采用热成像技术监测混凝土强度

1 热成像技术监测混凝土强度的基础知识

混凝土强度的增长速率与温度有密切关系。如果你把混凝土的养护温度从 10 ℃ 提高至 20 ℃，那么混凝土强度增长的速率加快 1 倍；如果从 20 ℃提高至 30 ℃，强度增长速率再次加快 1 倍；如果从 30 ℃ 提高至 40 ℃，强度增长速率又再次加快 1 倍等。所以，如果混凝土养护温度是 40 ℃，那么混凝土强度增长的速率比 10 ℃ 时加快 8 倍。

这是水泥与水之间产生水化反应的结果。引起强度增长的是热量的释放：只需要一小点能量（热量），便能使化学反应发生，而化学反应会产生更多的热量。温度越高，反应速度越快。对一种给定的混凝土混合料，温度是最重要的变量。

发生水化反应的数量，是可能发生总的反应的一部分，这可以用一个所谓“水化度”（从 0 到 1 ）的参数加以量化。对处于不同的恒定温度中养护的混凝土，绘出水化速率与水化度的关系曲线，最终可以得到如图 1 所示的 1 组曲线。

图1 水化速率是水化度的函数

图 1 表示养护温度每增加 10 ℃，水化速率会成倍增加。水化度达到 1 实际上是不可能的，即使是龄期大的混凝土，仍有某些未水化的水泥。水化度是非常有用的参数，它是比龄期要好得多的对混凝土成熟度的量度。混凝土的所有特性，包括抗压强度、抗拉强度、刚度、收缩和蠕变，与水化度（而不是与龄期）有更好的相关性，尤其是在头几个小时、头几天。

图 1 展示了混凝土水化的运动特点。开始时水化速率较慢，即所谓“蜇伏期”，之后水化速率快速增长，缓慢地走向峰值，然后快速下降。一个考虑对温度敏感的成熟关系可用来“仿拟”曲线。换言之，可使这些曲线排列有序。这些曲线的形状是混凝土的特性，取决于所采用的水泥和掺合料的特性，也受水泥替代材料如硅粉或石灰粉的影响。

已经发现，混凝土的抗压强度与水化度之间存在线性关系，这种关系从伦敦地铁邦德街车站新建工程试验中表现出来（图 2）。

图2 抗压强度（fc）与水化度的线性关系

每一种混凝土配合比具有唯一的线性关系。一般来说，强度较大的混凝土具有较陡的坡度。线性关系只适用于早期，即最初的几天，或水化度为 0.6～0.7 时。

图 2 显示，混凝土开始获得强度之前，有一个临界的水化度，通常该值在 5%～8% 之间。这意味着，有 5%～8% 的水泥水化反应是初始最起码的基本反应，促成强度增长的则是在此以后的水化反应。

水化速率可利用 Arrhenius 公式求得：

式中：ξ是水化度；是水化速率；是标准化的亲和度（affinity）；Ea是活化能；R是理想气体常数；T是温度。

标准化的亲和度表现在图1仿拟的曲线形状上。它被认为是混凝土混合料的明显特征，它是水化度的函数，可以方便地描述各个阶段发生的水化反应。当标准化的亲和度值高时，表明易于产生反应，当此值低时，表明不易产生反应。标准化的亲和度与温度无关。

图 3 中展示掺加速凝剂的喷混凝土混合料的标准化亲和度曲线，请注意它与图 1 中曲线形状的差别。它展示了速凝剂的反应，速凝剂促使标准化亲和度达到很高的初始值，使反应很快发生。仍然能看出最初有一个“蜇伏期”，接着曲线有一个主要由硅渣反应引起的较长的“鼓包”，大部分强度的获得是在这里发生的。

图3 根据等温测热法计算的标准化的亲和度曲线（基于邦德街车站新建工程的试验）

活化能可以视为发生每一个反应所需的小能量，它是一个常数，单位是 J/mol（焦耳/摩尔）。它对温度敏感，可以从等温（温度为常数）试验的不同温度计算出来。图 4 表示从邦德街车站新建工程等温试验计算得到的活化能。对每一温度作 4 次试验，点的密集度说明等温测热法良好的重复性。

图4 邦德街车站新建工程活化能计算

采用 Arrhenius 公式，意味着在任何时间，只要已知当前的水化度和当前的温度，就可以计算水化速率。因此，如果有混凝土的温度历程，就可以利用时间步长法计算水化速率，对时间积分计算水化度。

2 强度试验和监测

混凝土强度试验有 2 个明确的目的：①合格性（conformity）试验，混凝土来自现场工地，希望它具有符合规定的合格性，抗压强度常被用作指标性试验（合格性试验），证实它的性能每天都在一定变化范围内的合格性，例如施工过程中的挠曲受拉强度、耐久性等；②为了保证临时性工作的安全，监测混凝土强度增长，即混凝土是否有足够的强度能经受来往车辆产生的振动冲击？是否容许撤除脚手架？喷混凝土是否有足够强度支承自身的重量和地层荷载？

在欧洲，喷混凝土早期强度的试验主要利用检测探针和射钉枪完成。在英国，由于担心邻近掌子面的喷混凝土崩塌或地层塌方对操作者构成危险，喷混凝土试验往往是采用试验板完成的。喷混凝土试验板的喷射是在衬砌断面喷射完成后进行的。事实上，当检测试验板上的喷混凝土强度时，由于试验板上的喷混凝土相对于衬砌经受了非常不同的温度历程，所以不能完全真实地反映衬砌的强度。对于普通混凝土也有同样的问题。当测试养护在水温 20 ℃ 的水池中的立方体或圆柱体试样时，它能代表灌注时的混凝土吗？在寒冷天气，有可能导致对混凝土强度的过高估计；在温暖天气，如果进行大体积混凝土灌注，在现场能了解到混凝土的真实强度，则施工进度可以加快。

图5 在德国ARGE 隧道不同断面量测的喷混凝土温度历程

图6 根据热成像仪测得的不同温度历程计算喷混凝土强度

在同一隧道不同断面量测的喷混凝土温度曲线示于图 5。图 6 是根据热成像仪记录的温度历程计算喷混凝土强度的增长，较低的温度是由地下水流动造成的。未必能预料到不同断面同时喷射的试验板上的喷混凝土强度会有如此大的差别，10 h 龄期强度差别 10 MPa。其实最早期的差别并不太大，这是因为新混凝土温度是相近的。然而，工地上的新混凝土温度有可能发生变化。最早期可能经历明显的缓凝，但当设备和混凝土已经升温，这时试验板上的喷混凝土就与当初试验板上的混凝土有所不同了。

3 热成像强度测试技术的应用

热成像强度测试技术的实质是，应用热成像仪采集喷混凝土衬砌的温度历程，并将其输入软件，基于试验室对喷混凝土混合料进行试验得到的标准化的亲和度和活化能，利用时间步长法计算水化度。

为了求得强度，需要有水化度与强度之间的线性关系。为了得到真实强度，喷混凝土必须是在现场喷射的。在喷射试验板的同时测试强度和温度（图 7）。

图7 标定中的喷混凝土试验板上的数字显示和热成像

利用热成像技术得到的水化度，对强度测试结果进行标定。图 2 是一个呈线性关系的标定实例。采用软件中的温度历程，可以得到实时强度。

应用热成像技术对具有代表性的喷混凝土衬砌部位进行测试。隧道左轴、左肩、拱顶、右肩、右轴，通常是默认的选项，其他值得关心的部位，一般是与衬砌其他部位具有明显不同温度而确定的，将它们加进软件不成问题。

当前，研发工作集中在将热成像技术与照相或激光扫描一体化，所以，衬砌上每点的温度历程是已知的。每次扫描的位置安排在三维空间，这将给出喷混凝土厚度、龄期和抗压强度接近实时的三维图像。

软件能脱机工作，当联机时与服务器数据库同步，使任何地方都能看到数据。它能追踪哪个用户输入什么数据，不会永久删除任何内容，进行任何编辑或删除错误很方便。

迄今为止在现场获得的经验指出，应用热成像技术，迅捷而直观，工程师们在使用这项技术时不会发生困难。培训不仅介绍软件如何工作，而且介绍理论背景，提高工程师和工人的技能，增加情趣与自主享用的体验，提高安全、效率和质量。

4 结论

热成像技术使我们能从安全的遥控位置监测全部喷混凝土衬砌强度的增长，没有其他方法和技术能做到这一点。这意味着在喷混凝土的安全和质量控制方面跨出了一大步。

大多数现场强度测试是合格性的测试，对临时施工的安全未能提供实际监测。采用热成像技术监测喷混凝土衬砌的早期强度有助于更好决策。如果实际强度低于规定值，可以及早采取措施避免灾难。如果强度高于规定值，那么施工可以继续进行，不必担心安全问题。

无意用热成像技术取代传统的强度测试方法，这样做是有益的。当新技术与既有方法平行使用时，可以提高利用试验板喷混凝土强度推测衬砌喷混凝土强度的信心，有助于工程师和工人更好地了解喷混凝土强度的增长。软件非常容易使用，读数快而简便，它提供丰富的、容易读懂的且可以跟踪的数据。