大壩心墻河床段基座混凝土裂縫的遠(yuǎn)程紅外監(jiān)測

喬俊明

(包頭市水庫管護(hù)中心，包頭 014030)

混凝土結(jié)構(gòu)是由水泥砂漿、外加劑等多種物質(zhì)按照一定比例混合而成的復(fù)合結(jié)構(gòu)，混凝土中包含較多物料，其機(jī)械性能也很復(fù)雜，具有抗拉強(qiáng)度低、離散性大、均勻性差等特點(diǎn)。同時(shí)，在施工過程中，施工工藝不當(dāng)、施工管理不善和施工條件復(fù)雜等因素，會給混凝土表面和內(nèi)部結(jié)構(gòu)帶來一定程度的破壞。而混凝土結(jié)構(gòu)的失效往往都是從材料的裂紋處開始的，裂紋的出現(xiàn)和擴(kuò)大，會對構(gòu)件的強(qiáng)度、剛度等產(chǎn)生不同程度的影響，甚至?xí)Y(jié)構(gòu)的承載力造成重大影響。目前，如何對混凝土結(jié)構(gòu)的裂紋分布及其尺寸進(jìn)行監(jiān)測，是國內(nèi)外許多研究人員和學(xué)者所關(guān)心的問題。因此，有必要采用一種有效的非破壞性測量技術(shù)對混凝土建筑物的裂縫性質(zhì)、尺寸和范圍進(jìn)行測量。

紅外熱成像技術(shù)是利用紅外熱像儀監(jiān)測對象，將紅外信號轉(zhuǎn)化為可測的電子信號，經(jīng)處理后的電子信號會呈現(xiàn)為一系列的紅外熱像圖并顯示被測對象的表面溫度場，檢測人員可依據(jù)溫度分布狀況判定被測對象有無間斷的缺陷。紅外熱像儀具有測量速度快、觀測面積大等優(yōu)點(diǎn)。筆者基于紅外監(jiān)測方法的優(yōu)點(diǎn)，將其應(yīng)用到混凝土裂縫監(jiān)測中并進(jìn)行試驗(yàn)。

1 基于紅外熱成像技術(shù)的混凝土缺陷區(qū)域監(jiān)測

1.1 監(jiān)測流程

混凝土缺陷的紅外監(jiān)測流程圖如圖1所示。

圖1 混凝土缺陷的紅外監(jiān)測流程圖

1.2 導(dǎo)電膜電阻拉敏效應(yīng)

根據(jù)電阻的拉敏效應(yīng)，裂紋在擴(kuò)展階段會引起電阻的產(chǎn)熱，進(jìn)而引起紅外熱圖的變化，監(jiān)測中，將導(dǎo)電膜布鋪設(shè)到混凝土的試件表面，接通電源，使其發(fā)生電熱轉(zhuǎn)變，產(chǎn)生檢測時(shí)目標(biāo)位置與周圍背景的溫度差[1]。

為便于后續(xù)分析，將所有導(dǎo)電粒子簡化為球體，將高分子電阻設(shè)定為定值[2]，導(dǎo)電薄膜的電阻R是通過電極間的導(dǎo)電顆粒和傳導(dǎo)路徑來確定的，可表示為

(1)

式中：Rm為導(dǎo)電粒子之間的電阻；Rp為導(dǎo)電粒子自身電阻；N為與電流方向平行的導(dǎo)電粒子數(shù)目。

在導(dǎo)電微粒間距大時(shí)，電流無法透過導(dǎo)電微粒的空隙，存在隧穿電流的情況，可將隧穿電流J表示為

(2)

式中：φ為波長；m、e分別為電子的質(zhì)量和電荷量；h與分別為計(jì)算常數(shù)與電粒子之間的高度差；S為外加電壓。

由于導(dǎo)電微粒的導(dǎo)電性與聚合物基質(zhì)之間存在很大的差異，因此可以忽略其本身的電阻性[3]，將結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的關(guān)系表示為

(3)

式中：a為導(dǎo)電粒子所占的比例；γ為電子濃度；n為采樣序列。

1.3 缺陷等級劃分

在自然界中，任何物體都可以輻射紅外線[4]，故可通過紅外熱成像監(jiān)測儀獲取紅外圖像，再利用測試目標(biāo)與背景目標(biāo)的溫差，獲得缺陷的檢測結(jié)果[5]。

將被測表面的輻射強(qiáng)度Lλ(T)表示為[6]

Lλ(T)=ελLλ(T0)+ρλLλ(Tu)

(4)

式中：T為基準(zhǔn)溫度；T0為被測對象的表面溫度；Tu為環(huán)境溫度；ρλ、Lλ分別為被測物體的表面反射率與吸收率；ελ為表面發(fā)射率。

因?yàn)樵撐镔|(zhì)的能量是由熱輻射和由該物質(zhì)所受拉應(yīng)力形成的附加能所疊加而成的[7]，所以將計(jì)算出的輻射能與所述輻射能相加得到

E=R1+E2

(5)

式中：E為該物質(zhì)能量；R1為1.2節(jié)計(jì)算出的參考導(dǎo)電參數(shù)；E2為物體受拉應(yīng)力后產(chǎn)生的輻射能量值。

為準(zhǔn)確地將上述觀測量提取出來[8]，需要對溫度反演，即

T=T0+ΔT

(6)

式中：T0為正常溫度；ΔT為在應(yīng)變速率變化后產(chǎn)生的附加溫度。

同時(shí)，受到大氣輻射影響，輻照會出現(xiàn)部分衰減，為此需要進(jìn)行修正，以滿足溫度轉(zhuǎn)換的需求[9]，可將輻射照度Eλ表示為

Eλ=A0d-2[τaλελLbλ(T0)+τaλ(1-ελ)]

(7)

式中：A0為熱像儀目標(biāo)可視面積；d為測量距離；τaλ為大氣光譜透射率；Lbλ為大氣發(fā)射率。

經(jīng)過處理后，獲得被測表面的真實(shí)溫度[10]，在此基礎(chǔ)上，根據(jù)缺陷區(qū)域溫度與正常區(qū)域溫度差劃分缺陷的等級，即

ΔT=|T1-T2|×100%

(8)

式中：T1為平均溫度；T2為缺陷區(qū)域的最高或者最低溫度。

上述過程可判斷檢測過的部分是否出現(xiàn)故障，但是不能深入表明其他問題，還需進(jìn)一步處理。

1.4 監(jiān)測后處理

經(jīng)過紅外檢測后，采用傅里葉變換與K-means聚類結(jié)合的方法處理紅外熱圖，二維傅里葉變換原理是在一維傅里葉變換的基礎(chǔ)上添加位置信息[11]，即

(9)

式中：*為傅里葉計(jì)算模式；T(n)為第n個(gè)采樣序列的采樣頻率；D為圖像序列長度；F(k)為位置信息；b為勢壘高度。

當(dāng)熱圖序列長度為N，采樣頻率為fs時(shí)，將振幅與相位關(guān)系[12]表示為

(10)

式中：Im[F(k)]為快速傅里葉變換的虛部；R[F(k)]為快速傅里葉變換的實(shí)部。

在此基礎(chǔ)上，通過K-means聚類算法對不同的數(shù)據(jù)中心進(jìn)行聚類，根據(jù)最近的數(shù)據(jù)分布，更新數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行迭代，最后得出圖像的幅度和相位，具體過程如下。

(1) 將第n張熱圖像素均值與方差記作?與μ，按照μ的順序排列圖像，獲得M張圖像。然后通過像素均值劃分區(qū)域，統(tǒng)計(jì)缺陷與無缺陷情況，分析不同情況的面積占比。

(2) 通過上述傅里葉變換得到相位圖序列[13]，按照頻率大小排列圖像。

(3) 初始化聚類中心[14]，篩選出缺陷處與非缺陷處[15]，獲得相應(yīng)的相位圖。

(4) 經(jīng)過篩選，計(jì)算各個(gè)區(qū)域的中心坐標(biāo)，即

(11)

經(jīng)上述過程計(jì)算出區(qū)域中心坐標(biāo)，達(dá)到識別和探測裂縫的目的。

2 工程實(shí)例分析

為驗(yàn)證提出的混凝土裂縫遠(yuǎn)程紅外監(jiān)測方法的有效性，筆者進(jìn)行了驗(yàn)證試驗(yàn)與工程實(shí)例分析。

2.1 驗(yàn)證試驗(yàn)

制作試驗(yàn)用混凝土試件，試件的強(qiáng)度為C30，混凝土材料中水泥、砂、石、水的配比為500…512…1 150…200。

生產(chǎn)混凝土所用的水泥是普通的硅酸鹽水泥，中砂材料為河砂，碎石粉材料為石灰石。

確定配比后，澆筑試件，過程如下。

(1) 將制作時(shí)需要的砂、石、水泥按照設(shè)計(jì)好的配合比放入到攪拌機(jī)中。

(2) 拌和材料，在攪拌過程中不斷添加水，水添加完成后停止?jié)仓?/p>

(3) 清理模具的內(nèi)壁，清理干凈后將混凝土漿注入到模具中。

(4) 壓實(shí)混凝土漿，排出其中的氣泡，并用抹鏟抹平表面，共制備8個(gè)試件。

(5) 靜置24 h后拆模，獲得試件。

試件準(zhǔn)備后，選擇CMT500型萬能試驗(yàn)機(jī)，施加不同的應(yīng)力，使混凝土發(fā)生不同程度的開裂。加載試驗(yàn)現(xiàn)場如圖2所示。

圖2 加載試驗(yàn)現(xiàn)場

該試驗(yàn)機(jī)加載速度較快，范圍較大，并且具有低周載荷循環(huán)的功能。試驗(yàn)時(shí)，將混凝土試件放置到試驗(yàn)機(jī)中的兩個(gè)支撐點(diǎn)之間，并調(diào)整支座的間距，使試件與加載試驗(yàn)機(jī)的表面充分接觸，施加壓力后，試件在中心點(diǎn)處發(fā)生斷裂。試件不同位置開裂形貌如圖3所示。

圖3 試件不同位置開裂形貌

為了避免試驗(yàn)過程中出現(xiàn)混淆，對試件進(jìn)行編碼處理。試件裂縫的基本參數(shù)如表1所示。

表1 試件裂縫的基本參數(shù) mm

采用所提監(jiān)測方法監(jiān)測裂縫的長度，裂縫實(shí)際長度與監(jiān)測結(jié)果對比如表23所示。

表2 裂縫實(shí)際長度與監(jiān)測結(jié)果對比 mm

由表2可見，所提的混凝土裂縫遠(yuǎn)程紅外監(jiān)測方法監(jiān)測到的裂縫長度與實(shí)際的裂縫長度相差較小，最大相差約5 mm，說明該方法準(zhǔn)確性較高。

某試件裂紋監(jiān)測圖像如圖4所示，生成的紅外監(jiān)測圖像如圖5所示。

圖4 某試件裂縫監(jiān)測圖像

圖5 裂縫紅外監(jiān)測圖像

圖5中，深色部分為裂縫較深的部分，顏色較淺的部分為裂縫不是很嚴(yán)重的部分，可見所提方法能夠按照實(shí)際裂縫情況，生成相應(yīng)的紅外圖像，效果較好。

2.2 工程實(shí)例分析

利用該監(jiān)測方法對某大壩進(jìn)行裂縫監(jiān)測。該大壩心墻河床段為某水庫擋水建筑物。該水庫總庫容為2.23億m3，最高壩高為59 m，壩頂尺寸為297 m×9 m (長×寬)。上下游壩坡坡率分別為1…2.38和1…27。壩體的填筑材料主要為砂礫石，心墻河床與上下游砂礫壩殼之間設(shè)4 m厚的過渡層。心墻底部設(shè)0.6 m的混凝土基座，該基座位于基巖砂礫層。

在大壩心墻斷面10個(gè)高程上設(shè)置多個(gè)紅外監(jiān)測點(diǎn)，監(jiān)測點(diǎn)位置如圖6所示。

圖6 監(jiān)測點(diǎn)位置示意

監(jiān)測點(diǎn)SR1～SR10的裂縫長度監(jiān)測結(jié)果分別為33，0，75，11，0，0，0，78，64，32 mm。可見，所提方法能夠有效監(jiān)測河床段裂縫，該工程在SR1、SR3、SR4、SR8、SR9、SR10監(jiān)測點(diǎn)位置存在裂縫，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行加固處理。

3 結(jié)語

(1) 所提出的遠(yuǎn)程紅外監(jiān)測方法在混凝土表面涂抹了導(dǎo)電膜，為后續(xù)監(jiān)測提供了便利條件。

(2) 筆者在獲得紅外圖像后，進(jìn)行了后處理，得到了更加準(zhǔn)確的監(jiān)測結(jié)果。

(3) 試驗(yàn)結(jié)果表明，不同裂縫生成的紅外圖像溫度分布也不均勻，顏色越深代表裂縫深度越大。所提方法能夠較為準(zhǔn)確地監(jiān)測出裂縫的長度。

(4) 工程應(yīng)用實(shí)例表明，該方法能夠有效監(jiān)測河床段裂縫，該工程在SR1、SR3、SR4、SR8、SR9、SR10處存在裂縫，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行加固處理。