混凝土裂缝检测文献综述

■陈雁群 ■江西省建筑材料工业科学研究设计院，江西 南昌 330000

1 引言

混凝土是当今世界建筑结构中使用最广泛的建筑材料，普通钢筋混凝土结构在一般情况下是允许带裂缝工作的［1］。近代科学关于混凝土强度的细观研究以及大量工程实践所提供的经验都说明：混凝土结构的裂缝是不可避免的，裂缝是一种人们可以接受的材料特征［2］。在混凝土结构中，裂缝是破坏混凝土结构安全的首要因素。当混凝土结构裂缝发展过大时就会影响结构可靠性，给建筑的使用带来潜在的安全隐患，甚至使整个结构垮塌而带来重大的人员伤亡和巨大的财产损失。很多工程结构事故就是由于裂缝的不稳定发展所造成的［3］。例如，1986年3月15日，新加波的六层新世界酒店在60秒时间内轰然倒塌造成50人遇难;2001年3月4日，葡萄牙北部的Hintze-Ribeiro大桥坍塌，造成59人死亡;2012年1月26日，巴西里约日内卢一座20层办公楼突然倒塌，造成17人死亡;2013年4月24日，孟加拉国一座名为“拉纳大厦”的八层楼建筑垮塌，造成149人死亡，属重大建筑事故。为了保证建筑结构的安全性，混凝土裂缝的检测和监测成为关键工作之一。混凝土裂缝检测与监测技术的发展不断前进，这使得这些技术逐渐成熟。Rossi和Le Maou［4］将多模光纤埋入混凝土来测裂缝;Christopher K．Y．Leung等［5］利用新型分布式光纤传感器测量裂缝;Pietro Giovanni Bocca［6］等利用红外热像对混凝土检测得出了混凝土裂缝与温度之间的关系;Dennis等将扫描技术用于混凝土超声波检测。层析技术也被用在混凝土裂缝检测上，我国虽然对层析成像技术理论研究和实际应用起步比较晚，但在借鉴国外先进的理论和仪器同时，经过数十年的不懈努力和研究，也取得了丰硕的成果。此外，我国探地雷达(GPR)还处于初步研究阶段，很多技术还不够成熟和完善，还需要完善其研究［7］。

2 常用混凝土裂缝检测技术

目前，混凝土裂缝检测主要工作分别为裂缝的粗检测(也即判断裂缝是否存在)、裂缝宽度的检测以及裂缝深度的检测(定量的检测裂缝)，这些工作所采用的技术手段也不尽相同。现在对混凝土裂缝判断检测的技术有：目测法、雷达法、云纹法、红外热像法、声发射法以及全息干涉法等;对混凝土裂缝宽度检测的技术有：脆漆涂层法、裂纹扩展片法、光纤裂缝传感器法等;对混凝土裂缝深度检测的技术有：冲击回波法、超声波法等。

2．1 裂缝粗检方法

判断检测裂缝的存在，就是定性的检测裂缝是否已经存在，并不是定量化的去检测混凝土裂缝。目测法是用纯石灰水溶液均匀地刷在结构表面并等待干燥，当试件受外荷载作用后，白色涂层将在高应变下开裂并脱落。目测法有时也可利用裂缝放大设备观察。

雷达法是利用高频率宽带脉冲电磁波，根据电磁波的传播特性来检测混凝土中的孔洞、裂缝及缺陷的技术。其原理是根据波在传播的过程中不同介质的分界面反射和折射的规律，再由接收器接收到的波行程的时间、波幅及形状，来判断混凝土裂缝是否存在。雷达法波动方程可以选用由麦克斯韦方程推导出的方程如下式(1)。

由上式得出波速和相位系数的关系，从而可以测出混凝土内部结构的缺陷。但是雷达法不宜在有强电场的场合使用，检测的结构误差较大。

云纹法(也称莫尔纹法)属于变形分析的一种模拟方法，分为面内和面外两种方法。云纹法是用黑线栅(等节栅或异节栅)作为元件，结构表面存在损伤或裂缝时，明暗相间重叠的栅线会产生变动的干涉条纹，根据这些不同的云纹来检测混凝土裂缝，此方法检测局域较小只适合在实验室使用。

红外热像法是借助红外线进行探测的，在红外线波长中只有3～5和8～14mm的波段有很好的穿透性，红外探测器就是利用这个波段进行探测的［8］。当混凝土内部存在裂缝和缺陷时，在连续区和非连续区的热扩散系数不一样，使混凝土表面产生温度差降，再利用红外热成像仪测量它的不同热辐射，经信号处理系统将热像显示出来，得到混凝土的裂缝或缺陷的位置。红外热像技术的重要特点是可以快速、非接触、大面积地扫查检测表面，并且不损伤检测物，但由于对象是混凝土，混凝土内部材料分布不均匀性、表面发射不均匀性以及背景辐射的影响会影响检测结果。

声能也是在这过程中产生的一种能量，声能是以弹性波在混凝土内部进行传播的。声测法通过测试位置上应力波到达的时间差，可确定损伤、断裂的位置。但是，用AE检测裂缝和其他方法最大的不同是只能检测正在发生的裂缝，不能检测已经发生的旧裂缝。

全息干涉法是在同一张底片上进行双曝光，物体在变形前后分别曝光照相一次，两个光波波阵重叠，固定在一张全息图中。如果物体的变形很微小，则由于这两个波阵面相互干涉的结果，将产生一组干涉条纹图。通过观察干涉条纹的变化，从而可观察到物体出现任何微小的变化。

2．2 裂缝宽度的检测方法

混凝土裂缝宽度的检测就是采取定量的检测手段，得到具体的数值。

脆漆涂层法是用特殊的涂漆涂在混凝土表面形成脆性层，受荷载作用后根据裂纹确定主应力方向和主应力大小的方法，此方法各异用于各种形式的结构构件表面。1932年，德国Dietrich等［9］首次提出脆性涂层法，用于测弹性应变。1937年Ellis制成一种用来指示弹性应力分布的脆性涂料，这种方法得到广泛应用。混凝土因受拉而产生裂缝，当混凝土裂缝宽度达到0．001-0．004mm时，随混凝土一起拉长的导电漆膜会出现火花直至烧断，这样的方法可以粗略测出裂缝的宽度大小。

裂纹扩展片就是一种根据要求设计出的具有特殊形状的电阻应变片，由栅体和基底组成。当裂纹到达某处时，与栅体链接的仪器就能测出该处栅条断裂情况，从而得出裂缝的位置。裂纹扩展片法(也称间接直流电位法)常用于断裂力学试验中。从八十年代初，国外开始采用一种裂纹扩展片法进行裂纹长度测试［10］。

光纤传感器法是利用埋在混凝土内部的光纤传感器作为元件，来测得混凝土内部缺陷和裂缝的。其原理是：结构的损伤将引起埋设在损伤部位的光纤损伤、微弯或裂断，导致光纤能力下降，布置在光纤网络出口处的光探测器将检测出光纤输出光强变化，从而得到结构的损伤信息。1989年，Mendez等人［11］将光纤传感技术应用在土木工程领域，应用包括检测钢筋混凝土结构的内部损伤如混凝土开裂、钢筋锈蚀、钢筋与混凝土的分离等。

2．3 裂缝深度的检测方法

混凝土裂缝深度检测是对混凝土裂缝进行定量检测，得出具体的数值，凭借检测所获得的数据可知混凝土结构损害的程度。

冲击波回波法是一种检测裂缝深度的方法，也属于声波反射波法之一，其原理是利用小钢球或小锤轻击一下混凝土表面产生低频应力脉冲，脉冲传播到结构内部，在缺陷和构件底部反射回来，到达表面后又反射回去，这样就会产生多次反射形成瞬态共振，根据数据采集器及信号处理器进行幅值谱分析，就可以识别混凝土缺陷的位置及深度。Sansalone等［12］在混凝土无损检测中采用了冲击回波法，在这以后冲击回波法的发展很快。80年代末，我国研制成冲击回波法仪器IES系统，并在工程检测中成功应用。目前，已经有IES扫描式冲击回波系统、带表面波的冲击回波系统、超薄冲击回波系统等。由同济大学自制USonic型超声检测仪也可用于冲击回波试验。

超声波法是现在应用最为广泛的无损检测技术，分为平测法(即将发射探头和接受探头安装在构件同一侧)和斜测法(即将发射探头和接受探头对称的安装在裂缝两侧)。超声波法的原理是利用高频超声波(10-250kHz)作为信息的载体，对混凝土构件进行探测，测量超声脉冲纵波在混凝土中的传播速度、首波波幅变化和接受信号频率等参数，并根据这些参数的相对变化，判定混凝土中的缺陷情况。Leslie等人率先将超声波用用于混凝土检测。该检测技术得到快速发展。由于混凝土是一种混合非匀质材料，超声波不会按着理想直线在其内部传播，使得发射器与接收器之间关系不稳定，检测精度有待提高。超声波法也有一定的局限性，其采用逐点径向检测，检测速度慢而且容易漏检［13］。

3 目前混凝土检测存在的问题

3．1 检测环境适用性

目前混凝土检测技术很难同时实现在线实时检测和检测精度的要求，另外检测设备受所处环境的影响很大，实验室检测设备和实地检测设备的精度相差很大，而且不能很好地建立数据连接平台，进行全天候检测。传统检测方法的工作量大，效率很低，而且结果的精准度不高。精度好、效率高、能实现各种结构样式、各种场地环境的检测仪器及方法是很有必要的。

3．2 检测仪器可靠性

建筑结构检测采用的设备也相对陈旧老化，以至于不能很好地满足现代结构检测的需求。质量好、精度高、性能稳定、操作方便的仪器是高质量检测工作的保证。在这方面，我们国家与一些发达国家有着明显的差距，特别是在数字化检测仪器设备方面。加大对建筑结构检测的投入显得很有必要。

3．3 检测体系完备性

我国混凝土检测系统还不够完善，裂缝检测的理论基础较为薄弱。随着建筑业的飞速发展，大型结构、大跨度结构、超高层结构等一些新型结构的出现，传统的检测方法不能很好地接合新规范、新标准，会出现一些检测盲区，给现代结构检测带来很大的不便，传统建筑结构检测的标准与规范亟待修订。建筑结构检测与加固相关的资料很缺乏。在结构检测与加固技术相关的资料文献相对较少，没有明确的领域划分。现在可查的一些资料也相对较为陈旧，技术在不断地更新，建立该领域完善的资料库以及结构检测数据库是一个值得探讨的问题。

3．4 检测结果一般性

混凝土结构一种非线性材料，缺陷的位置是随机性的，土木工程结构检测技术中非线性诊断技术的应用尚不成熟，相较于线性诊断而言，这种技术更加需要复杂的计算算法和技术操作，但是非线性诊断技术更加贴近实际，非线性结构检测技术在发展中应该不断针对土木工程的建筑结构作出调整和优化，改进和完善整个非线性结构诊断技术的应用。非线性技术的研究和应用在未来的结构检测技术发展中，应该成为一个研究重点。遗传算法、小波分析和神经网络在非线性分析和数据处理上所具有的优势，这使得非线性结构检测在结构损伤的辨识上有着很大发展空间和前景。

4 混凝土检测技术的发展与展望

随着建筑使用年龄的增长，建筑结构所呈现的各种病态问题。这引起我国建筑相关部门的广泛关注，并加大对旧建筑检测加固力度，其中混凝土裂缝检测在建筑工程质量管理中起到了重要的作用。随着科学技术的不断发展，混凝土检测技术及相关的检测设备在不断地更新完善，测试仪器由模拟仪器发展为数字仪器，如我国岩海公司研制的RS-UTO-IC型、同济大学自制的U-Sonic型、岩土领域采用的SYZ型。目前超声层析技术虽然已经应用在混凝土检测中，但是目前只能实现二维波走时成像，与混凝土内部三维形体缺陷有很大区别，会给检测带来很大误差甚至错误判断，所以在三维波成像方面还有很大的发展空间。前面所讲述大多技术很难实现实时、在线检测，处理数据也是逐点化，使得的工作量大、效率低。透射技术可以实行全构件检测，免去了以往逐点一一检测，大大提高了工作效率。

但是，我国在透射技术领域开展的研究较少，起步也相对较晚，不能很好的在工程上应用透射技术，因此应积极开展这方面的研究工作。水工类建筑结构中混凝土的检测比普通建筑结构混凝土的检测有困难些，随着一些软件的研制开发，如Rayleigh面波处理软件、多次波压制与非线性反演软件等，使得水工类建筑混凝土检测一些难题得到了一定的解决。目前所用的技术多为单一使用技术，如果将超声波技术和CT技术结合、探底雷达技术和红外热像技术结合等，将会使各种技术避免短处利用长处，在这些领域的研究很少，还有待研究探讨。

［1］黄敏．工程结构裂缝检测方法及试验研究［D］．湖北：湖北工业大学，2010．

［2］王铁梦．工程结构裂缝控制［M］．北京：中国建筑工业出版社，1997．

［3］欧进萍．重大工程结构的累计损伤与安全度评定［R］．中国科协第九次青年科学家论坛报告会．北京：清华大学出版社，1996．

［4］Pierre Rossi，Fabrice Le Maou．New method for detecting cracks in concrete using fiber optics［J］．Materials and Structures，1989(6)：437-442．

［5］江毅，Christopher K．Y．Leung．分布式光纤裂缝传感器［J］．压电与声光．2004，26(1)：10-12．

［6］Pietro Giovanni Bocca，Paola Antonaci．Experimental study for the evaluation of creep in concrete through thermal measurements［J］．Cement and Concrete Research，2005，35(9)：1776-1783．

［7］牛一雄，苑守成，武建章．地质雷达在公路建设中的应用［J］．物探与化探．1996，20(20)：116-123．

［8］张荣成．红外热像法检测建筑物外墙饰面施工质量的试验研究［J］．建筑科学．2002，18(1)：40-44．

［9］陈加仁．国外脆性涂料的发展及运用［J］．今日科技，1985(2)：9-10．

［10］张燕明，张开达，樊英民．新颖裂纹长度测试技术——裂纹扩展片的研制和应用［J］．测控技术．1989(3)：16-19．

［11］Mendez A．Application of Embedded Optical Fiber Sensors in Reinforced Concrete Building and Structures［C］．SPIE，1989，1170．

［12］Sansalone M，Carino N J．Impact—echo∶A method for flaw detection in concrete using transient stresswaves［R］．National Bureau of standards Report NBSR，Gait hersburg，Maryland，1986：222．

［13］于世海，陈国良，杨绪普．超声检测在土木工程中的应用研究［J］．西部探矿工程，2005(8)：1-2．