基于红外热像法的水泥混凝土检测技术研究

周峥 王丽丹

许昌腾飞公路工程有限公司 河南 许昌 461000

摘要：温度的变化对水泥混凝土材料结构和性能最显著的影响是混凝土的体积会随温度的变化而变化,此过程的反复进行可能会引起组成相界面区域的热疲劳损伤。因此,在温度变化幅度较大的环境条件下混凝土各组成相间的温度协调性也是一个必须考虑的问题。

关键词：红外热像法；水泥混凝土；检测技术

1.混凝土热不相容性

我国内蒙、新疆等一些地区温度变化幅度大,且常年处于干燥环境状态（相对湿度最低为0%,新疆）沥青网sinoasphalt.com。这些地区不仅日温差高（最高35.8℃,1962年新疆）,年温差变化幅度大（最高98.4℃,1986年新疆）,而且结构的温度也较高（最高82.3℃,1974年新疆）。这些地方的混凝土开裂比较频繁的原因就在于这些地方的环境温度对混凝土的影响非常之大。

通常人们往往忽略环境温度下的温差对混凝土性能的影响。然而,当温度超过某一临界值或是温度的反复剧烈波动多次,混凝土的结构就非常容易出现损伤。这种结构损伤往往出现在水泥浆体和集料之间的界面过渡区,是两者热相互作用的结果。

一些研究者对界面过渡区展开了深入的研究,指出其结构和硬化水泥浆体的有较大的区别,并认为其是混凝土中组成最薄弱的区域。另外,界面过渡区的一些主要特征包括过渡区的厚度很小,仅为50μm左右；过渡区的强度和密度均小于硬化水泥浆基体集料表面周围的Ca(OH)2六方晶体较大。

当温度产生变化时,混凝土中硬化水泥浆体和集料由于其热膨胀特性的差异而在界面处产生相对运动和错位的趋势,而这个趋势的大小则主要由温度变化的大小和两者的热膨胀性能的差异所决定。温度变化可以造成混凝土内部由于温度梯度而产生热应力,以及各相间由于热作用变形而产生的挤压应力。目前许多学者己经认识到这个机理适用于高温环境下的混凝土,但在变化范围较小的环境温度范围内(小于100℃),反复的热疲劳循环也能对混凝土产生损伤。研究表明,当气温达到32℃时,混凝土试块的温度可达63℃；当气温达到40℃-47℃时,混凝土试块的表面温度可高达80℃-90℃。混凝土试块经过365天环境温度下的热疲劳循环后,前60天其抗压强度下降约12%,到120天时下降了约17%,而后变化不大。但是当混凝土表面的最高温度达到90℃时,其120天后的抗压强度降低了超过24%。

Kanellopoulos等人的研究表明,热循环处理对水泥混凝土断裂能量有十分显著的影响,30次25-90℃热循环处理后,混凝土的断裂能量略有增加,而90次热循环后,其断裂能量降低大约10%。由此,多次热循环后混凝土的性能显著下降。

2.水泥混凝土红外检测技术

红外热成像技术是近年来发展十分迅速的一种结构无损检测和监测技术。它利用自然界中一切物体都可以辐射红外线的原理,使用探测仪测定目标和背景之间的红外线差异并得到红外图像,即物体表面温度分布图像,利用热传导在物体内部的差异,进而判断物体内部是否存在缺陷。红外热成像技术在许多领域都得到了广泛的应用。该方法具有快速,大面积扫测,直观的优点。特别的在建筑行业,利用红外技术进行混凝土材料及结构的无损检测,是红外热成像技术应用的一个重要领域,如进行桥梁的缺陷检测、混凝土结构的无损检测以及建筑结构的渗水检测等。

当前,国内外许多学者做了许多研究工作,将红外热像技术运用于混凝土内部的缺陷检测。在国外,Cheng等用红外热像和弹性波的联合检测技术对混凝土结构物中的缺陷进行了检测,两种联合的无损检测方法可以有效的检测出缺陷的位置及深度。Huon等用红外热像法和数字图像相关法分析了砂浆、混凝土和高性能混凝土试样在准静态荷载下的力学行为。红外热成像清楚地显示了混凝土试件由冻结-解冻损伤而成的微裂纹状态下的热弹性祸合以及热耗散。Luong利用热成像技术研究了混凝土在疲劳和破坏过程中的热红外辐射征,利用力一热祸合效应,分析了混凝土在疲劳、损伤、破裂和破坏等过程中伴随的热现象,监测损伤和破坏过程中微裂纹出现、发育和增长过程,判断内部损伤的出现位置,进行疲劳强度评价等。此外,日本的阪上隆英、法国的Gorria、英国的Dat-toma等,对材料或构件中缺陷的红外热像无损检测都进行了大量研究。

在国内,杜耀峰等对遭受高温作用并冷却后的混凝土试块进行红外线灯照射,利用红外热像仪检测了高温损伤试块的热像数据,得到了混凝土试块红外热像平均温升随时间的变化曲线,建立了混凝土试块红外热像平均温升与过火温度及强度损失的回归方程。谢春霞等从红外热传导方程出发,导出了混凝土缺陷深度的定量计算公式,并采用红外热像检测技术以及有限元分析的方法,在中进行热模拟分析,得到了计算缺陷深度的理论公式。赵鸿针对混凝土内部空鼓缺陷的检测进行了持续加热红外无损检测试验,利用大型三维有限元分析软件ANSYS对混凝土缺陷红外热像检测试验的过程进行了模拟计算,定量研究混凝土红外热像检测中对比度与缺陷参数的关系,以及缺陷边界在红外热像图中的表现特征。杨锐玲等根据有缺陷混凝土试件温度场差异,通过摄影采集混凝土结构洒水后温度和不同时刻含水量变化等参数的图像,并经图像处理对传统目视检查难以观察到的裂纹进行初步识别。陈珏介绍了一维导热方程、边界条件及初始条件,推出了有缺陷区和无缺陷区的样品的表面温度,并用红外热像仪进行了实验测量。

由于混凝土的导热系数较小、传导性能差,当遭受内外环境温度变化等作用时,混凝结构体系往往存在很大的温度梯度,形成了非线性温度场。因温度应力而引起的裂缝是造成混凝土结构病害和破坏的重要原因之一。现在许多大型工程的混凝土都必须在早期通过在结构中预埋温度传感器来监控内部温度,以防由于混凝土内部水化放热过快造成结构的开裂。混凝土的温度场模拟是另一种有效的监测手段,通过测定特定的混凝土表面及内部边界条件的温度状况,达到模拟混凝土整体的温度场的目的,从而可以有效的分析出混凝土结构中的缺陷部位。

国外的Kehlbeck在他的著作中阐述了桥梁结构的温度效应问题,建立了桥梁结构温度场分析的基本方法。Priestley等研究了高速公路箱梁桥的温度分布问题。此外,Thurston等分别研究了不同混凝土桥截面的温度分布。在国内,王昌洪和施香娇采用有限元软件模拟混凝土的浇筑过程,同时考虑混凝土在不同的大气温度下浇筑、在不同的龄期遭遇寒潮以及采取一定的降温措施后、混凝土的浇筑温度的不同等对其温度场和应力场的影响。舒开鸥采用有限元分析软件对大型桥墩的温度场及温度应力进行数值仿真,进而详细分析环境气温对桥墩温度场及温度应力的影响,探求了在温度突变情况下桥墩的开裂机理。何福渤和路新流瀛假定材料参数波动服从有限区间正态分布,对有限元划分的网格中的各单元单独赋予材料属性,计算混凝土的温度应力分布,以考察混凝土不均匀性的影响。计算结果表明温度应力方差随材料参数波动的增大而增大,不同材料参数的波动影响大小不同,影响最大者为热膨胀系数。

3.结论

工程应用应进一步建立和研究基于红外热像法的水泥混凝土材料与结构内部缺陷检测的无损检测方法,利用有限元模拟方法研究环境温度变化条件下材料与结构的温度应力场,进行实验验证,并结合实际工程应用基于红外热像法的混凝土材料与结构服役状态评定方法。

参考文献

[1]徐洪国.混凝土材料与结构热变形损伤机理及抑制技术研究[D].武汉理工大学,2011.