浅析建筑工程混凝土结构表面裂缝实体检测在工程中的应用

2023-07-06胡进权

佛山陶瓷 2023年6期

胡进权

（甘肃第七建设集团股份有限公司，兰州 730020）

混凝土结构是当前建筑工程的常规结构，但是在具体应用的过程中，受到外界环境以及操作手法等因素的影响，混凝土结构会出现不同程度的裂缝，其中表层裂缝不仅影响了建筑结构的美观性和耐久性，还会影响建筑本身的经济价值。因此，掌握新型的混凝土结构表层裂缝实体检测技术，对于新时期的建筑工程质量提升有极强的促进作用。

1 常见的混凝土裂缝检测技术体系

1.1 超声波检测技术

超声波检测技术是当前在混凝土结构检测中应用极为广泛的检测技术，该种方法属于无损检测，通过超声波探头能够检测混凝土结构中存在的缺陷。超声波脉冲在结构内部的传播速度、波幅都会随着混凝土结构自身的质量以及密度出现变化，因此通常应用在判断混凝土结构缺陷领域。超声波检测技术也可以结合不同的检测方法分成不同的分支，比如单面平测法、双面斜测法和钻孔对测法，可以结合实际地检测需求，合理地选择操作方法。

1.2 雷达检测技术

雷达检测技术的载体为微波，微波在传递的过程中会结合不同的介质出现不同的变化，比如材料、物理性能、结构、缺陷都会影响传播的细节[1]，因此广泛应用在混凝土结构的质量检测中。通过检测反射回波振幅以及频率能够形成可视化图像，比如在电磁波遇到混凝土结构中的裂缝缺陷时，会进入到另外一种反射状态中，呈现出的图像也会显现出较大波动，由此能够定位裂缝的位置。

1.3 红外线检测技术

红外线检测技术主要是依靠波长在0.78～1000μm的电磁波进行检测，一系列高于绝对温度0 度的物体都为红外辐射源，若表面出现缺损失物体的热传导会出现变化，表面的温度也会出现明显变化。红外线检测仪则会结合建筑结构的表面温度进行可视化，成像有助于探测表面存在的缺陷，分析温度场的分布差异还可以探测一部分不可见的裂缝。

1.4 冲击回波检测技术

该项技术体系始于1980 年，同样属于无损检测技术，由美国国家标准和技术研究所的研究人员提出，从检测原理来看，需要在混凝土结构的表面施加一定的冲击力，形成冲击波，冲击波在混凝土结构中进行传导，若遇到缺陷或者裂缝时，冲击波所遇到的不同界面会产生不同的声阻抗。传感器接收到这些数据时，会计算出波形的频谱，结合最高的频率能够判断混凝土结构的弹性波速度以及其他的检测信息，进而判断出裂缝所处的具体位置以及裂缝发育程度。

1.5 声发射检测技术

该项检测技术主要应用在结构较小的混凝土构件中，或者承力结构中。这些结构在受到外界应力的影响下，会出现材料或者结构变形，比如由混凝土内部钢筋结构变形导致的表面裂缝，或者表面材料受到外界冲击形成的裂缝，这些裂缝通常会呈现出局部应力较为集中的特点，通过声发射检测技术可以进行动态监测。但是由于该项技术体系对于材料性质的敏感程度较高，容易受到其他机电设备的噪声影响，通常会应用在混凝土结构后期施工结束阶段的裂缝检测中，在施工现场的应用平率有所下降。

总体来讲，以上一系列技术体系，在混凝土结构的表面裂缝检测以及不可见裂缝检测中有较强应用价值，在此基础上，一部分混凝土结构温度裂缝或者由于材料性能问题导致的裂缝，通过常规的目视检测、无人机拍照检测、手机拍照检测便可以完成[2]，但其具体参数以及发展程度还需要借助现代化的设备进行定位。

2 新形势下混凝土表层裂缝监测技术

2.1 长标距光纤光栅检测技术

从检测原理的层面来讲，该项检测技术主要是建立在光纤传感器以及光纤光栅波长的基础上进行检测。其中光纤光栅波长会随着温度、应变出现变化，而光纤传感器在检测到这些变化时，可以记录变化的具体状态；光源发出的光线会经过耦合器传导到光纤内部，从而产生散射信号[3]。当光栅受到外界扰动出现变化时，中心波长也会随之变化，最终返回散射信号所携带的信息中便包含了裂缝的损耗信息，及时的监测散射信号的频率，便可以得到最终的裂缝参数。在这个过程中需要关注光栅中心波长、光纤光栅有效折射率、光栅周期等信息。传感器中可以结合具体的检测需求，调整灵敏度，利用长标距封装化技术，能够让传感器检测的标距进一步延长，反映被检测物体中一定区域内的信息，长标距光栅传感器结构示意图如图1 所示。

图1 长标距光纤光栅检测结构

该项技术在混凝土结构表层裂缝的检测领域有极强应用价值，尤其可以结合部分已经投入使用的混凝土工程，在外部的装饰装修项目完成之后，也可以进行表层混凝土裂缝的检测。和传统的传感器检测技术相比，监测的范围已经提升到了毫米级别，成本相对可控，能够直接反应应变与温度耦合之间的关系，在测量的过程中需要额外进行温度补偿。

2.2 柔性导电涂料检测技术

该项检测技术是以现代化手段实现混凝土表层裂缝检测的新兴技术，在混凝土结构上涂抹一层导电涂料，导电涂料干燥之后会形成薄膜，若混凝土表层出现了应力裂缝、撞击裂缝以及温度裂缝，导电薄膜会出现一定的形变，在形变位置会出现电阻值变化。导电薄膜的两侧或者两端会粘贴平行电极，能够随时检测导电薄膜的电阻值变化情况[4]，并且通过数据记录的方式构建可视化的表层裂缝检测体系及实际结构，见图2。

图2 柔性导电涂料裂缝检测技术

早在2007 年，有建筑研究人员就在技术研发的基础上，分析了柔性导电材料在混凝土裂缝检测中的价值，并且建立了混凝土裂缝分布式自动检测系统，在我国的泰州大桥、贵州乌江大桥以及上海地铁工程中都有应用。有学者结合高分子导电膜电阻拉敏效应进行了研究，确定了在混凝土表层裂缝监测方面同样有较强的应用价值，导电膜的及时电阻变化率以及累计电阻变化率能够从不同角度呈现出混凝土裂缝的时刻、位置、发育程度。从实验的角度来讲，给混凝土试块施加荷载压力，同步监测柔性导电涂料的可视化监测数据，发现当表层结构出现了细微裂缝时，柔性导电膜的即时电阻变化率出现了跳跃现象，与此同时累计电阻变化率呈现出台阶式增加的情况，此时混凝土构件上出现了0.02～0.03 毫米的裂缝；而减少对混凝土试块施加的压力，直至完全卸载，能够发现导电膜即时电阻变化率和累计电阻变化率同步陡降，若再次加载，又会出现同步跳跃峰值。由此能够证明，该技术对于裂缝损伤的判定具备精准性，且精准度能够达到0.02 毫米。

2.3 图像机器视觉检测技术

该项技术的现代化程度更高，主要是通过计算机视觉技术结合混凝土裂缝的具体形态进行参数识别，然后通过图像处理、裂缝识别、几何尺寸分析等流程进行裂缝的判断，其具体流程如图3 所示。

图3 机器视觉混凝土表层裂缝检测技术

首先，智能相机会获取混凝土表层疑似裂缝的图片，由于图片中包含了大量的噪点以及干扰因素，在图片提取之后会进行前期处理，比如识别混凝土表面凹凸不平产生的光影、光照不均匀形成的阴影分割线、附着的污迹等等。为了提升图像识别的精准性，当前一部分机器视觉技术会融合INLM 算法，能够增强裂缝分割的准确性，同时也可以提升鲁棒性效果。其中通过数学形态学的方法进行去噪和图像优化，可以精准识别细小的裂缝，比如有学者建立在分段求和的像素解析方法上，计算混凝土结构表层裂缝的宽度，可以将误差调整为0.5～0.1 毫米左右，对于提升混凝土结构表层裂缝检测质量有极强的促进作用。

3 问题分析及展望

综合上文论述可知，我国当前在混凝土表层裂缝检测方面，虽然已经形成了较为完善的技术体系，但是在实际应用的过程中也存在一部分缺陷，比如长标距光纤光栅技术在检测的过程中，虽然可以将精准度提升到毫米级别，但是所花费的成本较高，整体成本远高于柔性导电涂料的成本；但柔性导电涂料在实际应用的过程中，由于部分工程缺少高超的技术体系，导电涂料传感器的标准化以及规格化不强，在实际应用的过程中容易出现检测精准度下降的情况，另外一部分电极容易出现氧化和剥离现象；依托机器视觉进行混凝土表层裂缝的识别，虽然能够提升裂缝识别的精准度，但是技术普及难度较大，部分系统的裂缝识别算法存在速度和精度方面的矛盾，若要追求精度，计算速度会有所下降。

总体来讲，混凝土表层裂缝检测体系的优化不仅要关注传统技术体系中的可借鉴内容，还需要结合新形式的技术，不断进行创新。例如长标距光纤光栅监测技术以及柔性导电涂料技术，对于温度的敏感性更强，那么可以通过大数据分析技术中的耦合关系，实现温度补偿，从而提升检测的精准性。除此之外，混凝土表层裂缝的识别不仅仅要关注长度和宽度，还需要结合其深度进行精准检测，虽然超声波技术以及其他技术体系能够实现深度检测，但是整体检测的流程较为复杂，可以通过新老技术体系的融合进行综合性监测设备的研发，来满足多种类型数据的检测需求。图像计算机裂缝识别技术的使用，强调降低检测成本，全面提高检测效率，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。