民用基礎(chǔ)設(shè)施的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測，是確保建筑可用性和完整性的重要措施。土木基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)使用的主要材料是混凝土，這種材料容易因熱脹冷縮、蠕變、過載等各種原因而出現(xiàn)裂縫。
裂縫會降低混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性，因為這會使有害的環(huán)境因素滲透混凝土表面，進而導(dǎo)致鋼筋腐蝕以及混凝土本身的破壞性分層。傳統(tǒng)的裂紋檢測技術(shù)由于規(guī)劃、可及性以及需要靠近檢測表面等問題而應(yīng)用受限。非接觸式光學(xué)圖像監(jiān)測技術(shù)為克服這些限制提供了新方案，有望實現(xiàn)遠(yuǎn)距離裂縫檢測。
據(jù)文獻報道，混凝土在紅光激發(fā)下會產(chǎn)生波長為1140 nm的近紅外（Near-IR）熒光。
據(jù)麥姆斯咨詢介紹，美國紐約大學(xué)（New York University）的研究人員利用近紅外熒光成像開發(fā)了一種探測混凝土裂縫的新方法。該研究成果已經(jīng)以“Detection of cracks in concrete using near-IR fluorescence imaging”為題發(fā)表于Scientific Reports期刊。在這項研究中，研究人員利用已知的1140 nm混凝土熒光線展示了一種利用近紅外熒光成像的裂縫檢測方法。利用波長λ為550 nm至700 nm的紅色LED光照射未涂漆的混凝土表面而激發(fā)熒光線。
紅光采用淺角度入射，以確保裂縫的內(nèi)表面不會接收到激發(fā)光。由此，圖像會顯示混凝土表面熒光圖像，裂縫由于沒有熒光照射而呈現(xiàn)暗色。兩側(cè)的大范圍照明可以最大限度地減少由于表面不規(guī)則而產(chǎn)生的陰影區(qū)域。否則，不規(guī)則表面所產(chǎn)生的陰影可能會呈現(xiàn)同樣的深色特征紋理，使裂縫檢測復(fù)雜化。
利用淺角度激發(fā)混凝土熒光進行裂縫檢測的示意圖
在實驗室照明環(huán)境下，利用紅色LED光（λpeak?=?632 nm）激發(fā)，捕捉混凝土1140 nm熒光圖像。激發(fā)光以淺角度（θi在10°到40°之間）照射混凝土樣品。
通過短波紅外（SWIR）相機拍攝的混凝土樣品，其上有人工造成的寬度為0.2 mm至1.5 mm的裂縫，相機位于樣品上方0.5 m處。
在裂縫寬度低于相機0.1 mm分辨率的情況下，捕捉到的寬0.08 mm裂縫的圖像。
研究人員在實驗中，利用短波紅外相機捕捉了寬度分別為0.2 mm、0.5 mm、0.7 mm、1.2 mm和1.5 mm的人工裂縫的圖像，證明了該方案有能力檢測接近混凝土結(jié)構(gòu)損傷閾值的裂縫。此外，第二個混凝土樣品寬度為0.08 mm的裂縫也被成功捕捉，證明了該方案有潛力識別可能造成混凝土結(jié)構(gòu)損壞的潛在裂紋。
在本研究中，能夠檢測到的裂紋尺寸，以及相機和樣品之間距離的限制，主要受限于短波紅外相機的分辨率相對較低。采用更高分辨率的短波紅外相機應(yīng)該能夠在更遠(yuǎn)的距離（米量級）檢測裂縫，進而有望利用移動的非接觸式相機檢測橋梁、墻壁、天花板和其他難以觸及表面的裂縫。所提出的方案還可以結(jié)合無人機，用于未來的橋梁或道路裂縫檢測。
