一種激光快速無損檢測混凝土結構裂縫的方法。

混凝土中沒有任何東(dong) 西是真正固定的，尤其是混凝土結構。當橋梁、建築物和隧道等由混凝土構成的結構長時間反複受力時，它們(men) 就會(hui) 產(chan) 生裂縫，可能會(hui) 發展並導致結構失效。因此，需要定期檢查，以便在裂縫成為(wei) 人們(men) 關(guan) 注的焦點之前將其檢測出來。

芝浦理工學院(sit)的科學家們(men) 開發了一種新的非破壞性方法來研究混凝土結構的裂縫。他們(men) 利用高功率激光聚焦在結構表麵附近產(chan) 生的衝(chong) 擊波，通過分析結構中引起的振動來檢測缺陷。

通常，混凝土結構的缺陷是通過聲學測試來檢測的，這種測試被稱為(wei) “錘擊法”，由有資格的建築檢查員進行。然而，這些測試需要時間來完成，與(yu) 大多數基於(yu) 技能的技術一樣，測試的有效性取決(jue) 於(yu) 檢查員的專(zhuan) 業(ye) 知識。此外，隨著老化的基礎設施數量不斷增加，一種快速可靠的檢測方法對於(yu) 確保結構的安全運行和長期使用至關(guan) 重要。

另一種檢測方法是在混凝土結構表麵附近產(chan) 生衝(chong) 擊波。衝(chong) 擊波在結構上引起振動，可以通過分析來檢測缺陷。然而，在這種試驗中，必須產(chan) 生不會(hui) 破壞結構的衝(chong) 擊波。在這方麵，激光誘導等離子體(ti) (LIP)激波激發顯示出很大的潛力。該技術已被用於(yu) 檢測各種結構的缺陷，從(cong) 管道到水果表麵。在這種方法中，激光產(chan) 生的等離子體(ti) 與(yu) 空氣碰撞產(chan) 生衝(chong) 擊波。

基於(yu) 納秒Nd:YAG脈衝(chong) 激光係統的激光誘導等離子體(ti) (LIP)原理。當激光束在空氣中照射時，當LIP的激光注量在空氣中達到其閾值(1015 W/m2)時，LIP形成。LIP以超音速的圓周速度迅速膨脹，產(chan) 生激波。當衝(chong) 擊波擊中目標結構時，在結構上產(chan) 生一種非破壞性的脈衝(chong) 激勵力。

在一項新的研究中，日本芝浦理工學院和國家量子科學技術研究院的研究人員測試了這種方法檢測混凝土結構裂縫的有效性。“我們(men) 使用LIP衝(chong) 擊波作為(wei) 非接觸、非破壞性的脈衝(chong) 激勵。這使得混凝土結構缺陷的遠程和完全無損檢測成為(wei) 可能，”芝浦理工學院工程科學和力學係教授Naoki Hosoya解釋說，他是這項研究的通信作者。他們(men) 的發現發表在《國際機械科學雜誌》上。

為(wei) 了評估這種新方法，研究人員將一塊人工製造缺陷的混凝土塊暴露在高功率脈衝(chong) 激光產(chan) 生的衝(chong) 擊波中。然後對缺陷區域內(nei) 外混凝土表麵的多點振動進行分析。分析表明，缺陷處存在瑞利波。這些是表麵波，它的移動速度比其他衝(chong) 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域。Hosoya教授解釋說:“通過瑞利波的傳(chuan) 播，可以探測到混凝土試樣中的缺陷，並確定近似邊界的位置。”

混凝土缺陷檢測係統采用非接觸、非破壞性激勵的LIP衝(chong) 擊波。在實驗台上，Nd:YAG脈衝(chong) 激光器的激光束通過平凸透鏡聚焦到試件表麵附近，產(chan) 生LIP衝(chong) 擊波。在這種情況下，使用單軸LDV。為(wei) 了測量混凝土中的多個(ge) 測量點，依次手動移動LDV。

通過可視化瑞利波，結構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(wei) 一種有用的方法，對混凝土結構進行無損檢測。“使用瑞利波檢測缺陷的優(you) 點是，與(yu) 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(chuan) 播具有實際探測混凝土結構和缺陷的潛力。”

總之，利用LIP衝(chong) 擊波來評估混凝土結構的裂縫是一種安全、快速的方法，可以用於(yu) 維護基礎設施和防止結構失效。

(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振型，以及用LDV測量混凝土試件各點的響應。每個(ge) 模式的動畫在Movies1-8的補充信息中顯示。振型振型的振幅以與(yu) 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