本发明涉及一种混凝土的无损检测方法，具体涉及一种用于混凝土高温损伤的红外检测方法，属于建筑工程技术领域。
背景技术：
混凝土是当今建筑工程中运用最多的工程材料，具有强度高、渗透性小、耐久性好、变形小等优点，在工程实际应用中，能利用其优势满足现代工程中的大跨度、大空间和超高层的建筑发展需要，同时可以减小构件截面，节省原材料，进而降低工程造价。因此得到了广泛的应用。然而，混凝土在遇火灾时会发生严重的爆裂破坏，而且爆裂程度会随着火灾温度的升高、混凝土自身强度等级的提高而越发的严重。由于混凝土结构受灾后自身受到损伤，将使混凝土承载能力大幅度下降，很容易造成重大事故，使国家财产遭受重大损失。为了确保高强混凝土结构的火灾安全，以及评估这些建筑物火灾后结构的承载力和安全性，为结构的修复加固提供科学依据，火灾后及时检测建筑物的损伤程度和可靠度，正确的评价其适用性，进而对建筑物进行加固修缮具有重大的社会价值和经济意义。
在现有的火灾混凝土结构的损伤评估过程中，国外一些国家如英、美、日等所采用的方法多以英国钢筋混凝士结构火灾损伤检测与评估方法综述凝土协会提出的评估表和评估方法为主体，但该方法总体上偏于定性而非定量。主要的评估过程是表观检测，根据混凝土结构表面损伤状况及颜色，通过直接观测混凝土表面受火后的颜色变化，表层脱落状况、大多数损伤裂缝分布部位，尺寸大小等因素，评估结构混凝土火灾损伤程度。该法需要相当丰富的经验，因而评估结果相对粗糙。相对而言，国内提出的损伤评估方法则较为具体。国内的损伤评估方法对表观损伤、材性劣化、构件力学性能变化及承载力降低均作出定量评估的评定等级的标准，只是仍然沿用的旧有评定指标，定量标准也显粗糙，检测、分析方法显陈旧、精度较低、科学性差。
现有的一些技术有超声波法、射钉法、锤击法、钻芯法、拔出法、压汞孔隙仪试验法等。
超声波法检测评估火灾后混凝土损伤。使用超声波检测混凝土缺陷主要是指检测混凝土存在孔洞、疏松、裂缝以及低强度区等。火灾混凝土形成了由表及里的损伤疏松层，降低了表层混凝土的密实度，破坏了混凝土的整体性和均匀性，检测结果误差大。
射钉法最早由美国提出，试验时将一枚钢钉射入到混凝土表面，然后测量钢钉未射入的长度，并找出它们与混凝土强度的关系。这种方法快捷、方便而且离散性较小，对水平和竖向构件均适合，也适合于出现剥落的构件，对比较粗糙的表面也需作处理。这种试验也适合于平整表面和凿开的表面，且适合于探测不同深度混凝土的强度，只要将试验完的混凝土表面凿掉即可。射钉法测定的强度较之其他方法要好一些，如果将试验结果与未损伤的混凝土相比较则可靠性较高。但若用该法进行大面积检测则试验量过大，时间较长
锤击法检测火灾损伤混凝土，发出的声音较普通混凝土来说比较沙哑、沉闷、或是空响，但这种方法过于依靠经验，而且这与锤击的部位有关系，其结果只能作为参考。
钻芯法是检测未受损混凝土强度较直接和较精确的方法，但对于火灾混凝土，有时因为构件太小或破坏严重(强度低于10MPa)，难以获得完整的芯样。其次，由于火灾混凝土损伤有表及里呈层状分布，所获的芯样很难说具有代表性。还应与其它方法结合综合评估受损构件的混凝土质量。
拔出法是把一根螺栓或相类似的装置埋入混凝土试件中，然后从表面拔出，测定其拔出力的大小来评定混凝土的强度。对火灾后的建筑采取后装拔出法，它又分为钻孔内裂法和扩孔拔出法。该法只适合局部检测。
压汞孔隙仪试验法，混凝土在高温作用下及冷却过程中，由于硬化水泥浆与骨料间胀缩不协调，界面产生应力集中，当集中应力超过界面张力极限时，界面破裂或原有裂缝扩大延伸，孔隙相互贯通，使孔隙量增多，孔径加大。不同温度和升降温条件，必然有不同孔隙变化。而压汞孔隙仪(Mercury Intrusion Poresimeterm简称M.I.P)系借以量测定量试件内的孔隙含量及孔径分布。该法只适用于送样分析。
技术实现要素：
本发明旨在提供一种用于混凝土高温损伤的红外检测方法，与现有的检测方法相比，此方法直观、不需直接接触混凝土构件，能完成大面积扫描，灵敏度高、检测迅速。并且通过本发明所建立的分析方法对红外热像的分析，可以定量评估混凝土火灾损伤。
本发明提供的一种用于混凝土高温损伤的红外检测方法，包括以下步骤：
(1)准备试件：
①准备原料：
混凝土采用与工程中相同的原材料，混凝土和易性根据施工工艺要求确定：
水泥：选取普通硅酸盐水泥P.O 42.5级水泥；
骨料：粗骨料为粒径5～20mm的石灰石碎石，粗石为10-20mm，细石为5-10mm；砂为细度模数2.8、级配良好的豆罗砂；
矿物掺合料：粉煤灰为磨细粉煤灰Ⅰ级，细度为8.2％，需水量为95％，28d活性指数为71.1％；粒化高炉矿渣粉采用S95级矿渣微粉，流动度比为124％，7d活性指数为82.97％，28d活性指数为104.16％；
外加剂：采用聚羧酸高效减水剂；
拌合水：符合《混凝土用水标准》JGJ 63-2006规定；
②制备试件：
试件采用C30标准混凝土立方体试块，尺寸为150mm×150mm×150mm，内置热电偶；
所述热电偶在混凝土成形时预埋入试块中部，用于测量试块中心温度。
③养护：
试件在养护室中进行标准养护28天，然后移出养护室，暴露在空气中，室温下存放至少2天；
(2)模拟火灾试验：
试件采用电阻炉加热：加热温度分别为100℃、200℃、300℃、400℃、500℃、600℃、700℃、800℃、900℃，共9个温度等级，模拟T＝345lg(8t+1)+T0升温曲线，达到目标温度后恒温至内置热电偶显示温度与目标温度一致，并延长20min，然后关闭电源，炉内冷却至约400℃以下时取出试块，在空气中自然冷却冷至常温，同时有一组未加热(20℃)的试块作为对比。共得到10个不同温度下的试块。
(3)检测：
①红外检测：
采用红外热像仪摄取不同受热温度下试块的红外热图；
所述不同受热温度选取20℃、100℃、200℃、300℃、400℃、500℃、600℃、700℃和800℃和900℃；
检测时，通过CAL功能键校正环境温度；混凝土的辐射率设置为0.92；自动设置焦距、温度水平和灵敏度；热激励为被动式。
采集图像后，分析处理数据，得出试块平均温升值。
②抗压强度检测：依据普通混凝土力学性能试验方法标准GB/T 50081-2002进行抗压强度检测。
(4)数据处理
根据肖维勒(Chauvel)准则和格拉布斯(Grubbs)准则处理数据。
建立红外热像参数与受火温度及强度损伤的关系模型：通过拟合，红外热像平均温升与混凝土受火温度的线性关系为：
T＝1025.1x-1454.7 20≤T≤900 (1)
线性相关系数r＝0.933；
式中，T为混凝土的受火温度，℃；x为混凝土的红外热像平均温升，℃。由此关系式可以由红外热像平均温升得到混凝土表面的受火温度。
红外热像平均温升与混凝土强度损伤的线性关系为：
fcut/fcu＝-1.1641x+2.8226 20≤T≤900 (2)
线性相关系数r＝0.984；
式中，fcut为混凝土在t温度下的抗压强度，fcu为常温20℃下混凝土的抗压强度，fcut/fcu为混凝土的强度损失，即高温后的混凝土强度与常温下的混凝土强度的比值；通过混凝土的红外热像平均温升可推断混凝土的强度损失。
上述方法中，所述标准养护的条件为：温度为18～22℃，相对湿度为90％以上。
上述方法中，采用TH9100WV型红外热像仪。TH9100WV型红外热像仪通过内置的CPU可实现各种图像处理，它具有彩色液晶显示图像、磁盘记录和贮存图像数据、自动功能、可连续测量短时间内的温度变化及丰富的图像处理功能等特点。光束通过水平和垂直镜，连续地从左到右，从上到下扫描被测物体的表面，将物体的红外辐射能收集起来，经红外探测器转换成电信号，然后经过电子系统的放大、处理，形成视频信号，由显示装置显示出物体的红外热图像。
上述方法中，红外热像仪的外部加热源为红外线灯泡，灯泡与混凝土试件之间的距离为1m，灯泡的加热和散热时间都为3min；常温时拍一张，然后加热和散热过程中每隔30s拍一张。使用红外热成像仪，拍下第一张初始的红外热像照片后，然后打开红外灯泡照射，每隔30s照一次，直到3min，然后立即关闭红外线灯泡，然后每隔30s再拍摄一张；照片为红外的热成像图，通过软件分析可以获取试件表面各像素点的温度，也可以统计整个试块表面的平均温度。
上述方法中，拍摄出了加热和散热时每隔30s时试件表面的红外热成像图，然后通过TH9100WV型红外热像仪自带的红外分析软件，软件名Mikrospec 3.0，统计处理出各个时间点的试件表面的平均温度，然后与初始温度做差，可以得出混凝土的在红外灯泡加热情况下的温度差值，即混凝土的温升值，当然在加热到3min时，所得到的温升值是最大的，我们记此时为试块的平均温升值，而且本次实验所选取的x也就对应混凝土的红外热像平均温升。混凝土在不同温度下烧制过后，内部呈现不同程度的损伤，在红外灯泡的照射下，不同的损伤吸收红外灯泡的能量也不一样，而且它可以在试件的表面很好的反应出来，例如损伤的位置，或者吸收的能量等等，所以我们可以通过测量表面的红外温升值，便能推测出此时此刻混凝土所受到的火灾温度和在此时的温度下混凝土的强度。测试抗压强度是测一个基本量，然后建立红外温升值(不是绝对的表面温度)与混凝土强度的比值(不是混凝土的绝对强度)的关系。
本发明采用红外系统成像原理来实现混凝土受热的红外检测：采用红外热像仪对火灾后混凝土结构构件进行扫描检测。实际上，红外热成像是被检测物体表面的温度分布图。在高温作用下，混凝土会出现开裂、疏松等破坏。对于火灾混凝土，其表面状态和组成随遭受的温度不同而发生了不同的变化。在一定的环境条件下，不同损伤的混凝土具有不同数量的红外辐射。混凝土的导热系数λ、密度ρ、比热容c等会由于受火温度、受火时间的不同而发生相应的变化，导致被测物体表面温度和发射率不同，从而影响混凝土的红外辐射分布，形成不同的红外热图像。热像仪的探测器扫描被测物体的表面，搜集物体表面辐射的红外能并把它转变为与入射能成比例的电信号。该电信号通过电子系统被放大、处理，最后被转变为视频信号在红外热像仪上以红外热像图呈现出来。一个二维的彩色温度图像便被显示在彩色监视器上，能迅速地扫描建筑物或混凝土结构表面，通过对这些红外热像图的分析，可直接读取和分析所获信息，就可推断混凝土的损伤情况。
本发明是一种新型无损检测方法，与现有的检测方法相比，具有以下优点：
(1)此方法直观，不需直接接触混凝土构件就能完成大面积扫描；
(2)灵敏度高、检测迅速；
(3)对混凝土表面没有要求，不需取样，不受火灾后混凝土实体变化的影响；
(4)通过本发明所建立的分析方法对红外热像的分析，可以定量评估混凝土火灾损伤；相对之前所述的定性分析，做到定量、准确分析。
附图说明
图1为红外系统成像原理图。
图中1为试件，2为辐射线，3为探测器，4为红外热图。
具体实施方式
下面通过实施例来进一步说明本发明，但不局限于以下实施例。
1、本发明原理：
本发明采用红外热线检测基本原理如下：红外辐射是一种波长介于0.75～1000μm之问的电磁波。自然界中，所有绝对零度(-273℃)以上的物体都连续不断地辐射红外能，其数量与该物体的温度密切相关。基于此规律，红外检测技术迅速发展起来，并得到广泛应用，尤其是对导热性差而表面发射率大的混凝土材料，采用红外热像检测灵敏度很高。
首先采用TH9100WV型红外热像仪对火灾后混凝土结构构件进行扫描检测。实际上，红外热成像是被检测物体表面的温度分布图。图1所示就是红外系统的成像原理。在高温作用下，混凝土会出现开裂、疏松等破坏。混凝土的导热系数λ、密度ρ、比热容c等会随着受火温度、受火时间的不同而发生相应的变化，导致被测物体表面温度和发射率不同，从而影响混凝土的红外辐射分布，形成不同的红外热图像。通过对这些红外热像图的分析，就可推断混凝土的损伤情况。
2.火灾高温试验研究
2.1混凝土原材料：
2.1.1试验原材料：水泥采用P.O 42.5普通硅酸盐水泥；粗骨料为粒径5～25mm的石灰石碎石；细骨料为细度模数2.8、级配良好的豆罗砂；粉煤灰为磨细粉煤灰Ⅰ级，细度为8.2％，需水量为95％，28d活性指数71.1％；粒化高炉矿渣粉采用S95级矿渣微粉，流动度比为124％，7d活性指数82.97％，28d活性指数104.16％；减水剂为聚羧酸高效减水剂。
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试件制备
试件采用C60标准混凝土立方体试块(150mm×150mm×150mm),内置热电偶，将混凝土试块标准养护28d，置室内自然干燥。
所述热电偶在混凝土成形时预埋入试块中部，用于测量试块中心温度。
所述标准养护的条件为：温度为18～22℃，相对湿度为90％以上。
2.2模拟火灾试验
采用SRJX型箱式电阻炉加热试件，加热温度分别为100℃、200℃、300℃、400℃、500℃、600℃、700℃、800℃和900℃共9个温度等级，模拟T＝345lg(8t+1)+T0升温曲线，达到目标温度后恒温至内置热电偶显示温度与目标温度一致，并延长20min，然后关闭电源，炉内冷却至约400℃以下时取出试块，在空气中自然冷却冷至常温，同时有一组未加热(20℃)的试块作为对比。共得到10个不同温度下的试块。
2.3火灾损伤后参数检测
2.3.1火灾损伤后红外热像参数检测
试验采用TH9100WV型红外热像仪摄取不同受热温度下试块的红外热图。检测时，辐射率设置为0.92。热激励为被动式，外部加热源为红外线灯泡,与混凝土试块之间的距离为1m,使用红外热成像仪，拍下第一张初始的红外热像照片后，然后打开红外线灯泡照射，每隔30s照一次，直到3min，然后立即关闭红外线灯泡，然后每隔30s再拍摄一张；照片为红外的热成像图。采集图像后，分析处理数据,得出试块平均温升值。
2.3.2火灾损伤后抗压强度检测
依据普通混凝土力学性能试验方法标准GB/T 50081-2002进行抗压强度检测。
2.4数据处理及结果分析
2.4.1数据处理
数据处理根据肖维勒(Chauvel)准则和格拉布斯(Grubbs)准则。
2.4.2建立红外热像参数与受火温度及强度损伤的关系模型
由检测结果和上述分析,可知400℃以下，随T增加混凝土强度损失不大，而T在400℃和900℃之间,混凝土强度随T损失很大。根据数学原理，红外热像平均温升与混凝土受火温度及强度损失的两个线性关系可表达如下：
通过数学拟合，红外热像平均温升与混凝土受火温度的线性关系为：
T＝1025.1x-1454.7 20≤T≤900 (1)
线性相关系数r＝0.933；
式中，T为混凝土的受火温度，℃；x为混凝土的红外热像平均温升，℃；由此关系式可以由红外热像平均温升得到混凝土表面的受火温度。
红外热像平均温升与混凝土强度损伤的线性关系为：
fcut/fcu＝-1.1641x+2.8226 20≤T≤900 (2)
线性相关系数r＝0.984；
式中，fcut/fcu为混凝土的强度损失(fcut为混凝土在t温度下的抗压强度，fcu为常温20℃下混凝土的抗压强度)；通过混凝土的红外热像平均温升可推断混凝土的强度损失。