混凝土裂缝红外热成像分布式监测技术研究

邓安仲，赵启林，李胜波，沈小东，王友军，姜双斌

（1.后勤工程学院营房管理与环境工程系，重庆 401311；2.解放军理工大学野战工程学院，江苏南京 210007；3.后勤工程学院科研部，重庆 401311）

混凝土是目前用量最多的建筑材料，广泛地应用于道路、桥梁等工程中.混凝土裂缝是混凝土材料的一种缺陷，其长期存在于混凝土工程建设和使用过程中［1］.对混凝土裂缝进行长期有效的监控是保障混凝土工程安全，避免出现重大事故以及防止混凝土工程病害，提高混凝土工程健康状况的重要手段.传统的混凝土损伤识别方法难以反映原位混凝土的损伤状态，无损检测技术方法则是获得结构中原位混凝土真实损伤的唯一途径［2］.无损检测技术方法主要有超声波法［3］、红外热成像法［4］、雷达法［5］、声发射法［6］、冲击回波法［7］以及电阻率测量法［8］等等.文献［9－10］研究了碳纤维水泥基复合材料的导电特性及温敏特性，然后利用这些相关特性实现混凝土自身的病害检测.

对于桥梁等临空、临水大型结构物，要在较远距离依靠人眼观察发现细微裂缝（＜0.5mm），难度非常大.同时，对混凝土结构物裂缝进行长期监测还较缺乏研究.本文基于高分子导电膜（以下均简称为导电膜）具有的电阻拉敏效应，即膜电阻率随膜受力拉伸而增大，将其涂覆在混凝土试件表面作为电热元件，再借助红外热成像仪测得混凝土表面各处热辐射分布，从而实现对混凝土裂缝的远距离快速探测和精确定位.

1 裂缝红外热成像监测原理

1.1 导电膜电阻拉敏效应

导电膜主要由高分子树脂基体和分散在高分子树脂基体中的导电粒子组成.高分子树脂基体在常态下是电绝缘材料，导电膜导电主要是靠导电粒子之间形成的导电通路而导电.不同种类的导电粒子具有不同的形状：纤维状、片状、球状、链状等，但其导电原理相似.为了便于分析，将所有导电粒子简化为球体.导电粒子形成导电通路主要有3种状况（见图1）：状况Ⅰ为导电粒子相互重叠（重叠面积为A），直接形成导电通路；状况Ⅱ为导电粒子相互接触形成导电通路；状况Ⅲ为相邻导电粒子不接触，但导电粒子相互之间距离（S，等同于绝缘阻隔层的厚度）较小，导电粒子间形成导电隧道.

图1 导电膜导电模型示意图Fig.1 Conductive model of conductive film

设定高分子树脂基体的电阻为定值，其作为绝缘材料的电阻率远大于导电粒子的电阻率.如果假定导电粒子在基体中均匀分布，则平行于导电通路方向上的其他路径的电流就可以忽略［11］，因此导电膜的电阻（R）主要由电极间导电粒子和导电通路数目决定，可表示为：

式中：Rm是两相邻导电粒子间的电阻；Rp是导电粒子自身的电阻；N 为平行于电流方向的1条导电通路中的导电粒子数目；n 为平行于电流方向的导电通路数目.

当导电粒子间距S 很大时，电流无法通过导电粒子间隙.当S 较小时，导电粒子间有隧道电流J［12－13］.在低电压下，隧道电流J 为：

式中：m 和e 分别为电子质量和电荷；h 为普朗克常数；V 为外加电压；φ为相邻导电粒子间的势垒高度，其可利用导电粒子和高分子树脂基体的功函数相减获得.

假定发生隧道效应的绝缘阻隔层的有效截面积为a2，则两相邻导电粒子间电阻Rm为：

因为导电粒子的导电能力比高分子树脂基体高很多，导电粒子自身的电阻相对可以忽略（Rp≈0），将式（3）代入式（1），可得导电膜电阻与导电膜微观结构参数之间的关系为：

由于隧道电流强烈地依赖绝缘阻隔层的厚度，可以认为隧道效应仅仅发生在两导电粒子相互靠近部分的1个极小区域.因此，如果导电膜内隧道效应中导电粒子所占比例越大，则电阻对拉伸变形越敏感.S 的细微变化可以导致隧道电流急剧减小，甚至形成断路.这就是导电膜电阻率随膜本身变形而变化的机理.

将导电膜涂覆在混凝土试件表面，由于膜与混凝土表面附着力好，且膜本身弹性模量远小于混凝土弹性模量，因此膜在受力变形时不会对混凝土试件产生约束作用，并和混凝土试件变形保持一致.依靠测试导电膜某一时段内电阻变化值的大小（即时电阻变化率），可以实现对混凝土试件变形开裂情况的监测.

1.2 导电膜的电热效应分析

将导电膜布设在混凝土试件表面，检测时加载一定电压的电源，使其发生电热转变，产生检测所需要的与周围背景的温度差.导电膜在混凝土试件表面的布置如图2所示.

图2 导电膜布置Fig.2 Arrangement of conductive film

文献［14］研究表明，混凝土裂缝处导电膜电阻率明显大于无裂缝处，其等效电阻（R1）如图3（b）所示.由于单个电阻的电热功率与电阻成正比，当R1越大时，其消耗的功率也比周围的电阻消耗的功率大，故混凝土裂缝处导电膜产生的热量将大于无裂缝处.

图3 导电膜等效电阻Fig.3 Equivalent resistance of conductive film

导电膜通电发热的过程中，其热量存在2个传递途径：一是导电膜上表面与外面空气进行换热（Q1），二是导电膜下表面与混凝土基底进行换热（Q2）.但是在混凝土裂缝处，导电膜热量传递情况有所变化：一方面导电膜上表面与外面空气换热不变，另一方面因导电膜下方与混凝土脱离，故导电膜下表面只与空气进行换热（见图4）.由于混凝土裂缝内部空间尺寸特征为宽度小（小于0.5mm）、深度大（一般在10mm 以上）、长度长（一般在50mm 以上），难以形成对流传热，因此导电膜下表面与空气间的换热是以传导传热为主.

图4 导电膜传热示意图Fig.4 Heat transfer of conductive film

混凝土导热系数为1.51W／（m·K）［15］，空气导热系数为0.0259 W／（m·K）.在相同厚度情况下，混凝土导热系数是裂缝内空气导热系数的58倍.根据传热公式：Q ＝K·ΔT （式中：Q 为传递热量；K为传热介质导热系数；ΔT 为热量传递两点之间温度差），如果初始ΔT 相同，则混凝土裂缝处导电膜传递损失的热量明显小于无裂缝处，这必然导致裂缝处导电膜温度要高于无裂缝处.

混凝土裂缝处导电膜的电阻率较高，该部位导电膜产生的热量远大于无裂缝处；同时混凝土裂缝处导电膜传递损失的热量又小于无裂缝处，这2个因素决定了混凝土裂缝处导电膜温度相对较高，据此便可利用红外热成像仪进行裂缝特征判别.

1.3 红外热成像检测

自然界中任何温度高于绝对零度的物体表面都是红外辐射源，其表面辐射功率M（W·cm－2）可由斯蒂芬－玻耳兹曼定律计算［16］：

式中：ε为物体表面辐射率，0＜ε＜1；σ为Stefan－Boltzmann常数，σ＝5.673×10－12W·cm－2·K－4；T 是物体表面绝对温度（K）.物体表面所发射的红外辐射与其表面温度和表面辐射率相关.物体表面温度场的分布直接反映传热时材料热工性能、内部结构及表面状态对热分布的影响.导电膜在混凝土裂缝部位拉伸变形时，该部位电阻率明显增大［14］，通电时混凝土表面区域电热功率不均匀，引起裂缝处导电膜表面温度分布有所差别，假定导电膜在此时的表面辐射率不变，由式（5）可知，其表面不同区域的红外辐射会存在一定的差异.红外热成像仪根据不同区域红外辐射能量差别，生成红外热图像，从而达到识别和探测裂缝的目的.

2 试验方案

2.1 试件制备

导电膜采用柔性导电涂料固化干燥而成.柔性导电涂料是一种自制的添加型碳系双组分改性聚酯涂料.导电膜表面电阻率为0.81.0Ω·cm－1，断裂延伸率为70%90%，适用环境温度为－50～100℃.导电膜防潮性能优异，耐酸、碱、盐性能好，80℃下可半永久使用.混凝土板采用C30混凝土配2根φ4钢丝制成，其尺寸为70cm×25cm×6cm.导电膜按文献［14］的要求在混凝土板表面布设，其尺寸为50 cm×16cm.导电膜完全固化干燥后在其表面刷涂自制的水泥基装饰涂料，厚度控制在1mm 左右.导电膜的初始电阻为160Ω.

2.2 试验方法

测试地点在空旷场地，测试当天天气晴朗，气温16℃.将混凝土试件垂直放于离地约50cm 高的凳子上，并使导电膜平面垂直于地面，同时避免阳光直射.采用烟台艾睿光电科技有限公司生产的观测型红外热成像仪，其基本技术参数为：探测器：非制冷红外焦平面；像元：320×240；响应波段：814μm；工作温度：－4065℃；灵敏度（NETD）：≤45mK.

首先将试件在自制的裂缝试验平台加载产生裂缝，用40倍裂缝放大镜测量裂缝宽度.将混凝土板分别压裂形成宽度为0.020.04 mm，0.10 mm，0.150.20mm，0.200.30mm 的裂缝.裂缝每扩展到1个宽度后，通20V 交流电300s，然后在离导电膜水平距离7m 的地方用红外热成像仪采集导电膜的红外热图像.为了检验较远距离的观测效果，在离导电膜水平距离40m 处，用红外热成像仪采集裂缝宽度为0.150.20mm 时导电膜的红外热图像.

3 试验结果及分析

3.1 试验结果

图5，6分别为测试距离为7，40m 时导电膜的红外热图像.

图5 测试距离为7m 时导电膜的红外热图像Fig.5 Infrared thermal images of conductive films at 7mdistance

由图5可见，在测试距离为7m 时，随着裂缝宽度的增加，红外热图像中条纹亮度也明显增加.由图6可以看出，当测试距离为40m 时，由于视场范围较大，红外热图像存在较大的背景杂波，但是还是较为清晰地显示出与图5（c）（测试距离为7m）完全一致的亮条纹.

3.2 结果分析

图6 测试距离为40m 时导电膜的红外热图像（裂缝宽度0.150.20mm）Fig.6 Infrared thermal image of conductive film at 40mdistance（crack width 0.15－0.20mm）

图5（a）（d）中高亮度条纹是混凝土试件表面温度较高部分引起的.将红外热图像中高亮度条纹重新在试件板上进行定位、标示，并与试件可见光图像（图略）中的裂缝情况进行比对.结果表明，红外热图像中高亮度条纹与可见光图像中裂缝的位置、走向高度一致.图5（a）中A 标识的高亮度条纹与宽度为0.020.04mm 的裂缝相吻合；图5（b）中A 标识的高亮度条纹与宽度为0.10mm 的裂缝相吻合，而B标识的高亮度条纹则和1条新出现的宽度为0.030.04 mm 的裂缝相吻合；图5（c）中A，B标识的高亮度条纹和宽度为0.150.20mm 的2条裂缝相吻合；图5（d）中A，B标识的高亮度条纹和宽度为0.200.30 mm 的2条裂缝相吻合，C 标识的高亮度条纹和1条新出现的宽度为0.04mm 的裂缝相吻合.上述表明本方法能够分辨出裂缝的位置及其宽度大小.

图6中的高亮度条纹和图5（c）完全一致，表明本方法能够实现远距离、非接触的快速检测.

随着裂缝宽度的增大，导电膜裂缝处的温度增高，根据公式（5）可以得知，其向外辐射的能量越大，图中条纹的亮度越大.

4 结论

提出了基于导电膜拉敏效应的混凝土裂缝红外热成像检测方法.该方法能够分辨出裂缝位置及走向，并提供出一定的裂缝宽度信息；该方法检测裂缝精度达到0.04mm，检测裂缝宽度为0.040.30mm，检测距离达到40m，可实现对混凝土结构裂缝进行远距离、非接触、大面积的快速分布式监测.

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