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(duì)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(duì)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(duì)混凝土裂縫的檢測(cè)是十分必要的。隨著科技技術(shù)的進(jìn)步，混凝土裂縫檢測(cè)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(cè)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(cè)技術(shù)，其主要是使用超聲波探頭測(cè)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(hào)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(duì)變化，判定混凝土裂縫深度情況及損傷狀態(tài)［1］。根據(jù)測(cè)試表面發(fā)射探頭和接受探頭的位置及檢測(cè)深度可分為單面平測(cè)法、雙面斜測(cè)法和鉆孔對(duì)測(cè)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(cè)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(duì)被測(cè)材料、結(jié)構(gòu)、物體的物理特性、缺陷做出無損檢測(cè)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(cè)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(duì)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(cè)儀可以測(cè)量表面溫度分布變化，探測(cè)缺陷的位置，依據(jù)熱像圖中溫度場(chǎng)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(cè)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(cè)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(huì)產(chǎn)生局部應(yīng)力集中，通過對(duì)過程中釋放出的應(yīng)力波特性進(jìn)行檢測(cè)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(shí)別方法能夠檢測(cè)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(cè)方法特點(diǎn)比較如表1所示。

表1 常用混凝土裂縫監(jiān)測(cè)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(cè)方法

常用的混凝土裂縫檢測(cè)方法都比較耗時(shí)費(fèi)力，有些檢測(cè)方法對(duì)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(duì)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(shí)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(cè)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(hào)，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(hào)攜帶有損耗信息，對(duì)散射信號(hào)光進(jìn)行頻率檢測(cè)可確目標(biāo)監(jiān)測(cè)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(duì)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(cè)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(cè)物體一定區(qū)域內(nèi)被測(cè)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(duì)比如圖2所示［10］，長標(biāo)距光纖光柵傳感器的監(jiān)測(cè)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(cè)對(duì)比Fig.2 Comparison of Strain Monitoring between Traditional FBG and Long-distance FBG Sensors

主要特點(diǎn)：監(jiān)測(cè)范圍增加到米級(jí)別、成本相對(duì)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(cè)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(cè)。無錫地鐵采用了長標(biāo)距光纖光柵傳感器技術(shù)對(duì)其基坑開挖過程有效進(jìn)行變形監(jiān)測(cè)，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(cè)數(shù)據(jù)研究，實(shí)踐表明該技術(shù)對(duì)于連續(xù)橋梁長期監(jiān)測(cè)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(cè)。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(cè)，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(cè)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(cè)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(huì)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(cè)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(cè)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(chǎng)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(cè)，能夠監(jiān)測(cè)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(shí)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(cè)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(cè)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(cè)。

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(cè)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(tái)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(tái)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(duì)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(duì)裂縫出現(xiàn)起到記錄的效果，便于監(jiān)測(cè)人員的長期監(jiān)測(cè)判斷。此方法能有效的對(duì)混凝土開裂及發(fā)展進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，能監(jiān)測(cè)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(hào)線隧道管片裂縫監(jiān)測(cè)，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(duì)裂縫監(jiān)測(cè)及識(shí)別其發(fā)展趨勢(shì)，與現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)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(cè)技術(shù)

2.3.1 裂縫檢測(cè)整體框架

運(yùn)用計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)對(duì)混凝土裂縫進(jìn)行識(shí)別，通過消費(fèi)級(jí)相機(jī)獲取圖像，再對(duì)圖像進(jìn)行圖像處理、裂縫識(shí)別、裂縫幾何尺寸測(cè)算，流程如圖7所示。

圖7 裂縫識(shí)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(shí)別?；贛ask R-CNN 網(wǎng)絡(luò)和遷移學(xué)習(xí)對(duì)混凝土路面裂縫識(shí)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(huì)對(duì)后續(xù)裂縫的識(shí)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(duì)于混凝土裂縫識(shí)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(shí)別的一大痛處及難點(diǎn)，為提高其識(shí)別的高效性、準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性，許多學(xué)者對(duì)識(shí)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(duì)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(duì)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(cè)。

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(cè)范圍雖然增加到米級(jí)別但成本相對(duì)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(cè)存在技術(shù)問題：①缺少對(duì)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(shí)技術(shù)痛點(diǎn)：③對(duì)采集圖像中受到光線不均勻等因素噪音去除；④裂縫識(shí)別算法存在速度與精度上的矛盾，難以實(shí)現(xiàn)兩全。

對(duì)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(cè)精度；此外，混凝土裂縫識(shí)別不僅可以從寬度、長度上進(jìn)行監(jiān)測(cè)，未來可以通過研究新的算法對(duì)裂縫深度加以評(píng)定為裂縫的損傷評(píng)判進(jìn)一步提供參考。針對(duì)裂縫圖像識(shí)別中對(duì)受光線不均、污跡等復(fù)雜背景引起的噪音去除問題，針對(duì)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(cè)目標(biāo)綜合采用算法研發(fā)識(shí)別系統(tǒng)。為研推廣基于圖像計(jì)算機(jī)裂縫識(shí)別技術(shù)使用，降低檢測(cè)成本，提高檢測(cè)效率，真正實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離、非接觸、實(shí)時(shí)檢測(cè)，未來還需進(jìn)一步研發(fā)高效穩(wěn)健的算法。