太赫兹无损成像技术在水泥基材料的结构的裂缝和裂纹中应用

2021-01-07申益铭

黑龙江交通科技 2021年8期

申益铭

(黑龙江省泰斯特森工程检测有限公司，黑龙江哈尔滨 150028)

0 引言

水泥基材料广泛用于民用，水电，公路和公路建设。桥梁工程。对于所有水泥基复合材料，最常用的是砂浆和混凝土由于它们具有高压缩特性，分别用作基质材料和建筑材料强度。但是，由于它们的材料特性，例如低拉伸强度，较差的韧性和抗冲击性，在制造或应用过程中很难避免损坏。通常，损坏的形式是局部裂纹和影响耐用性的微裂缝。传统水泥基结构的承载能力，最初在表面出现裂纹的扩散并在内部扩展，从而导致进一步退化。为了更好地控制裂纹和为确保结构安全，有必要探究水泥基材料的破坏行为。以前的研究已经通过使用多种检测方法解决了这个问题。冲击回波法广泛用于识别单侧混凝土结构中的裂缝。不幸的是从本质上讲，它导致了在复杂条件下难以控制的精度，并且受限于样品。虽然超声波检测方法检查效率很高，它们具有由于嘈杂的气氛产生的读取错误，因此适用性有限。红外热成像进行表面检测，检测较小的空隙效率较低。X射线显微照相法具有很高的穿透能力，但由于具有辐射性对人体组织有害。激光检测技术用于检测混凝土裂缝结构很长一段时间。但是，激光扫描技术更侧重于检测裂缝宽度超过1 cm。鉴于这些问题，高度优选无损且危害较小的方法。过度在过去的几年中，太赫兹脉冲成像(TPI)技术已经被提出作为一种新的技术。用于材料表征的工具。太赫兹波是在远红外区域的电磁频谱，与微波相比，太赫兹波的分辨率要好得多。因此，太赫兹技术被用于分析和理解材料和结构。作为有效而无害的无损检测，太赫兹技术广泛用于各种复合材料的检测。

本文的研究中，主要使用太赫兹时域成像技术检测裂纹和裂纹。制备了两种类型的样品，一种是常规砂浆，作为对照组。另一个是在试验中将超高分子聚乙烯(UHMWPE)纤维混凝土作为纤维增强材料的水泥复合材料样品。采用了扩展加载设备，以方便裂纹形成过程的控制。整个加载过程由THz-TPI系统监控，可以提供高清晰度图片。

1 THZ成像原理

太赫兹辐射穿透许多固体材料的能力使涂层的结构特征得以实现深度探查固体样品。另外，太赫兹辐射是一种非电离辐射。在鉴于此，TPI是一种非常适合无损检测的安全技术。核心模块在TPI系统中使用的是时域光谱(TDS)系统。的一代太赫兹脉冲辐射基于光电导开关。太赫兹光电导发射器依靠使用超快(飞秒)激光激发偏磁产生几个周期的太赫兹脉冲GaAs天线。太赫兹辐射的相干检测是在类似的光电导中进行的天线电路。通过与飞秒同步的飞秒脉冲选通光电导间隙太赫兹发射，可以测量与太赫兹电场成比例的电流。通过改变光学到接收器的路径长度，可以对THz时域信号进行采样。因此，两个振幅可以得到入射太赫兹波的相位。

太赫兹波形记录了光时延迟的函数，TPI检测过程中，在研究区域采集多点数据从而画出样品的表面图。通过逐点测量TPI成像的整个样品是耗时的，可以使用提取频率相关的成像。

2 实验

2.1 样品的制备

为了研究不同水泥基材料的裂纹及其裂纹扩展，制备了由不同配合比制成的两种样品。通过混合浇筑一个(样品M)普通硅酸盐水泥、河沙和水，另一种(样品U)是通过混合浇筑的含UHMWPE，河砂和水的普通波特兰水泥，水灰比(w/c)为0.5浇筑的样品。河沙的细度模量(FM)为2.72。混合物比例见表一。最后将所有样品浇铸到厚度为8 mm，内径为10 mm，外径为100 mm。铸造后，将样品水固化28 d以达到充分的强度，此后在实验室环境中养护，即22C，相对60±20%湿度。

2.2 裂纹形成的控制

用于控制样品开裂形成的加载方法是样品的重要组成部分。在THz扫描系统中部署的扩展加载设备和加载系统是如图所示。样品通过插入膨胀螺栓进行拉伸断裂(M8，304不锈钢)作为膨胀芯插入样品集线器。裂缝开展的核心，包括内部是一个圆锥形圆柱体，底部有四个螺栓的套筒上覆盖着铝箔，以减少样品和螺栓之间的摩擦。高强度钢螺栓和螺母是用于将圆锥形圆柱体顶在螺栓上。通过旋转顶部的螺母，直径芯的应力逐渐增加以增加内部压力并最终在样品内部引起变形。样品表面在应力作用下略有损坏，尤其是核心区域。裂纹是由于膨胀应力的增加而形成的。最终，样品中裂纹的产生和扩展可能被检测到。

2.3 太赫兹成像过程

在前文所述的样品的整个加载过程中均进行了THz成像。所有TPI实验是使用TeraView tPS 3000THz光谱仪进行的。仪器产生的THz脉冲辐射范围很广60 GHz至3 THz(2～100 cm-1)。所有的光学组件都安装在定制的铸件中，使仪器具有机械稳定性，几乎不需要每天进行调整。太赫兹以每秒30的速率采集脉冲。对于二维扫描成像，使用不锈钢将样品安装在平台上。提供钢棒和夹具。运动阶段由主控制柜控制，它为平台提供电源和控制，并与控制PC通信。由于扫描速度固定为每个像素约0.5 s，因此整个成像时间取决于成像像素的数量，而成像像素的数量取决于扫描区域和空间分辨率。

3 结果和讨论

3.1 表面的反射波成像

太赫兹波的反射率取决于局部材料的介电常数。蓝色区域表示弱反射，红色区域表示强反射。裂缝和损坏区域会减弱反射。结果，这些区域的颜色比其表面的颜色要深域。太赫兹成像揭示了样品的一些细节：周围的深蓝色区域中心代表原始裂缝；随机分布的深蓝色区域表示不光滑的表面。中心的红色区域是螺栓的高反射金属表面。因此，可以得出结论，可以从太赫兹成像技术可以清晰地读取表面信息成像。