本發(fā)明涉及一種混凝土的無(wú)損檢測(cè)方法，具體涉及一種用于混凝土高溫?fù)p傷的紅外檢測(cè)方法，屬于建筑工程技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
混凝土是當(dāng)今建筑工程中運(yùn)用最多的工程材料，具有強(qiáng)度高、滲透性小、耐久性好、變形小等優(yōu)點(diǎn)，在工程實(shí)際應(yīng)用中，能利用其優(yōu)勢(shì)滿(mǎn)足現(xiàn)代工程中的大跨度、大空間和超高層的建筑發(fā)展需要，同時(shí)可以減小構(gòu)件截面，節(jié)省原材料，進(jìn)而降低工程造價(jià)。因此得到了廣泛的應(yīng)用。然而，混凝土在遇火災(zāi)時(shí)會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的爆裂破壞，而且爆裂程度會(huì)隨著火災(zāi)溫度的升高、混凝土自身強(qiáng)度等級(jí)的提高而越發(fā)的嚴(yán)重。由于混凝土結(jié)構(gòu)受災(zāi)后自身受到損傷，將使混凝土承載能力大幅度下降，很容易造成重大事故，使國(guó)家財(cái)產(chǎn)遭受重大損失。為了確保高強(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu)的火災(zāi)安全，以及評(píng)估這些建筑物火災(zāi)后結(jié)構(gòu)的承載力和安全性，為結(jié)構(gòu)的修復(fù)加固提供科學(xué)依據(jù)，火災(zāi)后及時(shí)檢測(cè)建筑物的損傷程度和可靠度，正確的評(píng)價(jià)其適用性，進(jìn)而對(duì)建筑物進(jìn)行加固修繕具有重大的社會(huì)價(jià)值和經(jīng)濟(jì)意義。
在現(xiàn)有的火災(zāi)混凝土結(jié)構(gòu)的損傷評(píng)估過(guò)程中，國(guó)外一些國(guó)家如英、美、日等所采用的方法多以英國(guó)鋼筋混凝士結(jié)構(gòu)火災(zāi)損傷檢測(cè)與評(píng)估方法綜述凝土協(xié)會(huì)提出的評(píng)估表和評(píng)估方法為主體，但該方法總體上偏于定性而非定量。主要的評(píng)估過(guò)程是表觀檢測(cè)，根據(jù)混凝土結(jié)構(gòu)表面損傷狀況及顏色，通過(guò)直接觀測(cè)混凝土表面受火后的顏色變化，表層脫落狀況、大多數(shù)損傷裂縫分布部位，尺寸大小等因素，評(píng)估結(jié)構(gòu)混凝土火災(zāi)損傷程度。該法需要相當(dāng)豐富的經(jīng)驗(yàn)，因而評(píng)估結(jié)果相對(duì)粗糙。相對(duì)而言，國(guó)內(nèi)提出的損傷評(píng)估方法則較為具體。國(guó)內(nèi)的損傷評(píng)估方法對(duì)表觀損傷、材性劣化、構(gòu)件力學(xué)性能變化及承載力降低均作出定量評(píng)估的評(píng)定等級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)，只是仍然沿用的舊有評(píng)定指標(biāo)，定量標(biāo)準(zhǔn)也顯粗糙，檢測(cè)、分析方法顯陳舊、精度較低、科學(xué)性差。
現(xiàn)有的一些技術(shù)有超聲波法、射釘法、錘擊法、鉆芯法、拔出法、壓汞孔隙儀試驗(yàn)法等。
超聲波法檢測(cè)評(píng)估火災(zāi)后混凝土損傷。使用超聲波檢測(cè)混凝土缺陷主要是指檢測(cè)混凝土存在孔洞、疏松、裂縫以及低強(qiáng)度區(qū)等?；馂?zāi)混凝土形成了由表及里的損傷疏松層，降低了表層混凝土的密實(shí)度，破壞了混凝土的整體性和均勻性，檢測(cè)結(jié)果誤差大。
射釘法最早由美國(guó)提出，試驗(yàn)時(shí)將一枚鋼釘射入到混凝土表面，然后測(cè)量鋼釘未射入的長(zhǎng)度，并找出它們與混凝土強(qiáng)度的關(guān)系。這種方法快捷、方便而且離散性較小，對(duì)水平和豎向構(gòu)件均適合，也適合于出現(xiàn)剝落的構(gòu)件，對(duì)比較粗糙的表面也需作處理。這種試驗(yàn)也適合于平整表面和鑿開(kāi)的表面，且適合于探測(cè)不同深度混凝土的強(qiáng)度，只要將試驗(yàn)完的混凝土表面鑿掉即可。射釘法測(cè)定的強(qiáng)度較之其他方法要好一些，如果將試驗(yàn)結(jié)果與未損傷的混凝土相比較則可靠性較高。但若用該法進(jìn)行大面積檢測(cè)則試驗(yàn)量過(guò)大，時(shí)間較長(zhǎng)
錘擊法檢測(cè)火災(zāi)損傷混凝土，發(fā)出的聲音較普通混凝土來(lái)說(shuō)比較沙啞、沉悶、或是空響，但這種方法過(guò)于依靠經(jīng)驗(yàn)，而且這與錘擊的部位有關(guān)系，其結(jié)果只能作為參考。
鉆芯法是檢測(cè)未受損混凝土強(qiáng)度較直接和較精確的方法，但對(duì)于火災(zāi)混凝土，有時(shí)因?yàn)闃?gòu)件太小或破壞嚴(yán)重(強(qiáng)度低于10MPa)，難以獲得完整的芯樣。其次，由于火災(zāi)混凝土損傷有表及里呈層狀分布，所獲的芯樣很難說(shuō)具有代表性。還應(yīng)與其它方法結(jié)合綜合評(píng)估受損構(gòu)件的混凝土質(zhì)量。
拔出法是把一根螺栓或相類(lèi)似的裝置埋入混凝土試件中，然后從表面拔出，測(cè)定其拔出力的大小來(lái)評(píng)定混凝土的強(qiáng)度。對(duì)火災(zāi)后的建筑采取后裝拔出法，它又分為鉆孔內(nèi)裂法和擴(kuò)孔拔出法。該法只適合局部檢測(cè)。
壓汞孔隙儀試驗(yàn)法，混凝土在高溫作用下及冷卻過(guò)程中，由于硬化水泥漿與骨料間脹縮不協(xié)調(diào)，界面產(chǎn)生應(yīng)力集中，當(dāng)集中應(yīng)力超過(guò)界面張力極限時(shí)，界面破裂或原有裂縫擴(kuò)大延伸，孔隙相互貫通，使孔隙量增多，孔徑加大。不同溫度和升降溫條件，必然有不同孔隙變化。而壓汞孔隙儀(Mercury Intrusion Poresimeterm簡(jiǎn)稱(chēng)M.I.P)系借以量測(cè)定量試件內(nèi)的孔隙含量及孔徑分布。該法只適用于送樣分析。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明旨在提供一種用于混凝土高溫?fù)p傷的紅外檢測(cè)方法，與現(xiàn)有的檢測(cè)方法相比，此方法直觀、不需直接接觸混凝土構(gòu)件，能完成大面積掃描，靈敏度高、檢測(cè)迅速。并且通過(guò)本發(fā)明所建立的分析方法對(duì)紅外熱像的分析，可以定量評(píng)估混凝土火災(zāi)損傷。
本發(fā)明提供的一種用于混凝土高溫?fù)p傷的紅外檢測(cè)方法，包括以下步驟：
(1)準(zhǔn)備試件：
①準(zhǔn)備原料：
混凝土采用與工程中相同的原材料，混凝土和易性根據(jù)施工工藝要求確定：
水泥：選取普通硅酸鹽水泥P.O 42.5級(jí)水泥；
骨料：粗骨料為粒徑5～20mm的石灰石碎石，粗石為10-20mm，細(xì)石為5-10mm；砂為細(xì)度模數(shù)2.8、級(jí)配良好的豆羅砂；
礦物摻合料：粉煤灰為磨細(xì)粉煤灰Ⅰ級(jí)，細(xì)度為8.2％，需水量為95％，28d活性指數(shù)為71.1％；粒化高爐礦渣粉采用S95級(jí)礦渣微粉，流動(dòng)度比為124％，7d活性指數(shù)為82.97％，28d活性指數(shù)為104.16％；
外加劑：采用聚羧酸高效減水劑；
拌合水：符合《混凝土用水標(biāo)準(zhǔn)》JGJ 63-2006規(guī)定；
②制備試件：
試件采用C30標(biāo)準(zhǔn)混凝土立方體試塊，尺寸為150mm×150mm×150mm，內(nèi)置熱電偶；
所述熱電偶在混凝土成形時(shí)預(yù)埋入試塊中部，用于測(cè)量試塊中心溫度。
③養(yǎng)護(hù)：
試件在養(yǎng)護(hù)室中進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28天，然后移出養(yǎng)護(hù)室，暴露在空氣中，室溫下存放至少2天；
(2)模擬火災(zāi)試驗(yàn)：
試件采用電阻爐加熱：加熱溫度分別為100℃、200℃、300℃、400℃、500℃、600℃、700℃、800℃、900℃，共9個(gè)溫度等級(jí)，模擬T＝345lg(8t+1)+T0升溫曲線，達(dá)到目標(biāo)溫度后恒溫至內(nèi)置熱電偶顯示溫度與目標(biāo)溫度一致，并延長(zhǎng)20min，然后關(guān)閉電源，爐內(nèi)冷卻至約400℃以下時(shí)取出試塊，在空氣中自然冷卻冷至常溫，同時(shí)有一組未加熱(20℃)的試塊作為對(duì)比。共得到10個(gè)不同溫度下的試塊。
(3)檢測(cè)：
①紅外檢測(cè)：
采用紅外熱像儀攝取不同受熱溫度下試塊的紅外熱圖；
所述不同受熱溫度選取20℃、100℃、200℃、300℃、400℃、500℃、600℃、700℃和800℃和900℃；
檢測(cè)時(shí)，通過(guò)CAL功能鍵校正環(huán)境溫度；混凝土的輻射率設(shè)置為0.92；自動(dòng)設(shè)置焦距、溫度水平和靈敏度；熱激勵(lì)為被動(dòng)式。
采集圖像后，分析處理數(shù)據(jù)，得出試塊平均溫升值。
②抗壓強(qiáng)度檢測(cè)：依據(jù)普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)GB/T 50081-2002進(jìn)行抗壓強(qiáng)度檢測(cè)。
(4)數(shù)據(jù)處理
根據(jù)肖維勒(Chauvel)準(zhǔn)則和格拉布斯(Grubbs)準(zhǔn)則處理數(shù)據(jù)。
建立紅外熱像參數(shù)與受火溫度及強(qiáng)度損傷的關(guān)系模型：通過(guò)擬合，紅外熱像平均溫升與混凝土受火溫度的線性關(guān)系為：
T＝1025.1x-1454.7 20≤T≤900 (1)
線性相關(guān)系數(shù)r＝0.933；
式中，T為混凝土的受火溫度，℃；x為混凝土的紅外熱像平均溫升，℃。由此關(guān)系式可以由紅外熱像平均溫升得到混凝土表面的受火溫度。
紅外熱像平均溫升與混凝土強(qiáng)度損傷的線性關(guān)系為：
fcut/fcu＝-1.1641x+2.8226 20≤T≤900 (2)
線性相關(guān)系數(shù)r＝0.984；
式中，fcut為混凝土在t溫度下的抗壓強(qiáng)度，fcu為常溫20℃下混凝土的抗壓強(qiáng)度，fcut/fcu為混凝土的強(qiáng)度損失，即高溫后的混凝土強(qiáng)度與常溫下的混凝土強(qiáng)度的比值；通過(guò)混凝土的紅外熱像平均溫升可推斷混凝土的強(qiáng)度損失。
上述方法中，所述標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)的條件為：溫度為18～22℃，相對(duì)濕度為90％以上。
上述方法中，采用TH9100WV型紅外熱像儀。TH9100WV型紅外熱像儀通過(guò)內(nèi)置的CPU可實(shí)現(xiàn)各種圖像處理，它具有彩色液晶顯示圖像、磁盤(pán)記錄和貯存圖像數(shù)據(jù)、自動(dòng)功能、可連續(xù)測(cè)量短時(shí)間內(nèi)的溫度變化及豐富的圖像處理功能等特點(diǎn)。光束通過(guò)水平和垂直鏡，連續(xù)地從左到右，從上到下掃描被測(cè)物體的表面，將物體的紅外輻射能收集起來(lái)，經(jīng)紅外探測(cè)器轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，然后經(jīng)過(guò)電子系統(tǒng)的放大、處理，形成視頻信號(hào)，由顯示裝置顯示出物體的紅外熱圖像。
上述方法中，紅外熱像儀的外部加熱源為紅外線燈泡，燈泡與混凝土試件之間的距離為1m，燈泡的加熱和散熱時(shí)間都為3min；常溫時(shí)拍一張，然后加熱和散熱過(guò)程中每隔30s拍一張。使用紅外熱成像儀，拍下第一張初始的紅外熱像照片后，然后打開(kāi)紅外燈泡照射，每隔30s照一次，直到3min，然后立即關(guān)閉紅外線燈泡，然后每隔30s再拍攝一張；照片為紅外的熱成像圖，通過(guò)軟件分析可以獲取試件表面各像素點(diǎn)的溫度，也可以統(tǒng)計(jì)整個(gè)試塊表面的平均溫度。
上述方法中，拍攝出了加熱和散熱時(shí)每隔30s時(shí)試件表面的紅外熱成像圖，然后通過(guò)TH9100WV型紅外熱像儀自帶的紅外分析軟件，軟件名Mikrospec 3.0，統(tǒng)計(jì)處理出各個(gè)時(shí)間點(diǎn)的試件表面的平均溫度，然后與初始溫度做差，可以得出混凝土的在紅外燈泡加熱情況下的溫度差值，即混凝土的溫升值，當(dāng)然在加熱到3min時(shí)，所得到的溫升值是最大的，我們記此時(shí)為試塊的平均溫升值，而且本次實(shí)驗(yàn)所選取的x也就對(duì)應(yīng)混凝土的紅外熱像平均溫升?；炷猎诓煌瑴囟认聼七^(guò)后，內(nèi)部呈現(xiàn)不同程度的損傷，在紅外燈泡的照射下，不同的損傷吸收紅外燈泡的能量也不一樣，而且它可以在試件的表面很好的反應(yīng)出來(lái)，例如損傷的位置，或者吸收的能量等等，所以我們可以通過(guò)測(cè)量表面的紅外溫升值，便能推測(cè)出此時(shí)此刻混凝土所受到的火災(zāi)溫度和在此時(shí)的溫度下混凝土的強(qiáng)度。測(cè)試抗壓強(qiáng)度是測(cè)一個(gè)基本量，然后建立紅外溫升值(不是絕對(duì)的表面溫度)與混凝土強(qiáng)度的比值(不是混凝土的絕對(duì)強(qiáng)度)的關(guān)系。
本發(fā)明采用紅外系統(tǒng)成像原理來(lái)實(shí)現(xiàn)混凝土受熱的紅外檢測(cè)：采用紅外熱像儀對(duì)火災(zāi)后混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件進(jìn)行掃描檢測(cè)。實(shí)際上，紅外熱成像是被檢測(cè)物體表面的溫度分布圖。在高溫作用下，混凝土?xí)霈F(xiàn)開(kāi)裂、疏松等破壞。對(duì)于火災(zāi)混凝土，其表面狀態(tài)和組成隨遭受的溫度不同而發(fā)生了不同的變化。在一定的環(huán)境條件下，不同損傷的混凝土具有不同數(shù)量的紅外輻射?；炷恋膶?dǎo)熱系數(shù)λ、密度ρ、比熱容c等會(huì)由于受火溫度、受火時(shí)間的不同而發(fā)生相應(yīng)的變化，導(dǎo)致被測(cè)物體表面溫度和發(fā)射率不同，從而影響混凝土的紅外輻射分布，形成不同的紅外熱圖像。熱像儀的探測(cè)器掃描被測(cè)物體的表面，搜集物體表面輻射的紅外能并把它轉(zhuǎn)變?yōu)榕c入射能成比例的電信號(hào)。該電信號(hào)通過(guò)電子系統(tǒng)被放大、處理，最后被轉(zhuǎn)變?yōu)橐曨l信號(hào)在紅外熱像儀上以紅外熱像圖呈現(xiàn)出來(lái)。一個(gè)二維的彩色溫度圖像便被顯示在彩色監(jiān)視器上，能迅速地掃描建筑物或混凝土結(jié)構(gòu)表面，通過(guò)對(duì)這些紅外熱像圖的分析，可直接讀取和分析所獲信息，就可推斷混凝土的損傷情況。
本發(fā)明是一種新型無(wú)損檢測(cè)方法，與現(xiàn)有的檢測(cè)方法相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)：
(1)此方法直觀，不需直接接觸混凝土構(gòu)件就能完成大面積掃描；
(2)靈敏度高、檢測(cè)迅速；
(3)對(duì)混凝土表面沒(méi)有要求，不需取樣，不受火災(zāi)后混凝土實(shí)體變化的影響；
(4)通過(guò)本發(fā)明所建立的分析方法對(duì)紅外熱像的分析，可以定量評(píng)估混凝土火災(zāi)損傷；相對(duì)之前所述的定性分析，做到定量、準(zhǔn)確分析。
附圖說(shuō)明
圖1為紅外系統(tǒng)成像原理圖。
圖中1為試件，2為輻射線，3為探測(cè)器，4為紅外熱圖。
具體實(shí)施方式
下面通過(guò)實(shí)施例來(lái)進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明，但不局限于以下實(shí)施例。
1、本發(fā)明原理：
本發(fā)明采用紅外熱線檢測(cè)基本原理如下：紅外輻射是一種波長(zhǎng)介于0.75～1000μm之問(wèn)的電磁波。自然界中，所有絕對(duì)零度(-273℃)以上的物體都連續(xù)不斷地輻射紅外能，其數(shù)量與該物體的溫度密切相關(guān)?；诖艘?guī)律，紅外檢測(cè)技術(shù)迅速發(fā)展起來(lái)，并得到廣泛應(yīng)用，尤其是對(duì)導(dǎo)熱性差而表面發(fā)射率大的混凝土材料，采用紅外熱像檢測(cè)靈敏度很高。
首先采用TH9100WV型紅外熱像儀對(duì)火災(zāi)后混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件進(jìn)行掃描檢測(cè)。實(shí)際上，紅外熱成像是被檢測(cè)物體表面的溫度分布圖。圖1所示就是紅外系統(tǒng)的成像原理。在高溫作用下，混凝土?xí)霈F(xiàn)開(kāi)裂、疏松等破壞?；炷恋膶?dǎo)熱系數(shù)λ、密度ρ、比熱容c等會(huì)隨著受火溫度、受火時(shí)間的不同而發(fā)生相應(yīng)的變化，導(dǎo)致被測(cè)物體表面溫度和發(fā)射率不同，從而影響混凝土的紅外輻射分布，形成不同的紅外熱圖像。通過(guò)對(duì)這些紅外熱像圖的分析，就可推斷混凝土的損傷情況。
2.火災(zāi)高溫試驗(yàn)研究
2.1混凝土原材料：
2.1.1試驗(yàn)原材料：水泥采用P.O 42.5普通硅酸鹽水泥；粗骨料為粒徑5～25mm的石灰石碎石；細(xì)骨料為細(xì)度模數(shù)2.8、級(jí)配良好的豆羅砂；粉煤灰為磨細(xì)粉煤灰Ⅰ級(jí)，細(xì)度為8.2％，需水量為95％，28d活性指數(shù)71.1％；?；郀t礦渣粉采用S95級(jí)礦渣微粉，流動(dòng)度比為124％，7d活性指數(shù)82.97％，28d活性指數(shù)104.16％；減水劑為聚羧酸高效減水劑。
2.1.2混凝土配料比例：
C30混凝土45L各原材料用量(kg)
2.1.3試件制備
試件采用C60標(biāo)準(zhǔn)混凝土立方體試塊(150mm×150mm×150mm),內(nèi)置熱電偶，將混凝土試塊標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28d，置室內(nèi)自然干燥。
所述熱電偶在混凝土成形時(shí)預(yù)埋入試塊中部，用于測(cè)量試塊中心溫度。
所述標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)的條件為：溫度為18～22℃，相對(duì)濕度為90％以上。
2.2模擬火災(zāi)試驗(yàn)
采用SRJX型箱式電阻爐加熱試件，加熱溫度分別為100℃、200℃、300℃、400℃、500℃、600℃、700℃、800℃和900℃共9個(gè)溫度等級(jí)，模擬T＝345lg(8t+1)+T0升溫曲線，達(dá)到目標(biāo)溫度后恒溫至內(nèi)置熱電偶顯示溫度與目標(biāo)溫度一致，并延長(zhǎng)20min，然后關(guān)閉電源，爐內(nèi)冷卻至約400℃以下時(shí)取出試塊，在空氣中自然冷卻冷至常溫，同時(shí)有一組未加熱(20℃)的試塊作為對(duì)比。共得到10個(gè)不同溫度下的試塊。
2.3火災(zāi)損傷后參數(shù)檢測(cè)
2.3.1火災(zāi)損傷后紅外熱像參數(shù)檢測(cè)
試驗(yàn)采用TH9100WV型紅外熱像儀攝取不同受熱溫度下試塊的紅外熱圖。檢測(cè)時(shí)，輻射率設(shè)置為0.92。熱激勵(lì)為被動(dòng)式，外部加熱源為紅外線燈泡,與混凝土試塊之間的距離為1m,使用紅外熱成像儀，拍下第一張初始的紅外熱像照片后，然后打開(kāi)紅外線燈泡照射，每隔30s照一次，直到3min，然后立即關(guān)閉紅外線燈泡，然后每隔30s再拍攝一張；照片為紅外的熱成像圖。采集圖像后，分析處理數(shù)據(jù),得出試塊平均溫升值。
2.3.2火災(zāi)損傷后抗壓強(qiáng)度檢測(cè)
依據(jù)普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)GB/T 50081-2002進(jìn)行抗壓強(qiáng)度檢測(cè)。
2.4數(shù)據(jù)處理及結(jié)果分析
2.4.1數(shù)據(jù)處理
數(shù)據(jù)處理根據(jù)肖維勒(Chauvel)準(zhǔn)則和格拉布斯(Grubbs)準(zhǔn)則。
2.4.2建立紅外熱像參數(shù)與受火溫度及強(qiáng)度損傷的關(guān)系模型
由檢測(cè)結(jié)果和上述分析,可知400℃以下，隨T增加混凝土強(qiáng)度損失不大，而T在400℃和900℃之間,混凝土強(qiáng)度隨T損失很大。根據(jù)數(shù)學(xué)原理，紅外熱像平均溫升與混凝土受火溫度及強(qiáng)度損失的兩個(gè)線性關(guān)系可表達(dá)如下：
通過(guò)數(shù)學(xué)擬合，紅外熱像平均溫升與混凝土受火溫度的線性關(guān)系為：
T＝1025.1x-1454.7 20≤T≤900 (1)
線性相關(guān)系數(shù)r＝0.933；
式中，T為混凝土的受火溫度，℃；x為混凝土的紅外熱像平均溫升，℃；由此關(guān)系式可以由紅外熱像平均溫升得到混凝土表面的受火溫度。
紅外熱像平均溫升與混凝土強(qiáng)度損傷的線性關(guān)系為：
fcut/fcu＝-1.1641x+2.8226 20≤T≤900 (2)
線性相關(guān)系數(shù)r＝0.984；
式中，fcut/fcu為混凝土的強(qiáng)度損失(fcut為混凝土在t溫度下的抗壓強(qiáng)度，fcu為常溫20℃下混凝土的抗壓強(qiáng)度)；通過(guò)混凝土的紅外熱像平均溫升可推斷混凝土的強(qiáng)度損失。