一种激光快速无损检测混凝土结构裂缝的方法。

混凝土中没有任何东西是真正固定的，尤其是混凝土结构。当桥梁、建筑物和隧道等由混凝土构成的结构长时间反复受力时，它们就会产生裂缝，可能会发展并导致结构失效。因此，需要定期检查，以便在裂缝成为人们关注的焦点之前将其检测出来。

芝浦理工学院(sit)的科学家们开发了一种新的非破坏性方法来研究混凝土结构的裂缝。他们利用高功率激光聚焦在结构表面附近产生的冲击波，通过分析结构中引起的振动来检测缺陷。

通常，混凝土结构的缺陷是通过声学测试来检测的，这种测试被称为“锤击法”，由有资格的建筑检查员进行。然而，这些测试需要时间来完成，与大多数基于技能的技术一样，测试的有效性取决于检查员的专业知识。此外，随着老化的基础设施数量不断增加，一种快速可靠的检测方法对于确保结构的安全运行和长期使用至关重要。

另一种检测方法是在混凝土结构表面附近产生冲击波。冲击波在结构上引起振动，可以通过分析来检测缺陷。然而，在这种试验中，必须产生不会破坏结构的冲击波。在这方面，激光诱导等离子体(LIP)激波激发显示出很大的潜力。该技术已被用于检测各种结构的缺陷，从管道到水果表面。在这种方法中，激光产生的等离子体与空气碰撞产生冲击波。

基于纳秒Nd:YAG脉冲激光系统的激光诱导等离子体(LIP)原理。当激光束在空气中照射时，当LIP的激光注量在空气中达到其阈值(1015 W/m2)时，LIP形成。LIP以超音速的圆周速度迅速膨胀，产生激波。当冲击波击中目标结构时，在结构上产生一种非破坏性的脉冲激励力。

在一项新的研究中，日本芝浦理工学院和国家量子科学技术研究院的研究人员测试了这种方法检测混凝土结构裂缝的有效性。“我们使用LIP冲击波作为非接触、非破坏性的脉冲激励。这使得混凝土结构缺陷的远程和完全无损检测成为可能，”芝浦理工学院工程科学和力学系教授Naoki Hosoya解释说，他是这项研究的通信作者。他们的发现发表在《国际机械科学杂志》上。

为了评估这种新方法，研究人员将一块人工制造缺陷的混凝土块暴露在高功率脉冲激光产生的冲击波中。然后对缺陷区域内外混凝土表面的多点振动进行分析。分析表明，缺陷处存在瑞利波。这些是表面波，它的移动速度比其他冲击波快。研究人员通过探测这些瑞利波的反射点，成功地确定了缺陷区域。Hosoya教授解释说:“通过瑞利波的传播，可以探测到混凝土试样中的缺陷，并确定近似边界的位置。”

混凝土缺陷检测系统采用非接触、非破坏性激励的LIP冲击波。在实验台上，Nd:YAG脉冲激光器的激光束通过平凸透镜聚焦到试件表面附近，产生LIP冲击波。在这种情况下，使用单轴LDV。为了测量混凝土中的多个测量点，依次手动移动LDV。

通过可视化瑞利波，结构中的缺陷可以比其他分析振动的遥测方法更快地检测出来，使其成为一种有用的方法，对混凝土结构进行无损检测。“使用瑞利波检测缺陷的优点是，与测量自然模式相比，需要的测量点更少。此外，缺陷检测所需的时间可以缩短。可视化瑞利波传播具有实际探测混凝土结构和缺陷的潜力。”

总之，利用LIP冲击波来评估混凝土结构的裂缝是一种安全、快速的方法，可以用于维护基础设施和防止结构失效。

(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)。这些是用LIP激波激励缺陷中心得到的振动模态振型，以及用LDV测量混凝土试件各点的响应。每个模式的动画在Movies1-8的补充信息中显示。振型振型的振幅以与最大值归一化的比率表示。

来源：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