检测混凝土腐蚀产物的高光谱测试与分析方法

摘要

本发明公开了一种检测混凝土腐蚀产物的光谱测试与分析方法，包括以下步骤：(S1)建立混凝土原材料、水化产物、腐蚀产物的光谱库；(S2)根据检测对象性质，确定光谱采集的技术参数；(S3)不同环境下的检测目标光谱数据采集；(S4)实测光谱曲线预处理和特征参量提取；(S5)光谱曲线比值与求导处理，检测对象腐蚀性产物生成过程分析。本发明利用高光谱测量技术，采用便携式光谱仪对标准养护与溶液腐蚀条件下混凝土损伤劣化过程进行光谱采集，通过小波去噪、包络线去除等处理后，通过比值导数光谱法分析不同龄期与不同腐蚀条件下光谱特征的区别；检测混凝土在腐蚀溶液下膨胀性产物丰度，满足混凝土腐蚀性产物无损检测的需要。

说明书

技术领域

本发明涉及混凝土的无损检测技术，具体是一种检测混凝土腐蚀产物的高光谱测试与分析方法。

背景技术

混凝土的无损检测技术是在不破坏混凝土结构的前提下进行检测，获得人们最需要的混凝土物理量信息并将信息数字化、图像化处理，发现工程中可能出现的各种缺陷，解决工程中出现的问题。目前常用的混凝土无损检测技术通常是对钢筋混凝土结构实体的混凝土强度、缺陷(密实度、裂缝、新老混凝土接合面、疏松层等)、钢筋位置(直径可估测)等参数进行检测。

混凝土结构在实际服役的过程中，会受到各种复杂的力学作用和化学作用，尤其是化学腐蚀作用，会对混凝土性能产生影响。对于混凝土化学腐蚀的研究，通常采用扫描电镜、能谱、XRD衍射等方法进行微观分析，评价材料结构耐久性、安全性。但这些方法通常需要对混凝土进行取样，从而对混凝土结构产生了破坏，而且需要固定性系统设备，检测周期也比较长，连续性差。且对于在役混凝土结构来说，不可能分周期的提供大量样品进行有损检测。

近几年高光谱技术已经广泛应用于食品检测定级、农业调查监测及化工检测分析等领域，如油脂的真伪快速检测、农作物品质分析及土壤矿质成分动态检测等。采用高光谱测试与分析方法可以直观、简便、无损的对混凝土的腐蚀产物生成过程进行快速检测，此方法是对混凝土腐蚀产物无损检测技术的有益补充，对混凝土性能的研究具有重要的意义。

发明内容

本发明旨在解决现有混凝土无损检测方法存在的上述问题，而提供一种检测混凝土腐蚀产物的高光谱测试与分析方法，该方法具有非接触、无损检测的优势，可以对不同环境下的混凝土及时、准确、重复连续无损检测。

本发明解决其技术问题采用的技术方案是：

一种检测混凝土腐蚀产物的高光谱测试与分析方法，按以下步骤进行：

步骤1：建立混凝土原材料、水化产物、腐蚀产物的光谱库；

步骤2：根据检测对象性质，确定光谱采集的技术参数；

步骤3：不同环境下的检测目标光谱数据采集；

步骤4：实测光谱曲线预处理和特征参量提取；

步骤5：光谱曲线比值与求导处理，检测对象腐蚀性产物生成过程分析。

采用上述技术方案的本发明，与现有技术相比，有益效果是：

(1)具有非接触、无损检测的优势，可以在养护或腐蚀环境下重复连续监测，是一种及时、准确、连续的无损检测方法。

(2)利用高光谱测量技术，采用便携式光谱仪对标准养护与溶液腐蚀条件下混凝土损伤劣化过程进行光谱采集，通过小波去噪、包络线去除等处理后，通过比值导数光谱法分析不同龄期与不同腐蚀条件下光谱特征的区别；检测混凝土在腐蚀溶液下膨胀性产物丰度，满足混凝土腐蚀性产物无损检测的需要。

作为优选，本发明更进一步的技术方案是：

所述步骤1中包括以下步骤：

(1)采集混凝土相关的光谱曲线：利用光谱仪采集混凝土原材料包括水泥、砂子、石子、水、减水剂、矿物掺合料的光谱曲线；采集混凝土非腐蚀条件下水化产物的光谱曲线；采集混凝土腐蚀条件下生成产物的光谱曲线；

(2)对混凝土原材料、水化产物、腐蚀产物的光谱曲线进行包络线去除和归一化处理，提取原材料实测光谱曲线的特征参量，特征参量包括吸收位置P、吸收深度H、吸收宽度W、吸收对称度B、吸收面积S。

所述步骤2中包括以下步骤：

(1)在检测对象上选取无腐蚀环境下的混凝土A和腐蚀环境下的混凝土B作为检测点；

(2)设计监测总时间长S和光谱采集周期T，光谱测量总次数N＝S/T；

(3)确定单次光谱采集过程中光谱采集试样干湿程度、监测点个数与位置、采集最小距离、观测次数参数。

所述步骤3中包括以下步骤：

(1)对无腐蚀环境下的混凝土A、腐蚀环境下的混凝土B进行不间断N次光谱测量；

(2)混凝土A第i次光谱采集为若干点光谱测量的平均值，即K_i(i＝1，2，3，……，N)；

(3)混凝土B第i次光谱采集为若干点光谱测量的平均值，即L_i(i＝1，2，3，……，N)。

所述步骤4中包括以下步骤：

(1)对实测光谱曲线小波去噪平滑，去除包络线；

(2)混凝土A去除包络线处理后的曲线为SK_i，B目标去除包络线处理后的曲线为SL_i；

(3)提取波谱曲线的吸收特征参量，特征参量包括吸收位置P、吸收深度H、吸收宽度W、吸收对称度B、吸收面积S，确定检测对象的光谱吸收特征区间。

所述步骤5中包括以下步骤：

(1)混凝土A和混凝土B同一监测时间i的光谱曲线比值处理：光谱曲线(i＝1，2，3，……，N)；

(2)将光谱曲线与腐蚀性产物标准波谱库进行匹配，进行拟合分析；

(3)对光谱曲线进行求导，检测对象腐蚀性产物生成定量分析。

附图说明

图1是本发明实施例的流程示意图；

图2是石膏和钙矾石混合物光谱曲线；

图3是混凝土A、B实测光谱曲线去除包络线后光谱曲线；

图4是各龄期比值与求导后包络线去除光谱曲线；

图5是比值后光谱曲线与混凝土腐蚀产物光谱区配。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，为了更好理解发明的技术方案，现将原理结合具体实施例推导如下：

原材料及配合比。如表1所示，制备混凝土所用原材料包括水泥、粉煤灰、矿粉、细骨料、粗骨料、水、减水剂。水泥为唐山冀东水泥股份有限公司生产的P·O42.5普通硅酸盐水泥；粉煤灰为Ⅱ级灰；矿粉是用水淬高炉矿渣；减水剂为聚羧酸系高效减水剂；细骨料为天然河砂；粗骨料为5～20mm连续级配碎石。

表1混凝土配合比(kg/m³)

试验用混凝土试块的制备。共制作16块100mm×100mm×100mm的混凝土立方体试块，混凝土强度等级为C30。在养护室标准养护28d后，分A、B两组(每组8块)分别进行腐蚀试验，A组试块放入清水中浸泡，B组试块放入质量百分比为10％的Na₂SO₄溶液中浸泡，浸泡方式为全浸泡。

建立混凝土腐蚀生成产物光谱特征曲线。混凝土试块放入清水条件下，会生成水化硅酸钙和氢氧化钙等组分。当混凝土放入Na₂SO₄溶液里，除了会生水化硅酸钙和氢氧化钙等组分外，还会反应生成石膏和钙矾石等膨胀性产物。石膏和钙矾石混合物光谱曲线如图2所示。

确定光谱采集的技术参数。光谱特征试验采用北京安洲的SR-2500便携式地物光谱仪，其探测光谱范围350～2500nm。实验在暗室内进行，将混凝土试块表面晾干，放置在铺有黑色绒布的桌子上，采用卤素灯作为太阳光模拟器。测量时参考白板水平放置，探头距离所测物体高度约15cm，与水平面的法线夹角在10°以内。为了抑制环境噪声，对每个样品采集10个数据，剔除异常值后，取平均值作为最后光谱。

光谱采集与光谱曲线预处理。分别对A、B条件下采集浸泡时间为30d、60d、75d、90d、105d、120d的混凝土反射光谱曲线。对每个样品的多次测量光谱曲线取均值，对光谱曲线平滑滤波法。然后对400nm～2500nm波段进行间隔为1nm的重采样，重采样后的光谱曲线进行包络线消除。混凝土A、B的60d、120d实测光谱曲线去除包络线后光谱曲线如图3示。

实测光谱曲线处理后特征参量提取。光谱吸收特征参量见表2。

表2光谱吸收特征参量

光谱曲线比值与求导处理。A、B同一监测时间采集光谱曲线比值处理，得B120/A120曲线，如图4所示。

将比值后B120/A120波谱曲线与腐蚀性产物石膏和钙矾石的波谱库进行匹配，进行拟合分析，如图5所示。进行定量分析，如表3所示。从表3可以看出，比值后B120/A120光谱曲线在光谱区间1704-1833nm与石膏光谱曲线的波谱角(SAM)拟合度达到了0.932，突出了石膏的特征峰值；比值后B120/A120光谱曲线在光谱区间1352-1654nm、1704-1833nm、1857-2080nm与钙矾石光谱曲线的波谱角(SAM)拟合度达到了0.968以上，说明钙矾石在腐蚀性产物中占到了绝对优势，光谱特征明显。此外，比值后B120/A120光谱曲线与石膏、钙矾石的光谱曲线拟合(SFF)的结果均达到了0.919以上，说明比值后B120/A120光谱曲线是石膏和钙矾石光谱曲线的叠加，光谱特征明显。

表3 B120/A120与钙矾石、石膏光谱曲线拟合分析

因此，该高光谱测试与分析方法可以检测混凝土腐蚀产物的生成。