《CEMENT & CONCRETE COMPOSITES》：Rapid nondestructive assessment of water penetration into cementitious materials using smartphone-equipped handheld ground penetrating radar
编辑推荐：
本研究开发了一种基于智能手机配备的手持式探地雷达（Ground Penetrating Radar, GPR）的无损评估方法，用于快速评估水泥基材料中的水分渗透深度及润湿前锋演变。研究人员将多尺度孔结构与水化演变过程与分阶段吸水行为相关联。研究发现，电磁信号呈
本研究开发了一种基于智能手机配备的手持式探地雷达（Ground Penetrating Radar, GPR）的无损评估方法，用于快速评估水泥基材料中的水分渗透深度及润湿前锋演变。研究人员将多尺度孔结构与水化演变过程与分阶段吸水行为相关联。研究发现，电磁信号呈现出与毛细孔控制和凝胶孔控制的水分传输相对应的清晰两阶段响应特性。该方法特别适用于矿渣（Blast Furnace Slag, BFS）复合胶凝材料体系。研究结果表明，40%矿渣替代率下试样具有最优的抗水分渗透性能，其归因于孔隙细化效应；而过高的矿渣替代率则导致渗透性增加。通过与视觉测量结果进行对比，并采用Wilcoxon符号秩检验和Bland–Altman分析进行统计验证，确认了该方法在实验室尺度上的可靠性和一致性。此项技术的提出为现代低碳胶凝材料的耐久性评估提供了一种快速、无损的检测手段，有助于推动耐久性导向设计和可持续基础设施的发展。
**1. 研究背景与科学问题**
水泥基材料是现代基础设施的基石，但大量既有结构（如大坝、桥梁、隧道和公路）已进入服役中后期，劣化问题日益突出。氯离子诱发钢筋锈蚀、物理盐侵蚀、干湿循环和冻融损伤等耐久性病害的萌生与演进，本质上均受控于水泥基材料的传输性能，尤其是水分经毛细孔和微观通道的侵入过程。因此，量化表征水分吸收与渗透行为对预测结构长期性能至关重要。然而，现有评估方法存在明显局限：ASTM C1585仅监测质量变化而无法描述水分空间分布；BS EN 12390和DIN 1048侧重水密性而非自然毛细驱动过程；JSCE-G 582虽较接近实际暴露场景，但需对三个独立试件进行三次重复测试，材料消耗大、试验工作量大，且不适用于既有结构的原位评估。此外，该标准规定的指示剂在矿渣（BFS）复合胶凝材料中已被证实不可靠，制约了其对现代低碳胶凝体系的适用性。先进成像技术如中子射线照相、核磁共振成像和X射线CT虽能实现水分传输的时域分辨跟踪，但设备庞大、成本高昂、操作复杂。电学类方法（如阻抗谱、电阻层析成像和电阻抗层析成像）虽可推断水分渗透，但布设复杂且易受温度波动干扰。近红外高光谱成像虽对O-H基团敏感并可有效可视化水分渗透深度，但设备成本高、普及性差。上述局限凸显了开发一种快速、可靠、无损且适用于现代低碳胶凝材料水分渗透评估方法的迫切需求。
**2. 研究内容与方法**
针对上述问题，本研究提出了一种基于智能手机配备的手持式探地雷达（GPR）的无损评估技术，旨在快速评估水泥基材料的水分渗透深度及润湿前锋演变，特别适用于BFS复合体系，并系统建立孔结构、分阶段吸水行为与电磁响应之间的关联。研究人员制备了普通硅酸盐水泥（OPC）和BFS复合砂浆试件（BFS替代率0%、20%、40%、60%、80%，水胶比0.5），采用压汞法（Mercury intrusion porosimetry, MIP）和氮气吸附-脱附（Nitrogen adsorption–desorption, NAD）测试表征多尺度孔结构；采用热重分析（Thermogravimetric, TG）和X射线衍射（X-ray diffraction, XRD）表征水化产物与物相演变；利用智能手机配备的手持式GPR（Handy Radar NJJ-200K，频率范围700–3500 MHz）在毛细吸水过程中连续监测电磁波信号变化。GPR所测渗透深度与视觉测量结果进行对比验证，并采用Wilcoxon符号秩检验和Bland–Altman分析评估一致性。通过灰色关联分析建立了两阶段吸水速率与多尺度孔结构参数之间的定量关系。所有试验均在20±2 °C、75±5%相对湿度条件下养护1个月的砂浆试件（160 mm×120 mm×40 mm）上进行。
**3. 主要研究结果**
**3.1 孔结构与组成演变**
MIP和NAD结果表明，随着BFS替代率从0%增至40%，总毛细孔体积降低，大于200 nm的大孔明显减少，10–100 nm范围内的小毛细孔比例增加，孔隙率和曲折度降低；BET比表面积增大，小于3 nm的凝胶孔数量显著增加。TG和XRD分析显示，CH含量随BFS替代率增加持续降低，而结合水含量呈先增后减趋势，在40%替代率时达到最大值。非晶相含量从56%增至66.2%后略有下降并稳定在64%左右。上述现象归因于BFS的火山灰反应消耗CH生成额外C–(A)–S–H凝胶，细化了孔结构；但当替代率超过60%时，熟料稀释效应导致水化产物不足，孔结构粗化，总孔隙率显著升高。
**3.2 吸水过程中电磁信号演变**
GPR B扫描断面图像显示，吸水过程中空气-砂浆界面的反射信号几乎不变，而砂浆-金属界面反射波出现逐渐延迟且亮度降低，表明水分渗入导致介电常数增大、电磁波传播速度降低并伴随能量衰减。在前420分钟内，第二峰波形明显向右下方移动，即时间延迟增加、振幅降低；之后趋于稳定。这一两阶段电磁响应特征与吸水行为高度对应。
**3.3 渗透深度评估与可靠性验证**
GPR计算所得渗透深度显示，40% BFS替代率下试件的抗水分渗透能力最强。GPR结果与视觉测量值总体吻合，视觉测量值基本落在GPR所得上下限范围之内。Wilcoxon符号秩检验显示，除80% BFS试件外，其余各组P值均大于0.05，表明两种方法获得的渗透深度时间序列无显著统计差异。去除吸水后期敏感度较低的数据点后，80% BFS组P值亦显著增大。采用与视觉测量相同的空间采样策略重新分析GPR数据后，一致性显著提升。Bland–Altman分析显示，所有试件超过95%的数据点落在一致性界限（LoA）内，平均偏差接近零，偏度和峰度均处于合理范围，证实两种方法具有良好的一致性。
**4. 讨论与结论**
灰色关联分析揭示，第一阶段吸水速率与50–200 nm毛细孔及曲折度的关联度最高，表明初期吸水由大毛细孔网络控制；第二阶段吸水速率则与0–10 nm凝胶孔及BET比表面积高度相关，反映后期吸水受凝胶孔内吸附水和层间水控制。不同状态孔隙水（自由水与凝胶水）在介电性能上的差异，解释了电磁信号的两阶段响应机制：毛细水具有高介电常数和导电路径贡献，导致显著的时间延迟和振幅衰减；凝胶水受限极化能力弱，对体介电常数贡献有限，导致后期GPR灵敏度降低。研究表明，该GPR方法主要反映毛细主导的水分渗透过程，其灵敏度范围覆盖了影响耐久性的关键阶段。
**5. 研究结论**
本研究开发的基于智能手机配备的手持式GPR无损评估方法，可在实验室尺度上可靠地评估水泥基材料的水分渗透深度，并与视觉测量结果高度一致。40% BFS替代率通过孔结构细化赋予材料最佳抗渗性能。该技术具有体积小、便携性强、部署快速和操作简便等优势，为现代低碳胶凝材料的耐久性评估提供了有效工具。需要指出的是，本研究基于实验室砂浆试件，且设置了金属反射板以提供明确参考界面。在实际钢筋混凝土结构中，粗骨料、埋置钢筋及未知结构厚度可能影响电磁波传播特性，但水与水泥基体间的介电对比度仍远大于骨料与砂浆间的差异，因此该方法在实际结构中应用的基本物理前提依然成立。更大尺寸钢筋混凝土试件和实际工程结构的验证研究正在进行中。该论文发表于《CEMENT》期刊。
