核电站混凝土剪力墙中的裂缝演化：在环境与结构影响下的数字图像相关性分析所提供的见解

《Journal of Building Engineering》：Crack evolution in concrete shear walls of nuclear power plants: insights from digital image correlation under environmental and structural influences

数字图像相关（DIC）方法首次应用于核电站混凝土剪力墙裂缝演化监测，提出现场DIC测试装置与 speckle 喷涂方法，系统分析环境温湿度（12.6-26.7°C，74.3%-93.9%）及结构约束对四区裂缝发展的影响。结果表明环境主导时温湿度升高抑制裂缝宽度增长，但综合效应导致不同区域裂缝形态差异显著：中部区域裂缝扩展缓慢（最大增宽40μm），底部支撑区及两侧支撑区扩展迅速（最大增宽74μm），水平裂缝形成后发展停滞。研究揭示了施工因素与初始裂缝几何特性（宽度、形状、位置）对裂缝扩展的关键作用，为核电站混凝土结构裂缝控制提供理论依据与实践指导。

　　

郭一红|王书香|张亚杰|吴少伟|康梦阳|吕建福

中国核工业集团有限公司核电安全技术与装备国家重点实验室，广东省深圳市，518116，中国

摘要

数字图像相关（DIC）方法是一种精确且无损的分析技术，本文首次将其应用于研究核电站混凝土剪力墙在施工过程中的裂缝演化行为，并提供了现场DIC测试装置的设计方案以及斑点喷涂方法。在监测裂缝期间，系统地测量了环境温度和湿度（温度范围为12.6°C至26.7°C，相对湿度范围为74.3%至93.9%）。详细分析了剪力墙的四个代表性区域，以评估环境和结构因素对裂缝扩展的影响。研究结果表明，本文提出的方法能够有效监测裂缝的扩展和变形。当环境因素占主导地位时，温度和湿度的增加会减小裂缝宽度。然而，环境条件与结构约束的联合效应导致混凝土剪力墙不同区域的裂缝形态和发育模式有所不同。此外，研究还确定了与施工相关的因素以及裂缝的初始几何特性（如宽度、形状和位置）是裂缝扩展的关键决定因素。剪力墙中部的裂缝宽度增加相对较小且发展缓慢，而靠近底部支撑和两侧支撑的裂缝则发展迅速。水平裂缝在形成后几乎不会继续扩展。区域1、2、3和4的裂缝宽度最大增加量分别为40 μm、60 μm、66 μm和74 μm。这些发现为理解混凝土剪力墙中的裂缝演化机制提供了宝贵的见解，为减少裂缝发展和提高施工期间的结构性能提供了实际指导。

引言

核能因其清洁性和高效性而在优化能源产业结构和推进相关技术方面发挥着关键作用。因此，核能的发展持续成为主流趋势^[1]。核电站的快速建设和大规模发展显著提升了清洁能源的产量，但也引发了潜在的安全问题^[2]。因此，确保核能的安全性已成为其可持续发展的关键优先事项。在核电站的服役寿命内，混凝土结构特别容易老化和损坏，裂缝是最常见的问题之一^[3]。因此，裂缝评估是混凝土结构维护的重要组成部分^[4]。

核电站中的混凝土必须具备优异的气密性和不透水性。然而，由于施工误差和环境因素，裂缝不可避免地会形成。混凝土中的早期微裂缝会成为腐蚀性物质的通道，随着裂缝的扩展，会损害结构的耐久性和使用寿命^[5]。裂缝的扩展程度直接影响混凝土结构的健康和耐久性。及时监测早期裂缝，并深入理解其演化过程，是有效控制裂缝和维护策略的基础。这些措施对于延长结构使用寿命、确保核能安全、节约能源和减少排放至关重要^[3]。

目前有多种方法用于评估混凝土中的收缩裂缝。一种常见的方法是使用嵌入式传感器，如正弦应力-应变传感器和光纤，定期监测混凝土的应力-应变行为并收集数据^[6]。然而，正弦应力-应变传感器体积较大，仅适用于单向变形测量；而光纤易碎且难以嵌入。视觉观察是另一种常用的裂缝检测方法，但这种方法需要大量人力和物力资源，结果相对不精确，效率和准确性较低。

还开发了多种非接触式测量技术，包括涡流法^[7]、超声CT法^[8]、冲击回波法^[9]、地面穿透雷达法^[10]、回弹法^[11]、红外成像法^[12]和声发射法^[13]。涡流法无需对外部施力即可测量快速位移变化，但需要预先定位目标，主要限于实验室实验^[7]。超声CT法利用超声波检测混凝土的内部结构和裂缝深度，但检测速度慢、耗时长，结果不够理想^[8]。冲击回波法通过分析频谱来推断混凝土中的裂缝和缺陷，但其准确性受表面不平整度的影响较大^[9]。地面穿透雷达利用电磁波检测混凝土裂缝，但在钢筋密集排列的结构中效果不佳^[10]。回弹法的变异性较大，测量范围有限^[11]。红外成像通过检测不同结构区域的热辐射形成热图像并获取裂缝形态信息，但其准确性受环境条件影响较大^[12]。最后，声发射法通过检测应力波特征来确定裂缝位置和损伤程度，但对材料属性敏感，容易受到机械和电气噪声的干扰^[13]。

随着数字图像处理和计算机视觉技术的进步，数字图像相关（DIC）方法已成为监测混凝土收缩和裂缝的强大工具。DIC具有高精度、非接触操作、全场测量和快速数据采集等优点^[14]。这些特性使得能够精确地从多个角度检测变形。许多研究探讨了DIC在分析混凝土裂缝扩展中的应用^[15]、[16]、[17]。DIC过程包括使用数字成像技术在不同时间间隔捕捉混凝土表面形态，随后通过图像处理识别裂缝模式^[18]、测量裂缝延伸长度^[19]并评估混凝土损伤^[20]。DIC可以测量多个裂缝宽度，并确定选定区域或整个裂缝图像中的最大和最小裂缝宽度位置和尺寸。此外，它还支持裂缝发展的实时监测^[21]

DIC已广泛应用于实验室实验中，用于监测机械性能测试（如三点加载和四点加载测试）期间的裂缝扩展^22]、[23]、[24]、[25]、[28]。例如，Qing等人^[22]证明，通过DIC获得的荷载-裂缝开口位移测量结果与夹具伸长计的结果高度一致，验证了该方法的可靠性。同样，Xiong等人^[23]利用DIC捕捉了受载钢筋混凝土梁中裂缝的整个形成和发展过程，获得了符合观察要求的结果。Zhao等人^[24]在钢筋混凝土梁的四点弯曲测试中使用了DIC，发现其优于传统的电阻应变计方法，能够更全面地观察裂缝扩展。Shen等人^[25]利用DIC监测混凝土梁中的裂缝发展过程，有效检测了裂缝位置、面积和发展趋势。S.A. Hadigheh等人^[27]利用DIC确定了TCC梁各点的局部滑移、界面滑移和应变，并通过该方法评估了每根TCC梁的复合效应。Mong等人^[28]利用三点弯曲测试和DIC分析了不同纤维含量超高性能混凝土在不同荷载下的裂缝扩展行为。

除了实验室实验，DIC还应用于研究混凝土中的断裂和疲劳裂缝扩展^26]、[36]、[37]，描述疲劳过程并分析局部材料失效的指标^[29]，预测表面裂缝扩展和结构寿命^30]、[31]，以及长期监测桥梁，包括量化剥落、测量变形和跟踪接缝和裂缝开口^38]、[39]。此外，DIC还常用于早期收缩和裂缝研究，以量化新鲜水泥砂浆的沉降和收缩^32]、[33]，分析塑性收缩裂缝^[34]和测量位移^{[35][40]。因此，探索DIC技术在施工现场监测非荷载裂缝的应用，并改进大型基础设计（如高层建筑的桥梁和基础）的裂缝减缓策略具有重要意义。}

本研究调查了核电站施工现场大体积混凝土的非荷载裂缝演化情况，填补了将DIC技术应用于实际施工环境中监测非荷载引起的裂缝演化方面的空白。研究重点监测大体积混凝土的温度以及环境温度和湿度对其裂缝演化的影响。使用工业相机观察四个选定区域，捕捉裂缝图像以供分析。采用多种图像处理方法评估裂缝扩展，同时应用DIC算法研究裂缝形成前后的变化。研究还探讨了早期温度变化、环境条件、约束条件以及初始裂缝的位置和形状对裂缝形成和演化的影响。

部分内容摘录

原材料和混凝土配合比

本研究使用的组成和配合比见表1。所用混凝土的强度等级为C50。胶凝材料包括波特兰水泥（P·N42.5）和I级粉煤灰，水胶比为0.35。粗骨料为连续级配的砾石，粒径分别为5–16 mm和16–25 mm；细骨料为细度模数为2.6的机制砂。还使用了聚羧酸超塑化剂

混凝土温度场

图9、图10和图11展示了距离墙表面20 mm、150 mm和400 mm深度的测量点的温度-时间曲线。这些曲线还包括T曲线，表示环境温度随时间的变化。

图9、图10和图11中的数据显示，混凝土浇筑后每个测量点的温度迅速上升，约24小时后达到初始峰值，随后出现波动

结论

本研究利用工业相机拍摄的混凝土图像和DIC方法研究了混凝土剪力墙的裂缝演化行为。使用DIC技术和图像处理技术分析了剪力墙的四个不同区域的裂缝形态和演变过程。同时系统地研究了施工和环境因素对裂缝发展的影响。得出以下结论

作者贡献声明

康梦阳：正式分析、数据整理。吴少伟：调查、资金获取、正式分析、数据整理。张亚杰：调查、正式分析、数据整理。王书香：验证、调查、正式分析、数据整理。吕建福：撰写——审稿与编辑、监督、项目管理、方法论、资金获取、数据整理、概念构思。郭一红：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、验证、方法论

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。

致谢

作者感谢核电安全监测技术与装备国家重点实验室（编号K-A2021.421）的财务支持。