定量指标。了解裂缝深度、宽度及裂缝出现的位置，分析其原因和损伤的程度为结构在施工及运营维护阶段的裂缝处理提供可靠参考依据。对混凝土裂缝的检测是十分必要的。随着科技技术的进步，混凝土裂缝检测的手段不断的丰富，技术越来越成熟。

1 常用的混凝土裂缝检测方法

1.1 超声波法

超声波法是目前应用最为广泛的无损检测技术，其主要是使用超声波探头测量超声脉冲波在混凝土中的传播速度（声速）、首波幅度（波幅）和接收信号主频率（主频）等声学参数，并根据这些参数及其相对变化，判定混凝土裂缝深度情况及损伤状态［1］。根据测试表面发射探头和接受探头的位置及检测深度可分为单面平测法、双面斜测法和钻孔对测法［1-2］。运用超声波技术在大坝、隧道、房屋、桥面、路面等领域成功的检测出裂缝，解决相关的工程问题的。

1.2 雷达法

雷达法是以微波作为传递信息的媒介，依据微波传播特性，对被测材料、结构、物体的物理特性、缺陷做出无损检测诊断的技术［3-4］。利用不同介质电磁波阻抗和几何形态的差异，根据反射回波的振幅及频率随时间变化的构成图像，并进行分析［5］。将电磁波传射如混凝土结构中，电磁波在遇到裂缝等缺陷时电磁波进入到另一种介质发生反射，根据发射波和反射波时间、传播速度来确定检测裂缝的位置。

1.3 红外线法

红外线是波长0.78～1 000 μm 的电磁波，任何高于绝对温度零度的物体都是红外辐射源，当物体内部存在缺陷时，它将改变物体的热传导，使物体表面温度分布发生变化，红外检测仪可以测量表面温度分布变化，探测缺陷的位置，依据热像图中温度场的分布差异，就可以推断物体内部存在的裂缝特征［6］。

1.4 冲击回波法

冲击回波法为兴起于20 世界80 年代的一种混凝土无损检测技术，由美国Cornell University 的SANSA⁃LONE 博士以及美国国家标准和技术研究所的CARI⁃NO于1984年研究开发。通过在混凝土结构表面施加微小的冲击力，从而激发出应力波，当遇到裂缝等缺陷进入不同界面时其声阻抗不同，将产生来回反射并在结构表面引起微小响应，并为传感器所接收，计算机分析响应波形的频谱，从而得出最高峰的频率，计算出结构弹性波速度等所需要检测的项目信息［7］。

1.5 声发射法

声发射是由于材料发生变形或者结构发生变化，内部能量瞬间改变而释放出弹性波现象，也称为应力波发射［8］。混凝土中出现裂缝等缺陷会产生局部应力集中，通过对过程中释放出的应力波特性进行检测从而确定裂缝所处的位置和损伤程度。HABIB 等人［9］提出了一种基于切比雪夫不等式去噪的处理，研究结果表明将声发射特征和多尺度系统的动态损伤识别方法能够检测混凝土梁的早期裂缝和损伤发展。

上述5种混凝土裂缝检测方法特点比较如表1所示。

表1 常用混凝土裂缝监测方法特点Tab.1 Characteristics of Common Concrete Crack Monitoring Methods

2 用于混凝土裂缝监测方法

常用的混凝土裂缝检测方法都比较耗时费力，有些检测方法对操作人员技术要求高，如雷达法。随着科学技术的不断创新发展，本节将结合应用的案例和研究现状对基于柔性导电涂料、基于长标距光纤光栅和从计算机视觉图像识别3种方法进行介绍。

2.1 基于长标距光纤光栅的混凝土裂缝监测技术

2.1.1 基本工作原理

基于光纤传感技术（DOFS）利用光纤光栅（FBG）波长的变化是由温度或者应变引起的这一特性，光源发出的光线经耦合器进入传导光纤中产生散射信号，当光栅受到外界扰动引起中心波长的改变，光纤所返回散射信号携带有损耗信息，对散射信号光进行频率检测可确目标监测项的变化值，波长计算如式⑴所示：

式中：λB为光栅中心波长；neff为光纤光栅有效折射率；Λ为光栅周期。

长标距光纤光栅是在传统光纤光栅基础上通过标距内增加传感器对应变的灵敏度，采用长标距封装化技术，使光纤光栅传感器测量的标距由一点延长到一定的长度，从而可以反映被测物体一定区域内被测物理量的变化情况，长标距光栅传感器结构示意图如图1所示，其与传统传感器的对比如图2所示［10］，长标距光纤光栅传感器的监测值更接近实际的变化。

图1 长标距光纤光栅传感器结构示意图Fig.1 Schematic Diagram of Long Distance FIBER Grating Sensor

图2 传统FBG和长标距FBG传感器应变监测对比Fig.2 Comparison of Strain Monitoring between Traditional FBG and Long-distance FBG Sensors

主要特点：监测范围增加到米级别、成本相对较高、环境影响显著，抗电磁干扰强，传输距离远；直接反映应变和温度耦合的变化，在测量时必须进行温度补偿。

2.1.2 发展与应用

1978 年，加拿大的HILL 等人［11］运用驻波法研制了世界上第一根光纤光栅。1989 年，MENDEZ 等学者［12］，首次提出将光纤光栅传感器用混凝土结构健康监测。无锡地铁采用了长标距光纤光栅传感器技术对其基坑开挖过程有效进行变形监测，保障安全生产顺利施工［13］。魏洋等人［14］将长标距光纤光栅传感技术用于涡河特大桥实际工程进行长期监测数据研究，实践表明该技术对于连续桥梁长期监测具有数据稳定、飘移小，能够对桥梁应力、应变进行长期的实时监测。从以上的应用研究可以看到长标距光纤光栅在应变变形、挠度方面的应用是非常广泛的。同时，该技术还可以用于混凝土的裂缝监测，王俊维［15］从传感器分布技术去研究，提出了采用平行拓扑结构可以监测结构的平均曲率、弯矩、裂缝深度等信息。

2.2 基于柔性导电涂料的混凝土裂缝监测技术

2.2.1 工作原理

运用导电涂料形成的薄膜在发生变形时，其电阻在数值上会发生相应的变化这一特性。将含有大量导电颗粒的柔性涂料固化成导电膜，附着在混凝土表面或内嵌到混凝土内部，在两端粘贴平行电极并连接导线用于测试导电膜的电阻值［16］。当混凝土某处出现裂缝并扩展时，柔性导电涂料与混凝土协调变形，利用仪器监测其电阻变化，实时的反馈混凝土裂缝情况，如图3所示［17］。

图3 柔性导电涂料传感器电阻随时间的变化曲线Fig.3 Resistance Curve of the Flexible Conductive Coating Sensor with Time

柔性导电涂料传感元件示意图和传感元件现场布置如图4所示［18-19］。

图4 导电涂料元件示意图及传感元件应用布设Fig.4 Schematic of Conductive Coating Element and Application Layout of Sensing Element

主要特点：环境适应性强、耐久性好及全过程监测，能够监测到混凝土受环境或外部荷载等因素发生的反复张合的现象。导电涂膜的性价比高，可进行裂缝位置识别，判断结构是否开裂。

2.2.2 发展与应用

2007 年，赵启林等人［19］基于国家863 专项“基于柔性导电涂料的混凝土裂缝分布分布式自动检测系统研制”下进行研发，并将成果投入到泰州大桥夹江桥、上海地铁施工运营和贵州乌江大桥等工程进行试用。目前基于柔性导电涂料的混凝土裂缝分布式监测技术已被应用于30 余座混凝土桥梁施工期或运营期的裂缝监测。

邓安仲等人［20］利高分子导电膜电阻拉——敏效应，提出将导电涂料作为传感器监测混凝土裂缝的方法新技术，利用导电膜即时电阻变化率Mt曲线图与累计电阻的变化率At曲线图出现“峰值”或“台阶”形状时，能表征混凝土出现裂缝的时刻和位置。

式中：Rt为t时刻的导电膜电阻；Rt-1为t-1 时刻导电膜的电阻；R0为导电膜初始电阻；k为放大系数，取1 000。

如图5、图6［20］所示，试验过程中在10∶21 左右，即时电阻变化率出现跳跃峰值5.4，同时累计电阻变化率出现台阶式增加，与混凝土构件出现0.02～0.03 mm裂缝情况相吻合。在10∶43 完全卸载，导电膜即时电阻变化率和累计电阻变化率同步陡降，而继续加载电阻变化率又产生跳跃峰值，表明裂缝宽度的变化对导电膜电阻变化率之间存在一定关系的同步变化。完全卸载后11∶22 左右，导电膜电阻变化率趋于稳定且无法恢复初始值，这是由于出现不可恢复的裂缝且对裂缝出现起到记录的效果，便于监测人员的长期监测判断。此方法能有效的对混凝土开裂及发展进行实时监测，能监测到最小有效宽度达0.02 mm。

图5 导电膜即时电阻变化率曲线Fig.5 Change Rate Curve of Immediate Resistance of Conductive Film

图6 导电膜累计电阻变化率曲线Fig.6 Change Rate Curve of Cumulative Resistance of Conductive Film

导电涂料传感器应用于南京地铁2号线隧道管片裂缝监测，设置了18条导电涂料条和其他传感器用于验证导电涂料传感元件对裂缝监测及识别其发展趋势，与现场检测状况吻合［21］。

2.3 基于图像机器视觉的自动化裂缝检测技术

2.3.1 裂缝检测整体框架

运用计算机视觉技术对混凝土裂缝进行识别，通过消费级相机获取图像，再对图像进行图像处理、裂缝识别、裂缝几何尺寸测算，流程如图7所示。

图7 裂缝识别整体框架Fig.7 Overall Frame of Crack Identification

随着《Deep Learning》一文在《Nature》上发表［22］，推进图像裂缝自动化、智能化识别。基于Mask R-CNN 网络和迁移学习对混凝土路面裂缝识别准确率可达到98.12%［23］。

相机所获取的混凝土裂缝图片包含的大量噪音会对后续裂缝的识别提取造成严重干扰，比如混凝土表面的凹凸不平、光照不均匀、附着的污迹。

2.3.2 研究与发展

对于混凝土裂缝识别过程的核心3个部分可以分为：前期的图像预处理阶段、深度网络的选择与训练和后续裂缝的提取。图像上的噪音是裂缝识别的一大痛处及难点，为提高其识别的高效性、准确性和实时性，许多学者对识别中各流程的处理技术做了大量的研究和推进。杨心蕊等人［24］运用INLM 算法并结合INLM 算法提高裂缝分割的准确性同时达到增强鲁棒性效果。王睿等人［25］提出prewitt 边缘算子和Otsu 阈值法结合对图像进行分割，并用数学形态学方法实现图片去噪优化，提高对裂缝特征的提取准确率。周颖等人［26］提出分段求和的像素解析方法计算裂缝宽度，误差在控制在0.05～0.1 mm 内。某高铁轨道板［27］采用随机抽样一致算法（RANSAC）去噪并综合深度学习卷积神经网络模型及三维点云融合技术实现在5 km∕h速度下进行裂缝和离缝的自动检测。

3 存在的问题与研究展望

基于长标距光纤光栅技术裂缝监测范围虽然增加到米级别但成本相对较高，成本几乎到达但电涂料技术的2倍以上。基于柔性导电涂料的混凝土裂缝监测存在技术问题：①缺少对柔性导电涂料传感元件标准化、规格化生产及传感器元件施工指导标的相关标准执行文件；②存在电极易氧化、剥离问题。基于图像机算计视觉的裂缝识技术痛点：③对采集图像中受到光线不均匀等因素噪音去除；④裂缝识别算法存在速度与精度上的矛盾，难以实现两全。

对长标距光纤光栅和柔性导电涂料受温度影响较大的传感元件，可利用大数据分析其中的耦合关系，通过温度系数补偿提高监测精度；此外，混凝土裂缝识别不仅可以从宽度、长度上进行监测，未来可以通过研究新的算法对裂缝深度加以评定为裂缝的损伤评判进一步提供参考。针对裂缝图像识别中对受光线不均、污迹等复杂背景引起的噪音去除问题，针对每一项的干扰因素单独研究最优算法根据监测目标综合采用算法研发识别系统。为研推广基于图像计算机裂缝识别技术使用，降低检测成本，提高检测效率，真正实现远距离、非接触、实时检测，未来还需进一步研发高效稳健的算法。