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構，在長期的光照、雨水和風力等多種環(huán)境荷載作用下，其結構表面容易產生傷損裂紋，降低服役壽命，嚴重時甚至會引發(fā)安全問題。目前，針對混凝土結構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，結構表面的傷損裂縫往往難以發(fā)現，相關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對混凝土表面?zhèn)麚p裂縫進行準確有效地檢測并根據像素映射關系對裂縫尺寸進行預估和計算。

關鍵詞：紅外熱成像;表面裂縫;實驗設計;傷損識別

服役狀態(tài)下混凝土結構，其導熱性能差和傳熱不均勻，內部溫度出現周期性的變化，使得結構表面會產生溫度裂縫，影響結構板結構的可靠性和耐久性?，F階段混凝土結構表面?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)現結構傷損病害。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)現結構病害，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、實驗過程與數據采集

利用預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，采集實驗數據，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，且出現一道形狀細長，溫度較高的高亮區(qū)域，經過對比分析確認該處即為預先設置的裂縫區(qū)域。因此，通過對比發(fā)現，紅外熱成像技術能夠準確地在夜間條件下對混凝土結構表面的傷損裂縫進行識別與檢測。

三、數據分析

在紅外熱像圖中，每個像素點即對應一區(qū)域溫度。利用這一特性，將所攝紅外熱像圖的溫度數據導出，利用origin軟件繪制溫度分布等溫線圖。通過像素映射關系可以確定混凝土試塊表面預裂縫的位置，并通過相關數抓計算預估裂縫的相關尺寸信息。（見圖4）

對溫度數據進行擬合獲得的效果圖：（見圖5）

通過擬合軟件對溫度數據分析，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。從導入的溫度數據可以發(fā)現，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據處理方法，可實現更好的分析效果。

四、實驗結論

通過對實驗試塊進行地熱成像對比實驗和對實驗數據的分析，得出以下結論：

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

（二）通過對熱成像檢測數據的分析，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：上海工程技術大學大學生重點科研平臺創(chuàng)新訓練資助項目（cs1810009）。