1.2　国内外研究现状

1.2.1　水泥混凝土的组成与结构

水泥混凝土是一种由水泥、粗细集料、水和外掺物组成的复杂多相聚合体。[18]图1.1显示了典型混凝土的结构组成，包含水化水泥浆体、集料和界面过渡区。硬化水泥浆体是混凝土中骨料嵌固的基体，发挥将离散骨料胶结形成具有承载能力整体的作用，并且在一定条件下是外界物质侵入混凝土的通道，具有和外界环境交换物质的能力，因此水泥浆体也是混凝土最重要的组成部分。水泥浆体主要由水泥水化反应生成的结晶体、无定形产物和孔隙组成[19]，具有胶凝能力的主要固相物质是高度无定形和具有巨大内比表面积的水化硅酸钙（C-S-H）凝胶[20]，它的体积比例占整个硬化水泥浆体的70%左右。水泥浆体中其他水化产物包括氢氧化钙和钙钒石等。

图1.2所示为硬化水泥浆的典型微观结构和主要水化产物形貌。硬化水泥浆体中的水化产物可以归纳为以下几种主要物质。[18]

1.C-S-H凝胶

C-S-H凝胶由水泥颗粒水化而成，呈无定形态，具有典型多孔结构特征和巨大的内比表面积，其化学组成及变化主要受钙硅比及其他外掺离子的影响。[21]已有研究显示[22]，硅酸盐水泥水化生成的C-S-H凝胶其钙硅比值一般在1.4～2.0之间。矿物外掺料和水化龄期对C-S-H凝胶的结构和组成有十分重要的影响，并且C-S-H凝胶中的水分对环境温度和湿度十分敏感，容易产生干燥收缩。

国内外许多学者长期针对C-S-H凝胶的结构和性质进行了大量研究。Grudemo[23]开创了对其结构的认识，后期的Taylor、Grutzeck、Wieker和Viehland等人[24-28]又对其进一步深入地展开研究，并提出许多创新的研究手段，发展比较成熟的主要包括钼酸盐反应法[29]、三甲基硅烷化法[30，31]和核磁共振法等。当前比较普遍采用核磁共振的方法对C-S-H凝胶的结构进行研究。[32，33]C-S-H的凝胶结构一般可分为单相或两相。[34]Richardson等[35]通过对C-S-H凝胶进行测定，认为它是[SiO4]4-四面体的单相组成。Taylor[36]则认为C-S-H凝胶可划分为C-S-H（Ⅰ）型和C-S-H（Ⅱ）型两种组成相，其中C-S-H（Ⅰ）是类似于脱勃莫来石晶体结构，C-S-H（Ⅱ）则具有类似于羟基硅钙石的晶体结构。

2.钙矾石

钙钒石（AFt）属三方晶系，呈柱状结构[37]，其组成主要决定于水泥浆体中Ca2＋、、OH-和四种离子的浓度积。此外，液相中的离子浓度积也对AFt的生成速率与形貌产生影响。[38，39]

3.氢氧化钙

水泥浆体中的氢氧化钙[Ca（OH）2]呈六角棱柱结构，其形貌在不同的条件下具备不同的特点，既有扁平板状的大晶体，也有相同尺寸的细小晶体，还有大的、细长的、薄的晶体及介于其间的变种，取决于其生成环境和空间条件。

4.水

水是硬化水泥浆体的一个重要组成相，以包含大量离子的孔溶液形式存在，容易与环境中的水分发生交换。因此，硬化水泥浆体中的含水量会随着环境湿度的变化而变化。不同层次的结合水会对水泥混凝土材料的性能产生不同影响。根据存在状态的不同，硬化水泥浆体中的水可划分为化学结合水、层间水、吸附水和毛细孔水。

5.孔隙及孔隙率

孔结构是水泥混凝土材料微观结构的一个重要组成部分[40]，其宏观性质如强度、渗透、膨胀等与孔结构都有直接的关系。[41]水泥混凝土孔直径一般在10μm～5nm之间，分布较广。[42]根据孔径大小不同可将水泥混凝土的孔隙分为凝胶孔、毛细孔和大孔。[43]气液物理吸附法和压汞法[44]是常见的两种测定分析孔结构的方法。水泥混凝土孔隙结构的主要特征参数为孔隙率、孔径分布和孔隙连通性。其中，孔隙率是应用较多、较为容易测试的一项指标，与混凝土的强度、密实程度有直接联系。孔径分布受水泥组分、环境和约束影响显著，是评价水泥混凝土微观结构特征的一项重要指标，与孔隙连通性一起决定混凝土的抗渗透能力和内部传输特性。

1.2.2　水泥混凝土的热变形性质研究

热膨胀[45]指的是物质的长度或者体积随着温度升高而增大。一般人们常说的热胀冷缩，指的就是物体体积随温度升高而增大，随温度降低而减小。不同物质热膨胀性质不同，即使对同一物质而言，其热膨胀性能也会随着其内部晶体结构的不同而不同。[46]假设材料的初始长度为L0，初始温度为T0，当温度升高ΔT后材料的长度增加了ΔL，则在某一温度变化范围内材料的平均热膨胀系数可由式（1.1）计算得到[46]，即

式中：αt为材料的平均线胀系数，即温度升高1K时物体的相对伸长量。

则材料在温度T时的长度LT为

瞬时热膨胀系数指在某温度附近材料小范围温度变化对应的热膨胀系数。如果材料性质随温度变化显著，则应当考虑其瞬时热膨胀系数，其计算方法为

式中：αinst是材料的热膨胀-温度斜率，指的是瞬时状态下物体发生热变形的大小。

作为一种复合材料，混凝土的热膨胀系数取决于其组成相的性质及其含量，以及水泥浆体、集料、孔隙的组分比例和各自热变形性质。对各组分的弹性模量大体接近的复合材料来说，其热膨胀系数α0可由式（1.4）计算，即

式中：νi为材料中i组分的体积百分含量；αi为材料中i组分的线热膨胀系数。如果各组成材料的弹性模量相差很大，则其复合材料的热膨胀系数α0可表示为[47]

式中：Bi为材料中i组分的体积模量；νi为材料中i组分的体积百分含量；αi为材料中i组分的线热膨胀系数。当不同组分之间界面的切应力必须考虑时，混凝土材料线热膨胀系数可用式（1.6）来计算，即

式中：Bd为分散相材料的等温体积模量；Bm为基体材料的等温体积模量；Gm为基体材料的切变模量；αd为分散相材料的线热膨胀系数；αm为基体材料的线热膨胀系数；Vd为分散相材料的体积分数。

水泥浆体的固相组成及含量、水的多少和孔隙率大小是影响硬化水泥浆体热膨胀性能的主要因素。一般认为，水泥浆体中氢氧化钙的热膨胀系数最大，C-S-H凝胶最小，水泥浆体中的氢氧化钙含量越多，其热膨胀系数就越大。[48]通常情况下结构致密的物质其热膨胀系数会较大，而结构疏松多孔的物质其热膨胀系数会较小。所以硬化水泥浆体的热膨胀系数随着水泥浆体孔隙率的升高而降低。

水的线热膨胀系数为69×10-6/℃，体积热膨胀系数为210×10-6/℃。水泥浆体中的自由水和吸附水随着温度的升高而逐渐脱去，但内部的化学结合水无法排解，从而使水泥浆体产生了湿热膨胀。[49]因此，湿度也影响着水泥混凝土的热膨胀性能。[50]自由水进、出水泥浆体的运动分别会导致膨胀和收缩，而热膨胀系数中取决于湿度的部分并不包括这两种运动，这一部分需要在达到平衡后才能被确定。[50]干燥时的硬化水泥浆体毛细孔不能向胶体提供水分，也没有膨胀产生。湿饱和时的硬化水泥浆体则由于没有毛细孔弯液面，温度的变化对其没有影响。当水泥浆体处于这两种状态下时，其热膨胀系数都低于半饱和状态。所以只有在湿饱和或干燥情形下测定的热膨胀系数才是比较客观真实的。

水泥浆体的热膨胀主要有以下表现：

（1）水泥浆体C-S-H凝胶的受热膨胀。C-S-H凝胶由于自身的热膨胀系数较小，所以水泥浆体这一部分的膨胀值较小。

（2）水泥浆体中的凝胶孔中的水发生的受热膨胀。因为水的热膨胀系数要远远大于水泥浆体的热膨胀系数，所以当凝胶孔中的水受热而产生膨胀时，其体积迅速变大，从而引起凝胶体的迅速膨胀。

（3）毛细孔中水产生的湿胀压力。[4]

针对水泥混凝土材料的热膨胀性能，国内外学者展开了长期研究，研究对象主要侧重于水泥混凝土材料的热膨胀系数。Kraft[51]研究发现，硬化水泥浆体的线胀系数大致在（11～20）×10-6/℃之间，砂浆大致在（10.1～18.5）×10-6/℃之间，而混凝土大致在（7.4～13.1）×10-6/℃之间。Glisic等[52]在混凝土中预埋了特制的传感器来测定其体积变化。武汉理工大学的水中和等[53]对水泥基材料各组分间的热变形协调性及其对水泥混凝土结构和性能的影响展开了系统的研究。Meyers等[54]指出，在-10～100℃范围内，水泥浆体的热膨胀系数会发生变化，水泥浆体的含水量、水灰比和龄期均对其有影响，他们测得的28d水泥浆的瞬时热膨胀系数在（15～20）×10-6/℃之间。

当前对水泥混凝土材料热变形的测试方法有很多，代表方法包含清华大学建材研究所研发的温度-应力实验机[55]，可以用来测定水泥混凝土材料热膨胀性能。哈尔滨工业大学的马新伟、钮长仁用静水力学称重法[5]测量了早期混凝土的热膨胀系数。静水力学称重法的原理是通过测量试件在水中的浮力变化大小来计算其体积变化大小。[57]东南大学的丁士卫、钱春香等[58，59]用直接测长法测定了硬化水泥浆体的热膨胀系数，该方法可以通过电加热控制温度直接测试不同温度下试件的长度变形大小，通过热膨胀系数的计算公式直接得出实验结果。中国建材研究院的李清海[60]则专门针对水泥混凝土材料在高温区域的热膨胀性能进行了研究。

当前，人们发现水泥混凝土在受热状态下产生裂缝的一个直接原因就是材料变形大小的不同。实际工程中对水泥混凝土材料进行设计时必须考虑到混凝土的热稳定性，因此对材料的热膨胀系数设计就需要更精确。对水泥混凝土各组成相间的热变形性能及其机理的研究，可以为研究水泥混凝土的耐久性提供一个十分必要的理论补充。

1.2.3　水泥混凝土的热敏感性研究

水泥混凝土是由水泥、粗细集料、水和外掺物等共同组成的一个复杂多相聚合体。通常在研究混凝土的宏观力学性能时可以将其看作一个完整体系，然而实际上混凝土各组成相之间存在着较大的差异。从更深层次看，硬化水泥浆体的显微结构由水泥C-S-H凝胶、氢氧化钙晶体、未水化的水泥、孔隙等组成。当温度发生改变时，其中的各种物相也会随之发生改变而表现出一定的差异性。

当环境温度在0～60℃时，集料的热膨胀系数为（0.9～16.0）×10-6/℃，比如常用的石灰岩集料的常温线胀系数为（3.0～6.0）×10-6/℃。有些矿物虽然化学组成相同，但其本身的热膨胀系数有很大差别[61]，比如方解石和石英。表1.1为一些常用集料及其对应的混凝土的热膨胀性能。[62]

硬化水泥浆作为另一个重要的组成相，其热膨胀性能对环境的变化很敏感。已有研究表明，硬化水泥浆是一个复杂多相体系，其对温度的变化十分敏感，含水量、水灰比和龄期都会对其热变形产生较大的影响。[63]Meyers和Zolders等人[64，65]研究了硬化水泥浆的热膨胀性能，指出在环境温度下水泥浆体28d的线热膨胀系数为（15～25）×10-6/℃。未水化水泥的常温热膨胀系数为（3.0～4.0）×10-6/℃，水的热膨胀系数约为210×10-6/℃。硬化水泥浆在干燥或饱水时的线热膨胀系数分别大约为10×10-6/℃或20×10-6/℃，因此含水率的多少会使得环境温度下热膨胀系数出现明显差别。在显微层面下，硬化水泥浆体的各物相间的热膨胀大小也不相同，如C-S-H凝胶、氢氧化钙晶体以及未水化的水泥颗粒。Schulson[66]通过中子衍射实验，发现氢氧化钙晶体在a轴和c轴方向上结构不同导致其热变形也具有显著向异性，在水泥浆体中将产生不同的热应力。

水泥浆体作为混凝土中的基体材料，其热膨胀性质变异性较大，影响因素多，是水泥混凝土中热变形性质最为复杂的组分，也是有望通过调控减小其热敏感性的组分，因此研究其热性质对于理解水泥混凝土的热变形特征具有十分重要的意义。图1.3所示为硬化水泥浆体的热应变大小随温度的变化趋势[67]，可以看出，室温环境下，随着环境温度升高硬化水泥浆由于内部固相和孔溶液的膨胀而主要表现为膨胀的趋势；而在高温范围内，由于水分的迅速脱去和水化产物的相变，水泥浆体热变形随温度升高表现为热收缩。

因此，水泥混凝土各组成相的热膨胀性能无论从宏观还是微观层面上看都存在着较大差异。当温度发生改变时，其彼此物相间会产生热变形的不一致，从而对混凝土结构内部的热稳定性构成影响。

1.2.4　水泥混凝土的热不相容性研究

温度的变化对水泥混凝土材料结构和性能最显著的影响是混凝土的体积会随温度的变化而变化，此过程的反复进行可能会引起组成相界面区域的热疲劳损伤。因此，在温度变化幅度较大的环境条件下混凝土各组成相间的温度协调性也是一个必须考虑的问题。

我国内蒙古、新疆等一些地区温度变化幅度大，且常年处于干燥环境状态（相对湿度最低为0，新疆）。这些地区[17]不仅日温差高（最高35.8℃，1962年新疆）、年温差变化幅度大（最高98.4℃，1986年新疆），而且结构的温度也较高（最高82.3℃，1974年新疆）。这些地方混凝土开裂比较频繁的原因就在于环境温度对混凝土的影响非常大。[68-71]图1.4所示为我国内蒙古地区某桥梁墩身由于热疲劳引起的表面水泥浆体剥落的情况。

通常人们往往忽略环境温度下的温差对混凝土性能的影响。然而，当温度超过某一临界值或是温度的反复剧烈波动多次，混凝土的结构就非常容易出现损伤。这种结构损伤往往出现在水泥浆体和集料之间的界面过渡区，是两者热相互作用的结果。

一些研究者对界面过渡区展开了深入的研究[72-75]，指出其结构和硬化水泥浆体有较大的区别，并认为它是混凝土中组成最薄弱的区域。另外，界面过渡区的一些主要特征包括过渡区的厚度很小，仅为50μm左右；过渡区的强度和密度均小于硬化水泥浆基体；集料表面周围的Ca（OH）2六方晶体较大。[76，77]

当温度产生变化时，混凝土中硬化水泥浆体和集料由于其热膨胀特性的差异而在界面处产生相对运动和错位的趋势，而这个趋势的大小则主要由温度变化的大小和两者的热膨胀性能的差异所决定。温度变化可以造成混凝土内部由于温度梯度而产生热应力，以及各相间由于热作用变形而产生挤压应力。目前许多学者已经认识到这个机理适用于高温环境下的混凝土，但在变化范围较小的环境温度范围内（小于100℃），反复的热疲劳循环也能对混凝土产生损伤。研究表明，当气温达到32℃时，混凝土试块的温度可达63℃；当气温达到40～47℃时，混凝土试块的表面温度可高达80～90℃。混凝土试块经过365d环境温度下的热疲劳循环后，前60d其抗压强度下降约12%，到120d时下降了约17%，而后变化不大。但是当混凝土表面的最高温度达到90℃时，其120d后的抗压强度降低了超过24%[78]，如图1.5所示。

Kanellopoulos等人[79]的研究表明，热循环处理对水泥混凝土断裂能量有十分显著的影响，30次25～90℃热循环处理后，混凝土的断裂能量略有增加，而90次热循环后，其断裂能量降低大约10%。由此，多次热循环后混凝土的性能显著下降。

1.2.5　混凝土结构物内部缺陷与湿度的无损检测方法

早在20世纪30年代，人们就开始研究混凝土的无损检测技术。1948年，瑞士科学家施密特（E.Schmidt）研制成回弹仪；1949年，莱斯利（Leslie）等人用超声脉冲成功检测混凝土；20世纪60年代，费格瓦洛（I.Facaoaru）提出用声速、回弹综合法估算混凝土强度；20世纪80年代中期，美国的玛丽·圣萨洛内（Mary Sansalone）等用机械波反射法进行混凝土无损检测；自20世纪90年代以来，随着科学技术的快速发展，涌现出一批新的测试方法，如微波吸收、雷达扫描、红外线谱、脉冲回波等方法。我国从20世纪50年代开始引进瑞士、英国、波兰等国的超声波仪器和回弹仪，并结合工程应用开展了一定的研究工作；20世纪60年代初，我国研制成功多种型号的超声波仪器，随后广泛进行了混凝土无损检测技术的研究和应用；20世纪80年代，混凝土无损检测技术在我国得到快速发展，并取得了一定的研究成果，除了超声、回弹等无损检测方法外，还进行了钻芯法、后装拔出法的研究；20世纪90年代以来，雷达技术、红外成像技术、冲击回波技术等进入实用阶段，同时超声波检测仪器也由模拟式发展为数字式，可将测试数据传入计算机进行各种数据处理，以进一步提高检测的可靠性。

随着科学技术的发展，无损检测技术也突破了原有的范畴，不仅涌现出一批新的测试方法，并且测试内容由强度推定、内部缺陷探测等扩展到更广泛的范畴，其功能由事后质量检测发展到了事前的质量反馈控制。混凝土无损检测技术的发展虽然时快时慢，但由于工程建设的实际需要，它始终具有较强的生命力。可以预料，随着科学技术的发展和工程建设规模的不断扩大，无损检测技术的发展前景是广阔的。

1.探地雷达法

探地雷达法是一种利用电磁波技术对地下的或物体内不可见的目标或界面进行定位的无损检测方法。通过发射的高频电磁波在介质中传播时，其路径、电磁场强度与波形将随所通过介质的电磁特性和几何形态而变化，对接收信号进行分析处理，可判断地下的结构或埋藏物等。探地雷达具有携带方便、操作简单、成像直观等诸多特点。

探地雷达的概念早在1910年就被提出，但一般认为第一个提出应用脉冲技术确定地下结构思路的人是德国的胡尔森贝奇（Hulsenbech），他于1926年指出，电磁波在介电常数不同的介质交界面上会产生反射，这个结论也成了探地雷达研究领域的一条基本理论根据。探地雷达的初期应用仅限于对电磁波吸收很弱的冰层、岩盐等介质中。例如，1951年斯蒂森（Steenson）用雷达探测冰川的厚度；1970年哈迪森（Hatison）在南极冰层上取得了800～1200m穿透深度的资料等。近几年，人们开始致力于研究用GPR探测混凝土内部的病害和缺陷，如面层中沥青的剥落、混凝土板下的空洞和钢筋的定位等。

在土木工程方面，国外GPR技术最早应用是在1974年。国外有许多专家对探地雷达进行了深入的研究工作。例如，斯巴泰（Sbartai）系统地研究了探地雷达从基本原理到使用方法再到实际应用的全过程，并总结出了探地雷达中直达波（Direct Wave）的诸多优点。S.劳伦斯（S.Laurens）等通过雷达实验建模，对混凝土电阻率和介电常数进行了测量，间接地表征了混凝土中水分的含量。约翰内斯·胡根施密特（Johannes Hugenschmidt）和罗曼·卢瑟（Roman Loser）研究了湿度和含氯量对雷达信号振幅的影响。

我国起步较晚，中国地质大学在1990年引进了GPR技术，最早在中国开始了探地雷达的应用和研究。有研究人员对探地雷达在隧道和涵洞检测工程中的应用进行了研究，并对良好部位和含缺陷部位的雷达图进行了对比，最后给出了探地雷达检测技术在实际工程中应用的一些经验。

2.超声波法

超声波仪是一种通过发射和接收超声波来对结构物进行检测的仪器。超声波是指振动频率大于20k Hz以上的声波，通常以纵波的方式在弹性介质内部传播，是一种能量的传播形式，其特点是超声频率高、波长短，在一定距离内沿直线传播具有良好的束射性和方向性。

超声波法（即超声脉冲法）在国内外广泛用于检测混凝土的质量，它不受构件几何尺寸的影响，测试迅速，数据可信，有其独特的优点。采用超声脉冲波检测混凝土结构缺陷的基本原理是，利用脉冲波在技术条件相同（指混凝土的原材料、配合比、龄期和测试距离一致）的混凝土中传播的时间（或速度）、接收波的振幅和频率等声学参数的相对变化，来判定混凝土的缺陷。

混凝土超声波检测技术已应用到建筑、水电、交通、铁道等各类工程中。检测的应用范围和应用深度也不断扩大，从地面上部结构的检测发展到地下结构的检测，从一般小构件的检测发展到大体积混凝土的检测，从单一测强发展到测强、测裂缝、测缺陷、测破坏层厚度以及弹性参数的全面检测。

3.冲击回波法

为了解决超声脉冲回波法中高频应力波被各向异性材料吸收的问题，20世纪80年代中期美国国家标准局（U.S.National Bureau of Standards，NBS）发明了冲击回波法，它是一种对混凝土及砖石结构进行无损评估的声学方法。该方法已经得到广泛的开发和应用，对金属、塑料和其他均质材料来说，已成为一种全面、可靠的无损检测方法。

冲击回波法的原理可以概括为：利用一个短时的机械冲击产生低频的应力波，应力波传播到结构内部，被缺陷和构建地面反射回来，这些反射波被安装在冲击点附近的传感器接收，并被送到一个内置高速数据采集及信号处理的便携式仪器，将所激励的信号进行时域或频域分析即可得出混凝土的厚度或缺陷的深度。

4.红外检测法

红外热像无损检测技术是国内外最新发展起来的检测材料缺陷和应力的技术，受到广泛的关注。红外检测技术最初是出于军事目的研究和发展起来的，后来被广泛应用于电力和铁道行业中进行对设备热状态的检查和故障诊断，现在逐渐扩展到航空航天领域内对复合材料内部缺陷的检测以及对涂层的定量测量阶段，另外红外热像技术在其他方面应用也十分广泛，如建筑节能评测、森林防火、农作物优种、地震预报研究、固体力学、遥感地质勘探、医学热像诊断等。任何物体只要其温度高于绝对零度，都会从表面发出与温度有关的热辐射能。

红外检测法的基本原理是利用被检物体的不连续性缺陷对热传导性能的影响，进而反映在物体表面温度的差别上，即物体表面的局部区域产生温度梯度，导致物体表面红外辐射能力发生差异，检测出这种差异就可以推断物体内部是否存在缺陷。

5.微波测湿法

微波测湿法是采用微波对介质进行湿度的测试。微波是一种电磁波，其波长在1cm～1m之间，频率在300MHz～300GHz之间。在微波波段，介质对电场的损耗主要为偶极子的取向极化损耗。水分子是一种极性很强的偶极子，在外场作用下，水的极化程度远大于其他物质。由于微波对介质的介电常数敏感，而介电常数又和其含水率有关，因此可以采用这种方法。通过测量含水物质在微波场中的介电系数，便能间接测得物质中含水量的多少，但是现实中微波测湿往往不能直接测量出介电常数，而是测量微波通过物体时的衰减常数、相移常数、谐振腔的谐振频率等来间接地测量湿度。微波测湿具有快速、连续、无损伤、实时、灵敏度高以及对被测物料形状不破损等优点。

国际上从事微波测湿研究的国家有美国、俄罗斯、波兰、德国、英国、加拿大、法国、匈牙利等国家。其应用领域有农产品、建材、土壤、食品、造纸、化肥、石油、纺织、煤炭、选矿等。尽管微波测湿技术发展较早，但大多数国家只是从事其应用方面的研究，而忽略了微波与含水物质相互作用的微观机理方面的研究，致使目前仍然没有一套完备的理论来描述微波与含水物质的相互作用。德国HF Sensor GMBH公司研制成功了MOIST-200手持式微波湿度测试仪，它最大测试深度为300mm，仪器轻便，可测试混凝土、砖、EIFS、沥青、木材和其他建筑材料。

6.电测法

由于结构物内部湿度的变化，其电学性质如电阻率、电容、电导率等也会跟着发生变化，通过测量这些电学参数，经过分析即可判断。

产自爱尔兰的Tramex渗漏检测仪以及美国生产的Leak-Seeker渗漏巡检仪都是采用电测原理的仪器，它们适用于复合防水层和单层防水层，但不适合某些含有炭黑的橡胶型防水材料，如EPDM和丁基等防水片材。该类仪器采用电池供电，能产生两种低频电子信号，在仪器的下部装有橡胶电极底板，固定平行电极，这些信号就通过平行电极发射出去，只要按照一定的方式把仪器放在屋面的表层上，就能够快速查明某个区域范围内是否有水分。

7.传感器检测法

该方法是在铺设防水层时，就将传感器预埋在防水材料的下面，并与恒流装置和数据控制箱组成系统。正常情况下，防水层为绝缘体，则仪器中无电流通过，一旦防水层出现损坏，湿度变化破坏了其绝缘性，则仪器的电极中有电流通过，传感器发出信号，从而及时了解湿度变化情况。预埋的传感器呈网状排布，因此对于防水层的损伤比较灵敏。

近年来，随着科技的不断发展，新的探测技术不断出现，如瑞雷面波法、高密度电法、温度监测技术、同位素示踪技术和CT技术等。这些技术均是针对地下介质的探测，并且随着电子技术的发展，在软件和硬件方面也越来越完善，它们的出现为缺陷和湿度的快速、准确探测带来了希望。

1.2.6　基于红外热像法的水泥混凝土检测技术研究

红外热成像技术是近年来发展十分迅速的一种结构无损检测和监测技术。它利用自然界中一切物体都可以辐射红外线的原理，使用探测仪测定目标和背景之间的红外线差异并得到红外图像，即物体表面温度分布图像，利用热传导在物体内部的差异，进而判断物体内部是否存在缺陷。红外热成像技术在许多领域都得到了广泛的应用。该方法具有快速、大面积扫测、直观的优点。[80，81]特别是在建筑行业，利用红外技术进行混凝土材料及结构的无损检测，是红外热成像技术应用的一个重要领域，如进行桥梁的缺陷检测[82]、混凝土结构的无损检测[83，84]以及建筑结构的渗水检测[85]等。

当前，国内外许多学者做了大量研究工作，将红外热像技术运用于混凝土内部的缺陷检测。中国台湾的Cheng等[86]用红外热像和弹性波的联合检测技术对混凝土结构物中的缺陷进行了检测，两种联合的无损检测方法可以有效地检测出缺陷的位置及深度。法国的V.胡思（V.Huon）等[87]用红外热像法和数字图像相关法分析了砂浆、混凝土和高性能混凝土试样在准静态荷载下的力学行为。红外热成像清楚地显示了混凝土试件由冻结-解冻损伤而成的微裂纹状态下的热弹性耦合以及热耗散。法国的隆（Luong）[88，89]利用热成像技术研究了混凝土在疲劳和破坏过程中的热红外辐射特征，利用力-热耦合效应分析了混凝土在疲劳、损伤、破裂和破坏等过程中伴随的热现象，监测损伤和破坏过程中微裂纹出现、发育和增长过程，判断内部损伤的出现位置，进行疲劳强度评价等。此外，日本的稻垣照美（Terumi Inagaki）[90]、法国的戈利亚（Gorria）[91]、英国的达拓马（Dattoma）[92]等，对材料或构件中缺陷的红外热像无损检测都进行了大量研究。

在国内，杜耀峰等[93]对遭受高温作用并冷却后的混凝土试块进行红外线灯照射，利用红外热像仪检测了高温损伤试块的热像数据，得到了混凝土试块红外热像平均温升随时间的变化曲线，建立了混凝土试块红外热像平均温升与过火温度及强度损失的回归方程。谢春霞等[94]从红外热传导方程出发，导出了混凝土缺陷深度的定量计算公式，并采用红外热像检测技术以及有限元分析的方法，在ANSYS中进行热模拟分析，得到了计算缺陷深度的理论公式。赵鸿[95]针对混凝土内部空鼓缺陷的检测进行了持续加热红外无损检测试验，利用大型三维有限元分析软件ANSYS对混凝土缺陷红外热像检测试验的过程进行了模拟计算，定量研究混凝土红外热像检测中对比度与缺陷参数的关系，以及缺陷边界在红外热像图中的表现特征。杨锐玲等[96]根据有缺陷混凝土试件温度场差异，通过摄影采集混凝土结构洒水后温度和不同时刻含水量变化等参数的图像，并经图像处理对传统目视检查难以观察到的裂纹进行初步识别。陈珏[97]介绍了一维导热方程、边界条件及初始条件，推出了有缺陷区和无缺陷区样品的表面温度，并用红外热像仪进行了实验测量。

由于混凝土的热导率较小、传导性能差，当遭受内外环境温度变化等作用时，混凝结构体系往往存在很大的温度梯度，形成了非线性温度场。因温度应力而引起的裂缝是造成混凝土结构病害和破坏的重要原因之一。现在许多大型工程的混凝土都必须在早期通过在结构中预埋温度传感器来监控内部温度，以防由于混凝土内部水化放热过快造成结构的开裂。混凝土的温度场模拟是另一种有效的监测手段，通过测定特定的混凝土表面及内部边界条件的温度状况，达到模拟混凝土整体温度场的目的，从而可以有效地分析出混凝土结构中的缺陷部位。

国外的凯尔贝克（Kehlbeck）[98]在他的著作中阐述了桥梁结构的温度效应问题，建立了桥梁结构温度场分析的基本方法。普莱斯利（Priestley）等[99]研究了高速公路箱梁桥的温度分布问题。此外，瑟斯顿（Thurston）[100]、艾尔巴德利（Elbadry）[101，102]、迪尔格（Dilger）等[103]分别研究了不同混凝土桥截面的温度分布。在国内，王昌洪和施香娇[104]采用ANSYS有限元软件模拟混凝土的浇筑过程，同时考虑混凝土在不同的大气温度下浇筑、在不同的龄期遭遇寒潮以及采取一定的降温措施后，混凝土的浇筑温度不同等对其温度场和应力场的影响。舒开鸥[105]采用有限元分析软件ANSYS对大型桥墩的温度场及温度应力进行数值仿真，进而详细分析环境气温对桥墩温度场及温度应力的影响，探求了在温度突变情况下桥墩的开裂机理。何福渤和路新瀛[106]假定材料参数波动服从有限区间正态分布，对有限元划分的网格中的各单元单独赋予材料属性，计算混凝土的温度应力分布，以考察混凝土不均匀性的影响。计算结果表明，温度应力方差随材料参数波动的增大而增大，不同材料参数的波动影响大小不同，影响最大者为热膨胀系数。