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试验研究 混凝土贯穿空洞的摄影探测 蒋寅军,朱永华,陈思作,杨锐玲 (武汉大学 土木建筑工程学院,武汉 430072) 摘 要:在对有贯穿空洞缺陷混凝土试件温度场研究的基础上,利用试件表面洒水后的影像 与试件温度场的关系,反映其内部缺陷信息,并与有限元计算结果相比较,力图探究一种可直接应 用于工程实践的快速、 大范围、 低成本的混凝土无损探测技术。实验结果表明,通过混凝土构件的 温度场图像分析来判断缺陷的方法能满足上述要求,很有发展前景。 关键词:摄影;混凝土;温度场;空洞 中图分类号:TG115.28 文献标识码:A 文章编号:100026656(2003)0720354204 DETECTION OF THE THROUGH2HOLE DEFECT IN CONCRETE BY PHOTOGRAPHY JIANGYin2jun , ZHU Yong2hua , CHEN Si2zuo, YANG Rui2ling (School of Civil Engineering , Wuhan University , Wuhan 430072 , China) Abstract : The temperature field of the concrete specimen with a through2hole defect was studied to look for a wayfor rapid , large2scale and low2cost nondestructive testing of concrete. The information of inner defect was given by the relationship between the image of the specimen surface besprinkled with water and the temperature field , and compared with the numeric result of finite element method. Experimental results showed that the method was feasible and prospected well. Keywords :Photography; Concrete ; Temperature field; Hole 作为主要建筑材料之一,混凝土通常在工地进 行配料、 搅拌、 成型和养护,每一环节稍有不慎都会 影响质量。同时,结构混凝土在使用中受自然因素 影响,也会产生裂缝和空洞等缺陷,导致重大安全事 故。近年来,造成恶劣社会影响和巨大经济损失的 豆腐渣工程,主要是因为混凝土中存在太多隐患。 因此,混凝土无损检测,无论是对施工过程混凝土质 量监控,还是对建筑物使用过程中的安全性鉴定都 具有重要意义,是当今建筑工程技术中的重要课题。 混凝土无损检测技术经过多年的发展,已经形 成了一系列比较成熟的理论和规范1。混凝土缺陷 无损检测技术大体可分为两大类,一类是机械波法, 包括超声脉冲法、 冲击脉冲法和声发射等;另一类是 穿透辐射法,包括X射线、射线和中子流法等。这 收稿日期:2002205227 基金项目:国家自然科学基金资助项目(50178057) 些方法主要适用于对可能存在缺陷处进行重点检 查,而对于这些方法而言,如何发现可疑点还缺乏快 速有效的手段。因此,混凝土无损检测要想实现快 速、 大范围、 低成本的目标,必须构造新的方法。 1 原理与方法 缺陷的存在阻止了热传导,局部温度上升较快, 导致含水量分布不匀,而含水量不同则光线的反射 率不一样,这可以在感光胶片中反映出来。通过摄 取表面不同时刻的含水量图像,可以间接地反映表 面温度场,而表面温度场与内部缺陷直接相关,因此 通过对图像的进一步分析即可知缺陷是否存在及其 几何信息(如位置和尺寸等)。 由于直接摄得的混凝土试件表面图像很难进行 处理和分析,作者对试件表面洒水以加强表面不同 区域含水量的对比,在其干燥过程中连续摄影,然后 453 第25卷第7期 2 0 0 3年7月 无损检测 NDT Vol. 25No . 7 July2 0 0 3 1995-2003 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 标准分享网 w w w .b z f x w .c o m 进行图像处理和分析,可以很快获得试件表面温度 的分布,进而得到缺陷位置及尺寸等几何信息,为混 凝土构筑物的安全性鉴定提供依据。这种方法属于 常规摄影,对设备要求不高,成本低,其效率也远胜 过对可疑点逐点布置传感器元件进行测量的各种方 法,非常适用于混凝土构筑物的定期跟踪普查。 2 模型与试件 由于实际工程中普遍存在的混凝土缺陷类型为 空洞与裂缝,它们对建筑物的危害也是最大的。作 者在实验室制作了两个150mm150mm150mm的 C25混凝土试件,1号试件为无缺陷试件,2号试件 设置一50mm50mm150mm贯穿空洞缺陷,其位 置及尺寸见图1。 图1 3 试验进程与现象 为了满足实际工程检测要求,在实验室内模拟 户外条件,保持两试件相同的初始条件,利用取暖灯 进行加热(图2) ,记录试件各表面温度,当试件正对 取暖灯的一面温度增长变慢时(视为温度场趋于稳 定 ) , 撤去取暖灯,立即喷洒一薄层水,然后等时间间 隔摄影,水分完全挥发后再反复进行喷洒和摄影,得 到的典型图像见图3。由图3可以看出,距缺陷最 近的表面区域水分挥发最快,沿着贯穿的长度方向 首先出现干燥区域,然后向周围扩大;而距缺陷越远 的地方,水分挥发的速度越趋于均匀。 图2 为了观察实验结果的必然性,将试件交换位置, 图3 图4 重复试验,得到的典型图像(图 4) 与图3结果相似。 4 热传导微分方程 一般条件下,如果某点(x , y , z)在时刻t的温 度为T( x , y , z , t) ,即可根据能量守恒定律及传热学 基本定律求得 k 52T 5x2 + 52T 5y2 + 52T 5z2 + g( x , y , z , t) = cp 5T 5t (1) 式中 g( x , y , z , t ) 单位体积单位重量混凝土 的内发热 k 导热系数 cp 混凝土比热 混凝土密度 该方程表达了物体温度随空间和时间变化的规 律。对于实验所使用的混凝土立方体试件而言,通 过六个面都能与外界发生热传导,是最复杂的三维 热传导问题,但是由于该试件具有贯穿型空洞,其温 度分布沿空洞长度方向变化不大,在某些理想的试 验条件下(如采用隔热措施,尽量使热量由某个面流 入,而从对面流出 ) , 考虑到试件、 缺陷以及实验条件 的共性,可以简化为二维热传导问题。作者所研究 问题的几何模型示于图5,在稳态时其热传导微分 方程为 k 52T 5x2 + 52T 5y2 =0(2) 553 蒋寅军等:混凝土贯穿空洞的摄影探测 1995-2003 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 标准分享网 w w w .b z f x w .c o m 图5 y =0,0 x h; y = h , 0 x h : -k 5T 5x = ( T w- Tf) x =0,0 y h; x = h , 0 y h : -k 5T 5x =0 x = a , b y b + t; x = b + t , b y b + t : -k 5T 5y =0 y = b , a x a + t; y = b + t , a x a + t : -k 5T 5x =0 (3) 式中 Tw,Tf 对流换热边界上固体表面和周围 介质的温度 外界空气对流换热系数 即y= 0,0 xh; yh ,0 xh为对流换热边 界, x= 0,0 yh; x=h ,0 yh为绝热边界,孔 内边界为绝热边界。 5 试验结果与数值解的比较 一般情况下,要求解形如式(2)的微分方程且得 到符合构件的边界条件式(3)的解析解很困难。作 者对模型的温度场进行了有限单元法数值分析,其 单元网格划分见图6。 分析时选取混凝土参数为4密度2 300kg/ m3; 比热1. 13kJ/ kg ;导热系数4. 61kJ/ mh ;混凝 图6 土试件表面与环境空气对流换热,加热面空气温度 为55,其余各面环境空气温度为20,由于缺陷 内介质导热性能很差,其表面视为绝热边界;外界空 气对流换热系数为36.12kJ/ m2h 。 利用有限元程序进行的试件稳态温度场分析结 果见图7 ,试验结果与有限元分析结果基本吻合。 图7 图8所示为无缺陷混凝土试件 (1 号)在相同条 件下的温度分布。 图8 由上述有限元分析可知,由于缺陷的存在,试件 温度变化最大的将近2. 5,温度相对较高的区域 的分布也变化显著,这由图7与图8的对比可以很 清楚地看出,图7中前面边界上的温度变化趋势与 摄影图像的灰度变化趋势非常一致,高温部分灰度 比较高,低温部分灰度比较低。 6 分析与结论 6.1 方法的可行性 由讨论可知,混凝土温度场受缺陷影响很大,有 限元分析结果清楚表明了这一影响,而在试件表面 洒水拍摄的影像得到的是对比增强的表面温度分布 场,与有限元分析结果也有很好的吻合,说明该法不 但可行且有效。同时,也看到在无缺陷试件表面也 出现干湿程度不同的区域,主要是因为混凝土本身 并不是匀质材料,骨料与水泥、 砂的导热性能不同, 也导致局部温度变化,由于骨料与砂在试件内随机 分布,故在无缺陷混凝土表面也出现了随机分布的 干燥区域,在一定程度上也反映了材料的构成特点。 653 蒋寅军等:混凝土贯穿空洞的摄影探测 1995-2003 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 标准分享网 w w w .b z f x w .c o m 62 有待解决的问题 (1)洒水手段的可靠性 由于水的比热很大, 即使是很薄的一层水,也会改变试件表面的温度分 布,而水分的挥发过程很复杂。经分析认为水分挥 发吸收的能量主要来自空气和试件的热传导以及吸 收热辐射,短时间内由于混凝土吸收的水分很少,而 且空气温度变化很小,吸收热辐射也可以认为是恒 定的,因此水分挥发情况主要受混凝土表面温度的 影响,其挥发速度直接反映混凝土试件表面温度的 分布。从试验结果看,分析是合理的,洒水的手段也 是有效和可靠的。在实际工程中也许不可能进行均 匀洒水,但可以探索其它更有效的方法。 (2)缺陷信息的分离 从试验结果来看,该方 法基本有效可行,但对缺陷类型、 位置和尺寸的确 定,还有待进一步研究。作者设想对图像进行数字 化分析处理,根据色彩(或灰度)分布获得表面含水 量(及温度场)的准确数值,然后再分离出缺陷信息。 (3)精度问题 如果能够建立图像色彩(与灰 度)分布与含水量(及温度场)的关系,那么,只要提 高图像分辨力,试验精度就可以得到很好的保证。 这正是下一步研究的内容和目标。 6.3 应用前景 在目前国家的大量基础建设(堤防、 水库、 桥梁 和工业民用建筑等)中,如何保证施工质量,并进行 有效的事后检查和监督,需要快速、 低成本、 大范围 的混凝土无损检测手段。可以预见,在深入研究的 基础上,综合各无损检测方法的优势,可以形成一种 新的无损检测手段,达到在工程实践中快速有效应 用的目的,其应用前景可观,有较大的发展潜力。 参考文献: 1 国家建筑工程质量监督检验中心编.混凝土无损检测 技术M.北京:中国建材工业出版社,1996. 2 奥奇西克MN著,俞昌铭主译.热传导M.北京:高等 教育出版社,1983. 3 埃克特ERG,德雷克RM著,航 青译.传热与传质分 析M.北京:科学出版社,1983. 4 范治新编.工程传热原理M.北京:化学工业出版社, 1982. 5 刘高典.温度场的数值模拟M.重庆:重庆大学出版 社,1990. 6 孔祥谦.有限单元法在传热学中的应用M.第2版, 北京:科学出版社,1986. (上接第339页) 图4 绝缘子缺陷检测波形图 历一次大的损失,所以侧面波的能量非常低,检测到 的下界面缺陷的反射波非常小。上界面缺陷反射波 主要用来检测近表面的缺陷。上界面缺陷反射波与 探头界面波的时间差T反映的是裂纹相对于探头 的位置。从界面波的高度可以评价缺陷的大小。 4 结论 超声波检测具有操作简单、 安全可靠、 抗干扰能 力强等优点。但由于其存在耦合、 衰减及超声换能 器性能问题,在远距离遥测上目前未有重大突破,不 适合现场检测,而主要用于企业生产在线检测以及 实验室检定。 上述检测纵波斜入射法可作为一种试验研究手 段,在实验室条件下建立合成绝缘子脆断模拟试验, 用超声探测裂纹情况,从而了解绝缘子发生脆断的 整个动态发展过程,以进行玻璃钢芯棒的脆断破坏 机理研究;也可应用于生产实际,在生产厂里建立检 测平台,避免损伤芯棒上线使用。 该超声检测方法具有较强的通用性,不仅可用 于检测绝缘子芯棒的裂纹,也可用于检测其它材质 圆棒横截面上裂纹,具有推广价值。 参考文献: 1 张福林.复合绝缘子机械性能综述J .电瓷避雷器, 1998 ,(163) :10 - 11. 2 叶蜚誉,薄 通.关于合成绝缘子的选用J .浙江电 力,1995 ,(2) :16. 3 聂一雄,尹项根.绝缘子在线检测方法的探讨J .现代 科学仪器,2000 ,(1) :37. 4 杨桂通,张善元.弹性动力学M.北京:中国铁道出版 社,1998.131 - 133. 5 张海澜.圆形厚度模换能器在固体介质中辐射的直达 波和边缘波D.北京:中国科学院声学研究所,1984. 753 蒋寅军等:混凝土贯穿空洞的摄影探测 1995-2003 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 标准分享网 w w w .b z f x w .c o m