1.2　國內外研究現狀

1.2.1　水泥混凝土的組成與結構

水泥混凝土是一種由水泥、粗細集料、水和外摻物組成的復雜多相聚合體。[18]圖1.1顯示了典型混凝土的結構組成，包含水化水泥漿體、集料和界面過渡區。硬化水泥漿體是混凝土中骨料嵌固的基體，發揮將離散骨料膠結形成具有承載能力整體的作用，并且在一定條件下是外界物質侵入混凝土的通道，具有和外界環境交換物質的能力，因此水泥漿體也是混凝土最重要的組成部分。水泥漿體主要由水泥水化反應生成的結晶體、無定形產物和孔隙組成[19]，具有膠凝能力的主要固相物質是高度無定形和具有巨大內比表面積的水化硅酸鈣（C-S-H）凝膠[20]，它的體積比例占整個硬化水泥漿體的70%左右。水泥漿體中其他水化產物包括氫氧化鈣和鈣釩石等。

圖1.2所示為硬化水泥漿的典型微觀結構和主要水化產物形貌。硬化水泥漿體中的水化產物可以歸納為以下幾種主要物質。[18]

1.C-S-H凝膠

C-S-H凝膠由水泥顆粒水化而成，呈無定形態，具有典型多孔結構特征和巨大的內比表面積，其化學組成及變化主要受鈣硅比及其他外摻離子的影響。[21]已有研究顯示[22]，硅酸鹽水泥水化生成的C-S-H凝膠其鈣硅比值一般在1.4～2.0之間。礦物外摻料和水化齡期對C-S-H凝膠的結構和組成有十分重要的影響，并且C-S-H凝膠中的水分對環境溫度和濕度十分敏感，容易產生干燥收縮。

國內外許多學者長期針對C-S-H凝膠的結構和性質進行了大量研究。Grudemo[23]開創了對其結構的認識，后期的Taylor、Grutzeck、Wieker和Viehland等人[24-28]又對其進一步深入地展開研究，并提出許多創新的研究手段，發展比較成熟的主要包括鉬酸鹽反應法[29]、三甲基硅烷化法[30，31]和核磁共振法等。當前比較普遍采用核磁共振的方法對C-S-H凝膠的結構進行研究。[32，33]C-S-H的凝膠結構一般可分為單相或兩相。[34]Richardson等[35]通過對C-S-H凝膠進行測定，認為它是[SiO4]4-四面體的單相組成。Taylor[36]則認為C-S-H凝膠可劃分為C-S-H（Ⅰ）型和C-S-H（Ⅱ）型兩種組成相，其中C-S-H（Ⅰ）是類似于脫勃莫來石晶體結構，C-S-H（Ⅱ）則具有類似于羥基硅鈣石的晶體結構。

2.鈣礬石

鈣釩石（AFt）屬三方晶系，呈柱狀結構[37]，其組成主要決定于水泥漿體中Ca2＋、、OH-和四種離子的濃度積。此外，液相中的離子濃度積也對AFt的生成速率與形貌產生影響。[38，39]

3.氫氧化鈣

水泥漿體中的氫氧化鈣[Ca（OH）2]呈六角棱柱結構，其形貌在不同的條件下具備不同的特點，既有扁平板狀的大晶體，也有相同尺寸的細小晶體，還有大的、細長的、薄的晶體及介于其間的變種，取決于其生成環境和空間條件。

4.水

水是硬化水泥漿體的一個重要組成相，以包含大量離子的孔溶液形式存在，容易與環境中的水分發生交換。因此，硬化水泥漿體中的含水量會隨著環境濕度的變化而變化。不同層次的結合水會對水泥混凝土材料的性能產生不同影響。根據存在狀態的不同，硬化水泥漿體中的水可劃分為化學結合水、層間水、吸附水和毛細孔水。

5.孔隙及孔隙率

孔結構是水泥混凝土材料微觀結構的一個重要組成部分[40]，其宏觀性質如強度、滲透、膨脹等與孔結構都有直接的關系。[41]水泥混凝土孔直徑一般在10μm～5nm之間，分布較廣。[42]根據孔徑大小不同可將水泥混凝土的孔隙分為凝膠孔、毛細孔和大孔。[43]氣液物理吸附法和壓汞法[44]是常見的兩種測定分析孔結構的方法。水泥混凝土孔隙結構的主要特征參數為孔隙率、孔徑分布和孔隙連通性。其中，孔隙率是應用較多、較為容易測試的一項指標，與混凝土的強度、密實程度有直接聯系。孔徑分布受水泥組分、環境和約束影響顯著，是評價水泥混凝土微觀結構特征的一項重要指標，與孔隙連通性一起決定混凝土的抗滲透能力和內部傳輸特性。

1.2.2　水泥混凝土的熱變形性質研究

熱膨脹[45]指的是物質的長度或者體積隨著溫度升高而增大。一般人們常說的熱脹冷縮，指的就是物體體積隨溫度升高而增大，隨溫度降低而減小。不同物質熱膨脹性質不同，即使對同一物質而言，其熱膨脹性能也會隨著其內部晶體結構的不同而不同。[46]假設材料的初始長度為L0，初始溫度為T0，當溫度升高ΔT后材料的長度增加了ΔL，則在某一溫度變化范圍內材料的平均熱膨脹系數可由式（1.1）計算得到[46]，即

式中：αt為材料的平均線脹系數，即溫度升高1K時物體的相對伸長量。

則材料在溫度T時的長度LT為

瞬時熱膨脹系數指在某溫度附近材料小范圍溫度變化對應的熱膨脹系數。如果材料性質隨溫度變化顯著，則應當考慮其瞬時熱膨脹系數，其計算方法為

式中：αinst是材料的熱膨脹-溫度斜率，指的是瞬時狀態下物體發生熱變形的大小。

作為一種復合材料，混凝土的熱膨脹系數取決于其組成相的性質及其含量，以及水泥漿體、集料、孔隙的組分比例和各自熱變形性質。對各組分的彈性模量大體接近的復合材料來說，其熱膨脹系數α0可由式（1.4）計算，即

式中：νi為材料中i組分的體積百分含量；αi為材料中i組分的線熱膨脹系數。如果各組成材料的彈性模量相差很大，則其復合材料的熱膨脹系數α0可表示為[47]

式中：Bi為材料中i組分的體積模量；νi為材料中i組分的體積百分含量；αi為材料中i組分的線熱膨脹系數。當不同組分之間界面的切應力必須考慮時，混凝土材料線熱膨脹系數可用式（1.6）來計算，即

式中：Bd為分散相材料的等溫體積模量；Bm為基體材料的等溫體積模量；Gm為基體材料的切變模量；αd為分散相材料的線熱膨脹系數；αm為基體材料的線熱膨脹系數；Vd為分散相材料的體積分數。

水泥漿體的固相組成及含量、水的多少和孔隙率大小是影響硬化水泥漿體熱膨脹性能的主要因素。一般認為，水泥漿體中氫氧化鈣的熱膨脹系數最大，C-S-H凝膠最小，水泥漿體中的氫氧化鈣含量越多，其熱膨脹系數就越大。[48]通常情況下結構致密的物質其熱膨脹系數會較大，而結構疏松多孔的物質其熱膨脹系數會較小。所以硬化水泥漿體的熱膨脹系數隨著水泥漿體孔隙率的升高而降低。

水的線熱膨脹系數為69×10-6/℃，體積熱膨脹系數為210×10-6/℃。水泥漿體中的自由水和吸附水隨著溫度的升高而逐漸脫去，但內部的化學結合水無法排解，從而使水泥漿體產生了濕熱膨脹。[49]因此，濕度也影響著水泥混凝土的熱膨脹性能。[50]自由水進、出水泥漿體的運動分別會導致膨脹和收縮，而熱膨脹系數中取決于濕度的部分并不包括這兩種運動，這一部分需要在達到平衡后才能被確定。[50]干燥時的硬化水泥漿體毛細孔不能向膠體提供水分，也沒有膨脹產生。濕飽和時的硬化水泥漿體則由于沒有毛細孔彎液面，溫度的變化對其沒有影響。當水泥漿體處于這兩種狀態下時，其熱膨脹系數都低于半飽和狀態。所以只有在濕飽和或干燥情形下測定的熱膨脹系數才是比較客觀真實的。

水泥漿體的熱膨脹主要有以下表現：

（1）水泥漿體C-S-H凝膠的受熱膨脹。C-S-H凝膠由于自身的熱膨脹系數較小，所以水泥漿體這一部分的膨脹值較小。

（2）水泥漿體中的凝膠孔中的水發生的受熱膨脹。因為水的熱膨脹系數要遠遠大于水泥漿體的熱膨脹系數，所以當凝膠孔中的水受熱而產生膨脹時，其體積迅速變大，從而引起凝膠體的迅速膨脹。

（3）毛細孔中水產生的濕脹壓力。[4]

針對水泥混凝土材料的熱膨脹性能，國內外學者展開了長期研究，研究對象主要側重于水泥混凝土材料的熱膨脹系數。Kraft[51]研究發現，硬化水泥漿體的線脹系數大致在（11～20）×10-6/℃之間，砂漿大致在（10.1～18.5）×10-6/℃之間，而混凝土大致在（7.4～13.1）×10-6/℃之間。Glisic等[52]在混凝土中預埋了特制的傳感器來測定其體積變化。武漢理工大學的水中和等[53]對水泥基材料各組分間的熱變形協調性及其對水泥混凝土結構和性能的影響展開了系統的研究。Meyers等[54]指出，在-10～100℃范圍內，水泥漿體的熱膨脹系數會發生變化，水泥漿體的含水量、水灰比和齡期均對其有影響，他們測得的28d水泥漿的瞬時熱膨脹系數在（15～20）×10-6/℃之間。

當前對水泥混凝土材料熱變形的測試方法有很多，代表方法包含清華大學建材研究所研發的溫度-應力實驗機[55]，可以用來測定水泥混凝土材料熱膨脹性能。哈爾濱工業大學的馬新偉、鈕長仁用靜水力學稱重法[5]測量了早期混凝土的熱膨脹系數。靜水力學稱重法的原理是通過測量試件在水中的浮力變化大小來計算其體積變化大小。[57]東南大學的丁士衛、錢春香等[58，59]用直接測長法測定了硬化水泥漿體的熱膨脹系數，該方法可以通過電加熱控制溫度直接測試不同溫度下試件的長度變形大小，通過熱膨脹系數的計算公式直接得出實驗結果。中國建材研究院的李清海[60]則專門針對水泥混凝土材料在高溫區域的熱膨脹性能進行了研究。

當前，人們發現水泥混凝土在受熱狀態下產生裂縫的一個直接原因就是材料變形大小的不同。實際工程中對水泥混凝土材料進行設計時必須考慮到混凝土的熱穩定性，因此對材料的熱膨脹系數設計就需要更精確。對水泥混凝土各組成相間的熱變形性能及其機理的研究，可以為研究水泥混凝土的耐久性提供一個十分必要的理論補充。

1.2.3　水泥混凝土的熱敏感性研究

水泥混凝土是由水泥、粗細集料、水和外摻物等共同組成的一個復雜多相聚合體。通常在研究混凝土的宏觀力學性能時可以將其看作一個完整體系，然而實際上混凝土各組成相之間存在著較大的差異。從更深層次看，硬化水泥漿體的顯微結構由水泥C-S-H凝膠、氫氧化鈣晶體、未水化的水泥、孔隙等組成。當溫度發生改變時，其中的各種物相也會隨之發生改變而表現出一定的差異性。

當環境溫度在0～60℃時，集料的熱膨脹系數為（0.9～16.0）×10-6/℃，比如常用的石灰巖集料的常溫線脹系數為（3.0～6.0）×10-6/℃。有些礦物雖然化學組成相同，但其本身的熱膨脹系數有很大差別[61]，比如方解石和石英。表1.1為一些常用集料及其對應的混凝土的熱膨脹性能。[62]

硬化水泥漿作為另一個重要的組成相，其熱膨脹性能對環境的變化很敏感。已有研究表明，硬化水泥漿是一個復雜多相體系，其對溫度的變化十分敏感，含水量、水灰比和齡期都會對其熱變形產生較大的影響。[63]Meyers和Zolders等人[64，65]研究了硬化水泥漿的熱膨脹性能，指出在環境溫度下水泥漿體28d的線熱膨脹系數為（15～25）×10-6/℃。未水化水泥的常溫熱膨脹系數為（3.0～4.0）×10-6/℃，水的熱膨脹系數約為210×10-6/℃。硬化水泥漿在干燥或飽水時的線熱膨脹系數分別大約為10×10-6/℃或20×10-6/℃，因此含水率的多少會使得環境溫度下熱膨脹系數出現明顯差別。在顯微層面下，硬化水泥漿體的各物相間的熱膨脹大小也不相同，如C-S-H凝膠、氫氧化鈣晶體以及未水化的水泥顆粒。Schulson[66]通過中子衍射實驗，發現氫氧化鈣晶體在a軸和c軸方向上結構不同導致其熱變形也具有顯著向異性，在水泥漿體中將產生不同的熱應力。

水泥漿體作為混凝土中的基體材料，其熱膨脹性質變異性較大，影響因素多，是水泥混凝土中熱變形性質最為復雜的組分，也是有望通過調控減小其熱敏感性的組分，因此研究其熱性質對于理解水泥混凝土的熱變形特征具有十分重要的意義。圖1.3所示為硬化水泥漿體的熱應變大小隨溫度的變化趨勢[67]，可以看出，室溫環境下，隨著環境溫度升高硬化水泥漿由于內部固相和孔溶液的膨脹而主要表現為膨脹的趨勢；而在高溫范圍內，由于水分的迅速脫去和水化產物的相變，水泥漿體熱變形隨溫度升高表現為熱收縮。

因此，水泥混凝土各組成相的熱膨脹性能無論從宏觀還是微觀層面上看都存在著較大差異。當溫度發生改變時，其彼此物相間會產生熱變形的不一致，從而對混凝土結構內部的熱穩定性構成影響。

1.2.4　水泥混凝土的熱不相容性研究

溫度的變化對水泥混凝土材料結構和性能最顯著的影響是混凝土的體積會隨溫度的變化而變化，此過程的反復進行可能會引起組成相界面區域的熱疲勞損傷。因此，在溫度變化幅度較大的環境條件下混凝土各組成相間的溫度協調性也是一個必須考慮的問題。

我國內蒙古、新疆等一些地區溫度變化幅度大，且常年處于干燥環境狀態（相對濕度最低為0，新疆）。這些地區[17]不僅日溫差高（最高35.8℃，1962年新疆）、年溫差變化幅度大（最高98.4℃，1986年新疆），而且結構的溫度也較高（最高82.3℃，1974年新疆）。這些地方混凝土開裂比較頻繁的原因就在于環境溫度對混凝土的影響非常大。[68-71]圖1.4所示為我國內蒙古地區某橋梁墩身由于熱疲勞引起的表面水泥漿體剝落的情況。

通常人們往往忽略環境溫度下的溫差對混凝土性能的影響。然而，當溫度超過某一臨界值或是溫度的反復劇烈波動多次，混凝土的結構就非常容易出現損傷。這種結構損傷往往出現在水泥漿體和集料之間的界面過渡區，是兩者熱相互作用的結果。

一些研究者對界面過渡區展開了深入的研究[72-75]，指出其結構和硬化水泥漿體有較大的區別，并認為它是混凝土中組成最薄弱的區域。另外，界面過渡區的一些主要特征包括過渡區的厚度很小，僅為50μm左右；過渡區的強度和密度均小于硬化水泥漿基體；集料表面周圍的Ca（OH）2六方晶體較大。[76，77]

當溫度產生變化時，混凝土中硬化水泥漿體和集料由于其熱膨脹特性的差異而在界面處產生相對運動和錯位的趨勢，而這個趨勢的大小則主要由溫度變化的大小和兩者的熱膨脹性能的差異所決定。溫度變化可以造成混凝土內部由于溫度梯度而產生熱應力，以及各相間由于熱作用變形而產生擠壓應力。目前許多學者已經認識到這個機理適用于高溫環境下的混凝土，但在變化范圍較小的環境溫度范圍內（小于100℃），反復的熱疲勞循環也能對混凝土產生損傷。研究表明，當氣溫達到32℃時，混凝土試塊的溫度可達63℃；當氣溫達到40～47℃時，混凝土試塊的表面溫度可高達80～90℃。混凝土試塊經過365d環境溫度下的熱疲勞循環后，前60d其抗壓強度下降約12%，到120d時下降了約17%，而后變化不大。但是當混凝土表面的最高溫度達到90℃時，其120d后的抗壓強度降低了超過24%[78]，如圖1.5所示。

Kanellopoulos等人[79]的研究表明，熱循環處理對水泥混凝土斷裂能量有十分顯著的影響，30次25～90℃熱循環處理后，混凝土的斷裂能量略有增加，而90次熱循環后，其斷裂能量降低大約10%。由此，多次熱循環后混凝土的性能顯著下降。

1.2.5　混凝土結構物內部缺陷與濕度的無損檢測方法

早在20世紀30年代，人們就開始研究混凝土的無損檢測技術。1948年，瑞士科學家施密特（E.Schmidt）研制成回彈儀；1949年，萊斯利（Leslie）等人用超聲脈沖成功檢測混凝土；20世紀60年代，費格瓦洛（I.Facaoaru）提出用聲速、回彈綜合法估算混凝土強度；20世紀80年代中期，美國的瑪麗·圣薩洛內（Mary Sansalone）等用機械波反射法進行混凝土無損檢測；自20世紀90年代以來，隨著科學技術的快速發展，涌現出一批新的測試方法，如微波吸收、雷達掃描、紅外線譜、脈沖回波等方法。我國從20世紀50年代開始引進瑞士、英國、波蘭等國的超聲波儀器和回彈儀，并結合工程應用開展了一定的研究工作；20世紀60年代初，我國研制成功多種型號的超聲波儀器，隨后廣泛進行了混凝土無損檢測技術的研究和應用；20世紀80年代，混凝土無損檢測技術在我國得到快速發展，并取得了一定的研究成果，除了超聲、回彈等無損檢測方法外，還進行了鉆芯法、后裝拔出法的研究；20世紀90年代以來，雷達技術、紅外成像技術、沖擊回波技術等進入實用階段，同時超聲波檢測儀器也由模擬式發展為數字式，可將測試數據傳入計算機進行各種數據處理，以進一步提高檢測的可靠性。

隨著科學技術的發展，無損檢測技術也突破了原有的范疇，不僅涌現出一批新的測試方法，并且測試內容由強度推定、內部缺陷探測等擴展到更廣泛的范疇，其功能由事后質量檢測發展到了事前的質量反饋控制。混凝土無損檢測技術的發展雖然時快時慢，但由于工程建設的實際需要，它始終具有較強的生命力。可以預料，隨著科學技術的發展和工程建設規模的不斷擴大，無損檢測技術的發展前景是廣闊的。

1.探地雷達法

探地雷達法是一種利用電磁波技術對地下的或物體內不可見的目標或界面進行定位的無損檢測方法。通過發射的高頻電磁波在介質中傳播時，其路徑、電磁場強度與波形將隨所通過介質的電磁特性和幾何形態而變化，對接收信號進行分析處理，可判斷地下的結構或埋藏物等。探地雷達具有攜帶方便、操作簡單、成像直觀等諸多特點。

探地雷達的概念早在1910年就被提出，但一般認為第一個提出應用脈沖技術確定地下結構思路的人是德國的胡爾森貝奇（Hulsenbech），他于1926年指出，電磁波在介電常數不同的介質交界面上會產生反射，這個結論也成了探地雷達研究領域的一條基本理論根據。探地雷達的初期應用僅限于對電磁波吸收很弱的冰層、巖鹽等介質中。例如，1951年斯蒂森（Steenson）用雷達探測冰川的厚度；1970年哈迪森（Hatison）在南極冰層上取得了800～1200m穿透深度的資料等。近幾年，人們開始致力于研究用GPR探測混凝土內部的病害和缺陷，如面層中瀝青的剝落、混凝土板下的空洞和鋼筋的定位等。

在土木工程方面，國外GPR技術最早應用是在1974年。國外有許多專家對探地雷達進行了深入的研究工作。例如，斯巴泰（Sbartai）系統地研究了探地雷達從基本原理到使用方法再到實際應用的全過程，并總結出了探地雷達中直達波（Direct Wave）的諸多優點。S.勞倫斯（S.Laurens）等通過雷達實驗建模，對混凝土電阻率和介電常數進行了測量，間接地表征了混凝土中水分的含量。約翰內斯·胡根施密特（Johannes Hugenschmidt）和羅曼·盧瑟（Roman Loser）研究了濕度和含氯量對雷達信號振幅的影響。

我國起步較晚，中國地質大學在1990年引進了GPR技術，最早在中國開始了探地雷達的應用和研究。有研究人員對探地雷達在隧道和涵洞檢測工程中的應用進行了研究，并對良好部位和含缺陷部位的雷達圖進行了對比，最后給出了探地雷達檢測技術在實際工程中應用的一些經驗。

2.超聲波法

超聲波儀是一種通過發射和接收超聲波來對結構物進行檢測的儀器。超聲波是指振動頻率大于20k Hz以上的聲波，通常以縱波的方式在彈性介質內部傳播，是一種能量的傳播形式，其特點是超聲頻率高、波長短，在一定距離內沿直線傳播具有良好的束射性和方向性。

超聲波法（即超聲脈沖法）在國內外廣泛用于檢測混凝土的質量，它不受構件幾何尺寸的影響，測試迅速，數據可信，有其獨特的優點。采用超聲脈沖波檢測混凝土結構缺陷的基本原理是，利用脈沖波在技術條件相同（指混凝土的原材料、配合比、齡期和測試距離一致）的混凝土中傳播的時間（或速度）、接收波的振幅和頻率等聲學參數的相對變化，來判定混凝土的缺陷。

混凝土超聲波檢測技術已應用到建筑、水電、交通、鐵道等各類工程中。檢測的應用范圍和應用深度也不斷擴大，從地面上部結構的檢測發展到地下結構的檢測，從一般小構件的檢測發展到大體積混凝土的檢測，從單一測強發展到測強、測裂縫、測缺陷、測破壞層厚度以及彈性參數的全面檢測。

3.沖擊回波法

為了解決超聲脈沖回波法中高頻應力波被各向異性材料吸收的問題，20世紀80年代中期美國國家標準局（U.S.National Bureau of Standards，NBS）發明了沖擊回波法，它是一種對混凝土及磚石結構進行無損評估的聲學方法。該方法已經得到廣泛的開發和應用，對金屬、塑料和其他均質材料來說，已成為一種全面、可靠的無損檢測方法。

沖擊回波法的原理可以概括為：利用一個短時的機械沖擊產生低頻的應力波，應力波傳播到結構內部，被缺陷和構建地面反射回來，這些反射波被安裝在沖擊點附近的傳感器接收，并被送到一個內置高速數據采集及信號處理的便攜式儀器，將所激勵的信號進行時域或頻域分析即可得出混凝土的厚度或缺陷的深度。

4.紅外檢測法

紅外熱像無損檢測技術是國內外最新發展起來的檢測材料缺陷和應力的技術，受到廣泛的關注。紅外檢測技術最初是出于軍事目的研究和發展起來的，后來被廣泛應用于電力和鐵道行業中進行對設備熱狀態的檢查和故障診斷，現在逐漸擴展到航空航天領域內對復合材料內部缺陷的檢測以及對涂層的定量測量階段，另外紅外熱像技術在其他方面應用也十分廣泛，如建筑節能評測、森林防火、農作物優種、地震預報研究、固體力學、遙感地質勘探、醫學熱像診斷等。任何物體只要其溫度高于絕對零度，都會從表面發出與溫度有關的熱輻射能。

紅外檢測法的基本原理是利用被檢物體的不連續性缺陷對熱傳導性能的影響，進而反映在物體表面溫度的差別上，即物體表面的局部區域產生溫度梯度，導致物體表面紅外輻射能力發生差異，檢測出這種差異就可以推斷物體內部是否存在缺陷。

5.微波測濕法

微波測濕法是采用微波對介質進行濕度的測試。微波是一種電磁波，其波長在1cm～1m之間，頻率在300MHz～300GHz之間。在微波波段，介質對電場的損耗主要為偶極子的取向極化損耗。水分子是一種極性很強的偶極子，在外場作用下，水的極化程度遠大于其他物質。由于微波對介質的介電常數敏感，而介電常數又和其含水率有關，因此可以采用這種方法。通過測量含水物質在微波場中的介電系數，便能間接測得物質中含水量的多少，但是現實中微波測濕往往不能直接測量出介電常數，而是測量微波通過物體時的衰減常數、相移常數、諧振腔的諧振頻率等來間接地測量濕度。微波測濕具有快速、連續、無損傷、實時、靈敏度高以及對被測物料形狀不破損等優點。

國際上從事微波測濕研究的國家有美國、俄羅斯、波蘭、德國、英國、加拿大、法國、匈牙利等國家。其應用領域有農產品、建材、土壤、食品、造紙、化肥、石油、紡織、煤炭、選礦等。盡管微波測濕技術發展較早，但大多數國家只是從事其應用方面的研究，而忽略了微波與含水物質相互作用的微觀機理方面的研究，致使目前仍然沒有一套完備的理論來描述微波與含水物質的相互作用。德國HF Sensor GMBH公司研制成功了MOIST-200手持式微波濕度測試儀，它最大測試深度為300mm，儀器輕便，可測試混凝土、磚、EIFS、瀝青、木材和其他建筑材料。

6.電測法

由于結構物內部濕度的變化，其電學性質如電阻率、電容、電導率等也會跟著發生變化，通過測量這些電學參數，經過分析即可判斷。

產自愛爾蘭的Tramex滲漏檢測儀以及美國生產的Leak-Seeker滲漏巡檢儀都是采用電測原理的儀器，它們適用于復合防水層和單層防水層，但不適合某些含有炭黑的橡膠型防水材料，如EPDM和丁基等防水片材。該類儀器采用電池供電，能產生兩種低頻電子信號，在儀器的下部裝有橡膠電極底板，固定平行電極，這些信號就通過平行電極發射出去，只要按照一定的方式把儀器放在屋面的表層上，就能夠快速查明某個區域范圍內是否有水分。

7.傳感器檢測法

該方法是在鋪設防水層時，就將傳感器預埋在防水材料的下面，并與恒流裝置和數據控制箱組成系統。正常情況下，防水層為絕緣體，則儀器中無電流通過，一旦防水層出現損壞，濕度變化破壞了其絕緣性，則儀器的電極中有電流通過，傳感器發出信號，從而及時了解濕度變化情況。預埋的傳感器呈網狀排布，因此對于防水層的損傷比較靈敏。

近年來，隨著科技的不斷發展，新的探測技術不斷出現，如瑞雷面波法、高密度電法、溫度監測技術、同位素示蹤技術和CT技術等。這些技術均是針對地下介質的探測，并且隨著電子技術的發展，在軟件和硬件方面也越來越完善，它們的出現為缺陷和濕度的快速、準確探測帶來了希望。

1.2.6　基于紅外熱像法的水泥混凝土檢測技術研究

紅外熱成像技術是近年來發展十分迅速的一種結構無損檢測和監測技術。它利用自然界中一切物體都可以輻射紅外線的原理，使用探測儀測定目標和背景之間的紅外線差異并得到紅外圖像，即物體表面溫度分布圖像，利用熱傳導在物體內部的差異，進而判斷物體內部是否存在缺陷。紅外熱成像技術在許多領域都得到了廣泛的應用。該方法具有快速、大面積掃測、直觀的優點。[80，81]特別是在建筑行業，利用紅外技術進行混凝土材料及結構的無損檢測，是紅外熱成像技術應用的一個重要領域，如進行橋梁的缺陷檢測[82]、混凝土結構的無損檢測[83，84]以及建筑結構的滲水檢測[85]等。

當前，國內外許多學者做了大量研究工作，將紅外熱像技術運用于混凝土內部的缺陷檢測。中國臺灣的Cheng等[86]用紅外熱像和彈性波的聯合檢測技術對混凝土結構物中的缺陷進行了檢測，兩種聯合的無損檢測方法可以有效地檢測出缺陷的位置及深度。法國的V.胡思（V.Huon）等[87]用紅外熱像法和數字圖像相關法分析了砂漿、混凝土和高性能混凝土試樣在準靜態荷載下的力學行為。紅外熱成像清楚地顯示了混凝土試件由凍結-解凍損傷而成的微裂紋狀態下的熱彈性耦合以及熱耗散。法國的隆（Luong）[88，89]利用熱成像技術研究了混凝土在疲勞和破壞過程中的熱紅外輻射特征，利用力-熱耦合效應分析了混凝土在疲勞、損傷、破裂和破壞等過程中伴隨的熱現象，監測損傷和破壞過程中微裂紋出現、發育和增長過程，判斷內部損傷的出現位置，進行疲勞強度評價等。此外，日本的稻垣照美（Terumi Inagaki）[90]、法國的戈利亞（Gorria）[91]、英國的達拓馬（Dattoma）[92]等，對材料或構件中缺陷的紅外熱像無損檢測都進行了大量研究。

在國內，杜耀峰等[93]對遭受高溫作用并冷卻后的混凝土試塊進行紅外線燈照射，利用紅外熱像儀檢測了高溫損傷試塊的熱像數據，得到了混凝土試塊紅外熱像平均溫升隨時間的變化曲線，建立了混凝土試塊紅外熱像平均溫升與過火溫度及強度損失的回歸方程。謝春霞等[94]從紅外熱傳導方程出發，導出了混凝土缺陷深度的定量計算公式，并采用紅外熱像檢測技術以及有限元分析的方法，在ANSYS中進行熱模擬分析，得到了計算缺陷深度的理論公式。趙鴻[95]針對混凝土內部空鼓缺陷的檢測進行了持續加熱紅外無損檢測試驗，利用大型三維有限元分析軟件ANSYS對混凝土缺陷紅外熱像檢測試驗的過程進行了模擬計算，定量研究混凝土紅外熱像檢測中對比度與缺陷參數的關系，以及缺陷邊界在紅外熱像圖中的表現特征。楊銳玲等[96]根據有缺陷混凝土試件溫度場差異，通過攝影采集混凝土結構灑水后溫度和不同時刻含水量變化等參數的圖像，并經圖像處理對傳統目視檢查難以觀察到的裂紋進行初步識別。陳玨[97]介紹了一維導熱方程、邊界條件及初始條件，推出了有缺陷區和無缺陷區樣品的表面溫度，并用紅外熱像儀進行了實驗測量。

由于混凝土的熱導率較小、傳導性能差，當遭受內外環境溫度變化等作用時，混凝結構體系往往存在很大的溫度梯度，形成了非線性溫度場。因溫度應力而引起的裂縫是造成混凝土結構病害和破壞的重要原因之一。現在許多大型工程的混凝土都必須在早期通過在結構中預埋溫度傳感器來監控內部溫度，以防由于混凝土內部水化放熱過快造成結構的開裂。混凝土的溫度場模擬是另一種有效的監測手段，通過測定特定的混凝土表面及內部邊界條件的溫度狀況，達到模擬混凝土整體溫度場的目的，從而可以有效地分析出混凝土結構中的缺陷部位。

國外的凱爾貝克（Kehlbeck）[98]在他的著作中闡述了橋梁結構的溫度效應問題，建立了橋梁結構溫度場分析的基本方法。普萊斯利（Priestley）等[99]研究了高速公路箱梁橋的溫度分布問題。此外，瑟斯頓（Thurston）[100]、艾爾巴德利（Elbadry）[101，102]、迪爾格（Dilger）等[103]分別研究了不同混凝土橋截面的溫度分布。在國內，王昌洪和施香嬌[104]采用ANSYS有限元軟件模擬混凝土的澆筑過程，同時考慮混凝土在不同的大氣溫度下澆筑、在不同的齡期遭遇寒潮以及采取一定的降溫措施后，混凝土的澆筑溫度不同等對其溫度場和應力場的影響。舒開鷗[105]采用有限元分析軟件ANSYS對大型橋墩的溫度場及溫度應力進行數值仿真，進而詳細分析環境氣溫對橋墩溫度場及溫度應力的影響，探求了在溫度突變情況下橋墩的開裂機理。何福渤和路新瀛[106]假定材料參數波動服從有限區間正態分布，對有限元劃分的網格中的各單元單獨賦予材料屬性，計算混凝土的溫度應力分布，以考察混凝土不均勻性的影響。計算結果表明，溫度應力方差隨材料參數波動的增大而增大，不同材料參數的波動影響大小不同，影響最大者為熱膨脹系數。