（固体力学专业论文）基于红外热像的混凝土结构损伤检测.pdf

摘要 本论文的研究课题来源于国家自然科学基金项目碳纤维智能层的多场耦合机 理及其场域诊断( 项目编号：1 0 6 7 2 1 2 8 ) 。 本文以混凝土结构的损伤监测与分析为背景，利用红外热像快速、全面、无损的检 测特点来达到对混凝土损伤进行快速全面可视化监测与分析的目的。当混凝土发生损伤 时，其热导率会发生变化，当有热源注入时，混凝土构件表面会呈现不均匀的温度场，通 过红外热像技术就可以检测混凝土内部的损伤情况。本文就是借助红外热像仪，来感知 混凝土结构的变形和损伤，围绕相关问题进行了探索性的理论分析以及大量的实验研 究。 本文进行的红外热像法探测混凝土缺陷的理论及其实验研究，旨在已有相关成果的 基础上，通过理论分析与大量的实验相结合，探讨一种可行的混凝土缺陷无损检测的方 法。 本文主要进行了以下几个方面的研究工作： 1 、分析了混凝土损伤的类型及表现形式，损伤的演化，损伤与材料热导率的关系， 研究了损伤对应构件表面的温度场，从而为用红外热像的温度场描述和表征损伤场奠定 了基础。 2 、研究了影响红外热像图质量的因素，包括热源、加热时间、周围环境等。分析了 获取高质量红外热像图的条件，通过大量试验，分析热源注入的均匀性；热源、热像仪 与研究对象的相对位置等，得出摄取高质量红外热像图的方案。 3 、提出判断红外热像图质量的指标：灵敏度与清晰度。灵敏度即损伤部位与完好部 位的温差，清晰度即红外热像图上温度异常区域的尖锐程度。根据大量的实验论证，利 用这两个指标能较为准确地反映混凝土损伤的有无、损伤的位置和损伤的程度。 4 、通过用红外热像仪对混凝土损伤检测的大量实验，以及对实验结果的分析和总结， 分析了混凝土试样的单调压缩损伤、蠕变损伤、预埋块状材料损伤和冻融损伤的发生和 发展。利用红外热像检测到的试样表面温度分布数据，给出利用曲线图查找缺陷深度和 大小的方法；建立损伤与试样表面温度分布及变化之间的联系，实现对缺陷的定位及定 性诊断，为红外热像检测损伤的应用做了一些尝试。 5 、红外热像图清楚地表明了混凝土的单调压缩是劈裂破坏，而混凝土的蠕变压缩是 剪切破坏；在单面供热条件下，试样出现冷斑是由于内部含高热导率的夹杂，出现热斑 是由于内部含低热导率的夹杂或出现损伤；红外热像检测对试样表面裂纹无能为力。 本文研究涉及到力学、电学、混凝土材料学、传热学等多学科，其成果对提高常规 混凝土红外无损检测的效率和精度，增进红外热像在混凝土结构无损检测中的应用具有 一定的现实意义，而且对碳纤维混凝土在关键土木结构中应用，并实现损伤实时监测具 有指导作用。 关键词：混凝土结构，损伤，温度场，红外热像，无损检测 a b s t r a c t t h i sp a p e r sr e s e a r c hs u b j e c to r i g i n a t e sf r o mt h es t a t en a t u r a ls c i e n c e sf o u n d a t i o np r o j e c t - - - c a r b o n f i b e ri n t e l l i g e n c el e v e lm a n yc o u p l i n gm e c h a n i s ma n dt h ef i e l dt e r r i t o r yd i a g n o s i s ( t h ep r o j e c tn u m b e r ： 1 0 6 7 2 1 2 8 ) t h i sa r t i c l et a k ec o n c r e t es 旬n j c t u r e sd a m a g em o n i t o ra n dt h ea n a l y s i sa st h eb a c k g r o u n d t h eu s e i n f r a r e dt h e r m a li m a g e r yf a s t ，c o m p r e h e n s i v e ，t h el o s s l e s se x a m i n a t i o nc h a r a c t e r i s t i ca c h i e v e st ot h e c o n c r e t e sd a m a g ec a r r i e so nt h eg o a lw h i c ht h ef a s tc o m p r e h e n s i v ev i s u a l i z a t i o nm o n i t o r sa n da n a l y z e s w h e nt h ec o n c r e t e sh a v et h ed a m a g e ，i t sh e a tc o n d u c t i v i t yw i l lc h a n g e ，w h e nw i l lh a v et h eh e a ts o u r c ew i l l p o u ri n t o ，t h ec o n c r e t e sc o m p o n e n ts u r f a c ew i l lp r e s e n tt h en o n - u n i f o r mt e m p e r a t u r ef i e l d ，m a ye x a m i n e t h ec o n c r e t e si n t e r n a ld a m a g es i t u a t i o nt h r o u g ht h ei n f r a r e dt h e r m a li m a g e r yt e c h n o l o g y t h i sa r t i c l ed r a w s s u p p o r tf r o mt h ei n f r a r e dt h e r m a li m a g i n gs y s t e m ，c o m e st h es e n s a t i o nc o n c r e t es t r u c t u r et h ed i s t o r t i o na n d t h ed a m a g e ，h a sc a r r i e do nt h ee x p l o r i n gt h e o r e t i c a la n a l y s i sa sw e l la st h em a s s i v ee x p e r i m e n t a ls t u d y r e g a r d i n gt h er e l a t e dq u e s t i o n t h i sa r t i c l ec a r r i e so nt h ei n f r a r e dt h e r m a li m a g e r yl a ws u r v e yc o n c r e t e sf l a w st h e o r ya n dt h e e x p e r i m e n t a ls t u d y , a r ef o rt h ep u r p o s eo fh a v i n gi nt h er e l a t e da c h i e v e m e n tf o u n d a t i o n ，u n i f i e st h r o u g ht h e t h e o r e t i c a la n a l y s i sa n dt h em a s s i v ee x p e r i m e n t s ，d i s c u s s e so n ek i n do ff e a s i b l ec o n c r e t e sf l a w n o n - d e s t r u c t i v ei n s p e c t i o nt h em e t h o d t ot h i sp u r p o s e ，t h i sp a p e rt h ef o l l o w i n gs e v e r a la s p e c t so ft h es t u d y ： 1s t ，h a sa n a l y z e dt h ec o n c r e t e sd a m a g et y p ea n dt h em a n i f e s t a t i o n , t h ed a m a g ee v o l u t i o n ，t h ed a m a g e a n dt h em a t e r i a lh e a tc o n d u c t i v i t yr e l a t i o n s ，h a ss t u d i e dt h ed a m a g ec o r r e s p o n d e n c ec o m p o n e n ts u r f a c e t e m p e r a t u r ef i e l d ，t h u st ou s et h ei n f l a t e dt h e r m a li m a g e r yt h et e m p e r a t u r ef i e l dd e s c r i p t i o na n dt h e a t t r i b u t ed a m a g ef i e l dh a sl a i dt h ef o u n d a t i o n 2 n d ，h a ss t u d i e dt h ei n f l u e n c ei n f r a r e dt h e r m a li m a g e r yc h a r tq u a l i t yf a c t o r , i n c l u d i n gh e a ts o u r c e ， h e a t i n g u pt i m e ，e n v i r o n m e n ta n ds oo n a n a l y z e dg a i n e dt h eh i g hg r a d ei n f r a r e dt h e r m a li m a g e r yc h a r t c o n d i t i o n ，t h r o u g ht h em a s s i v ee x p e r i m e n t s ，t h eu n i f o r m i t yw h i c ht h ea n a l y s i sh e a ts o u r c ep o u r e di n t o ；t h e h e a ts o u r c e ，t h et h e r m a li m a g i n gs y s t e ma n do b j e c to fs t u d y sr e l a t i v ep o s i t i o na n ds oo n ，o b t a i n sa b s o r b s t h eh i g hg r a d ei n f r a r e dt h e r m a li m a g e r yc h a r tt h ep l a n 3 r d ，p r o p o s e st h ej u d g m e n ti n f r a r e dt h e r m a li m a g e r yc h a r tq u a l i t yt a r g e t ：s e n s i t i v i t ya n dc l a r i t y t h es e n s i t i v i t yi st h ed a m a g es p o ta n dt h ec o m p l e t es p o tt e m p e r a t u r ed i f f e r e n c e ，o nt h ec l a r i t yn a m e l y i n f r a r e dt h e r m a li m a g e r yc h a r tt h et e m p e r a t u r ea n o m a l yr e g i o nk e e n n e s s a c c o r d i n gt ot h em a s s i v e e x p e r i m e n tp r o o f , w h e t h e rt h e r ei s u s e st h e s et w ot a r g e t st ob ea b l et or e f l e c tt h ec o n c r e t e sd a m a g e a c c u r a t e l y , t h ed a m a g ep o s i t i o na n dt h ed a m a g ed e g r e e 4 t h ，t h r o u g hu s e st h ei n f r a r e dt h e r m a li m a g i n gs y s t e mt oe x a m i n et h ec o n c r e t e sd a m a g et h em a s s i v e e x p e r i m e n t s ，a sw e l la se x p e r i m e n t a lr e s u l ts u m m a r ya n da n a l y s i s a n a l y z e dt h ec o n c r e t e st e s ts p e c i m e n m o n o t o n o u sc o m p r e s s i o nd a m a g e ，t h es l o wc h a n g ed a m a g e ，t ob u r yt h em a s s i v em a t e r i a ld a m a g ea n dt h e f r e e z i n ga n dt h a w i n gd a m a g eo c c u r r e n c ea n dt h ed e v e l o p m e n ti na d v a n c e u s e st e s ts p e c i m e ns u r f a c e t e m p e r a t u r ep r o f i l ei n f o r m a t i o nw h i c ht h ei n f r a r e dt h e r m a li m a g e r ye x a m i n e s ，g i v e st h eu s ed i a g r a mo f c u r v e ss e a r c hf l a wd e p t ha n dt h es i z em e t h o d ；t h ee s t a b l i s h m e n td a m a g ea n db e t w e e nt h et e s ts p e c i m e n s u r f a c et e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o na n dt h ec h a n g er e l a t i o n ，r e a l i z e st ot h ef l a wl o c a l i z a t i o na n dt h eq u a l i t a t i v e d i a g n o s i s ，h a sm a d es o m ea t t e m p t sf o rt h ei n f r a r e dt h e r m a li m a g e r ye x a m i n a t i o nd a m a g e sa p p l i c a t i o n 5 t h ，t h ei n f r a r e dt h e r m a li m a g e r yc h a r th a di n d i c a t e dc l e a r l yt h ec o n c r e t e sm o n o t o n o u sc o m p r e s s i o n i st h ec l e a v a g ed e s t r o y s ，b u tt h ec o n c r e t e ss l o wc h a n g ec o m p r e s s i o ni st h es h e a r i n gf a i l u r e ；u n d e rt h e o n e - s i d e dh e a t i n gc o n d i t i o n ，t h et e s ts p e c i m e np r e s e n t sl e n gb a ni sa sar e s u l to ft h ei n t e r i o ri n c l u d i n gt h e h i g hf e v e rc o n d u c t a n c em i x t u r e p r e s e n t st h eh o ts p o ti sb e c a u s et h ei n t e r i o ro rp r e s e n t st h ed a m a g e i n c l u d i n gt h el o wh e a tc o n d u c t a n c e sm i x t u r e ；t h ei n f r a r e dt h e r m a li m a g e r ye x a m i n a t i o ni sh e l p l e s st ot h e t e s ts p e c i m e ns u r f a c ec r a c k t h i sa r t i c l es t u d i e si n v o l v e st om e c h a n i c s ，t h ee l e c t r i c i t y , t h ec o n c r e t e sm a t e r i a ls t u d y , h e a tt r a i l s f e r t h e o r ya n ds oo nm u l t i d i s c i p l i n a r y , i t sa c h i e v e m e n tt oe n h a n c e st h ec o n v e n t i o n a lc o n c r e t e si n f r a r e d n o n - d e s t r u c t i v ei n s p e c t i o nt h ee f f i c i e n c ya n dt h ep r e c i s i o n ，p r o m o t e st h ei n f r a r e dt h e r m a li m a g e r yt oh a v e c e r t a i np r a c t i c a ls i g n i f i c a n c ei nt h ec o n c r e t es t r u c t u r en o n d e s t r u c t i v ei n s p e c t i o na p p l i c a t i o n ，m o r e o v e r a p p l i e st ot h ec a r b o nf i b e rc o n c r e t e si nt h ee s s e n t i a l c o n s t r u c t i o ns t r u c t u r e ，a n dr e a l i z e st h ed a m a g e r e a l t i m em o n i t o rt oh a v et h ei n s t r u c t i o nf u n c t i o n k e yw o r d s ：c o n c r e t es t r u c t u r e s ，d a m a g e ，t e m p e r a t u r ef i e l d ，i n f r a r e dt h e r m a li m a g i n g ， n o n - d e s t r u c t i v et e s t i n g i i i 武汉理t 大学硕士学位论文 第1 章前言 1 1 研究背景和意义 1 1 1 研究背景 混凝土因其取材广泛、价格低廉、抗压强度高、可浇筑成各种形状，并且耐火性好、 不易风化等特点，成为当今世界使用最广泛的建筑材料之一h 1 。然而，大量的工程实践 和理论分析表明，几乎所有的混凝土构件均是带损伤工作的，这些损伤在使用荷载或外 界物理、化学因素的作用下，会不断积累和扩展，引起混凝土碳化、保护层剥落、钢筋 腐蚀，使混凝土的强度和刚度削弱，耐久性降低，严重时甚至导致灾难性事故，使国家 财产和人民生命安全遭受重大损失。因此，对已经使用多年的混凝土构筑物要进行检查、 维修和加固，对建成不久的劣质工程要进行客观的评价。尤其在人口密集的城市，高层 建筑外装修是否有剥离危险，这都是急剧解决的重大问题。 桥梁、大型水坝、核电站安全壳等重大混凝土工程的安全可靠性、耐久性问题是涉 及国家经济发展与国家安全的重大问题。因此，对重大混凝土工程结构进行损伤监测与 分析已成为土木工程领域中的重要研究课题之一。 对桥梁工程而言，主要的损伤是混凝土开裂，产生的原因是多方面的，大致可分为 以下几种畸刮： 1 ) 荷载引起裂缝 混凝土桥梁在常规静、动荷载及次应力下产生荷载裂缝，主要有直接应力裂缝、次 应力裂缝两种。实际工程中，次应力裂缝是产生荷载裂缝的最常见原因。次应力裂缝多 属张拉、劈裂、剪切性质。荷载裂缝特征依荷载不同而异呈现不同的特点。这类裂缝多 出现在受拉区、受剪区或振动严重部位。如果受压区出现起皮或有沿受压方向的短裂缝， 往往是结构达到承载力极限的标志，是结构破坏的前兆。 2 ) 温度变化引起裂缝 混凝土具有热胀冷缩性质，当外部环境或结构内部温度发生变化，混凝土将发生变 形，若变形受到约束，则在结构内产生应力，当应力超过混凝土抗拉强度时即产生温度 裂缝。产生的原因包括年温差、日照、骤然降温和水化热等。 3 ) 收缩引起裂缝 在实际工程中，混凝土因收缩所引起的裂缝是最常见的。主要有塑性收缩、缩水收 缩( 干缩) 、自生收缩和炭化收缩等。混凝土收缩裂缝的特点是大部分属于表面裂缝，裂 缝宽度较细，且纵横交错，成龟裂状，形状没有任何规律。 4 ) 地基础变形引起裂缝 由于基础竖向不均匀沉降或水平方向位移，使结构中产生附加应力，超出混凝土结 构的抗拉能力，导致结构开裂。 武汉理工人学硕上学位论文 5 ) 钢筋锈蚀引起裂缝 由于混凝土质量较差或保护层厚度不足，混凝土保护层受二氧化碳侵蚀炭化至钢筋 表面，使钢筋周围混凝土碱度降低，或由于氯化物介入，钢筋周围氯离子含量较高，均 可引起钢筋表面氧化膜破坏，钢筋中铁离子与侵入到混凝土中的氧气和水分发生锈蚀反 应，其锈蚀物氢氧化铁体积比原来增长约2 - - - 4 倍，从而对周围混凝土产生膨胀应力， 导致保护层混凝土开裂、剥离，沿钢筋纵向产生裂缝，并有锈迹渗到混凝土表面。由于 锈蚀，使得钢筋有效断面面积减小，钢筋与混凝土握裹力削弱，结构承载力下降，并将 诱发其它形式的裂缝，加剧钢筋锈蚀，导致结构破坏。 其他还有因施工材料质量和施工工艺质量等引起的裂缝。一座桥梁从建成到使用， 牵涉到的各个方面均可能使混凝土桥梁出现裂缝。对桥梁结构进行实时快捷的全面监控 与检测是保证结构安全耐用的一个重要环节。 1 1 2 研究意义 对于混凝土结构而言，检测不同时期的损伤度与可靠度，正确评价其适用性，合理 解决工程应用中安全性与经济性矛盾，具有重大的社会价值和经济效益。 由于混凝土结构内的缺陷，将使混凝土承载能力大幅度下降，很容易造成交通中断， 乃致桥梁倒塌等重大事故，是国家财产遭受重大损失。因此，对已使用多年的混凝土结 构要进行检查、维修和加固，对建成不久的工程要进行客观的评价。 在许多场合，我们不仅需要知道物体表面的平均温度，更需要了解物体的温度分布情 况，以便分析、研究混凝土的结构，探测内部缺陷。红外成像就能将物体的温度分布以图 像的形式直观地显示出来。本课题即将用红外成像的方法和特点，检测含缺陷的混凝土 结构表面温度场，从而确定其损伤程度。 2 武汉理工人学硕士学位论文 2 红外热像检测的研究现状 红外热像技术是2 0 世纪发展起来的新兴应用技术睁1 5 1 ，它被广泛应用在医学、遥感、 地球资源探测、工业探伤等方面，被检测的材料涉及金属、合金、塑料、陶瓷以及复合 材料等。从1 8 0 0 年红外线的发现开始至今，天气预报都应用了红外技术，电视气象预 报的云图是来自气象卫星对云层移动的观测，它是通过接收地球表面、海面和云层所辐 射的红外线而形成的一种热像图。从红外线的发现到红外技术在国民经济中的广泛应 用，这期间走过的路程，基本是从军用转向民用。工业领域的应用是从保安全生产渐渐 形成对设备寿命的预测；从初期的红外检测逐步发展到对设备的早期预测和诊断；从简 易诊断不断地上升到精密诊断，而且世界上各个国家几乎是从电力工业部门的应用扩展 到其他领域的多种应用。 ( 1 ) 国外的研究现状 2 0 世纪6 0 年代以后，计算机和电子技术的飞跃发展促使工业生产现代化和机器设 备的大型化、连续化、高速化、自动化，是设备本身的规模越来越大，性能越来越高， 功能越来越多，结构越来越复杂，其结果是一旦发生事故，不仅会造成经济上的巨大损 失，而且还会污染环境，引起灾害，造成各种社会问题，因此，人民开始认识到发展故 障诊断技术的重要性和迫切性。 美国的红外诊断技术应用广泛，在各行各业都利用红外仪器进行热故障检查和热状 态测量，主要使用研究内容包括设备故障诊断、无损探伤、节能检测、核电站安全检查、 建筑物保温和渗漏检测等。此外还在治安中发挥出色作用，如追捕逃犯、寻找走失人员 等。美国的红外服务公司遍布美国各地，其起步也是从电器设备诊断开始，顾客认为付 出1 美元的服务费用，可以收到1 0 美元以上的效益。路易安娜州的一个石化公司用红 外检测电器设备，由于避免了停工和损坏设备，公司估计由此带来的经济效益是：找出 的每个“过热点”可节省2 2 0 0 美元。 法国工业部门专门成立了一个机构，叫a p a v e ，用于保证安全和经济。红外测温技术 是他们的重要检测手段，如用于对各种大型工业设备，用于高8 0 m ，直径6 m 的烟囱的热 像检测。 英国钢铁协会( 简称b s c ) 认为，红外热像可以日夜不问断地提供2 4 h 服务，他们 的服务状况以1 9 7 5 年设为1 0 0 ，到1 9 7 9 年已达到7 0 0 以上。 日本机械工业在1 9 6 8 年采用热像检测，其在电力和其他行业中的应用亦颇受重视， 曾多次出版红外诊断技术专辑。前苏联、瑞士、科威特、挪威、委内瑞拉等过都在较早 期就开展了红外检测技术的应用。 ( 2 ) 国内的研究现状 我国红外诊断技术的发展是和设备诊断技术发展息息相关的。对于设备诊断技术， 从维修体制改革着眼研究这个问题，从设备综合工程学的观点，探求设备寿命周期费用 武汉理工大学硕上学位论文 的经济性来研究这个问题，我国主要是从1 9 7 9 年开始的。当时有不少工业在熟悉前苏 联维修体制的基础上，开始研究美、日、德国及瑞典的各种维修体制，从中知道了一些 状态监测维修的优点，并开始进入了初步接触的阶段。到1 9 8 3 年时，全国有了更多的 企业从初步认识到进入到实践阶段。1 9 8 5 年1 月，原国家经委委托中国设备管理协会召 开了设备诊断技术应用推广会，全国各方面均有代表参加，交流经验和论文，广泛介绍 国内外的工作现状，使大家开拓了视野，提高了认识，从而为今后在全国大力推广设备 诊断技术，改进设备管理体制等工作，打下了一个良好的基础。 1 3 研究目的和内容 1 3 1 研究目的 ( 1 ) 以混凝土结构为研究对象，以红外热像为技术手段，以损伤力学和导热学为研究 方法，以导热一损伤耦合为主题，试图从理论和实验两个方面系统地研究混凝土缺陷演 化及其对导热性能劣化和累积损伤的影响程度和相互关系 ( 2 ) 分析缺陷和热导率的关系，应用红外热像技术，对混凝土结构实现实时的损伤检 测。 1 3 2 研究内容 本文在国家自然科学基金重点项目一碳纤维智能层的多场耦合机理及其场域诊 断( 项目编号：1 0 6 7 2 1 2 8 ) 资助下，以混凝土结构的损伤检测与分析为核心，利用混凝土 结构的功能特性，结合红外热像快速、全面的无损检测特点，主要开展以下研究： ( 1 ) 根据混凝土的热传导性能和热辐射定律阐述了红外热成像技术检测混凝土损伤 的原理和方法。 ( 2 ) 试验并提取混凝土导热一损伤耦合的红外热像样本； ( 3 ) 对红外摄像仪摄取的混凝土表面温度场进行分析。 ( 4 ) 探索混凝土损伤场对应表面温度场的红外热像方法。 4 武汉理工大学硕上学位论文 1 4 混凝土损伤的无损检测 混凝土材料在土木建筑工程中得到广泛应用，由于其抗拉强度相对较小刮，可能产 生裂缝，或者施工振捣不足，内部存在蜂窝孔洞、或建筑物使用期长而碳化、或预留试 件不足与代表性不强、或施工期混凝土强度增长与建筑物的长期跟踪管理等，都需要对 结构物进行检测。现在对混凝土的检测一般是用声、光、电、磁和射线等方法，测定有 关混凝土性能方面的物理量，推定混凝土强度、密实性、均匀性、以及存在的缺陷等引。 现今无损检测混凝土缺陷的常用方法包括回弹法n 7 啦! 、超声波法、射线法和垂直反 射法等，其中以回弹仪和超声仪为主要仪器的检测方法操作最为方便，使用最为普及， 是国内外学术界公认的基本检测技术。另外，在地球物理勘测中经常采用地震波法和这 些年发展起来并得到应用的地质雷达法。 回弹法是在混凝土侧面或顶面( 底面) 均匀布置一定数量的测点，利用回弹仪测得混 凝土的回弹值，并根据已知的测强曲线，以及混凝土抗压强度与混凝土表面回弹值之间 存在的统计相关关系，通过换算求得混凝土当前状态的强度。以检验混凝土的质量和抗 压强度。其优点在于：仪器构造简单，方法易于掌握；测试工作有较好的灵活性，可以 在结构物的任何部位迅速进行；适用于施工现场对混凝土的强度进行随机的、大量的检 测。但是，回弹法反映的仅是混凝土表面l o - - 1 5 9 皿厚范围内的质量，即只能用于检测 混凝土表面的质量。 超声波法是在被测体的表面或钻孔内布置一定的测点，利用低频超声波测混凝土的 波速，根据已知的标准状态的声速来检测混凝土的质量( 均匀性及内部缺陷) 和强度。测 量时，可在被测体的表面、相向的两对侧面进行对测，也可以钻孔进行单孔或跨孔测量。 其优点有：测试时超声脉冲穿透混凝土的全部厚度或较深的内部混凝土，试验结果能够 较好地反映被测结构物的质量；测试工作有较好的灵活性；可以在同一部位进行多次重 复测试；无需钻孔检测混凝土结构内部缺陷。但是，超声波法测试数据受耦合条件和钢 筋影响较明显。 垂直反射法是种极小偏移距离( 收发距离很小) 的反射方法，其工作原理是由发射探 头向混凝土块发射一声脉冲波，在波传播过程中遇到波阻抗有明显差异( 如架空、蜂窝 等) 时将产生反射波而返回到混凝土表面被接收传感器接收。通过对记录下的弹性波信 号的振幅、相位、频率等进行分析，即可判断出混凝土中的缺陷。该方法可在混凝土单 表面进行，当向被探测对象激发一纵波时，传感器所接收到的反射信号中只有纵波，不 含横波等其它类型的转换波，记录波型的成份单一，资料分析十分简单。但它要求反射 震源和接收检波器必须具有短余振特性，并要解决好高频与大功率之间的矛盾。 雷达法是利用高频电磁波以宽频带短脉冲形式，由地面通过发射天线定向送人地 下，经过存在电性差异的混凝土反射后返回地面，被接收天线接收，电磁波在混凝土传 播时，其路径、电磁场强度与波形将随所通过混凝土的电性与状态而变化。当发射与接 武汉理工人学硕上学位论文 收天线以固定的间距沿测线同步移动时，就可以得到反映测线以下混凝土缺陷分布情况 的雷达图像。混凝土均性差时( 如存在蜂窝、架空等) ，这部分区域与周围混凝土电性 差异增大，反射波增强；当其完整致密时，混凝土性质相对均匀，反射波很弱。该方法 可根据波形记录直接分析混凝土内部缺陷的分布和形态，具有可视性；可根据探测深度、 分辨率的要求选用不同频率的天线；可在结构物表面进行，灵活性较好，在同一部位可 进行多次重复测试。但混凝土结构中布置的钢筋增加了混凝土内部缺陷雷达回波信号的 识别难度。 1 5 红外热像检测原理 红外热像技术是将不可见的红外辐射转化为可见图像的技术口，利用这一技术研制 成的红外装置称为热成像装置或热像仪。热像仪是一种二维平面热成像的红外系统，它 通过将红外辐射能量聚集在红外探测器上，并转换为电子视频信号，经过电子学处理， 形成被测目标的红外热图像，该图像用显示器显示出来。与可见光的热成像不同，它是 利用目标与周围环境之间由于温度与发射率的差异所产生的热对比度不同，而把红外辐 射能量密度分布图显示出来，成为“热像图”。 将一个固定热量q 加在试样表面时，热流均匀地注入试样表面，并扩散进入试样内 部，其扩散速度由试样内部性质决定。如果试样内部有缺陷( 如裂纹、脱粘等) 存在，则 均匀热流就会被缺陷阻挡，经过时间延迟就会在缺陷部位发生热量堆积，在其表面产生 过热点，也就是热斑，表现为温度异常。用红外热像仪扫描试样表面，测量试样表面温 度分布情况，当探测到过热点就可以断定出现过热点的部位存在缺陷。使用这种方法可 以探测固体材料中的裂纹、空洞、夹杂、脱粘等缺陷。 1 6 红外热像检测系统 ( 1 ) 系统组成 在热像仪中，具体实现由红外光变电信号乜2 2 钔，再由电信号变可见光的转换功能是 由热像仪的各个部件来完成的。当代使用的热像仪大都采用光机扫描，这种热像仪主要 由光学系统、扫描器红外探测器、信号处理电路和显示记录装置等几部分组成的。在这 些组成部分中，红外探测器为核心部件，在现代热成像装置中广泛应用了基于窄禁带半 导体材料的光子探测器。其中，碲化汞器件占大多数。这种器件之所以受到重视，主要 是它具有高的探测率和较合适的工作温度，且其工作波段可以通过改变材料c d t e 和 h g t e 的组分配比加以调整。 6 武汉理工人学硕士学位论文 ( 2 ) 技术性能 本论文中所采用红外仪为武汉华中数控公司生产的h y 2 0 8 8 系列，其主要性能指 标如下： 【图像性能】 探测器类型：非致冷焦平面探测器 波长范围：8 1 4 1 x m 像素：2 5 6 x 2 5 6 温度分辨率：0 0 7 ( 3 0 时) 空间分辨率：1 3 m r a d 帧频：6 0 h z 视场角最小焦距：1 7 0 0 5 m 聚焦：手动 【图像显示】 视频输出：n 制式复合视频 显示方式：3 5 寸彩色l c d ，彩色电子取景器( 强光下图像清晰可见) 菜单类型：中英文菜单 伪彩设置：用户可以自行设置2 5 6 级伪彩模式，五种调色板可选 调节功能：图像亮度、对比度可调 【温度测量】 测温范围： - 2 0 + 4 0 0 测温精度：2 ( 满量程) 测量方式：可自动测量并捕捉全屏最高温；可任意点测温；可同时测量和显示任 意四点温度；可设定上限报警温度值，高于该温度值可自动报警。 大气穿透率校正：自动，基于输入的目标距离、大气温度及相对湿度 辐射率校正：通过设定物质辐射率校正测量值 【图像存储及回放】 存储类型：内置式大容量f l a s h 存储器，存储图像t 2 5 6 幅 图像回放：可四画面同时回放并测温分析 语音注释：每幅热图可带1 0 秒钟语音注释 【时钟功能】 实时时钟 【电池系统】 内置式可充电锂电池，操作时间2 小时，现场可更换 7 武汉理工人学硕士学位论文 【环境参数】 工作温度：一1 0 + 5 0 存放温度：一4 0 + 7 0 湿度：工作及存放1 0 , - - 9 5 【物理特性】 体积：1 6 0 m m x1 0 5 m m x8 0 m m 重 量：1 o k g 【接口方式】 u s b 接口 ( 3 ) 系统特点 热像仪具有以下明显特点： 1 ) 被动式：不需要配置辐射源，完全可以利用目标自身的热辐射来成像。 2 ) 全天候：既可以在白天工作，又能在夜间工作，这是它的一大优点。 3 ) 实时性：可以动态、实时获得目标的红外图像。利用这一特点可以跟踪和监测 动态目标的行踪。 4 ) 全场性：不同于一般的温度测定方法，热像仪可以直接地显示目标表面的温度 场分布，这使得它在现代无损检测技术中占有重要地位，同时也使得热应力技术成为可 能。t 5 ) 较高的温度分辨率：现代的热像仪最高的温度分辨率可以达到1 0 。3 k 级。 此外，热像仪还具有伪彩色显示、数字化数据的计算机处理等特点。 武汉理工人学硕士学位论文 第2 章混凝土损伤的红外热像检测 2 1 混凝土的损伤演化 2 1 1 损伤力学的基本概念 损伤是指在单调加载或重复加载下，材料性质所产生的一种劣化现象窿3 嗡1 。混凝土 是典型的非均匀材料，其中含有微裂纹，甚至有宏观的缺陷，如裂纹、气泡、空穴等， 其强度、变形和破坏的性能都与裂纹的扩展有关，在一定的外部因素( 载荷、温度变化 等) 作用下，这些缺陷会不断扩展和合并，形成宏观裂纹，继续扩展后，最终可能造 成构件或结构的破坏和断裂。微缺陷的存在与扩展，也是构件强度、刚度、韧性下降的 原因，这些导致材料和结构力学性能劣化的微观结构的变化统称为损伤。 损伤理论，主要是在连续介质力学和热力学的基础上，用固体力学的方法，研究材 料或构件宏观力学性能的演变直至破坏的全过程，从而形成固体力学中一个新的分支 一损伤力学。 损伤力学是用唯象学的方法，利用连续介质热力学和连续介质力学来研究损伤的 力学分支。它把包含各种缺陷的材料笼统地看成是一种含有“微损伤场”的“连续”介 质，并把这种微损伤的形成、发展看作是“损伤演变”过程，引入连续变化的损伤变量 ( 内状态变量) 来描述损伤状态，并在满足力学和热力学基木公式和定理的条件下唯象地 确定材料的损伤本构方程和损伤演变方程 损伤力学研究的对象是含有各类微缺陷的变形固体，这些微缺陷可视为连续地分布 于固体或材料内部瞳引。在各种外部因素( 载荷、变温、腐蚀等) 的作用下，它们会不断地 继续萌生、扩展和合并，使材料和结构的性能劣化，造成构件的强度、刚度、韧性下降 或剩余寿命降低。这类连续分布的微缺陷可用一个场变量即损伤场来描述。损伤力学就 是研究损伤的变形固体在载荷等外在因素的作用下，损伤场的演化规律及其对材料的力 学性能的影响。 作为破坏力学的一部分，损伤力学的应用范围主要是材料介质内部可看作连续分布 的微小缺陷。如果以定量尺度来描述，损伤力学的起点是微观尺度上的裂纹、空洞等缺 陷；损伤力学的终点是材料的体元发生了断裂，即产生了宏观裂纹。 9 武汉理t 大学硕： ：学位论文 2 1 2 损伤力学的基本原理 因为物质是多种多样的，损伤也是形形色色的。即使是同一物质，不同的外因造成 的损伤也会不同。所以根据不同的损伤机制，应选择不同的损伤变量陟3 1 1 。损伤变量( d ) 是材料内部损伤和劣化程度的度量，在直观物理概念上可理解为缺陷( 微裂纹和微孔洞) 在整个材料中所占体积的百分比。从工程实际应用角度上讲，更注重损伤过程宏观物理、 力学性能参量的劣化演变规律，因此常用宏观物理、力学量定义d ；而混凝上等脆性材 料常用变形来定义；对于疲劳损伤，还可用剩余循环寿命比来定义。 损伤变量d 定义为： d ：竿= 1 一 ( 2 - 1 ) 其中a 表示初始横截面积 a 表示有效承载面积 则a a 表示受损后的损伤面积( 包括裂纹和空隙) 显然，损伤度d e 0 ，1 ，即当d = o 时，表示材料处于完好无损伤状态： 当0 o ) 的任何应变本构关系可以从无损材料( d = o ) 的本构方程来导出， 只要用损伤后的有效应力0 替代c a u c h y 应力0 即可，如图2 1 所示： 1 0 武汉理工大学硕上学位论文 即 既徊 图2 - 1 等效应变示意图 = 詈= 鼍 其中e 表示受损材料的有效弹性模量 e 表示无损材料的初始弹性模量 于是有 孑：j l = e l d o = e ( 1 - d ) ：e ( 2 - 4 ) ( 2 巧) ( 2 - 6 ) 所以，有效弹性模量e = e ( 1 - d ) e ( 2 7 ) 说明受损后材料的弹性模量会降低，材料的承载能力降低。 我们知道，一维弹性本构方程在无损时可以表示为e = o e ，用有效应力o 替换式中的c a u c h y 应力oh 0 , - i 得受损后的一维损伤材料本构方程： o “o e ：一= 百j 而( 2 - 8 ) edefl 一) 武汉理工人学硕士学位论文 2 1 3 损伤类型及其表现形式 损伤类型有很多种，在不同的载荷状况下，会产生不同类型、不同表现形式的损伤。 材料的变形和损伤是不可以分割的，因此按材料变形的性质和状况，可以将损伤分为以 下几类口3 1 ： 1 脆性损伤 脆性损伤是由应力在弹性材料的作用中而产生的。材料发生损伤后，没有明显的不 可逆变形。如典型的脆性材料混凝土、岩石等产生的损伤。由于混凝土等脆性材料的抗 拉性能很差，在结构中受拉应力作用的区域极易发生拉伸裂纹，在载荷的进一步作用下， 拉伸裂纹扩展就会发生脆性断裂。 2 延性，塑性损伤 微裂纹和微空洞的形成和扩展，使材料或构件产生大塑性应变，最后导致塑性断裂。 与这类损伤相伴发生的是不可恢复的塑性变形。这类损伤的表现形式主要是微裂纹、微 空洞的萌生、成长和合并。主要发生于金属等塑性材料。 3 疲劳损伤 这类损伤由重复的循环载荷引起的，并为循环次数的函数。在循环载荷的作用下， 材料性能逐渐劣化。在每一步载荷循环中的延性损