高强混凝土受压损伤过程红外辐射特征试验研究.pdf

第 3 4 卷 ， 第 2 期 2 0 1 3年 3月 中 国 铁 道 科 学 CHI NA RAI LW AY S CI ENCE Vo 1 3 4 No 2 M a r c h，2 0 1 3 文章编号 ：1 0 0 1 4 6 3 2 ( 2 0 1 3 )0 2 - 0 0 3 6 0 5 高强混凝土受压损伤过程红外辐射特征试验研究 刘 杰 ，张千里 ，杨峰。 ，程远 水。 ( 1 中国矿业大学( 北京)地球科学与测绘工程学院，北京1 0 0 0 8 3 ； 2 中国铁道科学研究院 铁道建筑研究所，北京 1 0 0 0 8 1 ； 3 中国矿业大学( 北京)煤炭资源与安全开采国家重点实验室，北京1 0 0 0 8 3 ) 摘要：利用红外热像仪观测高强混凝土试件加载过程中红外热辐射情况，研究高速铁路无砟轨道及基础 工程混凝土结构受压损伤过程红外辐射特征。结果表明：混凝土试件在荷载作用下向外辐射的红外热量随应力 增加而增加；加载初期试件表面温度均匀上升，中期低温区存在升温降温再升温的反复过程，加载后期温 度上升速度加快，临近失稳前存在短暂的降温过程；整个试件加载破坏过程，高温区域包围低温区域的温度场 是热像的主要特征；试块在破裂前， 其红外热像会出现清晰的 “ 高低温边界线” 。因此利用红外热像技术，可对 高速铁路无砟轨道及基础工程混凝土的损伤进行红外无损检测和安全监测。 关键词：高速铁路；混凝土工程；受压损伤过程；红外辐射；特征；无损检测 中图分 类号 ：U2 1 4 1 文献标识码 ：A d o i ：1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 1 4 6 3 2 2 0 1 3 0 2 0 7 高速铁路具有运行速度快、噪音低、平稳 、安 全以及乘坐舒适等优点，因此备受广大乘客青睐和 各国政府的关注 ，已成为客运发展的主要方向。要 满足上述特点就要求线下基础工程工作状态 良好 。 高速铁路线下基础工程大多为混凝土结构 ，而混凝 土结构在列车冲击荷载、昼夜温差等外部条件作用 下易出现劣化损伤等病害。这些病害给列车运行埋 下极大安全隐患 ，需要采用快速、高效、无损的检 测手段对其进行检测和监测。然而由于高速铁路行 车密度大、检查维修天窗时间短，常规的检测方法 不能满足高速铁路发展的需要。红外热像技术是 2 O世纪 9 O年代发展起来的快速高效无损检测 、监 测新技术 ，该技术是利用任何物体在绝对零摄氏度 以上均向外辐射红外热 的特点监测物体温度 的变 化。国内外学者和专家对不同物体在外部荷载作用 下向外辐射的红外热特征以及结构内部损伤检测进 行 了大量研究D - 8 3 。且红外热像技术在 电力 、电子 线路、建筑等行业 已有较为广泛应用 ，如桥梁的缺 陷检测、建筑结构渗水等 g 。而针对高速铁路高强 度耐久l生 混凝土受力劣化损伤过程的红外辐射监测 未见报道。 本文在进行高强混凝土试样单轴加载至破坏过 程中，利用红外热像仪观测高强混凝土在加载过程 中的红外辐射 ，研究高速铁路混凝土结构损伤过程 中红外辐射特征及机理。为利用红外热像技术进行 高速铁路混凝土工程损伤劣化的检测和动态监测预 警提供依据 。 1 试验设计 1 1 试验设备 试验加载系统采用上海华龙测试仪器有限公司 生产的WH Y微机控制电液伺服压力试验机，其 最大载荷为 2 0 0 0 k N。红外辐射探测装置采用美 国 F l u k e T i S 0型红外热像仪，探测器类型为 6 0 Hz 焦平面阵列氧化钒 Va n a d i u m Ox i d e( VOX)非制 冷微辐射计 ，测量波段为 8 1 4 m，温度灵敏度 d0 0 7 0 ，空间分辨率不大于 1 3 mr a d ，单帧图 像分辨 率 为 3 2 02 4 0像 素，视 屏 输 出格 式 为 R S 1 7 0 E I A NTS C或 C C I R P AL合成视频，图像 最大采集速率 为 5 f p s ，软件 S ma r t V i e w支 持 J P E G，B MP ，T I F和 P NG等格式的红外图像 。 1 2 试验试块 根据高速铁路无砟轨道及基础工程高强度耐久 收稿 日 期：2 o 1 2 - o 4 2 0 ； 修订 日 期：2 0 1 3 - 0 1 1 0 基金项目：国家 “ 八六三”计划项目 ( 2 0 1 1 A A 1 1 A 1 0 2 ) ；中国铁道科学研究院行业服务技术创新项目 ( 2 0 1 0 Y J 7 3 ) 作者简介 ：刘杰 ( 1 9 7 1 ) ，男 ，江苏睢宁人 ，副研究员 ，博士研究生。 第 2 期 高强混凝土受压损伤过程红外辐射特征试验研究 3 7 性混凝土的要求，混凝土抗压强度按 6 O MP a 设 计 ，混凝土配制选择 P 04 2 5水泥 ，花岗闪长岩碎 石的粗骨料 ，中级河砂细骨料 。制成 1 5 0 c mX 1 5 0 c mX 1 5 0 c m 的立方体标准试件 ，经浇筑 、振捣密 实后静置 1 d ，拆模后放入标准养护室养护，2 8 d 龄期后取出放置在 自然环境下 1 2 d ，晾干表面水 分，保持试件表面温度和周围环境温度一致，以备 试验使用。 1 3 试验方法 用压力试验机沿试件浇注的垂直方向进行施加 压力 ，以每秒 0 4 5 N mm 的速度连续加载直至 试件破坏 ；红外 热像 仪安装在距试样约 1 m 外的 位置，保持热像仪的高度与试样中心高度一致。记 录荷载和各级荷载位移数据，并对试件加载过程 中 试样表面的红外温度场进行探测和数据采集，热像 仪的热像采集速度为 2 f p s 。利用数码相机拍摄加 载过程 中的可见光照片。为进行红外热像和应力应 变曲线对比，要求热像仪、压力机和可见光三者在 采集时间上 同步 。为防止试验中环境因素对试样红 外辐射的干扰，试验中禁止人员走动，以防止人体 辐射的不确定性干扰 。图 1给 出了试 件加载现场 照片 。 图 1 混凝土试块单轴加载照片 2 试验结果及分析 图 2给出了试件受压至破坏过程 的应力一位移 曲线，图3 给出了试件受压过程平均红外辐射温度 及荷载时程 曲线 ，图 4给出了加载过程中试件的部 分红外热象图和可见光照片。 由图 2可见 ：在加载初期 ，试件处于弹性变形 阶段 ，应变随应力成 比例增 长，当荷载加至约 2 4 MP a( 0 4 f c ，对应图 2和 图 3中 a点) 以后 ， 混凝土试件的塑性变形和微裂缝稍有发展 ，应变逐 渐加速增长 ，曲线的斜率渐减。荷载达 5 O MP a时 ( O 8 f o ，对应图 2和图 3中 b 点) ，试件内部微 裂缝有较大发展 ，试件表面尚无可见裂缝 。继续加 载，试件内出现非稳定裂缝 ，应力提高有限，即达 峰值点 ( 一 厂 c 一6 3 MP a ，对应图 2和图 3中 C 点) 。随后试件的承载力迅速减小，继续加载试件 表面出现可见裂缝破坏 ( 对应 图 2和图 3中 d点) 。 O 5 O 1 0 O 1 5 O 位移 m m 图 2 试件受压破坏过程应力一位移曲线 时间 s 图 3 平均红外辐射温度及荷载时程曲线 可以看 出，在 1 0 S之前 由于荷载还没有作用 到试件上 ，试件表面 的温度变化微弱 ；在 6 0 S 之 前 ( 对应图 2和 图 3中的 a 点) ，试件温度均匀上 升，总体上温度上升约 0 2，在 9 O s时，在试 件的上部中偏右的低温区域出现 1 个 “ V”字形边 界清晰的高温区；在 9 0 1 2 0 S 时间范围内 ( 1 2 0 S 对应图 2 和图 3中的 b 点) ，红外图像中心的低温 区域存在缩小一扩大一缩小的反复过程，在平均红 外辐射温度曲线上相应表现为升温一降温一再升温 的过程；1 4 0 S 时红外图像中右上角高温区域明显 扩大，边界变得较模糊，同时在左上角出现 1 个三 角形的高温区域，在此三角形高温区域内包含一低 温条带；在 1 5 3 S 之前 ( 对应图3中的C 点) ，温度 加 如 加 m O 鲁苣R 第 2 期 高强混凝土受压损伤过程红外辐射特征试验研究 3 9 有所发展，微裂缝开始出现。随着载荷不断增加， 微裂缝出现压密以及再扩展的过程 。由于不同类型 的微裂缝会产生不同性质热效应，若微裂缝为剪性 裂缝时，裂缝面会发生错动和摩擦，产生热量，导 致试件温度上升和红外辐射量增加；当微裂缝为张 性裂缝时，破裂面间不发生错动摩擦，同时，由于 体积膨胀产生吸热效应温度降低，红外辐射量减 少；这也说明了加载过程的中期出现温度升温一降 温一再升温现象的原因。 加载后期，试件体积压缩变形开始恢复，试件 承载力减小 ，出现非稳定裂缝 ，随应力增加微裂缝 继续延伸扩展并连通形成宏观裂缝。在整个加载过 程中，试件内部的温度要比试件表面温度高 4 6 。当贯通性裂缝 形成后，内部热 量通 过裂缝导 出，导致试件表面温度迅速升高，高温区域和低温 区域界限越发明显，出现高温条带与低温区域相间 的热像分布格局。而在临近失稳破坏前，因应力松 弛发生张性反弹，以及裂缝面与空气间的热交换速 度大于升温速度，而出现降温现象。 上述热力学耦合机理分析表明，利用红外热像 监测混凝土温度变化 ，通过温度场的空间分布、时 空演变以及应力场格局变化的分析，可以有效地分 析和监测高速铁路混凝土结构工程的稳定性及破坏 过程 。 5 结论 ( 1 )在高强混凝 土试 件 的整个 加载破坏过程 中，试件表面温度呈上升趋势 ，且从上下 向中心区 域的温度上升的速率逐步降低，呈现出高温区域包 围低温区域的温度场特征。 ( 2 )在各变形阶段随着应力的发展，试件表面 辐射出的红外热不同，加载初期表面红外辐射温度 均匀上升，加载中期出现升温一降温一再升温的过 程，加载后期温度上升速度加快，临近破裂时出现 降温现象 。 ( 3 )试件红外热像呈现出的高温区与低温区的 明显界限可作为混凝土材料破裂的红外异常前兆， 是破裂面的位置。 ( 4 ) 热力学耦合分析表明，加载过程中红外辐 射的时空变化反映了应力的时空变化。利用红外热 像技术监测混凝土工程表面的温度场变化，可以推 断工程应力场的变化， 推断工程整体所处的应力状 态，预测混凝土结构工程的稳定性。 ( 5 )由于水的红外辐射强度比其他混凝土结构 红外辐射强度要低得多，所以用红外热像技术还可 以掌握高速铁路隧道等工程中混凝土的渗漏情况。 参 考 文 献 1 刘善军， 吴立新 ，张艳博岩石破裂前红外热像的时空演化特征 E J 东北大学学报 ：自然科学版，2 0 0 9 ，3 0 ( 7 )：1 0 3 4 - 1 0 3 8 ( UU S h a u n ，WU L i x i n ，Z HA NG Ya n b o Te mp o r a l - S p a t i a l E v o l u t i o n F e a t u r e s o f I n f r a r e d T h e r ma l I ma g e s b e f o r e R o c k F a i l u r e J J o u r n a l o f N o r t h e a s t e r n U n i v e r s i t y ：N a t u r a l S c i e n c e ，2 0 0 9 ，3 0( 7 ) ：1 0 3 4 1 0 3 8 i n C h i - n e s e ) 2 崔承禹，邓明德，耿乃光在不同压力下岩石光谱辐射特性研究 J 科学通报，1 9 9 3 ， 3 8( 6 ) ：5 3 8 5 4 1 ( CUI Ch e n gy u，DENG Mi n g d e ，GENG Na i g u a n g S t u d y o n t h e S p e c t r a l Ra d i a t i o n Ch a r a c t e r i s t i c s o f Ro c k s u n d e r D i f f e r e n t P r e s s u r e J C h i n e s e S c i e n c e B u l l e t i n ，1 9 9 3 ，3 8( 6 ) ： 5 3 8 5 4 1 I n C h i n e s e ) 3 陈顺云，刘力强，刘培洵，等应力应变与温度响应关系的理论与试验研究 E J 中国科学 D辑：地球科学， 2 0 0 9 ，3 9 ( 1 o ) ：1 4 4 6 - 1 4 5 5 ( CHEN S u n y u n ，U U Li q i a n g，LI U Pe i x u n，e t a1Th e o r e t i c a l a n d Ex pe r i me n t a l S t u d y o n Re l a t i o n s h i p b e t we e n S t r e s s - S t r a i n a nd T e m p e r a t u r e V a r i a t i o n口 Sci e n c e C h i n a D ：E a r t h Sci e n c e ， 2 0 0 9 ， 3 9( 1 O ) ：1 4 4 6 1 4 5 5 i n C h i n e s e ) 4 邓明德，钱家栋，尹京苑，等红外遥感用于混凝土工程稳定性检测和失稳预测研究 J 岩石力学与工程学报 2 0 0 1 ，2 0 ( 2 )：1 4 7 - 1 5 0 ( D E N G Mi n g d e ，QI AN J i a d o n g ， YI N J i n g y u a n ，e t a 1 R e s e a r c h o n t h e Ap p l i c a t i o n o f R e mo t e S e n s i n g i n t h e S t a b i l i t y Mo n i t o r i n g a nd U n s t a b i l i t y P r e d i c t i o n o f L a r g e C o n c r e t e E n g i n e e r i n g J C h i n e s e J o u r n a l o f R o c k Me c h a n i c s a nd Eng i n e e r i ng ，2 0 0 1 ，2 0 ( 2 ) ：1 4 7 - 1 5 0 i n C h i n e s e ) 5 邓明德 ， 樊正芳 ， 耿乃光 ， 等混凝土的微波辐射和红外辐射随应力变化的试验研究 口 岩石力学与工程学报， 4 0 中国铁道科学 第 3 4 卷 6 7 8 9 1 0 1 9 9 7 ， l 6 ( 6 )：5 7 7 5 8 3 ( DE NG Mi n g d e ，F AN Z h e n g f a n g，GENG Na i g u a n g，e t a 1 Te s t i n g S t u d y o f t h e Va r i a t i o n o f Mi c r o wa v e a n d I n f r a r e d R a d i a t i o n i n C o n c r e t e w i t h S t r e s s e s J C h i n e s e J o u r n a l o f R o c k M e c h a n i c s a n d E ngi n e e r i n g ，1 9 9 7 ，1 6( 6 ) ： 5 7 7 5 8 3 i n Ch i n e s e ) 刘善军，张艳博，吴立新， 等混凝土破裂与渗水过程的红外辐射特征 J 岩石力学与工程学报，2 0 0 9 ，2 8 ( 1 ) ：5 3 - 5 8 ( L I U S h a n j u n ，Z HAN G Y a n b o 。WU L i x i n ，c t a 1 I n f r a r e d R a d i a t i o n F e a t u r e o f C o n c r e t e d u r i n g F r a c t u r i ng a n d Wa t e r S e e p a g e P r o c e s s J C h i n e s e J o u r n a l o f R o c k Me c h a n i c s a n d E n g i n e e r i ng，2 0 0 9 ，2 8( 1 ) ：5 3 5 8 i n C h i n e s e ) L U ON G M P I n f r a r e d Ob s e r v a t i o n o f F a i l u r e P r o c e s s e s i n P l a i n C o n c r e t e C D u r a b i l i t y o f B u i l d i n g Ma t e r i a l a n d Co mp o n e n t ， 4 DBM C S i ng a p o r e ：Pe r g a mo n，1 9 8 7：8 7 0 8 7 8 L U ONG M P I n f r a r e d T h e r mo v i s i o n o f Dam a g e P r o c e s s e s i n Co n c r e t e a n d R o c k J E ngi n e e r i n g F r a c t u r e Me c h a n i e s ，1 9 9 0 ，3 5( 1 3 ) ：1 2 7 1 3 5 李 国华，吴立新，吴淼，等红外热像技术及其应用的研究进展 J 红外 与激光 工程，2 0 0 4 ，3 3( 3 ) ： 2 2 7 - 2 3 0 ( L I G u o h u a ，wu L i x i n ，wu Mi a o ，e t a 1 C u r r e n t S t a t u s a n d A p p l i c a t i o n s o f I n f r a r e d T h e r m o g r a p h y J I n f r a r e d a n d L a s e r En g i n e e r i n g，2 0 0 4 ，3 3 ( 3 )：2 2 7 2 3 0 i n Ch i n e s e ) 过镇海钢筋混凝土原理 M 北京：清华大学出版社，1 9 9 9 Te s t S t u d y o n t h e I n f r a r e d Ra d i a t i o n Fe a t u r e s o f Hi g h S t r e n g t h Co n c r e t e d u r i n g Fr a c t u r i ng Pr o c e s s u n d e r Pr e s s u r e L I U J i d， ， 3 Z HANG Qi a n l i 。 ，YANG F e n g 。 ，CHE NG Yu a n s h u i ( 1 Co l l e g e o f Ge o s e i e n c e a n d S u r v e y i n g E n g i n e e r i n g，Ch i n a Un i v e r s i t y o f Mi n i n g 8 L Te c h n o l o g y( B e ij i ng) ， B e ij i n g 1 0 0 0 8 3 ， C h i n a ； 2 R a i l w a y E ngi n e e r i ng Re s e a r c h I n s t i t u t e ， C h i n a Ac a d e my o f R a i l wa y S c i e n c e s ， B e i j i n g 1 0 0 0 8 1 ，C h i n a ； 3 S t a t e Ke y La b o r a t o r y o f CO a l Re s o u r c e s a n d S a f e Mi n i n g ，Ch i n a Un i v e r s i t y o f Mi n i n g 8 乙T e c h n o l o g y( B e i j i ng) ， i S ng 1 0 0 0 8 3 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ：I n f r a r e d t h e r ma l r a d i a t i o n o f h i g h s t r e n g t h c o n c r e t e s p e c i me n u n d e r l o a d i n g wa s o b s e r v e d b y i n - f r a r e d t h e r mo g r a p h y t o r e s e a r c h t h e i n f r a r e d r a d i a t i o n f e a t u r e s o f c o n c r e t e s t r u c t u r e o f b a l l a s t l e s s t r a c k a n d f o u n d a t i o n c o n c r e t e o f h i g h - s p e e d r a i l wa y d u r i n g f r a c t u r i n g p r o c e s s u n d e r p r e s s u r e Th e r e s u l t s s h o w t h a t t h e i n f r a r e d h e a t r a d i a t e d o u t wa r d f r o m c o n c r e t e s p e c i me n u n d e r l o a d i n g i n c r e a s e s wi t h s t r e s s 。Du r i n g t h e i n i t i a l s t a g e o f l o a d i n g，t h e t e mp e r a t u r e o f s p e c i me n s u r f a c e r i s e s e v e n l y Du r i n g t h e i n t e r me d i a t e s t a g e o 1 o a d i n g，t h e r e i s a r e p e t i t i v e p r o c e s s o f h e a t i n c o o l i n h e a t i n g i n l o w t e mp e r a t u r e r e g i o n Th e t e mp e r a t u r e r i s e s r a p i d l y d u r i n g t h e l a t e r s t a g e o f l o a d i n g Be f o r e a p p r o a c h i n g t h e i n s t a b i l i t y o f s p e c i me n ，t h e r e i s a b r i e f c o o l i n g p r o c e s s Du r i n g wh o l e l o a d i n g p r o c e s s ，t h e p h e n o me n o n o f l o we r t e mp e r a t u r e a r e a s u r r o u n d e d b y h i g h t e mp e r a t u r e a r e a i s t h e ma i n f e a t u r e o f t h e r ma l i ma g e s Be f o r e t h e f r a c t u r e o f s p e c i me n ，s o me c l e a r l i n e s a p p e a r i n t h e i n f r a r e d t h e r ma l i ma g e s b e t we e n h i g h a n d l o w t e mp e r a t u r e z o n e s Th e r e f o r e ,t h e t e c h n o l o g y o f i n f r a r e d t h e r ma l i ma g i n g c a n b e u s e d f o r n o n - d e s t r u c t i v e t e s t a n d s a f e t y mo n i t o r i n g o f h i g h - s p e e d r a i l wa y b a l l a s t l e s s t r a c k a n d f o u n d a t i o n c o n c r e t e Ke y wo r d s ： Hi g h - s p e e d r a i l wa y ；Co n c r e t e e n g i n e e r i n g ； t i o n；Fe a t u r e ；No n - d e s t r u c t i v e t e s t Fr a c t u r i n g p r o c e s s u n d e r p r e s s u r e ；I n f r a r e d r a d i a 一 ( 责任编辑吴彬)