热成像和超声结合表征混凝土表面下的裂缝.pdf

建 筑 技 术 Architecture Technology1960第 54 卷第 16 期 2023 年 8 月Vol.54 No.16 Aug.2023热成像和超声结合表征混凝土表面下的裂缝孙路琛（中铁十八局集团北京工程有限公司，100162，北京）摘要：混凝土结构中金属钢筋的腐蚀会导致裂缝向混凝土表面延伸，这些裂缝在混凝土表面破坏之前不会显示任何迹象，但加速了结构的破坏。基于此，开发了一种地下损伤表征方法，将热成像和单侧超声测量两种无损检测（NDT）技术组合，应用红外相机扫描样本确定裂缝的位置，并将超声波传感器放置在指定部位对裂缝深度进行详细评估，从而确定混凝土表面下裂缝情况。此外，还进行了数值模拟以便进行更准确的测试。综上所述，两种无损检测技术的结合，在实际结构的评估中具有很好的应用前景。关键词：热成像；超声；混凝土裂缝；无损检测中图分类号：TU 528 文献标志码：B 文章编号：1000-4726(2023)16-1960-06CHARACTERIZATION OF CRACKS UNDER THE SURFACE OF CONCRETE BASED ON THERMAL IMAGING COMBINED WITH ULTRASOUNDSUN Lu-chen(China Railway 18th Bureau Group Beijing Engineering Co.,Ltd.,100162,Beijing,China)Abstract:Corrosion of metal reinforcement in concrete structures will cause cracks to extend to the concrete surface.These cracks will not show any signs before the concrete surface is damaged,accelerating the failure of the structure.Based on this,this paper developed an underground damage characterization method,combining nondestructive testing(NDT)technology:thermal imaging and unilateral ultrasound measurement,using infrared camera to scan samples to determine the location of cracks,and ultrasonic sensors placed in the designated position to assess the crack depth in detail,so as to determine the cracks under the surface of concrete.In addition,numerical simulations were performed for more accurate testing.In conclusion,the combination of nondestructive testing technology has a good application prospect for the evaluation of actual structures.Keywords:thermal imaging;ultrasound;concrete cracks;nondestructive testing为了防止民用基础设施过度老化，需要定期进行有效的监测和修复13。维护过程一般通过技术的组合展开，即先采用一种全局监测技术对结构进行全面评估，再将一种技术局部应用于特定的部位，以更准确地表征损伤参数4。环境对建筑材料的性能有较大影响，甚至会影响结构的安全，如钢筋的腐蚀就可能导致混凝土结构的地下开裂5。然而，这种破坏直到表面时才可以被发现。因此，需要采用无损检测方法对材料状况进行早期评估，以便工程师采取适当的修复措施，如注入环氧树脂或水泥以密封裂缝6。大型结构的裂缝并不总是能够被观察到的，因此在进行无损检测时，需要先用热成像技术进行全局监测，以指示地下缺陷和单侧超声波传播的可能区域，然后进行单侧超声测量，其参数主要受特定区域的损伤深度影响7。在本研究中，钢纤维增强混凝土棱柱体试件受到4 点弯曲，这导致可见的裂缝从底部、拉伸侧向顶部扩展。由于纤维的作用，试件没有被分离成两部分，裂缝在到达压缩侧之前停止。在烘箱加热后的冷却阶段，用红外摄像机扫描试件的拉伸侧。利用共振声发射传感器对试件进行了单侧弹性波测量，以估计裂缝对基本波参数的影响。同时，本文对具体的弹性波问题也进行了数值模拟，以便验证本文提出的检测方法能够适用于不同频率的结构和不同几何形状的裂缝，并提出适合现场使用的试验参数。1 试验方案1.1 试件设计试 件 采 用 钢 纤 维 增 强 混 凝 土（Steel Fiber Reinforced Concrent，SFRC），尺 寸 为 100 mm 100 mm400 mm，水灰比为 0.5，骨料与水泥比为5，最大骨料粒径为 10 mm，钢纤维体积含量分别为0.5%、1%和 1.5%。此外，还浇筑了素混凝土试件。收稿日期：20230418作者简介：孙路琛（1994），男，江苏沛县人，硕士，e-mail:.2023 年 8 月1961本文对试件进行 4 点弯曲测试。1.2 超声波实验装置弹性波测量的实验装置如图 1 所示。两个传感器放置在样本的完整侧，距离为 70 mm。通过铅笔芯断裂进行激发，该断裂引入了高达约 200 kHz 的频带。传感器是普通的声发射传感器，标称最大灵敏度约为60 kHz，在 150 kHz 时响应非常好，直径为 15 mm，采集板的采样频率设置为 5 MHz。70传感器 2传感器 1励磁纵向瑞利地下裂缝100图 1 弹性波测量的实验装置声音材料的典型波形如图 2（a）所示。为了确定脉冲速度，使用了第一个扰动，起始点对应最快类型的纵波。瑞利波速度由瑞利波的强特征峰（图2（a）测量，由于其能量较高，瑞利波的峰值高于其起始点波速。图 2（b）显示了地下开裂混凝土试件的典型波形，传感器 1 记录的波形与完整的情况相似；然而，传感器 2 记录的波形振幅要低得多，因此出于演示的目的，在图 2（b）中将其放大 80 倍。在一些严重开裂的情况下，很难辨别瑞利峰，然而，这表明裂缝已经贯穿了整个截面。0 30 60 90传感器 1波形波形传感器 2波形开始瑞利峰时间/s（a）0 30 60 90传感器 1传感器 2（80）波形开始瑞利峰时间/s（b）图 2 声音材料和地下裂缝材料的典型波形（a）声音材料；（b）地下裂缝材料1.3 热成像实验装置热成像实验装置由红外摄像机和烤箱组成，烤箱温度范围为 20 200，4 个试件在 90 的烤箱中加热 3 h，试验在室温 23、相对湿度 70%的恒定条件下进行。红外热成像实验装置如图 3 所示，红外摄像机放置在距离试件约 1.6 m 处，混凝土的热发射率为 0.92，无须对表面进行喷漆。1.6 m地下裂缝100图 3 红外热成像实验装置2 实验结果与讨论分析2.1 破坏模式试件 4 点弯曲使试件出现了接近垂直的裂缝，从底部拉伸表面扩展到顶部（图 1）。图 4 为 SFRC 试件的典型裂缝。主裂缝伴随着较小的裂缝，这是这种材料的典型特征，增加了断裂过程区。尽管从侧视图可以看到裂缝网络，但从压缩侧看却没有明显的裂缝迹象。图 4 SFRC 试件的典型裂缝2.2 裂缝对弹性波参数的影响弹性波参数如图 5 所示，在正常 SFRC 试件上测得的纵向速度为 4 307 m/s，在具有裂缝的试件上测得的纵向速度为 3 304 m/s，下降了约 23%。瑞利波的结果相似，速度也从 2 231 m/s 降至 1 814 m/s，下降了约19%。由于吸收、散射和几何扩散等不同的机制，传感器2接收到的波形振幅比传感器1低。除此之外，孙路琛：热成像和超声结合表征混凝土表面下的裂缝建 筑 技 术第 54 卷第 16 期1962地下裂缝的存在导致了大部分波能的反射，进一步降低了传感器 2 上的波形振幅。用传感器 2 记录的波形的绝对最大振幅除以传感器 1 记录的波形的绝对最大振幅，声音材料的比值为 0.335。在损伤情况下，该比值下降到 0.061，下降了约 82%。100806040200波形参数/%传输（S2/S1）纵向速度瑞利速度未受损有裂缝4 307 m/s3 304 m/s1 814 m/s2 231 m/s0.3350.061图 5 弹性波参数图 6 显示不同弹性波参数的变异系数（COV，标准偏差除以 20 次测量的平均值）。有裂缝的混凝土的纵向散射和瑞利散射都显著增加，未受损的混凝土表现出非常相似的测量结果，COV 小于 3%。而有裂缝的混凝土的 COV 约为 14%。另外，未受损试件测得的振幅比超过 20%，大于有裂缝试件测得的振幅比，这是因为弹性波在空气中更易衰减。2520151050 COV/%传输（S2/S1）纵向速度瑞利速度未受损有裂缝图 6 不同弹性波参数的 COV2.3 数值模拟为了对比不同量级裂缝深度的不同影响，进行了数值模拟。其工作原理是基于有限差分法求解二维弹性波动方程。本文认为钢纤维混凝土材料是弹性的，没有粘性成分。其拉梅常数=12 GPa，=16.5 GPa，密度为 2 400 kg/m3，纵向速度为 4 300 m/s，弹性模量为 40 GPa，泊松比为 0.2。本文数值模拟建立的模型的几何形状为矩形，厚度为 100 mm，与试验试件相似。计算的网格尺寸设置为 0.2 mm0.2 mm，远小于43 mm 的纵向波长。为了缩短计算时间，试件的长度减小到 200 mm，对两侧施加无限边界条件，消除来自边缘的影响。两个模拟传感器长 15 mm，与实际的传感器相似，并放置在试件顶部，间隔 70 mm。传感器计算了其定义长度上的平均横向位移。模拟案例涉及无裂缝几何形状以及具有裂缝的几何形状。表面和裂缝之间的完整层（裂缝深度）变化分别为 60 mm、40 mm、20 mm、10 mm、8 mm、5 mm、3 mm 和1 mm。裂缝的厚度为 1 mm。图 7（a）为地表以下 40 mm 处存在裂缝的试件的位移场快照，其时间点对应于 100 kHz 波的一个周期激励后的 32 s。图 7（b）显示了本案例模拟后获得的波形。观察传感器 2 的情况可以发现，在瑞利周期之前可以清楚地看到瑞利波初始纵向到达后，有足够长的路径可以按照不同的速度分离出不同的模式。传感器 1 记录的第二个强周期（用“*”标记）是来自光束底侧的纵波反射。图 7（c）为地表以下 1 mm 处存在裂缝的试件的位移场快照，对应的波形如图 7（d）所示。由于裂缝靠近表面，只有少量能量可以向传感器 2 传播。位移场被扭曲，传感器 2 的波形振幅要低得多，这是因为大部分能量被不连续地反射回来。在任何情况下，瑞利波对传感器和速度测量的贡献都是明确的。在传感器 1 的响应上再次看到纵向反射，以及之前在大约40 s 处的另一个强循环，这是瑞利波在裂缝上的反射。由于裂缝的深度足以使大多数的能量扩散出去，因此在图 7（b）中没有发生纵向反射。为了研究波长的影响，改变瑞利波的频率，分别为 100 kHz、200 kHz 和 20 kHz，相应的瑞利波波长分别为 23.2 mm、11.6 mm 和 116.2 mm。图 8 为声音材料对传感器 2 的波形振幅进行归一化后，不同裂缝深度下传感器 2 的波形振幅。随着裂缝深度的减小，测得的波形振幅快速下降，当裂缝深度为 0 mm 时，测得的振幅降低到瑞利波归一化振幅的 20%左右。随着地表以下裂缝深度增加，100 kHz 和 200 kHz 的瑞利波的振幅基本不随裂缝深度的增加而增大，这意味着 100 kHz 和 200 kHz 的瑞利波对深度超过 20 mm的裂缝失去了敏感性。然而，当裂缝深度从 0 mm 增长到 60 mm 时，20 kHz 的瑞利波的振幅的增长速度缓慢，与深度呈现正相关关系。这与试验测量结果一致，如图 6 所示，试验测量结果表明，波的振幅是对潜在损伤最敏感的参数。本文没有对更深的情况进行模拟，因为更深的裂缝源于埋在地表以下 5060 mm 的金属钢筋。总之，对于具体的混凝土表面以下缺陷，一些参 2023 年 8 月1963孙路琛：热成像和超声结合表征混凝土表面下的裂缝传感器 2传感器 170 励磁100 200 40 传感器 2瑞利峰传感器 1振幅 0 20 40 60 80时间/s传感器 2瑞利峰传感器 1振幅 0 20 40 60 80时间/s（a）（b）（c）（d）图7 地表以下40 mm处和1 mm处存在裂缝的试件的位移场快照以及模拟得到的相应波形（a）地表以下40 mm处存在裂缝的试件的位移场快照；（b）40 mm处的波形；（c）地表以下1 mm处存在裂缝的 试件的位移场快照；（d）1 mm处的波形数（如深度）可以采用单侧波法进行表征。然而，大型结构的裂缝并不总是能够被观察到的，因此，为了确定裂缝的位置，进而确定超声传感器的安装位置，必须找到一种能够进行裂缝初定位的方式，本文采用红外热成像技术。2.4 红外热成像技术图 9（a）显示了完整试件的温度图。当试件边缘10.80.60.40.20振幅10 20 30 40 50 6020 kHz（116.2）100 kHz（23.2）200 kHz（11.6）y=0.010 8x+0.200 8R2=0.977 2地下裂缝深度/mm图 8 地下裂缝的振幅与深度附近加速冷却时，试件中心的温度场是均匀的。为 了 提 高 检 测 的 准 确 性，将 扫 描 区 域 划 分 为1.5 mm1.5 mm的网格，每根垂直线上有50个关键节点。混凝土通常有一些可见的表面缺陷（如气泡），其可以作为温度释放点。因此，它们也被红外摄像机捕捉到，可能会误导表征。为了减少这种误导，计算了网格每条垂直线上节点的平均温度。像气泡这样的小表面缺陷只能改变局部几个节点的温度读数。但是，这些被改变温度读数的节点不会影响50个关键节点的温度平均值。声音样本的平均温度线如图9（b）所示。例如，特定点（如图9（b）中的A）即图9（a）中相应垂直粗线中包含的所有节点的温度平均值。最小值 63.9，最大值 75.773.5 72 70 68 66 64 62.1（a）（b）A7473727170696867温度/0 100 200 300纵试件轴/mm图 9 试件温度图及试件轴线平均温度示意（a）完整试件的温度图；（b）试件轴线的平均温度图 10（a）显示了混凝土表面以下有裂缝试件的温度图，缺陷区域内的温度场变化较大。图 10（a）表明了混凝土表面下方的裂缝区域，这一点可以通过图 10（b）的平均温度曲线得到证实，其清楚地显示了 150190 mm 区域内温度最低，这个区域是实际情况下需要用超声波传感器检查的区域。值得一提的是，建 筑 技 术第 54 卷第 16 期1964如图 10（a）中圆圈所示，在某些位置，由于小的表面异常，温度与缺陷顶部的温度相似。然而，这些小的表面异常在温度曲线上产生了适度的局部最小值，因此无法“掩盖”缺陷区域的特征。图 10（c）显示了特定试件的侧视图。裂缝向上部分裂，增加了异常，有利于红外辐射表征，且裂缝尖端在混凝土表面以下约 4 mm 处。最小值 88.1，最大值 93.491.7 87.7 91 90 89 88 91.591.090.590.089.589.0 温度/0 100 200 300纵试件轴/mm4 mm（a）（b）（c）图 10 跨中挠度为 2 mm 时的测试图（a）试件温度图；（b）试件轴线的平均温度；（c）试件侧视图图 11（a）显示了试件在跨中挠度为 1.5 mm 时产生的裂缝的温度图。试件中心附近的较低温度场在热成像仪中再次可见，图 11（b）的曲线再次显示了一个清晰的最小值，表明通过超声检查复杂区域是可行的，裂缝在混凝土表面下方约 8 mm（图 11（c）。图 12 涉及最小的裂缝，对应 1 mm 的跨中挠度。这种情况下温度场不清楚，因为混凝土表面下缺陷造成的异常小于 1，如图 12（a）所示。在同一范围内还有其他几个波动，由于表面缺陷，用肉眼检查热像仪可能会导致不同的可疑点。在这种情况下，缺陷部位存在显著的局部极小值（图 12（b），因此，通过局部极小值两侧曲线找中线的方法来确定裂缝顶端位置是一种有效的方法，该方法在 150 mm 处的最小值与裂缝顶端的位置相对应。如图 12（c）所示，裂缝尖端在混凝土表面以下约 11 mm 处。如果观察到另一个强烈的温度最小值，如图 12（b）中的 210 mm 最小值，安全起见，可以用超声波对具体位置进行扫描。若无裂缝，则不会测出干扰波。最小值 86.4，最大值 93.692.6 84.7 92 90 88 86 92.091.591.090.590.089.589.0温度/0 100 200 300纵试件轴/mm8 mm（a）（b）（c）图 11 跨中挠度为 1.5 mm 时的测试图（a）试件温度图；（b）试件轴线的平均温度；（c）试件侧视图最小值 76.6，最大值 83.480.8 76.7 80 79 78 77 80.680.480.280.079.879.679.479.279.0温度/0 100 200 300纵试件轴/mm11 mm（a）（b）（c）图 12 跨中挠度为 1 mm 时的测试图（a）试件温度图；（b）试件轴线的平均温度；（c）试件侧视图1965 建 筑 技 术 Architecture Technology第 54 卷第 16 期 2023 年 8 月Vol.54 No.16 Aug.2023超高层建筑超厚基础底板大体积混凝土 施工关键技术王鼎鑫，黄丽名，张 晨，杨石影（中信建设有限责任公司，100027，北京）摘要：通过本项目超厚基础底板大体积混凝土施工案例，介绍本项目 T1 塔楼地下室超厚底板大体积混凝土施工过程中一次性浇筑的施工技术和质量控制。阐述了优化配合比、浇筑、振捣、养护、计算机监控测温等有效措施，保证了一次连续浇筑底板 17 520 m3大体积混凝土的施工质量，有效地预防了大体积混凝土裂缝问题。关键词：超高层建筑；基础底板；大体积混凝土；施工技术；质量控制中图分类号：TU 745 文献标志码：B 文章编号：1000-4726(2023)16-1965-04THE KEY TECHNOLOGY OF CONSTRUCTION FOR SUPER HIGH-RISE BUILDING THICK FOUNDATION SLAB AND MASS CONCRETEWANG Ding-xin,HUANG Li-ming,ZHANG Chen,YANG Shi-ying(CITIC Construction Co.,Ltd.,100027,Beijing,China)Abstract:Through the case of mass concrete construction for super thick foundation slab,the construction technologies and quality controls of one-time pouring were introduced in detail throughout the whole mass concrete construction process in T1 tower basement floor.Effective measures such as optimisation of mix ratio,pouring,vibration,maintenance,computer monitoring,and temperature measurement were introduced,which ensured the construction quality of 17 520 cubic meters mass concrete in a one-time pouring of bottom plate,and effectively prevented the mass concrete from cracking issues.Keywords:super high-rise building;thick foundation slab;mass concrete;construction technology;quality control随着我国建筑业的飞速发展，一大批超高层建筑在我国拔地而起，而超高层建筑往往伴随着超厚、超深的基础底板，从而大体积混凝土工程也越来越多。基础底板大体积混凝土的显著特点是长、宽、厚尺寸大，混凝土浇筑面积和浇筑量大，施工连续性要收稿日期：20230529作者简介：王鼎鑫（1998），男，北京市人，e-mail:14006292 .3 结束语本研究通过两种无损检测技术扫描钢纤维混凝土试件，以识别 4 点弯曲产生的地下裂缝。首先使用热成像技术扫描被检查区域，再使用单侧超声测量来更详细地表征裂缝深度，并对具体的弹性波问题进行了数值模拟。结果表明，表征性能最强的是波的振幅，在试验和模拟中，瑞利波振幅随裂缝深度的减小而下降，下降程度超过 80%，而低频率（20 kHz）的瑞利波对隐藏在地表之下的裂缝的深度变化更加敏感。为了确定波形参数与裂缝深度的关系，需要进一步的研究。就热成像而言，研究结果是令人振奋的，因为在实验室温度较高的环境中，可以用热像仪或沿样品轴的平均温度曲线来识别表面缺陷，但仍需在低温下进行进一步的鉴别，以证明其在实际应用中的适应性。参考文献1 徐义.无损检测技术在混凝土检测中的应用 J.四川水泥,2022(5):78,13.2 王海波.无损检测技术在混凝土检测中的应用分析 J.科技资讯,2021,19(31):6466.3 董佳昕,王正君,时廷俊,等.无损检测技术在混凝土检测中的应用研究 J.广东建材,2021,37(9):4547,44.4 李智超.混凝土无损检测方法发展及应用 J.建材与装饰,2020(10):1314.5 张翼强,陈建波.钢筋混凝土桥梁常见病害原因及治理方法分析J.绿色环保建材,2019(12):123.6 王信刚,周镇,赵华,等.环氧树脂修复水泥基材料微裂缝的渗透机理 J.建筑材料学报,2021,24(6):12001207.7 叶春波.热成像技术用于混凝土柱的无损检测 J.石油化工腐蚀与防护,2020,37(1):36.