基于光致发光传感技术的混凝土浅层微损伤快速无损表征

《TUNNELLING AND UNDERGROUND SPACE TECHNOLOGY》：Rapid non-destructive characterization of shallow concrete microdamage based on photoluminescence sensing technology

　　

# 摘要

为了实现对隧道衬砌早期微损伤的检测，本研究提出了一种面向现场应用的接触海绵-荧光示踪技术的颜色扩展方法，用于定性识别钢筋混凝土保护层区域浅层微损伤。与以往对单个微裂纹的荧光增强可视化不同，本策略利用水分吸收和蒸发的空间差异所导致的湿度依赖性荧光颜色差异，来区分相对高损伤区和低损伤区。在365 nm紫外照射下，这些区域分别可通过其绿色和黄绿色荧光响应加以区分，无需荧光显微镜或强制性的图像后处理。在相对干燥的检测条件下（例如某些山岭隧道中可能遇到的环境），该机制可能具有优势。在本研究的干燥实验室条件下，3至5分钟内即可获得可读的对比度。在室外条件下，显色时间更为多变，且强烈依赖于环境湿度。本研究的可行性通过实验室四点弯曲试验、线弹性应力状态分析以及在建筑物外墙上的概念验证演示进行了考察。后者旨在评估实验室之外的操作可行性，不应被解读为对实际隧道衬砌的验证。

## 1. 引言

混凝土是地下基础设施，尤其是隧道衬砌中使用的主要材料，其耐久性和安全性直接决定了整个隧道系统的全寿命周期性能（Yan等，2023；Chen等，2026）。在实际工程中，由于复杂的围岩压力和运营荷载，隧道衬砌表面层经常承受极高的应力水平（Zhang等，2023）。在这种高应力条件下，加上长期的环境侵蚀、地下水渗流以及频繁的低强度地震事件，浅层混凝土层（0.1–10 mm深度）极易发生内部微损伤的累积，包括微裂纹和孔隙扩展（Yu等，2023）。尽管这些早期损伤难以检测，但在持续的地下应力和水渗入作用下，它们会逐渐恶化，最终导致宏观裂缝、严重渗漏甚至灾难性的结构失效。因此，浅层混凝土的智能监测和早期损伤识别对于地下基础设施的预防性维护至关重要，比损伤后的宏观分析具有更大的工程预警价值。

现有的混凝土结构无损检测方法——包括声发射（AE）、红外热成像（IRT）、地面穿透雷达（GPR）、数字图像相关（DIC）、X射线计算机断层扫描（X-CT）、表面波方法、超声波检测和分布式光纤传感——在狭小的地下空间中面临重大局限。AE和IRT依赖间接指标，无法可靠检测小于0.1 mm的微裂纹（Saleem，2024；Chen和Liu，2004；Jank?等，2019）。GPR在潮湿环境中存在信号衰减，且受钢筋杂波干扰（Wang等，2025；Li等，2025）。DIC受限于表面且对光照条件敏感（Sano等，2026；Miarka等，2023；Zhou等，2021），而X-CT因成本和设备体积问题不适合常规使用（Wang等，2022；Hong等，2019；Mac等，2021）。表面波方法分辨率随深度降低，且受表面不平整干扰（Shiotani等，2001）；超声波检测需要良好的声学耦合，在粗糙的隧道衬砌上难以实现，且信号解释因混凝土非均质性而复杂化（Saleem，2024）；分布式光纤传感虽然具有良好的空间覆盖能力，但缺乏局部检测的灵活性，且设备成本高昂（Barrias等，2016）。尽管宏观无损检测方法允许大面积扫描，但它们缺乏检测早期微裂纹所需的分辨率。由于结构失效通常在局部应力集中处（如拱脚和拱顶）引发（Gattinoni等，2018），因此迫切需要一种针对关键节点的高精度局部检测方法。

在文化遗产保护领域，接触海绵法（CSM）已确立为一种用于评估多孔石材吸水性能的原位无损检测技术。该方法通过称量饱和海绵在受控接触材料表面前后的重量来确定表面吸水速率（Pamplona Vandevoorde，2009）。自Vandevoorde等人引入该方法以来（Simona Scrivano；Laura Gaggero，2017），该方法经历了持续的完善，i-CSM版本通过载荷参数化改进了测量的可重复性（Derluyn等，2026），并被正式标准化为EN 17655:2022（xxxx）。近期的研究进一步将CSM与中子射线照相相结合，提出了改进的分析框架以实现可靠的吸水性评估。这些基础研究已验证了CSM作为表征多孔介质水分传输的可靠工具，为其从文化遗产材料扩展到混凝土等其他多孔无机材料奠定了基础。

近年来，光致发光材料的出现为土木基础设施的智能传感开辟了新途径，利用其独特的光学特性实现实时、无损的状态评估。例如，Saleem等人率先开发并现场测试了用于交通标志的微相变光致发光材料，通过其持久发光性和对环境刺激的敏感性，显著提升了夜间可视性和安全性（Muhammad Saleem，2025）。此外，同一研究团队成功展示了夜光混凝土基标志的应用，展示了将光致发光剂直接整合到水泥基复合材料中以改善功能性和耐久性的潜力（Saleem，2021）。这些突破凸显了基于光致发光的损伤检测与性能监测技术的巨大潜力，但其在关键隧道结构微损伤识别方面的应用在很大程度上尚未被探索。

为弥补这一空白，本研究将我们先前建立的接触海绵-荧光示踪技术（Sun等，2026）进一步发展为一项面向现场的、基于颜色的传感策略，用于快速区分浅层损伤状态。该方法将湿度敏感荧光染料溶液与接触海绵技术相结合，利用毛细作用通过水分迁移可视化放大微裂纹，并利用该染料的湿度敏感特性实现微损伤的智能感知和分布映射（Andrey，2017）。尽管单次检测面积相对较小，但该方法为关键承载区域的局部检测提供了高分辨率的视觉信息。此外，该方法依赖水分蒸发梯度，在相对干燥的条件下可能有利于荧光显色，其中自然较低的 ambient 湿度本质上可增强微损伤的荧光可视化效果（微损伤区域呈绿色，完好区域呈黄绿色）。该方法的初步可行性通过实验室四点弯曲试验、线弹性应力状态分析以及在建筑物外墙上的概念验证演示进行了考察。

与参考文献（Sun等，2026）相比，本方法的主要进展在于将湿度敏感的荧光响应转化为可直接观察到的损伤分布颜色指标。在365 nm紫外照射下，可用肉眼快速区分相对高损伤区和低损伤区，无需荧光显微镜或强制性的图像后处理。

在机理层面，混凝土内部的连通孔隙结构为水和有害物质的迁移提供了通道，这不仅加速了结构劣化，也是内部开裂的根源。对于宽度小于0.1 mm的干燥收缩微裂纹，毛细水吸收速率随裂纹宽度增加而逐渐增大。在文化遗产保护领域，接触海绵法已被证明可有效用于多孔材料初始吸水速率的无损评估。借鉴这些原理，本研究将孔隙水吸收与蒸发过程耦合，利用荧光技术追踪水分迁移路径。所提出的荧光-毛细-海绵集成检测方法实现了浅层混凝土微损伤的定性可视化和初步空间识别，为建立隧道衬砌的智能监测和多机制协同耐久性评估系统提供了新途径。

这种从"宏观事后修复"到"微观智能监测与预防性维护"的范式转变，为提升隧道和地下基础设施的全寿命周期性能提供了新的理论支持和实用工具。图1展示了本文的技术路线。

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**图1.** 结构测试流程

## 2. 无损光致发光传感技术

### 2.1. 材料与设备

#### 2.1.1. 材料与试件

采用P·I 42.5硅酸盐水泥，其水泥熟料和矿物组成为：21.2% SiO?，4.91% Al?O?，3.65% Fe?O?，64.02% CaO，3.81% MgO，0.52% SO?，0.62% Na?O，0.85% f-CaO，57.84% C?S，17.14% C?S，6.82% C?A，11.1% C?AF。P·I 42.5硅酸盐水泥密度为3.14 g/cm3。

采用标准砂（0.08–2 mm）作为细骨料，配合比中未包含粗骨料。本研究采用的砂浆状混凝土配合比及其在3天和28天测得的抗压强度如表2所示。

**表2. 混凝土配合比与强度**

| 配合比 (kg/m3) | 抗压强度 (MPa) |
|---|---|
| 水泥 | 砂 | 水 | 3天 | 28天 |
| 875 | 875 | 350 | 16.0 | 45.2 |

本实验制备了六根尺寸为40 mm × 40 mm × 160 mm的钢筋混凝土梁作为试件。由于本研究关注混凝土中的微裂纹，预期裂纹宽度小于0.1 mm，因此在浇筑前于定制钢模具内嵌入两根Φ4（HRB400）钢筋，每根长166 mm，以控制裂纹宽度。混凝土保护层厚度为10 mm。钢筋混凝土梁试件的几何形状如图2所示。为防止小型试件中粗骨料的粒径和分布不均匀对水分传输造成局部扰动，试件制备时仅使用细骨料（文化遗产保护——接触海绵法测定吸水率；德国版本EN，2022）。这一选择是有意为之的，因为本研究旨在表征单个微裂纹的毛细吸收和荧光响应。此外，所提出的方法旨在评估保护层混凝土中的损伤，其中粗骨料的影响有限；因此，所采用的配合比与预期的测试场景一致。混凝土质量配合比为水泥：砂：水 = 1: 1: 0.4。浇筑后，试件在标准条件下放置1天后脱模，然后在20°C和95%相对湿度下养护28天。养护后，将试件从养护室取出，在60°C烘箱中烘干3天以促进毛细水吸收。随后进行四点弯曲试验。在四点弯曲试验之前，使用切割机去除钢筋突出端头。

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**图2.** 试件几何形状（单位：mm）

在60°C条件下烘干3天用于减少初始含水状态的变化并增强该可行性实验中的毛细吸收。该处理大幅降低了试件内部饱和度，也可能引发或扩大了干燥收缩微裂纹。与此可能性一致，在机械加载前的荧光表征揭示了若干既有缺陷。这些缺陷被视为初始基线条件的一部分，后续观察聚焦于增量加载期间发生的变化。然而，在本实验中，干燥引起的损伤和机械引起的损伤无法完全分离。因此，所采用的干燥处理应被视为实验室预处理，而非对运营中隧道衬砌含水状态的模拟。在现场应用中，仅在必要时可能采用温和的表面干燥，且其影响必须加以控制和记录。

#### 2.1.2. 接触海绵装置与溶液配制

接触海绵法的主要目标是提供一个水饱和且相对均匀的外部水源，模拟工程应用中的毛细水吸收过程。因此，特定操作（如海绵尺寸、水量等）未严格局限于EN 17655:2022标准，而是根据实验需要进行适当调整（文化遗产保护——接触海绵法测定吸水率；德国版本EN，2022）。本研究选择罗丹明6G作为荧光染料，因其具有较高的量子产率和对局部微环境的敏感性。该染料的水溶液替代水使用，配制方法为将罗丹明6G、K?CO?和去离子水按质量比0.05: 69: 500混合。该混合比的选择可参考之前的研究（Sun等，2026）。配制步骤如下：首先将0.05 g荧光染料溶于500 mL容量瓶中，充分振荡摇匀后倒出。随后加入69 g碳酸钾固体颗粒，搅拌均匀。溶液在黑暗环境中静置24 h，使用前充分摇匀。接触海绵装置的详细参数如表3所示。

**表3.**

接触海绵装置详情及溶液配比。试验名称海绵尺寸（mm）海绵类型容器尺寸（mm）溶液体积（mL）溶液质量比（g）四点弯曲试验矩形：40×85×17 PVA海绵亚克力容器，矩形：42×90×14，容器壁厚：3 40 0.05:69:500 墙体损伤检测圆形：直径55×7 棉垫培养皿，内径56×5，容器壁厚：18 0.05:69:500

2.2 实验设计

本研究采用四点弯曲试验诱导微损伤。加载采用恒载条件下的静态逐步加载方式。与传统试验相比，卸载后微裂纹可能会愈合，而持续加载允许实时记录裂纹的形成与扩展，更准确地捕捉应力状态下微裂纹的出现与传播（Kumar Mehta, 2013；Hearn, 1999）。因此，精确施加载荷需要控制加载速率。需要强调的是，荧光表征要求试件表面相对光滑。因此，选择混凝土试件的侧面进行表征分析，而成型面作为顶部加载的接触面。试样成型过程中，模具表面涂有脱模油。因此，在进行试验前，必须彻底清洁试件表面，以消除灰尘和油渍残留可能产生的影响。

试验使用微机控制液压万能试验机，对6个40 mm×40 mm×160 mm的混凝土试件进行测试。上跨距为40 mm，下跨距为110 mm。其中3个试件用于局部微裂纹表征。加载采用位移控制，速率为0.1 mm/min，终点力控设定为500 N、1 kN、1.5 kN、2 kN、3 kN、4 kN、6 kN、8 kN和10 kN。利用荧光吸附方法在卸载状态下表征初始微损伤。当达到每个力值时，载荷保持10分钟进行荧光表征以检测微裂纹。另外3个试件用于整体荧光着色表征。应变片（型号BFH120-10AA）粘贴在另一侧（顶部受压区和底部受拉区），用于监测损伤分布区域的应变。在加载过程中采用位移控制，加载速率为0.01 mm/min，逐渐加载至500 N。达到目标载荷后，恒力保持60分钟。差异化的加载速率和恒力保持时间专门针对两种不同的观察过程进行设计：一是荧光染料溶液吸附表面荧光着色的变化，二是对底部吸附荧光染料溶液中机械加载引起的微裂纹进行表征。因此，需要对加载速率和观察时间进行调整，以有效捕捉和分析这些现象。

2.3 微损伤的荧光表征与图像采集

试验在环境温度为22°C、相对湿度为30%的实验室中进行。实验室用接触海绵装置如图3所示。对于载荷诱导的微裂纹成像，使用宽度为10 cm的升降台将接触海绵装置置于试件下方，以确保毛细吸附过程中应力均匀且可控，施加的压力保持在1 kPa以下；该压力主要用于消除表面不规则引起的界面气泡。图4展示了通过混凝土底面吸附表征微裂纹的操作流程，以及通过表面吸附表征微损伤分布的流程。

图像采集在黑暗环境中进行。罗丹明6G荧光染料在波长为365 nm的紫外光激发下发出明显的黄绿色荧光。在吸附后1至5分钟内，可以观察到由局部微损伤引起的荧光颜色变化。对吸附表面进行紫外光照射，同时由固定距离的相机捕捉裂纹形貌和荧光响应，以确保高分辨率成像。使用分辨率为0.005 mm的裂纹宽度计测量试件底部裂纹宽度，使用分辨率为0.5 mm的刻度尺测量裂纹长度。整体损伤分布通过荧光吸附后1至15分钟内观察。可使用风扇加速表面干燥，以加快荧光观察。

值得注意的是，荧光发展过程与混凝土内部初始相对湿度密切相关。在实际工程应用中，当环境湿度较高时，可提前使用干燥设备干燥墙面，从而增强毛细抽吸作用。此外，在观察结果时也可使用干燥设备加速荧光发展过程。接触海绵-荧光示踪技术的详细步骤见附录A。

3 结果

本节展示并讨论四点弯曲试验中获得的荧光图像结果。第一部分展示了通过微裂纹毛细吸水在不同载荷下裂纹扩展的视觉地形（裂纹宽度<0.1 mm）。第二部分基于荧光染料的湿度敏感性，通过耦合损伤场与湿度场分析获取试件损伤分布图。第三部分通过有限元数值分析模拟混凝土试件在四点弯曲下的应力分布。最后，解释了荧光染料水溶液表征混凝土损伤分布的机理。

3.1 微损伤的荧光识别

本实验旨在研究荧光染料水溶液表征混凝土微裂纹的有效性，并通过四点弯曲试验实现微裂纹发展的荧光跟踪。将海绵放置于四点弯曲试件主应力集中区域上，因此选择试件中心作为表征区域。

图5展示了不同载荷水平下钢筋混凝土结构的裂纹扩展行为，以及在紫外光下直接目视检查获得的形貌图像。观察表明，即使在不加载条件下，试件中也存在微裂纹，这可能是由试验前烤箱存放期间的干燥收缩引起的微损伤所致。在3 kN载荷下，未观察到明显的裂纹扩展。当载荷增加至4 kN时，损伤演化从弹性阶段过渡到稳定裂纹扩展阶段；除初始缺陷外，可见一条明显的新微裂纹。从左至右将这些裂纹标记为裂纹1和裂纹2，沿截面高度垂直向上延伸。在水吸收过程中，底面与饱和荧光染料溶液的海绵接触后几秒钟内，裂纹迅速被溶液填充。在吸收完成后1分钟内拍摄荧光图像。随着载荷增加，微裂纹的长度和宽度逐渐增大，梁损伤加剧，裂纹尖端持续扩展。直到载荷达到10 kN（产生最大裂纹宽度0.12 mm）时，裂纹才肉眼可见。在此阶段，由于先前的吸附操作，吸水速率已减缓；尽管如此，仍可以观察到荧光染料溶液已吸附至裂纹尖端。在吸收完成后2分钟内拍摄荧光图像。此外，观察到裂纹被水填充后，水通过毛细作用垂直迁移，同时从已填充水的裂纹水平迁移至相邻基体。根据断裂力学研究，裂纹尖端前方会形成断裂过程区。在该区域内，施加的应变超过材料的抗拉强度，最终超过材料的抗拉应变容量。这就是混凝土中裂纹形成和裂纹扩展的过程。在断裂过程区内，由于微裂纹的形成，强度降低。正如预期的那样，水向该损伤区域的砂浆渗透比沿裂纹表面向未损伤材料渗透更快。随着载荷继续增加，顶部约束端逐渐失效，形成可见损伤。裂纹1显示出逐渐与顶部约束裂纹连接的趋势。相应地，图6展示了混凝土梁在载荷增加下裂纹宽度和长度的定量发展过程。

值得注意的是，两条裂纹均从初始干燥收缩裂纹开始扩展和延伸，表明干燥收缩裂纹也是裂纹萌生的关键因素。

3.2 微损伤分布的荧光表征

混凝土四点弯曲力变形可分为三个阶段：弹性阶段、裂纹形成与稳定扩展阶段以及损伤阶段。本研究提出的荧光传感技术可用于表征混凝土线性弹性阶段的损伤状态以及裂纹稳定扩展阶段，如图7所示。本节重点关注弹性阶段的微损伤，此时梁变形可逆，截面中不存在可见裂纹，毛细吸附在孔隙尺度（0.01–10 μm）最为显著（Xiong等, 2021；Ding, 2020）。载荷保持模拟了实际环境的受载状态。混凝土梁加载至500 N以捕捉微裂纹出现前的受力状态和微损伤分布。在载荷保持条件下，表征局部微裂纹与微损伤分布所需时间不同，这是因为单条微裂纹的毛细吸水速率更快，导致颜色迅速发展，与未开裂表面区域形成明显对比。表征损伤分布涉及观察表面的直接吸水，需要根据水分传输速率确定足够的观察时间。

为确认在500 N载荷下试件确实处于预期的弹性弯曲应力状态（即跨中底部受拉、顶部受压），在跨中顶部和底部附近贴附了两个应变片，如图8(a)所示。图8(b)展示了加载后应变读数随时间的变化。底部测得应变为+21.6 με（受拉），顶部为-66 με（受压），与四点加载下的弯矩分布一致。需要强调的是，这些应变读数仅用于验证加载配置的合理性并确认试件仍处于弹性阶段，并未作为基于荧光的损伤检测的参考或校准。室温为22°C，湿度30%，风速5 m/s。

加载并持荷后，在与海绵接触的5分钟内，吸附表面呈现出明显的荧光颜色对比。整体荧光颜色发展如图9所示。使用取色器识别出两个主要微损伤区域：区域I（底部，受力较大）呈现明显的绿色；区域II（顶部受压区及其他受力较小部分）呈现黄绿色。部分区域在紫外光下因光滑表面上染料附着力较少而呈现暗紫色，不影响整体分析。在四点弯曲受拉条件下，损伤集中在跨中纯弯段（≈L/3区域）。试验加载条件为混凝土损伤演化的弹性阶段，此时受拉区的骨料-浆体界面处萌生均匀微裂纹，肉眼不可见且无微米级裂纹。底部毛细吸附不明显。传统方法和现有技术无法直接确定这种微损伤。然而，荧光染料的湿度敏感特性在荧光图像中清晰揭示了微损伤分布。

3.3

四点弯曲混凝土梁的线弹性应力状态分析

为了补充四点弯曲试验结果并分析混凝土梁的内部应力状态，利用 COMSOL Multiphysics? 6.1 平台进行数值模拟，以开展定性应力状态分析。试件尺寸和支座跨度与实验室试验中采用的数值一致。在位移控制条件下以 0.01 mm/min 的速率施加荷载（瞬态分析）。弹性模量取 20 GPa，泊松比取 0.2。采用符合胡克定律的线弹性本构模型，并根据实验装置设置约束和边界条件。有限元模型及相应的模拟应力分布分别如图 10(a) 和图 10(b) 所示。

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图 10. 四点弯曲混凝土梁的线弹性应力状态分析：(a) 有限元模型、荷载配置及网格划分；(b) 模拟应力分布。

线弹性数值模拟表明，四点弯曲混凝土梁中的应力分布可分为两个关键区域：跨中纯弯曲段和支座附近区域。在跨中纯弯曲段内，底部区域承受显著拉应力，该应力呈弧形从中部向两侧边缘连续衰减；相比之下，顶部区域则处于相对均匀的受压状态。在支座附近区域，靠近支座的顶部区域形成明显的局部高压区，其特征为显著的压应力集中，该区域在空间上与实验室微裂纹表征阶段在顶部受压区观察到的混凝土压碎现象相对应。同时，靠近支座的底部区域在其中心部分表现出相对较低的应力水平，且应力向两侧边缘急剧衰减至接近零的状态。

需要指出的是，由于模型采用线弹性本构关系，且未考虑损伤萌生、裂缝扩展或水分传输等非线性过程，该模拟仅用于分析弹性应力分布，并不旨在直接模拟损伤演化或荧光响应。模型的主要作用是为实验观察提供力学背景。尽管如此，数值模拟所揭示的整体应力分布模式——包括跨中底部的拉应力梯度、顶部的均匀受压、支座附近的局部高压缩以及底部支座区域的低应力——与实验室试验中表征的损伤分布模式总体一致。这种一致性从应力场的角度为实验观察到的损伤区域位置提供了辅助的力学解释，但不应被视为对荧光传感机制或损伤演化过程的直接验证。

3.4 讨论

3.4.1 损伤分布的荧光传感机制

基于荧光的微损伤传感机制如图 11 所示。服役期间的大多数混凝土通常处于非饱和状态（Wu 等，2019）。环境中的水分通过毛细吸收和水蒸气扩散经由内部孔隙和裂缝内的水膜进入，气体也通过分子扩散与基体相互作用（Long 等，2023）。当外部水源接触混凝土表面时，水分通过毛细吸收快速渗入基体的裂缝和表面孔隙。在本研究中，海绵被用作外部水源的载体，并使用荧光染料水溶液代替纯水。荧光染料分子随水分一同进入混凝土；部分染料分子被吸附在基体内壁，其余部分继续以溶液形式迁移。

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图 11. 用于表征水泥基材料微损伤机制的光致发光传感技术。

在移除外部水源后，被吸收的荧光染料溶液继续在孔隙-裂缝网络内迁移，同时水分从暴露表面蒸发。在相同环境条件下，相对开放的裂缝和高损伤多孔区域通常能与周围空气更高效地进行水分交换，因而表现出更快的局部水分损失（Rusanov, 2014, , xxxx）。相比之下，较窄的裂缝和损伤较轻的区域在更长的时间内保持较高的局部相对湿度。由于染料的荧光响应对其局部湿度环境敏感（Gu 等，2021；Gu 等，2023），这些水分演化差异产生了可区分的荧光颜色。在本实验中，损伤较严重的区域通常表现出绿色响应，而损伤较轻或相对完整的区域则呈黄绿色。因此，在一致的干燥时间内观察到的荧光颜色对比可用于浅表微损伤空间分布的定性识别。

3.4.2 溶液碱度与化学相容性的初步评估

混凝土内部的孔隙溶液通常呈强碱性，pH 值一般在 12.5 至 13.5 之间。这种强碱性环境对于维持钢筋表面的钝化膜并防止钢筋腐蚀至关重要。本文研究了在 500 mL 容量瓶中制备的不同浓度（50 μg/mL、100 μg/mL、200 μg/mL、300 μg/mL）荧光染料水溶液在加入不同量 K?CO?（0.25 mol、0.5 mol、1 mol）后 pH 值的演化情况，图 12 展示了所制备的荧光染料水溶液。结果表明，该系统能够稳定建立强碱性环境，与混凝土孔隙溶液的自然高碱性环境高度吻合，从而为混凝土微裂纹的非破坏性检测提供了重要支持。

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图 12. 添加不同量 K?CO? 的荧光染料水溶液。

由图 13 可见，在未添加 K?CO? 的情况下，染料溶液本身的 pH 值介于 8.32 至 8.79 之间，远低于混凝土的 pH 值。然而，添加 K?CO? 后，溶液的 pH 值迅速升至强碱性范围。值得注意的是，在加入 0.5 mol 和 1 mol K?CO? 后，各浓度下染料溶液的 pH 值稳定在约 12.2 至 12.5。此外，在每个 K?CO? 添加水平下，荧光染料浓度的变化对整体 pH 值的影响微乎其微，表明该碱性体系对染料浓度波动不敏感，且能在较宽的染料浓度范围内维持稳定的强碱性环境，从而确保荧光信号输出和裂缝表征的可靠性。

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图 13. 不同浓度和 K?CO? 添加水平下荧光染料水溶液的 pH 值。

因此，通过添加 K?CO? 构建的强碱性荧光染料体系不仅与混凝土的自然碱性环境相容，能够实现非破坏性检测，而且具有优异的 pH 稳定性和浓度适应性（Vollpracht, 2016），为混凝土微裂纹的可视化和定性表征提供了安全高效的技术基础。

3.4.3 材料简化的影响与适用范围

所提出方法的荧光响应受毛细吸收、水分迁移、蒸发以及荧光染料湿度敏感性的耦合作用控制。这些基本过程在水泥砂浆和混凝土中均会发生。因此，本文的砂浆类试件适用于展示传感机制的基本可行性。然而，材料组成会影响这些过程的速率和空间均匀性。在实际隧道衬砌混凝土中，粗骨料、界面过渡区、矿物掺合料、表面处理和初始水分条件均可能改变孔隙连通性、染料吸附、吸收深度、蒸发速率和荧光对比度。因此，预期定性传感原理仍然适用，但观察时间、荧光阈值以及颜色响应与损伤严重程度之间的关系必须针对每种代表性衬砌材料和环境条件进行标定。所提出方法主要用于隧道衬砌可及内侧表面的局部检测。其标称传感深度约为 0.1–10 mm，仅限于第一层钢筋以上的浅层混凝土。因此，钢筋不会直接干扰海绵接触或表面荧光成像，但位于浅层检测区域内的粗骨料可能会引入局部不均匀性。

4. 建筑外墙的概念验证现场演示

为考察接触海绵-荧光示踪程序能否在受控实验室环境之外实施，在同济大学某建筑外墙下部开展了概念验证现场演示。所选墙体具有可及、相对平整的胶凝材料表面且无防水涂层，并包含可见裂缝和看似完整的区域。因此，它为考察表面制备、海绵接触、户外荧光显色以及可变环境条件下的紫外图像采集提供了实际场地。

该外墙演示并非旨在重现服役隧道衬砌的工作环境，也不是为了验证该方法在隧道工程中的适用性。实际隧道衬砌在混凝土组成、表面粗糙度、涂层、渗漏、粉尘污染、通风、环境湿度和可及性方面可能存在显著差异。因此，本部分结果仅证明了该程序在暴露胶凝材料表面上的操作可行性。在进行工程性能声明之前，仍需在代表性隧道条件下（包括干燥、潮湿、渗漏、有涂层和受污染的表面）进行验证。

测试期间，室外相对湿度约为 35% 至 65%。这种相对干燥的条件有利于荧光显色。然而，外墙环境不应被视为服役山隧的代表，因为隧道衬砌可能受不同通风、渗漏、污染、涂层和水分条件的影响。该演示的目的仅限于考察在暴露胶凝材料表面上进行表面制备、海绵接触、荧光显色和紫外图像采集的操作可行性。

测试对象为一面表面平整且无防水涂层的混凝土墙。其结构体系（图 14）包含内层钢筋混凝土层和砂浆抹灰面层，保护层厚度约为 10–20 mm，砂浆抹灰层厚度为 2–5 mm。为保持墙面美观并确保测试后不留痕迹，采用碳酸钾作为溶液中的显影剂。碳酸钾呈碱性，可保护混凝土，且不改变染料的湿度敏感性，也不会在日光下留下可见颜色残留。溶液按罗丹明 6G : K?CO? : 去离子水 = 0.05 : 69 : 500 的质量比配制。荧光染料为罗丹明 6G（R6G）粉末。溶液制备过程为：先配制荧光染料水溶液，然后加入碳酸钾，充分混合，静置 24 h，使用前充分摇匀。测试采用第 3 节中的接触海绵法，接触时间为 90 s。

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图 14. 建筑墙体的宏观结构体系。外墙表面为砂浆抹灰层，厚度约为 2–5 mm，其下为混凝土层。

测试前后一周内，室外环境干燥，日均温度为 19 °C，相对湿度约为 35%~65%。选择外墙下部进行损伤检测，所选位置和海绵接触操作如图 15 所示。

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图 15. 外墙损伤点选择及吸附操作。

采用接触海绵法将荧光染料溶液施加于所选墙面区域，接触时间为 90 s。在 365 nm 紫外照射下，移去海绵约 10 min 后，肉眼即可识别出可辨的荧光颜色差异。可见表面裂缝的区域呈现绿色响应，而看似完整的区域则呈黄绿色，这与实验室梁试验中观察到的总体荧光颜色对比一致。图 16 所示的照片在日落后拍摄，以减少环境光干扰并提高荧光图像的对比度。因此，照片拍摄时间不应被解释为目视检测所需的时间。高质量荧光成像需要使用暗室或充分遮光的环境，但在本次演示条件下，目视筛查结果本身在约 10 min 时即可获得。

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图 16。

不同可见表面状况的外墙区域的荧光响应：(a) 有可见裂缝的区域；(b) 无明显表面裂缝的区域。由于测试期间户外温度和湿度发生变化，初次目视观察后，水分再分布和荧光演变仍在继续。因此，可以在延长的时间段内进行额外观察，以评估荧光响应的持续性。然而，延长观察期是补充性的，常规定性检测并不要求这样做。如图 16 所示，图 16(a) 中具有可见表面裂缝的区域显示出绿色荧光响应，而图 16(b) 中看似完好的对比区域则呈现黄绿色。这一观察结果与实验室测试中观察到的定性颜色对比一致。然而，由于没有独立的参考方法来量化墙体的浅层损伤状态，这些结果应被解释为初步比较，而非定量验证。

图 17 展示了该立面的红外热成像结果。红外反射技术通过捕捉内部缺陷引起的表面温差，并将不可见的红外辐射转换为可见图像来定位受损区域。使用的红外相机为福禄克 TiR32（分辨率 320 x 240 像素，热灵敏度 (NETD) 45 mK，发射率 0.92）。天气状况包括早晨的零星毛毛雨和下午的阳光（温度≈20 °C）。检测图显示外墙表面存在高温异常（图 17 中的点 P2），经裂缝测量仪器确认含有裂缝。值得注意的是，红外热成像在观察到裂缝的顶部未显示明显的温度异常。这可能是因为裂缝狭窄，未影响内部热传递路径，或者是设备空间分辨率有限，限制了裂缝识别形态。然而，在随后的损伤区域成功捕捉到了显著的温度场梯度异常。与用于检测混凝土损伤的红外热成像技术相比，荧光检测方法表现出更高的灵敏度和识别微小损伤的能力，从而实现了对潜在问题的“早期检测”。

下载：下载高分辨率图像 (122KB) 下载：下载全尺寸图像 图 17. IRT-墙体：热图。

5. 结论
为了实现地下基础设施的智能监测和预防性维护，本研究提出了一种新颖的原位无损荧光毛细海绵传感方法，用于检测混凝土隧道衬砌的早期微损伤。主要结论如下：
1 基于颜色且无需显微镜的损伤区分：与我们先前报道的荧光增强显微鉴定单个微裂纹的工作（Sun 等，2026）不同，本方法利用湿度依赖的荧光颜色差异快速区分具有不同损伤状态的浅层区域。相对高损伤和低损伤区域分别表现出绿色和黄绿色荧光响应，无需荧光显微镜或强制图像后处理，即可在便携式 365 纳米紫外灯下通过肉眼直接识别。
2. 对干燥山区隧道的卓越适应性：该方法依赖于示踪剂施用后的水分再分布和蒸发。在本研究考察的干燥实验室条件下，通常在移除海绵后约 3-5 分钟内即可获得可读的荧光对比度。在外墙演示中，在户外条件下约 10 分钟时，肉眼识别出了可辨别的对比度。这些时间指的是视觉筛查；高质量的照片记录还需要黑暗或充分屏蔽的环境。
3. 无损且化学兼容：碳酸钾 (K2CO3) 的加入确保了染料溶液保持稳定的强碱性环境（pH 12.2-12.5），与天然混凝土孔溶液完美匹配，并保护内部钢筋免受腐蚀。
4. 促进预防性维护：外墙演示表明，海绵接触、荧光显色和紫外成像等基本操作可以在实验室之外的暴露水泥基表面上实施。然而，由于演示场地与实际运行的隧道衬砌存在显著差异，当前结果并未确立该方法在隧道工程中的检测性能或实用优势。这种适用性必须通过在具有代表性的表面和环境条件下的实际隧道衬砌上进行专用测试来评估。

尽管有上述贡献，但仍应承认若干局限性。所提出的方法主要用于现场快速定性筛查，而非直接定量测量损伤严重程度。在溶液施用、荧光显色、紫外照明和图像采集的标准化条件下，荧光颜色对比度及其空间分布使检查人员能够判断是否存在浅层微损伤，并在重复检查期间监测受影响区域的变化。可疑区域随后可以使用互补的定量技术进行检查。尽管这种定性可视化是有意的设计特性，但全面的性能验证仍需要定量指标。样品数量和实验重复次数有限是这项初步研究的局限。因此，当前结果主要展示了所提方法的可行性，不应被解释为其可靠性的完整统计验证。需要进一步研究，涉及更大的样本量、重复测量、不同的混凝土成分以及更具代表性的隧道衬砌条件。

为了解决这些局限性，未来的研究将集中在 (i) 在实际隧道衬砌上进行验证测试；(ii) 通过校准图像分析建立荧光特征与损伤严重程度之间的定量相关性；以及 (iii) 制定标准化的现场操作规程，以确保在不同环境条件下具有稳健性。尽管如此，所提出的方法提供了一种快速、低成本、高分辨率的局部微损伤检测工具，本研究代表了走向地下基础设施智能预防性维护的重要一步。

CRediT 作者贡献声明
孙雅雯 (Yawen Sun)：撰写 – 原稿，方法论，调查，数据整理，概念构思。
余海涛 (Haitao Yu)：资源，项目管理，数据整理。
卢克·塔维 (Luc Taerwe)：可视化，方法论。
江伟 (Wei Jiang)：撰写 – 审阅与编辑，可视化，验证，监督，资金获取，概念构思。
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