鄧安仲，趙啟林，李勝波，沈小東，王友軍，姜雙斌

（1.后勤工程學院營房管理與環(huán)境工程系，重慶 401311；2.解放軍理工大學野戰(zhàn)工程學院，江蘇南京 210007；3.后勤工程學院科研部，重慶 401311）

混凝土是目前用量最多的建筑材料，廣泛地應用于道路、橋梁等工程中.混凝土裂縫是混凝土材料的一種缺陷，其長期存在于混凝土工程建設和使用過程中［1］.對混凝土裂縫進行長期有效的監(jiān)控是保障混凝土工程安全，避免出現(xiàn)重大事故以及防止混凝土工程病害，提高混凝土工程健康狀況的重要手段.傳統(tǒng)的混凝土損傷識別方法難以反映原位混凝土的損傷狀態(tài)，無損檢測技術方法則是獲得結構中原位混凝土真實損傷的唯一途徑［2］.無損檢測技術方法主要有超聲波法［3］、紅外熱成像法［4］、雷達法［5］、聲發(fā)射法［6］、沖擊回波法［7］以及電阻率測量法［8］等等.文獻［9－10］研究了碳纖維水泥基復合材料的導電特性及溫敏特性，然后利用這些相關特性實現(xiàn)混凝土自身的病害檢測.

對于橋梁等臨空、臨水大型結構物，要在較遠距離依靠人眼觀察發(fā)現(xiàn)細微裂縫（＜0.5mm），難度非常大.同時，對混凝土結構物裂縫進行長期監(jiān)測還較缺乏研究.本文基于高分子導電膜（以下均簡稱為導電膜）具有的電阻拉敏效應，即膜電阻率隨膜受力拉伸而增大，將其涂覆在混凝土試件表面作為電熱元件，再借助紅外熱成像儀測得混凝土表面各處熱輻射分布，從而實現(xiàn)對混凝土裂縫的遠距離快速探測和精確定位.

1 裂縫紅外熱成像監(jiān)測原理

1.1 導電膜電阻拉敏效應

導電膜主要由高分子樹脂基體和分散在高分子樹脂基體中的導電粒子組成.高分子樹脂基體在常態(tài)下是電絕緣材料，導電膜導電主要是靠導電粒子之間形成的導電通路而導電.不同種類的導電粒子具有不同的形狀：纖維狀、片狀、球狀、鏈狀等，但其導電原理相似.為了便于分析，將所有導電粒子簡化為球體.導電粒子形成導電通路主要有3種狀況（見圖1）：狀況Ⅰ為導電粒子相互重疊（重疊面積為A），直接形成導電通路；狀況Ⅱ為導電粒子相互接觸形成導電通路；狀況Ⅲ為相鄰導電粒子不接觸，但導電粒子相互之間距離（S，等同于絕緣阻隔層的厚度）較小，導電粒子間形成導電隧道.

圖1 導電膜導電模型示意圖Fig.1 Conductive model of conductive film

設定高分子樹脂基體的電阻為定值，其作為絕緣材料的電阻率遠大于導電粒子的電阻率.如果假定導電粒子在基體中均勻分布，則平行于導電通路方向上的其他路徑的電流就可以忽略［11］，因此導電膜的電阻（R）主要由電極間導電粒子和導電通路數(shù)目決定，可表示為：

式中：Rm是兩相鄰導電粒子間的電阻；Rp是導電粒子自身的電阻；N 為平行于電流方向的1條導電通路中的導電粒子數(shù)目；n 為平行于電流方向的導電通路數(shù)目.

當導電粒子間距S 很大時，電流無法通過導電粒子間隙.當S 較小時，導電粒子間有隧道電流J［12－13］.在低電壓下，隧道電流J 為：

式中：m 和e 分別為電子質量和電荷；h 為普朗克常數(shù)；V 為外加電壓；φ為相鄰導電粒子間的勢壘高度，其可利用導電粒子和高分子樹脂基體的功函數(shù)相減獲得.

假定發(fā)生隧道效應的絕緣阻隔層的有效截面積為a2，則兩相鄰導電粒子間電阻Rm為：

因為導電粒子的導電能力比高分子樹脂基體高很多，導電粒子自身的電阻相對可以忽略（Rp≈0），將式（3）代入式（1），可得導電膜電阻與導電膜微觀結構參數(shù)之間的關系為：

由于隧道電流強烈地依賴絕緣阻隔層的厚度，可以認為隧道效應僅僅發(fā)生在兩導電粒子相互靠近部分的1個極小區(qū)域.因此，如果導電膜內隧道效應中導電粒子所占比例越大，則電阻對拉伸變形越敏感.S 的細微變化可以導致隧道電流急劇減小，甚至形成斷路.這就是導電膜電阻率隨膜本身變形而變化的機理.

將導電膜涂覆在混凝土試件表面，由于膜與混凝土表面附著力好，且膜本身彈性模量遠小于混凝土彈性模量，因此膜在受力變形時不會對混凝土試件產生約束作用，并和混凝土試件變形保持一致.依靠測試導電膜某一時段內電阻變化值的大?。磿r電阻變化率），可以實現(xiàn)對混凝土試件變形開裂情況的監(jiān)測.

1.2 導電膜的電熱效應分析

將導電膜布設在混凝土試件表面，檢測時加載一定電壓的電源，使其發(fā)生電熱轉變，產生檢測所需要的與周圍背景的溫度差.導電膜在混凝土試件表面的布置如圖2所示.

圖2 導電膜布置Fig.2 Arrangement of conductive film

文獻［14］研究表明，混凝土裂縫處導電膜電阻率明顯大于無裂縫處，其等效電阻（R1）如圖3（b）所示.由于單個電阻的電熱功率與電阻成正比，當R1越大時，其消耗的功率也比周圍的電阻消耗的功率大，故混凝土裂縫處導電膜產生的熱量將大于無裂縫處.

圖3 導電膜等效電阻Fig.3 Equivalent resistance of conductive film

導電膜通電發(fā)熱的過程中，其熱量存在2個傳遞途徑：一是導電膜上表面與外面空氣進行換熱（Q1），二是導電膜下表面與混凝土基底進行換熱（Q2）.但是在混凝土裂縫處，導電膜熱量傳遞情況有所變化：一方面導電膜上表面與外面空氣換熱不變，另一方面因導電膜下方與混凝土脫離，故導電膜下表面只與空氣進行換熱（見圖4）.由于混凝土裂縫內部空間尺寸特征為寬度小（小于0.5mm）、深度大（一般在10mm 以上）、長度長（一般在50mm 以上），難以形成對流傳熱，因此導電膜下表面與空氣間的換熱是以傳導傳熱為主.

圖4 導電膜傳熱示意圖Fig.4 Heat transfer of conductive film

混凝土導熱系數(shù)為1.51W／（m·K）［15］，空氣導熱系數(shù)為0.0259 W／（m·K）.在相同厚度情況下，混凝土導熱系數(shù)是裂縫內空氣導熱系數(shù)的58倍.根據(jù)傳熱公式：Q ＝K·ΔT （式中：Q 為傳遞熱量；K為傳熱介質導熱系數(shù)；ΔT 為熱量傳遞兩點之間溫度差），如果初始ΔT 相同，則混凝土裂縫處導電膜傳遞損失的熱量明顯小于無裂縫處，這必然導致裂縫處導電膜溫度要高于無裂縫處.

混凝土裂縫處導電膜的電阻率較高，該部位導電膜產生的熱量遠大于無裂縫處；同時混凝土裂縫處導電膜傳遞損失的熱量又小于無裂縫處，這2個因素決定了混凝土裂縫處導電膜溫度相對較高，據(jù)此便可利用紅外熱成像儀進行裂縫特征判別.

1.3 紅外熱成像檢測

自然界中任何溫度高于絕對零度的物體表面都是紅外輻射源，其表面輻射功率M（W·cm－2）可由斯蒂芬－玻耳茲曼定律計算［16］：

式中：ε為物體表面輻射率，0＜ε＜1；σ為Stefan－Boltzmann常數(shù)，σ＝5.673×10－12W·cm－2·K－4；T 是物體表面絕對溫度（K）.物體表面所發(fā)射的紅外輻射與其表面溫度和表面輻射率相關.物體表面溫度場的分布直接反映傳熱時材料熱工性能、內部結構及表面狀態(tài)對熱分布的影響.導電膜在混凝土裂縫部位拉伸變形時，該部位電阻率明顯增大［14］，通電時混凝土表面區(qū)域電熱功率不均勻，引起裂縫處導電膜表面溫度分布有所差別，假定導電膜在此時的表面輻射率不變，由式（5）可知，其表面不同區(qū)域的紅外輻射會存在一定的差異.紅外熱成像儀根據(jù)不同區(qū)域紅外輻射能量差別，生成紅外熱圖像，從而達到識別和探測裂縫的目的.

2 試驗方案

2.1 試件制備

導電膜采用柔性導電涂料固化干燥而成.柔性導電涂料是一種自制的添加型碳系雙組分改性聚酯涂料.導電膜表面電阻率為0.81.0Ω·cm－1，斷裂延伸率為70%90%，適用環(huán)境溫度為－50～100℃.導電膜防潮性能優(yōu)異，耐酸、堿、鹽性能好，80℃下可半永久使用.混凝土板采用C30混凝土配2根φ4鋼絲制成，其尺寸為70cm×25cm×6cm.導電膜按文獻［14］的要求在混凝土板表面布設，其尺寸為50 cm×16cm.導電膜完全固化干燥后在其表面刷涂自制的水泥基裝飾涂料，厚度控制在1mm 左右.導電膜的初始電阻為160Ω.

2.2 試驗方法

測試地點在空曠場地，測試當天天氣晴朗，氣溫16℃.將混凝土試件垂直放于離地約50cm 高的凳子上，并使導電膜平面垂直于地面，同時避免陽光直射.采用煙臺艾睿光電科技有限公司生產的觀測型紅外熱成像儀，其基本技術參數(shù)為：探測器：非制冷紅外焦平面；像元：320×240；響應波段：814μm；工作溫度：－4065℃；靈敏度（NETD）：≤45mK.

首先將試件在自制的裂縫試驗平臺加載產生裂縫，用40倍裂縫放大鏡測量裂縫寬度.將混凝土板分別壓裂形成寬度為0.020.04 mm，0.10 mm，0.150.20mm，0.200.30mm 的裂縫.裂縫每擴展到1個寬度后，通20V 交流電300s，然后在離導電膜水平距離7m 的地方用紅外熱成像儀采集導電膜的紅外熱圖像.為了檢驗較遠距離的觀測效果，在離導電膜水平距離40m 處，用紅外熱成像儀采集裂縫寬度為0.150.20mm 時導電膜的紅外熱圖像.

3 試驗結果及分析

3.1 試驗結果

圖5，6分別為測試距離為7，40m 時導電膜的紅外熱圖像.

圖5 測試距離為7m 時導電膜的紅外熱圖像Fig.5 Infrared thermal images of conductive films at 7mdistance

由圖5可見，在測試距離為7m 時，隨著裂縫寬度的增加，紅外熱圖像中條紋亮度也明顯增加.由圖6可以看出，當測試距離為40m 時，由于視場范圍較大，紅外熱圖像存在較大的背景雜波，但是還是較為清晰地顯示出與圖5（c）（測試距離為7m）完全一致的亮條紋.

3.2 結果分析

圖6 測試距離為40m 時導電膜的紅外熱圖像（裂縫寬度0.150.20mm）Fig.6 Infrared thermal image of conductive film at 40mdistance（crack width 0.15－0.20mm）

圖5（a）（d）中高亮度條紋是混凝土試件表面溫度較高部分引起的.將紅外熱圖像中高亮度條紋重新在試件板上進行定位、標示，并與試件可見光圖像（圖略）中的裂縫情況進行比對.結果表明，紅外熱圖像中高亮度條紋與可見光圖像中裂縫的位置、走向高度一致.圖5（a）中A 標識的高亮度條紋與寬度為0.020.04mm 的裂縫相吻合；圖5（b）中A 標識的高亮度條紋與寬度為0.10mm 的裂縫相吻合，而B標識的高亮度條紋則和1條新出現(xiàn)的寬度為0.030.04 mm 的裂縫相吻合；圖5（c）中A，B標識的高亮度條紋和寬度為0.150.20mm 的2條裂縫相吻合；圖5（d）中A，B標識的高亮度條紋和寬度為0.200.30 mm 的2條裂縫相吻合，C 標識的高亮度條紋和1條新出現(xiàn)的寬度為0.04mm 的裂縫相吻合.上述表明本方法能夠分辨出裂縫的位置及其寬度大小.

圖6中的高亮度條紋和圖5（c）完全一致，表明本方法能夠實現(xiàn)遠距離、非接觸的快速檢測.

隨著裂縫寬度的增大，導電膜裂縫處的溫度增高，根據(jù)公式（5）可以得知，其向外輻射的能量越大，圖中條紋的亮度越大.

4 結論

提出了基于導電膜拉敏效應的混凝土裂縫紅外熱成像檢測方法.該方法能夠分辨出裂縫位置及走向，并提供出一定的裂縫寬度信息；該方法檢測裂縫精度達到0.04mm，檢測裂縫寬度為0.040.30mm，檢測距離達到40m，可實現(xiàn)對混凝土結構裂縫進行遠距離、非接觸、大面積的快速分布式監(jiān)測.

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