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基于紅外熱像法的水泥混凝土檢測技術研究,瀝青網,sinoasphalt.com
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基于紅外熱像法的水泥混凝土檢測技術研究
2020年05月22日    閱讀量:1217    新聞來源:許昌騰飛公路工程有限公司  |  投稿

基于紅外熱像法的水泥混凝土檢測技術研究 瀝青網,sinoasphalt.com

基于紅外熱像法的水泥混凝土檢測技術研究

周崢 王麗丹

許昌騰飛公路工程有限公司 河南 許昌 461000


摘要:溫度的變化對水泥混凝土材料結構和性能最顯著的影響是混凝土的體積會隨溫度的變化而變化,此過程的反復進行可能會引起組成相界面區域的熱疲勞損傷。因此,在溫度變化幅度較大的環境條件下混凝土各組成相間的溫度協調性也是一個必須考慮的問題。


關鍵詞:紅外熱像法;水泥混凝土;檢測技術


1.混凝土熱不相容性

我國內蒙、新疆等一些地區溫度變化幅度大,且常年處于干燥環境狀態(相對濕度最低為0%,新疆)瀝青網sinoasphalt.com。這些地區不僅日溫差高(最高35.8℃,1962年新疆),年溫差變化幅度大(最高98.4℃,1986年新疆),而且結構的溫度也較高(最高82.3℃,1974年新疆)。這些地方的混凝土開裂比較頻繁的原因就在于這些地方的環境溫度對混凝土的影響非常之大。


通常人們往往忽略環境溫度下的溫差對混凝土性能的影響。然而,當溫度超過某一臨界值或是溫度的反復劇烈波動多次,混凝土的結構就非常容易出現損傷。這種結構損傷往往出現在水泥漿體和集料之間的界面過渡區,是兩者熱相互作用的結果。


一些研究者對界面過渡區展開了深入的研究,指出其結構和硬化水泥漿體的有較大的區別,并認為其是混凝土中組成最薄弱的區域。另外,界面過渡區的一些主要特征包括過渡區的厚度很小,僅為50μm左右;過渡區的強度和密度均小于硬化水泥漿基體集料表面周圍的Ca(OH)2六方晶體較大。


當溫度產生變化時,混凝土中硬化水泥漿體和集料由于其熱膨脹特性的差異而在界面處產生相對運動和錯位的趨勢,而這個趨勢的大小則主要由溫度變化的大小和兩者的熱膨脹性能的差異所決定。溫度變化可以造成混凝土內部由于溫度梯度而產生熱應力,以及各相間由于熱作用變形而產生的擠壓應力。目前許多學者己經認識到這個機理適用于高溫環境下的混凝土,但在變化范圍較小的環境溫度范圍內(小于100℃),反復的熱疲勞循環也能對混凝土產生損傷。研究表明,當氣溫達到32℃時,混凝土試塊的溫度可達63℃;當氣溫達到40℃-47℃時,混凝土試塊的表面溫度可高達80℃-90℃。混凝土試塊經過365天環境溫度下的熱疲勞循環后,前60天其抗壓強度下降約12%,到120天時下降了約17%,而后變化不大。但是當混凝土表面的最高溫度達到90℃時,其120天后的抗壓強度降低了超過24%。


Kanellopoulos等人的研究表明,熱循環處理對水泥混凝土斷裂能量有十分顯著的影響,30次25-90℃熱循環處理后,混凝土的斷裂能量略有增加,而90次熱循環后,其斷裂能量降低大約10%。由此,多次熱循環后混凝土的性能顯著下降。


2.水泥混凝土紅外檢測技術

紅外熱成像技術是近年來發展十分迅速的一種結構無損檢測和監測技術。它利用自然界中一切物體都可以輻射紅外線的原理,使用探測儀測定目標和背景之間的紅外線差異并得到紅外圖像,即物體表面溫度分布圖像,利用熱傳導在物體內部的差異,進而判斷物體內部是否存在缺陷。紅外熱成像技術在許多領域都得到了廣泛的應用。該方法具有快速,大面積掃測,直觀的優點。特別的在建筑行業,利用紅外技術進行混凝土材料及結構的無損檢測,是紅外熱成像技術應用的一個重要領域,如進行橋梁的缺陷檢測、混凝土結構的無損檢測以及建筑結構的滲水檢測等。


當前,國內外許多學者做了許多研究工作,將紅外熱像技術運用于混凝土內部的缺陷檢測。在國外,Cheng等用紅外熱像和彈性波的聯合檢測技術對混凝土結構物中的缺陷進行了檢測,兩種聯合的無損檢測方法可以有效的檢測出缺陷的位置及深度。Huon等用紅外熱像法和數字圖像相關法分析了砂漿、混凝土和高性能混凝土試樣在準靜態荷載下的力學行為。紅外熱成像清楚地顯示了混凝土試件由凍結-解凍損傷而成的微裂紋狀態下的熱彈性禍合以及熱耗散。Luong利用熱成像技術研究了混凝土在疲勞和破壞過程中的熱紅外輻射征,利用力一熱禍合效應,分析了混凝土在疲勞、損傷、破裂和破壞等過程中伴隨的熱現象,監測損傷和破壞過程中微裂紋出現、發育和增長過程,判斷內部損傷的出現位置,進行疲勞強度評價等。此外,日本的阪上隆英、法國的Gorria、英國的Dat-toma等,對材料或構件中缺陷的紅外熱像無損檢測都進行了大量研究。


在國內,杜耀峰等對遭受高溫作用并冷卻后的混凝土試塊進行紅外線燈照射,利用紅外熱像儀檢測了高溫損傷試塊的熱像數據,得到了混凝土試塊紅外熱像平均溫升隨時間的變化曲線,建立了混凝土試塊紅外熱像平均溫升與過火溫度及強度損失的回歸方程。謝春霞等從紅外熱傳導方程出發,導出了混凝土缺陷深度的定量計算公式,并采用紅外熱像檢測技術以及有限元分析的方法,在中進行熱模擬分析,得到了計算缺陷深度的理論公式。趙鴻針對混凝土內部空鼓缺陷的檢測進行了持續加熱紅外無損檢測試驗,利用大型三維有限元分析軟件ANSYS對混凝土缺陷紅外熱像檢測試驗的過程進行了模擬計算,定量研究混凝土紅外熱像檢測中對比度與缺陷參數的關系,以及缺陷邊界在紅外熱像圖中的表現特征。楊銳玲等根據有缺陷混凝土試件溫度場差異,通過攝影采集混凝土結構灑水后溫度和不同時刻含水量變化等參數的圖像,并經圖像處理對傳統目視檢查難以觀察到的裂紋進行初步識別。陳玨介紹了一維導熱方程、邊界條件及初始條件,推出了有缺陷區和無缺陷區的樣品的表面溫度,并用紅外熱像儀進行了實驗測量。


由于混凝土的導熱系數較小、傳導性能差,當遭受內外環境溫度變化等作用時,混凝結構體系往往存在很大的溫度梯度,形成了非線性溫度場。因溫度應力而引起的裂縫是造成混凝土結構病害和破壞的重要原因之一。現在許多大型工程的混凝土都必須在早期通過在結構中預埋溫度傳感器來監控內部溫度,以防由于混凝土內部水化放熱過快造成結構的開裂。混凝土的溫度場模擬是另一種有效的監測手段,通過測定特定的混凝土表面及內部邊界條件的溫度狀況,達到模擬混凝土整體的溫度場的目的,從而可以有效的分析出混凝土結構中的缺陷部位。


國外的Kehlbeck在他的著作中闡述了橋梁結構的溫度效應問題,建立了橋梁結構溫度場分析的基本方法。Priestley等研究了高速公路箱梁橋的溫度分布問題。此外,Thurston等分別研究了不同混凝土橋截面的溫度分布。在國內,王昌洪和施香嬌采用有限元軟件模擬混凝土的澆筑過程,同時考慮混凝土在不同的大氣溫度下澆筑、在不同的齡期遭遇寒潮以及采取一定的降溫措施后、混凝土的澆筑溫度的不同等對其溫度場和應力場的影響。舒開鷗采用有限元分析軟件對大型橋墩的溫度場及溫度應力進行數值仿真,進而詳細分析環境氣溫對橋墩溫度場及溫度應力的影響,探求了在溫度突變情況下橋墩的開裂機理。何福渤和路新流瀛假定材料參數波動服從有限區間正態分布,對有限元劃分的網格中的各單元單獨賦予材料屬性,計算混凝土的溫度應力分布,以考察混凝土不均勻性的影響。計算結果表明溫度應力方差隨材料參數波動的增大而增大,不同材料參數的波動影響大小不同,影響最大者為熱膨脹系數。


3.結論

工程應用應進一步建立和研究基于紅外熱像法的水泥混凝土材料與結構內部缺陷檢測的無損檢測方法,利用有限元模擬方法研究環境溫度變化條件下材料與結構的溫度應力場,進行實驗驗證,并結合實際工程應用基于紅外熱像法的混凝土材料與結構服役狀態評定方法。


參考文獻

[1]徐洪國.混凝土材料與結構熱變形損傷機理及抑制技術研究[D].武漢理工大學,2011.


標簽:施工案例技術中心瀝青混凝土
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