天津开发区建设工程试验中心 天津 300457
摘要：采用红外热像仪获得衬砌混凝土试块在受荷载作用过程中的红外热像图，通过对比分析研究红外热像与衬砌混凝土受荷载时的破坏情况，并引入平均红外辐射温度和熵理论。结果表明，衬砌混凝土的应力～应变曲线每一阶段变化都有一幅红外热像图与之对应;平均红外辐射温度不能反映出混凝土表面因裂纹导致的温度分异情况，而熵值可以较好地反映出试块表面温度的不均匀程度。
关键词：红外热像技术，混凝土，检测，现状，发展
1、红外热像技术在混凝土检测中应用的必要性
混凝土因具有价格低、抗压强度高、易成型、抗压强度高等优点，被广泛应用于各种建筑物。但是经过多年经验的积累和理论分析得知，相当一部分混凝土建筑物或多或少都有一些损伤，这些损伤在外荷载和其他因素的作用下会不断的累积和扩展，使混凝土的强度和耐久性逐渐的降低，带来诸多的安全隐患。因此，需要对已经修建多年的混凝土建筑物进行检查，发现问题及时进行维修和加固。混凝土建筑物中出现问题最多的就是混凝土的开裂问题，导致混凝土开裂的原因有许多，出现最多的有5种情况:荷载引起的开裂;温度场分布不均匀导致的裂缝;混凝土干燥收缩引起的裂缝;地基变形引起的裂缝;由于钢筋的锈蚀导致的混凝土开裂。对混凝土建筑物进行实时检测是保证其安全可靠的一个重要环节。
2、试验设计
2.1试验仪器
加载设备选用TAW－2000电液伺服岩石三轴试验机。为了能够清晰地提取混凝土试块在不同应力状态下相应的表面温度场，将混凝土试块先加热，使混凝土试块表面温度高于周围环境温度，采用的加热仪器为202型电热恒温干燥箱，加热范围为0℃～100℃，符合试验要求。红外热像仪采用FLUKETi400红外热像仪，所测温度范围为－20℃～1200℃，精度为±1℃，其利用激光测距的高精度技术实现快速、精准对焦，内置500万像素工业级高清数码相机，图像清晰。
2.2混凝土配合
试验所用混凝土试块尺寸为100mm×100mm×100mm立方体试块，浇筑完成的混凝土试块24h后拆膜，然后进行标准养护28d。
2.3试验过程
为了能够获得被测物体清晰的红外热像图，试验前将被测混凝土试块在恒温箱中进行加热，以提高其表面温度，最大限度克服周围环境对被测物体的影响。试验过程中，禁止人员走动，关闭门窗，避免空气的流动。
3、试验结果分析
3.1混凝土试块试验
混凝土试块在单轴压缩载荷作用下，损伤破坏过程可分为7个阶段。
第一阶段:刚开始加载混凝土试块时，红外热像图1(a)中未出现温度异常，温度分布较规则，并且AB、CD段上的温度分布曲线上下波动均匀，表明此时试件还没有产生变形、损伤。第二阶段:红外热像图1(b)开始出现温度分布不均匀的情况，CD段温度曲线出现不规则的波动，表明该处在压缩载荷的作用下开始产生轻微的损伤。
第三阶段:由红外热像图1(c)可以看出温度分布不均匀部分扩大，CD段内出现温度突降区域。
第四阶段:AB、CD段温度曲线均出现不规则波动，红外图像温度分布不均匀更加明显，可以在红外热图像(图1(d))上看到不规则高温条带，表明此处混凝土已有裂纹。从应力～应变图(图2)中可以看到，应力～应变曲线斜率开始由增变减，说明混凝土试件整体已经开始出现损伤。
第五阶段:AB、CD温度曲线波动更加不规则，尤其是AB段，红外热像图1(e)上的裂纹分布更加清晰，裂纹在不断扩展，但还没有贯穿整个试件。从应力～应变图(图2)中可得，此阶段σ～ε曲线开始呈非线性增长，斜率不断变小，说明混凝土的弹性模量也在下降，开始进入塑性应变阶段。
图 2 红外热像图与应力 ～ 应变曲线的对应位置
第六阶段:红外热像图1(f)的整体温度也明显降低，温度曲线的波动幅度较大，尤其是AB段。混凝土开裂程度更加严重，此时从对应的普通照片上可以看出裂纹已经贯穿试块。第七阶段:混凝土表面的破坏情况在红外热像图1(g)上更加清晰可见，低温区再次扩大，表明试块表层混凝土开始脱落，混凝土的承载能力开始下降，试块被压缩位移增大。从应力～应变图中也可以看出，应力逐渐下降，而应变继续增长。对比普通相片与红外热像图，红外热像图中温度的分布可以较好地反映出混凝土试样的损伤程度。
3.2平均红外辐射温度
通过每张红外热像图绘出AB、CD线段上的平均温度随时间的变化曲线图。 ，混凝土试块加载过程中AB、CD线上的平均红外辐射温度整体均呈下降趋势，在混凝土临近破裂时AIＲT曲线也未表现出明显的趋势性转折变化。原因为AIＲT是把所要研究区域内的全部像素的温度值都考虑在内，用来反映物体表面红外辐射的整体强度，而不能有效反映出其对物体表面温度场的空间分布情况。
3.3熵值
熵表示能量在空间中分布的均匀程度，分布越均匀，其熵值越大。将所得到的红外热像温度数据，代入熵值公式得到熵值。熵值计算公式如下:
I(t)=－∑Nn=1Pn(t)logPn(t)
式中:I为熵值;t为不同的时刻;N为系统内部状态可分为N个等级;Pn(t)为在该等级事件发生的概率。
分别计算出施加荷载10、50、100、210、300、
460、570和664s时所对应的熵值，分别为0.743、0.671、0.542、0.399、0.334、0.283、0.266、0.247。
为了便于比较，将混凝土的应力及熵值随时间的变化绘制在同一张曲线图中。
随加载时间的增加，熵值逐渐减小，表明试块表面温度分布越来越不均匀，且在峰值后熵值～时间曲线斜率有所变大，试块破裂严重，承载力急剧下降。
4、结束语
综上所述，结合红外热像技术的应用，混凝土检测中可以更为有效的利用红外热像技术，本文提出了红外热像技术的应用方法和应用的发展趋势，可以为今后的应用带来借鉴。
参考文献
[1]李莹、田园；红外热像技术提高了建筑节能测试水平[J]；石油石化节能；2016年03期
论文作者:王茂鹏
论文发表刊物:《基层建设》2017年第36期
论文发表时间:2018/3/28
标签：混凝土论文; 温度论文; 应力论文; 曲线论文; 应变论文; 荷载论文; 损伤论文; 《基层建设》2017年第36期论文;