Application of x ray phosphors in the testing of concrete cracks

Civil Engineering and Technology June 2014, Volume 3, Issue 2, PP.27-33

Application of X-ray Phosphors in the Testing of Concrete Cracks Xinhua Liu#, Shejun Deng College of Civil Science and Engineering, Yangzhou University, Yangzhou Jiangsu 225127, China #

Email: 1109039689@qq.com

Abstract In recent years, engineering accidents have occurred from time to time .The detection and monitoring of concrete structures crack has become the focus of security and quality inspection departments. Currently, there are some detection methods about concrete cracks, but they all have some common problems, such as poor intuitive, cannot detect the shape of cracks and so on. Based on the above shortcomings, this paper proposed and experimental tested the method using industrial TV development as the core technology which we called it “Detecting Crack with Ray & Fluorescence Powder”, in order to improve the intuitive and accuracy of detection by using industrial-ray detection principle and the principle of light-emitting phosphors, combing with micro-organisms and nanomaterials technologies. Based on “Detecting Crack with Ray & Fluorescence”, this paper also puts forward the idea, called “Detecting Crack with Ray & Micro-organisms”, of detecting crack by showing the place where micro-organisms are. The principle of two detection methods is the same, identifying the specific distribution of internal cracks in concrete through the good discrimination of medium under the x ray flaw detector, except that the mediators of the two methods are different. “Detecting Crack with Ray & Fluorescence Powder” is use for the crack with little vertical height while “Detecting Crack with Ray & Micro-organisms” is used for the large.

Keywords: Concrete; Crack Detection; Ray Detection; Phosphor

x射线荧光粉在混凝土裂缝检测中的应用研究 刘欣华，邓社军 扬州大学 建筑科学与工程学院，江苏 扬州 225000 摘

要：近年工程事故时有发生，对混凝土结构物的裂缝检测与监测已成为安检、质检部门的工作重点。目前也有一些

对混凝土裂缝的检测方法，但是它们都有一些共性的问题，如直观性差、不能检测出裂缝的形状等。基于以上不足之处， 本文从提高直观性、精确性的角度入手，运用工业上的射线探伤原理、荧光粉的发光原理，并结合微生物和纳米材料的 相关技术，以工业电视显影技术为核心提出并实验检验了射线荧光检裂法，在此基础上本文还提出了微生物射线示踪检 裂法的构想。两种方法的检测原理是相同的，即通过媒介物质在射线探伤仪中良好的显影区分度来识别混凝土内部裂缝 的具体分布，不同之处在于两种方法的媒介物质有所不同，射线荧光检裂法适用于检测竖向高差较小的裂缝而微生物射 线示踪检裂法适用于检测竖向高差较大的裂缝。 关键字：混凝土；裂缝检测；射线探伤；荧光粉

引言 我国的工程安全事故总量居高不下，随着我国经济的持续发展，安全事故问题会日益突出，对混凝土结 构物的裂缝检测与监测已成为安检、质检部门的工作重点。 目前国内外虽有多种方法检测混凝土裂缝如：超声波检测、冲击弹性波法、声发射(AE)检测法、摄影检 - 27 http://www.ivypub.org/cet

测法、传感仪器监测、光纤传感网络监测等主要方法[1]。但是以上方法都有一些共性问题，即它们都不能直 观地反映出混凝土结构物内部裂缝的形状和具体分布，因此根据现有技术的检测结果很难对裂缝进行更准 确、更深入的分析，后期的修复、加固工作也无法精确高效地进行。 为此本文从提高检测结果的直观性入手，借鉴工业上对金属材料焊缝检测的射线探伤技术[2]高直观度的 优点，在现有射线探伤技术的基础上进行创新，使射线探伤仪能对混凝土材料进行裂缝检测，弥补了现有的 几种检测方法的不足。本文提出的两种方法也有其局限性，即对射线探伤仪的穿透性有较高的要求，根据目 前的仪器水准只能对厚度在 1m 以内的混凝土试件进行裂缝检测。

1 研究思路 本文提出如果能往裂缝中注入一种可以附着在裂缝表面且易识别的物体，就可以通过对该物体的示踪定 位间接反映裂缝的内部轮廓。本文前后提出了 x 射线荧光粉和通过纳米材料连接荧光粉和微生物的复合体两 种检测媒介，运用前者我们提出了射线荧光检裂法，运用后者我们提出了微生物射线示踪检裂法。 射线荧光检裂法是将荧光粉配成适宜浓度的浊液，将浊液从裂缝口灌入裂缝的内部，浊液会在裂缝内部 沿横向和纵向渗透，从而荧光粉颗粒会吸附在裂缝的表面，将灌注后的混凝土试件放在射线探伤仪下进行检 测，通过显影技术可以在荧屏上清晰显示出构件裂缝的三视图，进过几何分析就可以得到裂缝的具体尺寸和 分布图，此方法的不足之处在于当裂缝的竖向高差较大时，从下向上灌注荧光粉浊液会比较困难。 微生物射线示踪检裂法是针对射线荧光检裂法的不足提出的一种新的构想，通过纳米材料将微生物和 x 射线荧光粉结合在一起，即借助微生物的自行繁殖能力可以反重力向上生长的特点从而将荧光粉携带到裂缝 的根部，该方法检测原理和射线荧光检裂法相同。具体研究思路如下图：

图 1 思路框图

2 射线荧光检裂法 - 28 http://www.ivypub.org/cet

2.1 基本原理 射线荧光检裂法的检测原理是利用射线的穿透性对混凝土构件进行透射，射线在穿透试件的过程中遇到 检测媒介----x 射线荧光粉会激发其发光，从而 x 射线的能量因被吸收而减小，通过检测媒介的 x 射线强度远 小于通过其他区域的射线强度。成像后图上的阴暗区就是内部裂缝的轮廓。通过对阴暗区的的三视图进行分 析可进一步得到裂缝的尺寸和分布情况。

2.2 对检测媒介的要求 射线荧光检裂法的检测媒介是 x 射线荧光粉，按照实验原理其应具备以下性能： （1）可识别性 x 射线荧光粉能在高强度 x 射线的的照射下发出荧光，且 x 射线有较强的穿透性可以穿透混凝土照射到 混凝土内部的 x 射线荧光粉，因此满足检测要求[3]。 （2）非渗透性 混凝土中的孔隙可以分为 4 类:超微孔（半径 r≤5nm） ；过渡微孔（5nm＜r＜100nm，也称微毛细孔） ；大 毛细孔[(1000-10000)nm＞r＞100nm]；非毛细孔[r≥(1000-10000)nm][4]。只要荧光粉的粒径大于混凝土气孔， 就可保证荧光粉不会在混凝土内部渗透。x 射线荧光粉不能溶于水，可配置适宜浓度的荧光粉浊液，将浊液 沿着裂缝口注射到混凝土内部。由于水和荧光粉两者不相溶，荧光粉颗粒的粒径不会在水中变小，因此浊液 中的荧光粉颗粒仍然不能渗透到混凝土的非裂缝区。 （3）附着性 水在混凝土内部仍有较强的流动性和渗透性，利用水的这一性质可将荧光粉携带到混凝土裂缝的根部， 这样水在渗透的过程中会把荧光粉附着在混凝土裂缝的破裂面上。 （4）均布性 注射前振荡注射器，可保证 x 射线荧光粉相对均匀地分布在水中，浊液在渗透的过程中也会把荧光粉相 对均匀地附着在混凝土的破裂面上。 （5）经济性 荧光粉成品的粒径一般在 12vm 左右，可以直接投入使用，x 射线荧光粉的市场价格为 150 元/100 克， 成本较低。

2.3 对检测仪器的要求 射线荧光检裂法的检测仪器是 x 射线探伤仪，按照实验原理该仪器应具备以下两点特性： （1）穿透性 目前 x 射线探伤仪已被应用到工业探伤领域，其主要是对钢材等金属材料进行无损探伤，目前的仪器水 准可对厚度小于等于 1 米的混凝土构件进行探伤检测，射线的穿透性将直接影响射线荧光检裂法的检测能力。 （2）具有成相功能 工业电视探伤仪带有裂缝分析的成像系统[5]。工业领域还有可以用于现场探伤检测的射线拍片仪器，其 成像清晰度比工业电视高[6]，但是此检测技术目前只运用在对金属材料的探伤检测中，本文成功将这项探伤 检测技术应用到对混凝土构件的裂缝检测中。

2.4 模拟实验 2.4.1 检验 x 射线荧光粉在 x 射线探伤仪下的识别效果 （1）实验准备 本次实验主要用到的仪器有 VARIAN/瓦里安 NDI-225 工业 x 射线管、泰雷兹 9 寸影像增强器 23xZ4ST、 - 29 http://www.ivypub.org/cet

工业电视成像系统、 钢制护板、 支架、 医用注射器、容器、搅拌棒。本次实验需要的主要材料有 20 克 Gd2O2S:Tb 荧光粉以及一个携带微小裂缝尺寸为 150×150×80mm 的混凝土试块 1。 （2）实验流程 ①用工业电视对未注射荧光粉浊液的试块1进行探伤拍摄。将试块1放在x射线检测仪下，用工业电视成 像系统对试块1进行观测。 ②配置荧光粉浊液。荧光粉浊液的浓度会影响实验的检测效果，经过实验比较本文得出结论：浓度为15％ -20％的荧光粉浊液检测效果最佳。 ③用注射器抽取荧光粉浊液。该步骤要注意每次抽取前要将容器中的浊液振荡均匀，抽取时应当拔掉针 头，防止针头孔径过小影响抽取速度从而加大容器中浊液的沉淀现象，影响浊液浓度的均匀性。 ④将浊液沿着混凝土裂缝注射到试件1表面。每次注射之前应当适度振荡注射器，保证荧光粉在水中分 布均匀。注射时将针头对准裂缝，保证足够量的浊液沿着裂缝往下渗透。需要说明的是此环节本应要封闭裂 缝再往内部注射荧光粉浊液。但是由于处在实验阶段，试块的放置可任意支配，所以实验中可以将裂缝口朝 上，保证浊液可以受重力作用沿着裂缝往下渗透。而在以后的实际检测中，会有底部和侧面裂缝，可以通过 打封闭针的方法将荧光粉浊液压入裂缝内部，犹豫封闭针的注射压力有限，所以该注射方法只适用于裂缝的 竖向高差不超过规定范围的情况。 ⑤清理试块1表面的荧光粉残渣，静置试件5min-10min。根据本文的实验原理：荧光粉的所在的位置就是 混凝土裂缝的破裂面。为了减少试块1表面残留的荧光粉残渣对检测效果的影响，应清理试件表面。为了保 证荧光粉浊液渗透到试块1的裂缝根部，应将注射后的试块1静置一定时间。 ⑥用工业电视对注射后的混凝土试件进行探伤拍摄。为了证明注射前后的检测差异是由荧光粉引起，实 验必须保证前后两次拍摄的x光强度相同，即控制前后两次仪器的电压、电流相同（前后两次拍摄：高压155KV 电流：4.0mA）。由于温度、湿度等环境条件对此次试验的影响不大，故可不放在控制范围内。 ⑦对比注射前后两次的检测图（图2和图3），分析荧光粉在工业电视探伤仪下的可识别度，做出结论。

图 2（左） 、图 3（右） 分别为注射荧光粉浊液前、后的探伤拍摄图

注：通过图 2 和图 3 对比可得图 3 中黑色条带状区域即是含荧光粉的裂缝区。 （3）实验结论 x 射线荧光粉在工业电视探伤检测仪中的识别度和区分度都很好，射线荧光检裂法可行。 2.4.2 分析检测结果得到裂缝的尺寸要素 已经检验了x射线荧光粉在x射线探伤仪下的识别效果是明显的，为了能够精确获得裂缝的尺寸要素，本 作设计了配套的计算方法来估算裂缝的尺寸要素，并通过实验对比进行检验，为此本作进行了如下实验。 （1）实验准备 - 30 http://www.ivypub.org/cet

本次实验主要用到的仪器有VARIAN/瓦里安NDI-225工业x射线管、泰雷兹9寸影像增强器23xZ4ST、工业 电视成像系统、钢制护板、支架、医用注射器、容器、搅拌棒、铅制标记、直尺。本次实验需要的主要材料 有20克Gd2O2S:Tb荧光粉以及一个携带较大裂缝尺寸为150×150×150mm的混凝土试块2。 （2）实验流程 ①往试块2的主裂缝中注射ｘ射线荧光粉浊液。 ②清理试块2表面的荧光粉残渣，并将其静置5min-10min。 ③在试块2的检测面上放置两枚铅制数字标记“1”，并用直尺控制两标记的间距为5cm。铅制数字标记能 在工业电视仪下显示出来，此处在检测面上放置数字标记是为了在检测图上可以通过比对和比例换算推得裂 缝的长度、宽度和深度。 ④取三个相互垂直的面分别进行射线探伤检测每次检测都是检测面朝上，并把数字标记放在检测面上， 按检测顺序对检测面进行1、2、3编号。 ⑤分析三次拍摄的检测结果，通过计算得到裂缝的尺寸要素。如图4、5、6所示，确定裂缝的长度、深 度、宽度。选择三个相互垂直的面进行拍摄，相当于建立了一个三维的空间坐标，各面的检测结果图即为试 块在对应方向上的内部结构投影图，1号图、2号图、3号图分别为xoy面、xoz面、yoz面上的投影图。 ⑥将试块沿着原裂缝完全劈开，量取裂缝的真实尺寸与计算值对比，检验改计算方法的精度。试块2劈 开后，表面附着白色荧光粉的区域即为裂缝区域，可以直接测量得到裂缝的长度和深度，但是无法量取裂缝 的宽度。

图 4 三个检测面的示意图

图 6 对 2 号检测面的结果图

图 4 对 1 号检测面的结果图

图 7 对 3 号检测面的结果图

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（3）裂缝尺寸计算方法 ①量取3幅图中两个铅字标的距离记为L1、L2、L3。为了减少相对误差，在测量长度时应将图片适当放 大，记L1、L2、L3代表的真实距离为Ｌ１＇ 、L2＇ 、L3＇，此处 Ｌ１＇=L2＇=L3＇=5cm。 ②量取1号图、2号图中所示裂缝的首尾直线距离记为l1、l2。1号图对应裂缝的长度，2号图对应裂缝的 深度。裂缝是以不规则曲线的形式发展的，但是工程领域里研究裂缝的发展深度通常指裂缝的首尾直线距离。 ③量取图中裂缝的最大宽度记为l3。由于裂缝宽度较小，测量误差较大，此处应用多次测量取平均值的 方法以减小误差，即l3=（l1＇+l2＇+l3＇ ）∕3。注：l1＇ 、l2＇ 、l3＇是对同一位置裂缝宽度的三次测量值。 ④计算l1、l2、l3所对应的真实距离L1＇ ＇ 、L2＇ ＇ 、L3＇ ＇ 。Li＇ ＇=li×(Li＇／Li)﹙i=1、2、3﹚。 ⑤本次计算结果如表1，劈裂后实际测量结果如表2。 表1 检测对象

裂缝长度

裂缝深度

最大裂缝宽度

检测结果

149.8mm

135.8mm

3.1mm

表2 检测对象

裂缝长度

裂缝深度

检测结果

149.6mm

136.1mm

注：将裂缝劈开后不能测量裂缝厚度。对于本计算方法，只需两个检测面的测量结果就能得到最终的结 论，3号检测面提供了裂缝的面域信息，不影响裂缝长度、深度和最大裂缝宽度的计算。因此在实际的工程 检测中，可根据构造物的具体情况取2-3个不同方向（对检测面是否垂直没有严格要求，在实验阶段因为试块 是正方体，所以选择了三个相互垂直的检测面）的检测面进行检测即可。 （4）实验结论 通过将计算数据与劈裂后的实际测量数据进行比对可以得出该计算方法的相对误差小于1%，满足工程精 度要求。

3 微生物射线示踪检裂法 微生物射线示踪检裂法的原理与射线荧光检裂法相同。微生物射线示踪检裂法的检测媒介是利用纳米材 料的生物效应和吸附性将微生物和x射线荧光粉有机结合起来，形成一个既可以在x射线照射下发光又可以在 混凝土裂缝区反重力衍生分布的复合体。微生物起搬运作用，纳米材料起连接作用，x射线荧光粉充当检测 媒介。 通过实验本文已经检验了射线荧光检裂法的可行性，对于微生物射线示踪检裂法本文首要说明的是将x 射线荧光粉和微生物通过纳米材料有机结合的可行性。 目前国内外对纳米材料的吸附性已开展了大量的研究[7-12]。在医疗工业中，纳米材料优异的吸附功能可 用于微生物的吸附和选择分离[13]。因此本文认为在以后的研究中，可能会有对相关的技术实现通过纳米材料 将微生物和x射线荧光粉结合的构想。

4 结论 （1）本文首先通过对比实验检验了x射线荧光粉在x射线探伤仪下具有较好的识别效果，这为射线荧光 检裂法的可行性研究提供了实验依据。 （2）在检验了x射线荧光粉在x射线探伤仪下的识别效果后，本作还设计了配套的计算方法即比例换算 法来估算裂缝的长度、深度和宽度，并将估算结果和试件劈裂后的实际测量结果进行对比分析，得到结果： 该估算方法的相对误差小于1%，满足工程精度要求。 - 32 http://www.ivypub.org/cet

（3）在射线荧光检裂法的基础上，本文还提出了微生物射线示踪检裂法的构想，通过查阅相关资料对 该方法进行了初步的可行性分析，基于实验条件有限目前无法进行相关实验，但是随着科学的进步，本文相 信在不远的将来构想会进一步得到实验认证。

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【个人简历】 刘欣华（1991-），男，汉，江苏南京人，现就读于扬州大学建筑科学与工程学院。

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