張澤群 要會濤 陳嬿婷 郭筱雨 俞毛寧

摘要：暴露在自然條件下的混凝土結(jié)構(gòu)，在長期的光照、雨水和風(fēng)力等多種環(huán)境荷載作用下，其結(jié)構(gòu)表面容易產(chǎn)生傷損裂紋，降低服役壽命，嚴重時甚至?xí)l(fā)安全問題。目前，針對混凝土結(jié)構(gòu)的傷損檢測工作通常在夜間進行，在弱光照條件的客觀因素影響下，結(jié)構(gòu)表面的傷損裂縫往往難以發(fā)現(xiàn)，相關(guān)隱患不能得到及時有效地排除?；诖?，本文提出利用混凝土缺陷處和非缺陷處的溫度差異特性，采用紅外熱成像技術(shù)對混凝土表面?zhèn)麚p裂縫進行準確有效地檢測并根據(jù)像素映射關(guān)系對裂縫尺寸進行預(yù)估和計算。

關(guān)鍵詞：紅外熱成像;表面裂縫;實驗設(shè)計;傷損識別

服役狀態(tài)下混凝土結(jié)構(gòu)，其導(dǎo)熱性能差和傳熱不均勻，內(nèi)部溫度出現(xiàn)周期性的變化，使得結(jié)構(gòu)表面會產(chǎn)生溫度裂縫，影響結(jié)構(gòu)板結(jié)構(gòu)的可靠性和耐久性?，F(xiàn)階段混凝土結(jié)構(gòu)表面?zhèn)麚p的檢查多采用人工方式，同時常在夜間進行。但夜間光照條件差，人眼易受到光照條件限制，無法及時準確的發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)傷損病害。采用紅外熱成像檢測的方式，可以極大地避免夜間受光照條件的限制，使檢修人員能夠及時準確的發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)病害，并對其進行維修處理，減少事故發(fā)生的危險。

一、實驗設(shè)計

在實驗室制作邊長為150mm的正方體混凝土試塊。首先將水泥、細砂、石子、水按一定配比進行充分攪拌。完成后，將拌合物緩慢注入到預(yù)涂凡士林的模具中，在注入拌合物達到二分之一模具高度時放入加熱墊片并進行固定。繼續(xù)加入拌合物，直至模具表面。將一定長度的細木條半埋在模具表面，以此模擬試塊表面?zhèn)麚p裂縫。在實驗室條件下靜置養(yǎng)護，混凝土試塊制作完成。（見圖1）

混凝土試塊模型成品如圖2所示：

二、實驗過程與數(shù)據(jù)采集

利用預(yù)埋加熱墊片對混凝土試塊進行加熱，在加熱過程中，利用普通可見光攝像機和紅外熱像儀分別對試塊進行拍攝，采集實驗數(shù)據(jù)，如圖3所示。

從圖像中可以看出，在夜間條件下，用普通可見光攝像機模擬人眼進行拍照，幾乎無法捕捉到試塊表面的傷損裂縫，也不能夠確定裂縫的具體位置，尺寸等相關(guān)信息。而通過紅外熱成像儀鏡頭，可以清楚地看到試塊表面有明顯的溫度分層，且出現(xiàn)一道形狀細長，溫度較高的高亮區(qū)域，經(jīng)過對比分析確認該處即為預(yù)先設(shè)置的裂縫區(qū)域。因此，通過對比發(fā)現(xiàn)，紅外熱成像技術(shù)能夠準確地在夜間條件下對混凝土結(jié)構(gòu)表面的傷損裂縫進行識別與檢測。

三、數(shù)據(jù)分析

在紅外熱像圖中，每個像素點即對應(yīng)一區(qū)域溫度。利用這一特性，將所攝紅外熱像圖的溫度數(shù)據(jù)導(dǎo)出，利用origin軟件繪制溫度分布等溫線圖。通過像素映射關(guān)系可以確定混凝土試塊表面預(yù)裂縫的位置，并通過相關(guān)數(shù)抓計算預(yù)估裂縫的相關(guān)尺寸信息。（見圖4）

對溫度數(shù)據(jù)進行擬合獲得的效果圖：（見圖5）

通過擬合軟件對溫度數(shù)據(jù)分析，從溫度分布圖中可以觀察到溫度最高的紅色區(qū)域大致為一條斜線段，即混凝土試塊表面的斜裂縫。從導(dǎo)入的溫度數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，紅外溫度圖像為：640*480像素點矩形，通過計算可知，斜裂紋的長度為135.8mm，與實際用鋼尺所量取的長度148.4mm相比，誤差僅為8.5%，可滿足實際工程的需要。通過進一步的完善賣驗方法和數(shù)據(jù)處理方法，可實現(xiàn)更好的分析效果。

四、實驗結(jié)論

通過對實驗試塊進行地?zé)岢上駥Ρ葘嶒灪蛯嶒灁?shù)據(jù)的分析，得出以下結(jié)論：

（一）利用紅外熱成像檢測技術(shù)能夠在夜晚光照條件差，視線不良情況下對混凝土結(jié)構(gòu)物表面進行檢測識別，并準確發(fā)現(xiàn)相關(guān)傷損病害。

（二）通過對熱成像檢測數(shù)據(jù)的分析，可以確定傷損裂紋的位置及尺寸大小，效果較好，誤差僅為8.5%?？蓪崿F(xiàn)非接觸式的高效檢測。

參考文獻：

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基金項目：上海工程技術(shù)大學(xué)大學(xué)生重點科研平臺創(chuàng)新訓(xùn)練資助項目（cs1810009）。