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非破坏性检测在混凝土结构评估中的应用综述，重点分析数字图像相关（DIC）与红外热成像（IRT）结合人工智能技术对缺陷映射的效能，探讨机械波、电磁波等传统技术及机器人、统计分析和物联网等创新方法的优势与局限性，提出技术融合与智能化发展路径。
萨尔曼·萨詹（Salman Sajan）| 伊尔凡·哈尼夫（Irfan Hanief）| 阿萨德·哈尼夫（Asad Hanif）
沙特阿拉伯达兰市法赫德国王石油与矿业大学（King Fahd University of Petroleum & Minerals，KFUPM）土木与环境工程系，邮编31261
摘要
无损检测（NDT）对于在不造成任何损伤的情况下确定混凝土结构的完整性、耐久性和使用寿命至关重要。本文探讨了多种无损检测方法，特别强调了数字图像相关技术（DIC）以及将人工智能（AI）与红外热成像相结合用于缺陷检测的方法。作为一项先进的光学技术，DIC通过复杂的成像和数据处理技术能够提供高精度的应变和裂纹分析。尽管DIC具有巨大潜力，但由于成本、数据解读复杂性以及需要专门知识等方面的挑战，其在大规模现场应用中的使用仍然有限。将AI与红外热成像结合使用进一步促进了缺陷检测，从而提高了使用寿命评估的准确性。本文全面分析了这两种技术的原理、应用、优势及局限性，并清晰地比较了它们在混凝土评估中的有效性。这些创新为更可靠、更精确的混凝土结构评估方法奠定了基础，最终提升了基础设施的安全性和使用寿命。
引言
无损检测（NDT）已成为现代混凝土技术的核心，它提供了一种无需破坏即可评估混凝土结构质量和完整性的多功能且高效的方法[1]。在实际工程项目的定期检查和状况评估中，无损检测技术的应用对于确保项目的安全性和可靠性至关重要[2]。随着现代基础设施复杂性的增加以及对可持续、持久建筑实践的需求不断增长，无损检测的重要性在过去二十年里呈指数级上升。探地雷达（GPR）是一种广泛使用的地球物理技术，因其易于使用、高精度和高效性而备受青睐[3][4]。
这些技术使工程师和研究人员能够评估材料性能、检测缺陷，并在保持被检测构件结构完整性的同时确保安全。通常情况下，依赖单一检测方法就足够了，但在某些情况下，这种方法无法完全了解材料的完整性。在这种情况下，结合多种检测方法就变得必不可少[5]。
无损检测的发展得益于技术的进步，如自动化、人工智能（AI）和物联网（IoT）的集成，从而实现了更精确和可靠的诊断工具。从传统的回弹锤测试到数字图像相关技术和探地雷达等先进方法，无损检测技术现已应用于混凝土评估的广泛领域[6]（如图1所示）。
无损检测（NDT）在各个行业中都发挥着重要作用，包括发电厂、航空航天、核设施、军事和国防应用，以及储罐、管道、管材的检查和复合材料的缺陷检测[5]。由于破坏性检测的成本高昂且操作复杂，人们对可靠、高效且非侵入性的方法需求日益增加，以便评估钢筋混凝土（RC）结构的状态[7]。
混凝土仍然是当今世界最重要的材料之一，它是桥梁和水坝等现代结构的支柱。然而，混凝土容易受到环境因素、化学侵蚀和机械载荷的影响而长期退化，这些因素可能导致严重的损坏，如开裂、空洞形成和钢筋腐蚀，从而危及结构的安全性和性能[5][8]。因此，有必要检查混凝土的状态并确保其性能，这推动了多种无损检测技术的发展，这些技术可以在不损害结构的情况下评估材料性能和识别缺陷。无损检测是现代混凝土科学的重要组成部分，有助于保护混凝土结构并延长其使用寿命[9]。
无损评估（NDE），通常也称为无损检测（NDT），是一种在不物理改变或损坏材料的情况下识别和分析其表面及内部缺陷的过程。本质上，NDT通过将材料或部件与既定标准进行比较来检测缺陷或不规则性，同时保持材料的原始状态和功能[5][6]。不同的基本方法总结如下：
- a.
机械波技术（MWT）
- •
利用机械波（超声波、声波、次声波）来评估材料性能。
- •
这些技术直接关联到材料的机械性能，因此适用于检测缺陷、测量性能和结构监测。
- •
广泛应用于混凝土工程中的测量、检测和监测。
电磁波技术（EMT）
•使用电磁波（如微波、雷达）进行评估。
•可以以接触式或非接触式模式应用。
•适用于实时和远程测量。
•适用于非金属材料和深度穿透检测。
•应用包括检测混凝土中的内部缺陷、水分和钢筋。
c.光学技术
•利用光波进行分析，主要通过干涉测量法和能量传输方法。电子散斑干涉测量法（ESPI）用于测量表面变形。
•应用包括表面应变分析、裂纹检测和变形可视化。
d.电法和电化学方法
•测量受混凝土性能影响的电参数（电位、电流、电阻率）。
•应用包括电阻率测量、半电池电位和腐蚀电流测量。
•应用包括评估混凝土耐久性和检测与腐蚀相关的问题。
e.磁法
•利用磁场来检测或解释材料性能。
1.关键现象包括交流激励（导电材料中的磁感应）、直流激励（铁磁材料中的磁通泄漏）和核磁共振（NMR）（用于详细材料分析）。
•应用包括检测铁磁材料中的缺陷和钢筋。
f.建筑动力学
•测量混凝土结构在小型随机动态载荷下的振动。
•时间和频率域分析用于确定基本频率和模态形状。
•应用包括评估建筑物的结构行为、稳定性和完整性。
无损检测（NDT）的最新进展极大地改进了我们对混凝土结构的评估方式，能够在不造成任何损伤的情况下更准确地评估其状况。其中一种技术是相控阵超声检测（PAUT），它通过从不同角度发送多束超声波来增强内部缺陷的检测能力。这种方法提供了全面的覆盖范围和详细的成像，即使在处理复杂几何形状时也能更容易地识别混凝土中的缺陷，从而使结构评估更加可靠和全面[10]。另一种有前景的方法是μ子散射断层扫描，它利用自然产生的宇宙μ子穿透大型混凝土结构，这种非侵入性技术可以生成内部结构的深度详细图像，使工程师即使在缺乏施工记录的情况下也能检测到钢筋配置和缺陷[11]。
此外，机器人检测系统也提高了无损检测的效率。配备冲击发声工具的机器人可以检查难以到达的区域，减少人工劳动的需求。这些机器人通过执行系统的移动-停止-取样操作并在可调节的时间间隔内收集数据来自动化这一过程，从而加快了检测速度并确保了对结构完整性的全面评估[12]。
统计分析方法也被用来提高混凝土强度评估的准确性。通过对多个案例研究的数据进行分析，研究人员确定了取样的数量如何影响强度评估的可靠性。这种方法有助于优化校准所需的样本数量，从而实现对现有混凝土结构强度的更有效评估。这些创新正在改变无损检测的实践，使混凝土结构评估更快、更准确、更高效[13]。
将人工智能（AI）、机器学习（ML）和物联网（IoT）集成到无损检测（NDT）中，正在改变混凝土结构的评估方式。AI和ML算法可以自动化收集数据的分析，提高缺陷检测的准确性，并实现主动维护策略[14]。例如，基于AI的模型在混凝土抗压强度测试中取得了比传统方法更准确的评估结果[13]。
此外，物联网设备实现了实时监测和连续数据收集，便于跟踪结构状况并快速识别潜在问题。这些技术的结合创造了更具创新性和效率的无损检测方法，为建筑行业提供了新的工具，以确保混凝土基础设施的安全性和使用寿命[15]。图2总结了现代无损检测中的各种工具。
研究背景
数字图像相关技术（DIC）是无损检测（NDT）中较少被探索但发展迅速的技术之一，尤其是在混凝土结构领域。尽管它在精确应变和裂纹分析方面展现出巨大潜力，但在大规模实际应用中的使用仍处于早期阶段。这些特点凸显了该技术的特殊性。DIC主要应用于研究和实验室环境，因为它需要精密的设备和技术支持
数字图像相关技术（DIC）在混凝土检测中的应用
混凝土因其强度、多功能性和成本效益而成为最常用的建筑材料。然而，其固有的脆性、较低的抗拉强度和易开裂性限制了其耐久性和结构性能。作为一种光学测量技术，DIC通过匹配变形前后捕获的图像灰度场来确定全场位移和应变[24]。通过跟踪加载前后的表面图案，DIC能够提供...
红外热成像的原理
红外热成像（IRT）是一种无损检测（NDT）方法，它利用热辐射来识别和检查物体表面的热特征，如图25所示。这些热数据可用于进一步了解混凝土结构的内部状况和缺陷或不一致性的存在[84]。IRT通过检测温度差异来工作，有助于评估结构健康状况...
结论
本文总结了无损检测（NDT）在混凝土结构评估方面的快速进展，数字图像相关技术（DIC）和红外热成像（IRT）已成为高精度、非接触式缺陷检测的强大工具。DIC能够以极高的准确性提供全场应变和裂纹测量，从而详细评估断裂行为、收缩、水分传输和腐蚀引起的损伤。同时，IRT能够有效检测内部异常...
CRediT作者贡献声明
萨尔曼·萨詹（Salman Sajan）：撰写原始草稿、进行调查、数据整理。
伊尔凡·哈尼夫（Irfan Hanief）：撰写原始草稿、进行调查、数据整理。
阿萨德·哈尼夫（Asad Hanif）：撰写和编辑、可视化处理、验证、监督、方法论设计、进行调查、争取资金支持、进行正式分析、概念化。
资金支持
感谢沙特阿拉伯法赫德国王石油与矿业大学在项目编号#INCB2518下的财政支持。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所报告的工作。
