段　宇，宿　輝

(河北工程大學(xué)水電學(xué)院，河北　邯鄲　056038)

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高地溫混凝土襯砌抗壓損傷試驗(yàn)的紅外圖像研究

段宇，宿輝

(河北工程大學(xué)水電學(xué)院，河北邯鄲056038)

以新疆水電站工程為依托，研究了高溫養(yǎng)護(hù)下混凝土襯砌的抗壓強(qiáng)度，同時(shí)通過(guò)分析混凝土試塊單軸抗壓時(shí)表面紅外圖像的變化，得出了裂隙區(qū)域的溫度變化與荷載值的關(guān)系。最終實(shí)驗(yàn)分析可知：按照設(shè)計(jì)配合比所得出的高溫養(yǎng)護(hù)下的混凝土試塊7d齡期抗壓強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求，并且混凝土在抗壓過(guò)程中的損傷表現(xiàn)為由表層向核心區(qū)發(fā)展。紅外圖像的研究結(jié)論可應(yīng)用于混凝土建筑的損傷檢測(cè)。

高地溫引水隧洞；抗壓損傷試驗(yàn)；紅外輻射

1　問題的提出

正在施工的新疆喀什水電站引水隧洞，據(jù)施工過(guò)程中反映，發(fā)電引水隧洞存在高地溫問題[1]，高地溫洞段主要位于引水隧洞樁號(hào)Y7+010～Y10+355m，長(zhǎng)3 135m。隧洞貫穿之前巖壁最高溫度可達(dá)110 ℃，空氣溫度可達(dá)55 ℃，隧洞貫穿后雖然巖壁最高溫度降至75 ℃，空氣溫度降至40 ℃，高地溫問題仍然十分嚴(yán)重(見圖1)。

高地溫問題在給隧洞施工帶來(lái)一系列不便的同時(shí)，也給圍巖噴射混凝土襯砌強(qiáng)度產(chǎn)生了不利影響。本文通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)研究了高地溫混凝土的抗壓強(qiáng)度，同時(shí)利用紅外成像檢測(cè)技術(shù)具有快速、大面積掃描且比較直觀的優(yōu)點(diǎn)[2],進(jìn)行了抗壓損傷實(shí)驗(yàn)的紅外圖像分析，基于一些學(xué)者專家對(duì)材料受荷載作用下紅外輻射特征的研究[3]，并結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析可知，損傷裂紋出現(xiàn)在紅外熱像的高溫區(qū)與低溫區(qū)的交界面,這可以作為混凝土破裂損傷的前兆[4]，研究結(jié)果對(duì)于實(shí)際工程具有一定的指導(dǎo)意義。

(a)光學(xué)圖像

(b)紅外圖像圖1　引水隧洞高地溫洞段圖像

2　實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1實(shí)驗(yàn)設(shè)備

本實(shí)驗(yàn)所用的紅外輻射探測(cè)設(shè)備為美國(guó)福祿克公司生產(chǎn)的FLUKETi400紅外熱像儀，量程為-20～1 200 ℃，測(cè)量精度為±2 ℃，其利用激光測(cè)距的高精度技術(shù)實(shí)現(xiàn)快速、精準(zhǔn)對(duì)焦，內(nèi)置500萬(wàn)像素工業(yè)級(jí)高清數(shù)碼相機(jī)，圖像清晰；加載系統(tǒng)為美斯特工業(yè)系統(tǒng)有限公司生產(chǎn)的YAW-4306型微機(jī)控制電液伺服壓力試驗(yàn)機(jī)，其最大試驗(yàn)力為1 000kN。

2.2實(shí)驗(yàn)材料

水泥：新疆阿克蘇天山多浪水泥有限公司生產(chǎn)的P.042.5水泥；粉煤灰：喀什鑫泰工程建設(shè)公司生產(chǎn)的2級(jí)粉煤灰；砂：采自塔什庫(kù)爾干河,細(xì)度模數(shù)2.56；石：采自塔式庫(kù)爾干河,粒徑5～15mm；外加劑：烏魯木齊志華建材化工廠生產(chǎn)的減水劑和速凝劑；纖維：上海羅洋新材料科技有限公司生產(chǎn)的羅賽纖維RS2000。

2.3實(shí)驗(yàn)配合比

本實(shí)驗(yàn)的配合比采用設(shè)計(jì)單位所給出的高地溫隧洞段噴射混凝土設(shè)計(jì)配合比表,試模尺寸為：450mm×350mm×100mm，混凝土配合比見表1。

表1　高地溫隧洞段噴射混凝土設(shè)計(jì)配合比表　kg/m3

2.4試件的澆筑與養(yǎng)護(hù)

按照設(shè)計(jì)配合比在洞外進(jìn)行各材料的稱重與拌合(速凝劑未添加)，之后迅速將混凝土料運(yùn)送至高溫樁號(hào)Y8+660m處，添加速凝劑后再將混凝土料攪拌均勻，澆筑在試模之中并人工振搗將表面抹平。24h之后拆模，每天進(jìn)行定期的表面灑水養(yǎng)護(hù)，持續(xù)養(yǎng)護(hù)7d之后取出混凝土試件，自然情況下冷卻至常溫(見圖2)。

樁號(hào)Y8+660m處空氣溫度38 ℃，相對(duì)濕度為36%，洞底地面溫度為40 ℃。

圖2　混凝土試件的澆筑與灑水養(yǎng)護(hù)圖

2.5試塊抗壓實(shí)驗(yàn)過(guò)程

將試件從高溫隧洞取出后，運(yùn)送至實(shí)驗(yàn)室，首先用金剛石鋸石機(jī)將試件切割成3個(gè)尺寸為100mm×100mm×100mm的立方體試塊[5]，并用雙端面磨平機(jī)對(duì)試塊進(jìn)行打磨，使其受壓面平整。其中，實(shí)驗(yàn)機(jī)為YAW-4306型微機(jī)控制電液伺服壓力實(shí)驗(yàn)機(jī)，在進(jìn)行試塊的單軸抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)時(shí)，用FlukeTi400紅外線熱像儀采集抗壓試塊表面紅外圖像。

3　實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3.1抗壓實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

按照GB/T50107—2010《混凝土強(qiáng)度檢驗(yàn)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，混凝土試塊的抗壓實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表2。

表2　混凝土試塊抗壓強(qiáng)度數(shù)據(jù)表

注：換算系數(shù)為0.95。

3.2紅外圖像分析

在進(jìn)行抗壓實(shí)驗(yàn)的同時(shí)，利用FlukeTi400紅外熱像儀對(duì)抗壓實(shí)驗(yàn)中的試塊表面進(jìn)行紅外圖像采集。以試塊2為例，用SmartView軟件將試塊從開始加載到達(dá)到破壞點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并將裂縫所在的區(qū)域標(biāo)定為A、B、C三個(gè)矩形區(qū)域。由紅外圖像觀測(cè)裂縫區(qū)域溫度的變化，記錄不同加載時(shí)段各個(gè)區(qū)域的溫度值，并做出相應(yīng)的溫度—時(shí)間曲線，同時(shí)繪出荷載時(shí)間曲線，從而分析隨著加載時(shí)間的變化，產(chǎn)生裂縫區(qū)域的溫度變化與施加荷載的關(guān)系(見圖3)。

查詢混凝土損傷相關(guān)資料并結(jié)合紅外圖像分析可知，混凝土的損傷具有典型的脆性損傷特征，抗壓試塊表面的裂縫一般出現(xiàn)在高應(yīng)力或存在缺陷的區(qū)域,先是萌生裂紋繼而不斷擴(kuò)展[6]。由圖3可以看出，從施加荷載開始，前35s裂隙處紅外圖像并不明顯，只有零星部分出現(xiàn)溫度較高的斑點(diǎn)，并未連成一條裂隙，在38s后開始出現(xiàn)明顯的裂隙圖像，隨著荷載的不斷加大，裂隙逐漸匯合。此外，由于荷載的不斷增大，頂部和底部承受的壓應(yīng)力也逐漸增大，故加載過(guò)程中紅外圖像顯示兩端溫度始終比中間部分要高，溫度由兩端向中間擴(kuò)散，在紅外圖像中非常明顯。

同時(shí)，使用SmartView軟件將紅外圖像的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到不同區(qū)域混凝土在抗壓過(guò)程中溫度隨時(shí)間的變化曲線，同時(shí)將荷載隨時(shí)間的變化曲線加入時(shí)間軸(見圖4)，分析混凝土裂隙區(qū)域溫度與荷載變化值的關(guān)系。

由圖4曲線分析可知，混凝土試塊在進(jìn)行抗壓實(shí)驗(yàn)時(shí)，裂縫區(qū)域溫度在試件達(dá)到破壞強(qiáng)度前呈波動(dòng)趨勢(shì)，當(dāng)試塊達(dá)到破壞點(diǎn)時(shí)由于內(nèi)部破碎能量瞬間釋放，導(dǎo)致裂縫區(qū)域有瞬間的溫升現(xiàn)象，之后隨著試塊的破壞，壓力實(shí)驗(yàn)機(jī)所施加的荷載減小，溫度又開始下降，并趨于平穩(wěn)。由此可以推出，混凝土在抗壓實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，內(nèi)部結(jié)構(gòu)遭受損傷的同時(shí)必然存在著能量的釋放。

圖4　不同裂隙區(qū)域溫度變化曲線圖

根據(jù)這種原理，可以通過(guò)紅外熱像儀監(jiān)測(cè)引水隧洞混凝土襯砌，在有裂紋的區(qū)域紅外圖像顯示出異常，從而提前預(yù)防危險(xiǎn)事故的發(fā)生。同樣，在混凝土內(nèi)部易破壞部位預(yù)埋溫度傳感器，并連接溫度儀表進(jìn)行內(nèi)部溫度監(jiān)測(cè)，當(dāng)出現(xiàn)瞬間的溫升時(shí)，可以推測(cè)混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)可能被破壞，繼而提前采取措施，避免災(zāi)難的發(fā)生。

4　結(jié)　論

通過(guò)進(jìn)行在高地溫隧洞養(yǎng)護(hù)條件下的混凝土抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)，利用FLUKETi400 紅外熱像

儀觀測(cè)混凝土抗壓試塊表面紅外圖像變化，可以得出以下結(jié)論：

(1)由于引水隧洞高巖溫的作用，混凝土襯砌要達(dá)到抗壓強(qiáng)度的要求，需要在初期進(jìn)行一定的養(yǎng)護(hù)，建議采用底板蓄水的方式來(lái)提高引水隧洞內(nèi)空氣相對(duì)濕度。

(2)混凝土試塊在受壓過(guò)程中形成很多較為復(fù)雜的損傷區(qū)域，其表層出現(xiàn)很多條由拉應(yīng)力產(chǎn)生的裂隙，其損傷表現(xiàn)為由表層向核心區(qū)發(fā)展。

(3)混凝土抗壓試塊在達(dá)到破壞值的同時(shí)，其內(nèi)部有瞬間的能量釋放，同時(shí)其裂隙區(qū)域溫度有明顯上升，這對(duì)于混凝土建筑物的損傷檢測(cè)具有一定的實(shí)用意義。

[1]趙國(guó)斌，程向民.齊熱哈塔爾水電站引水隧洞高地溫問題研究[J].現(xiàn)代隧道技術(shù)，2012,49(S):262-265.

[2]余曼麗，潘偉，朱若寒.紅外成像監(jiān)測(cè)技術(shù)在工程中的應(yīng)用及其發(fā)展[J].國(guó)外建材科技，2007,28(3)：51-54.

[3]Wang Fang,LiYing-jun,Rao Qiu-hua,et al.Quantitative description of infrared radiation characteristics for solid materials subject to external loading[J].Journal of Central South University,2009,16(6):1022-1027.

[4]劉杰，張千里，楊峰，等.高強(qiáng)混凝土受壓損傷過(guò)程紅外輻射特征試驗(yàn)研究[J].中國(guó)鐵道科學(xué)，2013,34(2):36-40.

[5]中華人民共和國(guó)建設(shè)部.GB/T 50081—2002普通混凝土力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)[S].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2013.

[6]王中強(qiáng),余志武.基于能量損失的混凝土損傷模型[J].建筑材料學(xué)報(bào),2004,7(4):365-369.

(責(zé)任編輯郎忘憂)

ResearchonInfraredImageofHighLandTemperatureConcreteLininginCompressionInjuryTest

DUANYu,SUHui

(WaterConservancyandHydropowerCollegeofHebeiEngineeringUniversity,Handan056038,Heibei,China)

BasedonaprojectofXinjianghydropowerstation,thispaperstudiedthecompressivestrengthofconcreteliningunderhightemperaturecuring.Meanwhile,byanalyzingthechangesofsurfaceinfraredimageswhentheconcreteblockwasuniaxialcompressive,itobtainedtherelationshipbetweentemperaturechangeandloadvalueinfracturezone.Theultimatelaboratoryanalysisshowedthatthe7dagecompressivestrengthofconcreteblocksthataccordingtodesignmixunderhightemperaturecuringmeetthedesignrequirements,concretedamagedevelopedfromsurfacetocoreareainthecompressionprocess.Theresearchconclusionsofinfraredimagerycanbeusedfordamagedetectionofconcretebuildings.

hightemperaturediversiontunnel;compressiveinjurytest;infraredradiation

2015-12-18

河北工程大學(xué)研究生創(chuàng)新能力資助項(xiàng)目。

段宇(1990-)，男，碩士，從事水工結(jié)構(gòu)、離散元方面的研究。E-mail:duan-09@126.com

P631

A

1008-701X(2016)03-0051-03

10.13641/j.cnki.33-1162/tv.2016.03.015