一種激光快速無損檢測混凝土結(jié)構(gòu)裂縫的方法。

混凝土中沒有任何東西是真正固定的，尤其是混凝土結(jié)構(gòu)。當(dāng)橋梁、建筑物和隧道等由混凝土構(gòu)成的結(jié)構(gòu)長時間反復(fù)受力時，它們就會產(chǎn)生裂縫，可能會發(fā)展并導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失效。因此，需要定期檢查，以便在裂縫成為人們關(guān)注的焦點之前將其檢測出來。

芝浦理工學(xué)院(sit)的科學(xué)家們開發(fā)了一種新的非破壞性方法來研究混凝土結(jié)構(gòu)的裂縫。他們利用高功率激光聚焦在結(jié)構(gòu)表面附近產(chǎn)生的沖擊波，通過分析結(jié)構(gòu)中引起的振動來檢測缺陷。

通常，混凝土結(jié)構(gòu)的缺陷是通過聲學(xué)測試來檢測的，這種測試被稱為“錘擊法”，由有資格的建筑檢查員進(jìn)行。然而，這些測試需要時間來完成，與大多數(shù)基于技能的技術(shù)一樣，測試的有效性取決于檢查員的專業(yè)知識。此外，隨著老化的基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)量不斷增加，一種快速可靠的檢測方法對于確保結(jié)構(gòu)的安全運(yùn)行和長期使用至關(guān)重要。

另一種檢測方法是在混凝土結(jié)構(gòu)表面附近產(chǎn)生沖擊波。沖擊波在結(jié)構(gòu)上引起振動，可以通過分析來檢測缺陷。然而，在這種試驗中，必須產(chǎn)生不會破壞結(jié)構(gòu)的沖擊波。在這方面，激光誘導(dǎo)等離子體(LIP)激波激發(fā)顯示出很大的潛力。該技術(shù)已被用于檢測各種結(jié)構(gòu)的缺陷，從管道到水果表面。在這種方法中，激光產(chǎn)生的等離子體與空氣碰撞產(chǎn)生沖擊波。

基于納秒Nd:YAG脈沖激光系統(tǒng)的激光誘導(dǎo)等離子體(LIP)原理。當(dāng)激光束在空氣中照射時，當(dāng)LIP的激光注量在空氣中達(dá)到其閾值(1015 W/m2)時，LIP形成。LIP以超音速的圓周速度迅速膨脹，產(chǎn)生激波。當(dāng)沖擊波擊中目標(biāo)結(jié)構(gòu)時，在結(jié)構(gòu)上產(chǎn)生一種非破壞性的脈沖激勵力。

在一項新的研究中，日本芝浦理工學(xué)院和國家量子科學(xué)技術(shù)研究院的研究人員測試了這種方法檢測混凝土結(jié)構(gòu)裂縫的有效性。“我們使用LIP沖擊波作為非接觸、非破壞性的脈沖激勵。這使得混凝土結(jié)構(gòu)缺陷的遠(yuǎn)程和完全無損檢測成為可能，”芝浦理工學(xué)院工程科學(xué)和力學(xué)系教授Naoki Hosoya解釋說，他是這項研究的通信作者。他們的發(fā)現(xiàn)發(fā)表在《國際機(jī)械科學(xué)雜志》上。

為了評估這種新方法，研究人員將一塊人工制造缺陷的混凝土塊暴露在高功率脈沖激光產(chǎn)生的沖擊波中。然后對缺陷區(qū)域內(nèi)外混凝土表面的多點振動進(jìn)行分析。分析表明，缺陷處存在瑞利波。這些是表面波，它的移動速度比其他沖擊波快。研究人員通過探測這些瑞利波的反射點，成功地確定了缺陷區(qū)域。Hosoya教授解釋說:“通過瑞利波的傳播，可以探測到混凝土試樣中的缺陷，并確定近似邊界的位置?！?/p>

混凝土缺陷檢測系統(tǒng)采用非接觸、非破壞性激勵的LIP沖擊波。在實驗臺上，Nd:YAG脈沖激光器的激光束通過平凸透鏡聚焦到試件表面附近，產(chǎn)生LIP沖擊波。在這種情況下，使用單軸LDV。為了測量混凝土中的多個測量點，依次手動移動LDV。

通過可視化瑞利波，結(jié)構(gòu)中的缺陷可以比其他分析振動的遙測方法更快地檢測出來，使其成為一種有用的方法，對混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行無損檢測。“使用瑞利波檢測缺陷的優(yōu)點是，與測量自然模式相比，需要的測量點更少。此外，缺陷檢測所需的時間可以縮短。可視化瑞利波傳播具有實際探測混凝土結(jié)構(gòu)和缺陷的潛力?！?/p>

總之，利用LIP沖擊波來評估混凝土結(jié)構(gòu)的裂縫是一種安全、快速的方法，可以用于維護(hù)基礎(chǔ)設(shè)施和防止結(jié)構(gòu)失效。

(a) 2119 Hz (Movie 1), (b) 3663 Hz (Movie 2), (c) 3800 Hz (Movie 3), (d) 6219 Hz (Movie 4), (e) 7678 Hz (Movie 5), (f) 9503 Hz (Movie 6), (g) 108,47 Hz (Movie 7), and (h) 12,872 Hz (Movie 8)。這些是用LIP激波激勵缺陷中心得到的振動模態(tài)振型，以及用LDV測量混凝土試件各點的響應(yīng)。每個模式的動畫在Movies1-8的補(bǔ)充信息中顯示。振型振型的振幅以與最大值歸一化的比率表示。

來源：Defect detection of concrete in infrastructure based on Rayleigh wave propagation generated by laser-induced plasma shock waves，International Journal of Mechanical Sciences，10.1016/j.ijmecsci.2021.107039