高地温混凝土衬砌抗压损伤试验的红外图像研究

段　宇，宿　辉

(河北工程大学水电学院，河北　邯郸　056038)



高地温混凝土衬砌抗压损伤试验的红外图像研究

段宇，宿辉

(河北工程大学水电学院，河北邯郸056038)

以新疆水电站工程为依托，研究了高温养护下混凝土衬砌的抗压强度，同时通过分析混凝土试块单轴抗压时表面红外图像的变化，得出了裂隙区域的温度变化与荷载值的关系。最终实验分析可知：按照设计配合比所得出的高温养护下的混凝土试块7d龄期抗压强度满足设计要求，并且混凝土在抗压过程中的损伤表现为由表层向核心区发展。红外图像的研究结论可应用于混凝土建筑的损伤检测。

高地温引水隧洞；抗压损伤试验；红外辐射

1　问题的提出

正在施工的新疆喀什水电站引水隧洞，据施工过程中反映，发电引水隧洞存在高地温问题[1]，高地温洞段主要位于引水隧洞桩号Y7+010～Y10+355m，长3 135m。隧洞贯穿之前岩壁最高温度可达110 ℃，空气温度可达55 ℃，隧洞贯穿后虽然岩壁最高温度降至75 ℃，空气温度降至40 ℃，高地温问题仍然十分严重(见图1)。

高地温问题在给隧洞施工带来一系列不便的同时，也给围岩喷射混凝土衬砌强度产生了不利影响。本文通过现场实验研究了高地温混凝土的抗压强度，同时利用红外成像检测技术具有快速、大面积扫描且比较直观的优点[2],进行了抗压损伤实验的红外图像分析，基于一些学者专家对材料受荷载作用下红外辐射特征的研究[3]，并结合实验数据分析可知，损伤裂纹出现在红外热像的高温区与低温区的交界面,这可以作为混凝土破裂损伤的前兆[4]，研究结果对于实际工程具有一定的指导意义。

(a)光学图像

(b)红外图像图1　引水隧洞高地温洞段图像

2　实验设计

2.1实验设备

本实验所用的红外辐射探测设备为美国福禄克公司生产的FLUKETi400红外热像仪，量程为-20～1 200 ℃，测量精度为±2 ℃，其利用激光测距的高精度技术实现快速、精准对焦，内置500万像素工业级高清数码相机，图像清晰；加载系统为美斯特工业系统有限公司生产的YAW-4306型微机控制电液伺服压力试验机，其最大试验力为1 000kN。

2.2实验材料

水泥：新疆阿克苏天山多浪水泥有限公司生产的P.042.5水泥；粉煤灰：喀什鑫泰工程建设公司生产的2级粉煤灰；砂：采自塔什库尔干河,细度模数2.56；石：采自塔式库尔干河,粒径5～15mm；外加剂：乌鲁木齐志华建材化工厂生产的减水剂和速凝剂；纤维：上海罗洋新材料科技有限公司生产的罗赛纤维RS2000。

2.3实验配合比

本实验的配合比采用设计单位所给出的高地温隧洞段喷射混凝土设计配合比表,试模尺寸为：450mm×350mm×100mm，混凝土配合比见表1。

表1　高地温隧洞段喷射混凝土设计配合比表　kg/m3

2.4试件的浇筑与养护

按照设计配合比在洞外进行各材料的称重与拌合(速凝剂未添加)，之后迅速将混凝土料运送至高温桩号Y8+660m处，添加速凝剂后再将混凝土料搅拌均匀，浇筑在试模之中并人工振捣将表面抹平。24h之后拆模，每天进行定期的表面洒水养护，持续养护7d之后取出混凝土试件，自然情况下冷却至常温(见图2)。

桩号Y8+660m处空气温度38 ℃，相对湿度为36%，洞底地面温度为40 ℃。

图2　混凝土试件的浇筑与洒水养护图

2.5试块抗压实验过程

将试件从高温隧洞取出后，运送至实验室，首先用金刚石锯石机将试件切割成3个尺寸为100mm×100mm×100mm的立方体试块[5]，并用双端面磨平机对试块进行打磨，使其受压面平整。其中，实验机为YAW-4306型微机控制电液伺服压力实验机，在进行试块的单轴抗压强度实验时，用FlukeTi400红外线热像仪采集抗压试块表面红外图像。

3　实验结果分析

3.1抗压实验数据

按照GB/T50107—2010《混凝土强度检验评定标准》进行数据分析，混凝土试块的抗压实验数据见表2。

表2　混凝土试块抗压强度数据表

注：换算系数为0.95。

3.2红外图像分析

在进行抗压实验的同时，利用FlukeTi400红外热像仪对抗压实验中的试块表面进行红外图像采集。以试块2为例，用SmartView软件将试块从开始加载到达到破坏点的数据进行处理，并将裂缝所在的区域标定为A、B、C三个矩形区域。由红外图像观测裂缝区域温度的变化，记录不同加载时段各个区域的温度值，并做出相应的温度—时间曲线，同时绘出荷载时间曲线，从而分析随着加载时间的变化，产生裂缝区域的温度变化与施加荷载的关系(见图3)。

查询混凝土损伤相关资料并结合红外图像分析可知，混凝土的损伤具有典型的脆性损伤特征，抗压试块表面的裂缝一般出现在高应力或存在缺陷的区域,先是萌生裂纹继而不断扩展[6]。由图3可以看出，从施加荷载开始，前35s裂隙处红外图像并不明显，只有零星部分出现温度较高的斑点，并未连成一条裂隙，在38s后开始出现明显的裂隙图像，随着荷载的不断加大，裂隙逐渐汇合。此外，由于荷载的不断增大，顶部和底部承受的压应力也逐渐增大，故加载过程中红外图像显示两端温度始终比中间部分要高，温度由两端向中间扩散，在红外图像中非常明显。

同时，使用SmartView软件将红外图像的温度数据进行处理，得到不同区域混凝土在抗压过程中温度随时间的变化曲线，同时将荷载随时间的变化曲线加入时间轴(见图4)，分析混凝土裂隙区域温度与荷载变化值的关系。

由图4曲线分析可知，混凝土试块在进行抗压实验时，裂缝区域温度在试件达到破坏强度前呈波动趋势，当试块达到破坏点时由于内部破碎能量瞬间释放，导致裂缝区域有瞬间的温升现象，之后随着试块的破坏，压力实验机所施加的荷载减小，温度又开始下降，并趋于平稳。由此可以推出，混凝土在抗压实验过程中，内部结构遭受损伤的同时必然存在着能量的释放。

图4　不同裂隙区域温度变化曲线图

根据这种原理，可以通过红外热像仪监测引水隧洞混凝土衬砌，在有裂纹的区域红外图像显示出异常，从而提前预防危险事故的发生。同样，在混凝土内部易破坏部位预埋温度传感器，并连接温度仪表进行内部温度监测，当出现瞬间的温升时，可以推测混凝土内部结构可能被破坏，继而提前采取措施，避免灾难的发生。

4　结　论

通过进行在高地温隧洞养护条件下的混凝土抗压强度实验，利用FLUKETi400 红外热像

仪观测混凝土抗压试块表面红外图像变化，可以得出以下结论：

(1)由于引水隧洞高岩温的作用，混凝土衬砌要达到抗压强度的要求，需要在初期进行一定的养护，建议采用底板蓄水的方式来提高引水隧洞内空气相对湿度。

(2)混凝土试块在受压过程中形成很多较为复杂的损伤区域，其表层出现很多条由拉应力产生的裂隙，其损伤表现为由表层向核心区发展。

(3)混凝土抗压试块在达到破坏值的同时，其内部有瞬间的能量释放，同时其裂隙区域温度有明显上升，这对于混凝土建筑物的损伤检测具有一定的实用意义。

[1]赵国斌，程向民.齐热哈塔尔水电站引水隧洞高地温问题研究[J].现代隧道技术，2012,49(S):262-265.

[2]余曼丽，潘伟，朱若寒.红外成像监测技术在工程中的应用及其发展[J].国外建材科技，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]刘杰，张千里，杨峰，等.高强混凝土受压损伤过程红外辐射特征试验研究[J].中国铁道科学，2013,34(2):36-40.

[5]中华人民共和国建设部.GB/T 50081—2002普通混凝土力学性能实验方法标准[S].北京：中国建筑工业出版社,2013.

[6]王中强,余志武.基于能量损失的混凝土损伤模型[J].建筑材料学报,2004,7(4):365-369.

(责任编辑郎忘忧)

ResearchonInfraredImageofHighLandTemperatureConcreteLininginCompressionInjuryTest

DUANYu,SUHui

(WaterConservancyandHydropowerCollegeofHebeiEngineeringUniversity,Handan056038,Heibei,China)

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

hightemperaturediversiontunnel;compressiveinjurytest;infraredradiation

2015-12-18

河北工程大学研究生创新能力资助项目。

段宇(1990-)，男，硕士，从事水工结构、离散元方面的研究。E-mail:duan-09@126.com

P631

A

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

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