Page 20 - 水利学报2021年第52卷第6期

来的研究方向给出建议。

2 混凝土裂缝观测方法

为了确保混凝土结构服役期间的安全性，裂缝观测是结构维护中不可缺少的手段。目前研究者
常采用扫描电子显微镜法、X 射线断层扫描成像法（CT）、数字图像处理技术等对裂缝形貌进行观
测，这些方法主要是从试件或材料表面辨识裂缝形貌，进而量化表征裂缝形态参数（包括裂缝宽度、
长度、密度等）并建立其与混凝土渗透性的关系 ［12］ 。现代化的观测技术避免了试验测试过程中对混凝
土裂缝的二次破坏，混凝土裂缝观测的主要方法可归纳为以下 4 种。
2.1 染色侵入法（Dye-impregnation method） 为获得清晰的混凝土裂缝几何形态，在观测时可采
用染料浸渍处理混凝土裂缝表面。例如：Bisschop 等 ［13］ 采用荧光环氧树脂浸渍裂缝并通过荧光显微镜
观测混凝土的裂缝形态。Zhou 等 ［14］ 采用极细碳黑染料（约 0.5 nm）浸渍混凝土裂缝表面，并利用数字
光学显微镜观察裂缝的几何形状。Berrocala 等 ［15］ 开展了钢筋混凝土梁（RC）和纤维增强混凝土梁（R/
FRC）弯曲裂缝的试验，在裂缝中浸渍染色的环氧树脂之后，完成图像处理和分析，进而研究混凝土
内部裂缝的形态。Li 等 ［16］ 在混凝土加热后将环氧树脂浸渍进入其裂缝中并在室温下硬化，采用碳化
硅纸抛光试件表面和背散射电子图像分析技术（Backscattered electron image analysis），通过场发射扫
描电子显微镜（FESEM）观察超高性能混凝土的裂缝，并通过图像分析进行了表征。染色侵入法的缺
点主要是需要在试件表面进行切割、打磨、抛光等操作，表面处理时易造成试件内部的损伤，引入
新的裂缝并对水分传输结果产生干扰。
2.2 扫描电子显微镜法（SEM） 扫描电子显微镜（SEM）是观察微观结构变化的有力工具，可以动态
观察原始试件裂缝的产生以及扩展过程 ［13］ ，且可忽略三维显微图像和高放大倍率等的影响，测试分
辨率比较高。缺点在于试件的制备过程比较繁琐，显微镜扫描区域过小。
2.3 X 射线断层扫描成像法（X-ray CT） X 射线计算机断层扫描法（X-ray CT）是一种有效的无损检
测方法，可真实评估完整的三维裂缝几何形态，从而确定裂缝在何处以及如何开始、扩展和合并。
Landis 等 ［17-18］ 采用 X-ray CT 研究了砂浆试件的开裂过程。Fan 等 ［19］ 和 Isaka 等 ［20］ 通过 X-ray CT 和三维
（3D）图像重建方法分析了花岗岩的微观孔隙网络变化规律。Wang 等 ［21］ 利用 X-ray CT 探索了轴向压缩
下页岩的裂缝演变过程。目前断层扫描成像法的观测范围受到设备分辨率的影响，试件尺寸越大，
观测精度就会降低。
2.4 数字图像处理技术 与传统的手动观测方法相比，图像处理技术可提供精确的裂缝几何形态或

相关参数结果。裂缝观测的处理难度往往取决于图像的尺寸，提高分辨率可获取混凝土裂缝表面的
详细图像。Yang 等 ［22］ 提出了图像分析方法用于捕捉裂缝，该方法可在肉眼看不到裂缝之前检测出混
凝土的表面裂缝。Rimkus 等 ［23］ 利用开发的数字图像处理算法获得对应于裂缝的像素坐标，该算法的
主要贡献是实现了裂缝检测的自动化，可以消除传统试验的主观判断误差。Talab 等 ［24］ 提出了图像处
理的二值化方法（OTSU），利用光学荧光显微镜检测图像中的裂缝。Kim 等 ［25］ 基于计算机视觉方法，
采用 OTSU 自动从图像中提取裂缝形态信息。Valença 等 ［26］ 综合了图像处理和地面激光扫描（TLS）技术
（简称 MCrack-TLS），用于评估混凝土桥梁中的裂缝。Mohan 等 ［27］ 评述了与裂缝观测相关的 50 篇文
献，总结出图像处理技术自动识别混凝土裂缝形态参数的多种方法。Bayar 等 ［28］ 根据数字图像处理技
术（DIP）和 Voronoi 图，利用机器学习算法（MLA）测量、监视混凝土裂缝的宽度、长度、深度和几何
形状。这种新颖的现代化技术对裂缝观测具有精确、快速、价格低廉的优点，是一种无损观测方法。

3 开裂混凝土水分传输试验研究

混凝土的耐久性与材料孔隙中的水分传输密切相关。裂缝的存在不仅能促使水分流动的路径相
互连通，并且裂缝扩展导致混凝土渗透性不断提高，使得更多水及侵蚀性离子侵入混凝土内部而加

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