采用熱成像技術(shù)監(jiān)測混凝土強(qiáng)度

1 熱成像技術(shù)監(jiān)測混凝土強(qiáng)度的基礎(chǔ)知識

混凝土強(qiáng)度的增長速率與溫度有密切關(guān)系。如果你把混凝土的養(yǎng)護(hù)溫度從 10 ℃ 提高至 20 ℃，那么混凝土強(qiáng)度增長的速率加快 1 倍；如果從 20 ℃提高至 30 ℃，強(qiáng)度增長速率再次加快 1 倍；如果從 30 ℃ 提高至 40 ℃，強(qiáng)度增長速率又再次加快 1 倍等。所以，如果混凝土養(yǎng)護(hù)溫度是 40 ℃，那么混凝土強(qiáng)度增長的速率比 10 ℃ 時加快 8 倍。

這是水泥與水之間產(chǎn)生水化反應(yīng)的結(jié)果。引起強(qiáng)度增長的是熱量的釋放：只需要一小點能量（熱量），便能使化學(xué)反應(yīng)發(fā)生，而化學(xué)反應(yīng)會產(chǎn)生更多的熱量。溫度越高，反應(yīng)速度越快。對一種給定的混凝土混合料，溫度是最重要的變量。

發(fā)生水化反應(yīng)的數(shù)量，是可能發(fā)生總的反應(yīng)的一部分，這可以用一個所謂“水化度”（從 0 到 1 ）的參數(shù)加以量化。對處于不同的恒定溫度中養(yǎng)護(hù)的混凝土，繪出水化速率與水化度的關(guān)系曲線，最終可以得到如圖 1 所示的 1 組曲線。

圖1 水化速率是水化度的函數(shù)

圖 1 表示養(yǎng)護(hù)溫度每增加 10 ℃，水化速率會成倍增加。水化度達(dá)到 1 實際上是不可能的，即使是齡期大的混凝土，仍有某些未水化的水泥。水化度是非常有用的參數(shù)，它是比齡期要好得多的對混凝土成熟度的量度。混凝土的所有特性，包括抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、剛度、收縮和蠕變，與水化度（而不是與齡期）有更好的相關(guān)性，尤其是在頭幾個小時、頭幾天。

圖 1 展示了混凝土水化的運(yùn)動特點。開始時水化速率較慢，即所謂“蜇伏期”，之后水化速率快速增長，緩慢地走向峰值，然后快速下降。一個考慮對溫度敏感的成熟關(guān)系可用來“仿擬”曲線。換言之，可使這些曲線排列有序。這些曲線的形狀是混凝土的特性，取決于所采用的水泥和摻合料的特性，也受水泥替代材料如硅粉或石灰粉的影響。

已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，混凝土的抗壓強(qiáng)度與水化度之間存在線性關(guān)系，這種關(guān)系從倫敦地鐵邦德街車站新建工程試驗中表現(xiàn)出來（圖 2）。

圖2 抗壓強(qiáng)度（fc）與水化度的線性關(guān)系

每一種混凝土配合比具有唯一的線性關(guān)系。一般來說，強(qiáng)度較大的混凝土具有較陡的坡度。線性關(guān)系只適用于早期，即最初的幾天，或水化度為 0.6～0.7 時。

圖 2 顯示，混凝土開始獲得強(qiáng)度之前，有一個臨界的水化度，通常該值在 5%～8% 之間。這意味著，有 5%～8% 的水泥水化反應(yīng)是初始最起碼的基本反應(yīng)，促成強(qiáng)度增長的則是在此以后的水化反應(yīng)。

水化速率可利用 Arrhenius 公式求得：

式中：ξ是水化度；是水化速率；是標(biāo)準(zhǔn)化的親和度（affinity）；Ea是活化能；R是理想氣體常數(shù)；T是溫度。

標(biāo)準(zhǔn)化的親和度表現(xiàn)在圖1仿擬的曲線形狀上。它被認(rèn)為是混凝土混合料的明顯特征，它是水化度的函數(shù)，可以方便地描述各個階段發(fā)生的水化反應(yīng)。當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)化的親和度值高時，表明易于產(chǎn)生反應(yīng)，當(dāng)此值低時，表明不易產(chǎn)生反應(yīng)。標(biāo)準(zhǔn)化的親和度與溫度無關(guān)。

圖 3 中展示摻加速凝劑的噴混凝土混合料的標(biāo)準(zhǔn)化親和度曲線，請注意它與圖 1 中曲線形狀的差別。它展示了速凝劑的反應(yīng)，速凝劑促使標(biāo)準(zhǔn)化親和度達(dá)到很高的初始值，使反應(yīng)很快發(fā)生。仍然能看出最初有一個“蜇伏期”，接著曲線有一個主要由硅渣反應(yīng)引起的較長的“鼓包”，大部分強(qiáng)度的獲得是在這里發(fā)生的。

圖3 根據(jù)等溫測熱法計算的標(biāo)準(zhǔn)化的親和度曲線（基于邦德街車站新建工程的試驗）

活化能可以視為發(fā)生每一個反應(yīng)所需的小能量，它是一個常數(shù)，單位是 J/mol（焦耳/摩爾）。它對溫度敏感，可以從等溫（溫度為常數(shù)）試驗的不同溫度計算出來。圖 4 表示從邦德街車站新建工程等溫試驗計算得到的活化能。對每一溫度作 4 次試驗，點的密集度說明等溫測熱法良好的重復(fù)性。

圖4 邦德街車站新建工程活化能計算

采用 Arrhenius 公式，意味著在任何時間，只要已知當(dāng)前的水化度和當(dāng)前的溫度，就可以計算水化速率。因此，如果有混凝土的溫度歷程，就可以利用時間步長法計算水化速率，對時間積分計算水化度。

2 強(qiáng)度試驗和監(jiān)測

混凝土強(qiáng)度試驗有 2 個明確的目的：①合格性（conformity）試驗，混凝土來自現(xiàn)場工地，希望它具有符合規(guī)定的合格性，抗壓強(qiáng)度常被用作指標(biāo)性試驗（合格性試驗），證實它的性能每天都在一定變化范圍內(nèi)的合格性，例如施工過程中的撓曲受拉強(qiáng)度、耐久性等；②為了保證臨時性工作的安全，監(jiān)測混凝土強(qiáng)度增長，即混凝土是否有足夠的強(qiáng)度能經(jīng)受來往車輛產(chǎn)生的振動沖擊？是否容許撤除腳手架？噴混凝土是否有足夠強(qiáng)度支承自身的重量和地層荷載？

在歐洲，噴混凝土早期強(qiáng)度的試驗主要利用檢測探針和射釘槍完成。在英國，由于擔(dān)心鄰近掌子面的噴混凝土崩塌或地層塌方對操作者構(gòu)成危險，噴混凝土試驗往往是采用試驗板完成的。噴混凝土試驗板的噴射是在襯砌斷面噴射完成后進(jìn)行的。事實上，當(dāng)檢測試驗板上的噴混凝土強(qiáng)度時，由于試驗板上的噴混凝土相對于襯砌經(jīng)受了非常不同的溫度歷程，所以不能完全真實地反映襯砌的強(qiáng)度。對于普通混凝土也有同樣的問題。當(dāng)測試養(yǎng)護(hù)在水溫 20 ℃ 的水池中的立方體或圓柱體試樣時，它能代表灌注時的混凝土嗎？在寒冷天氣，有可能導(dǎo)致對混凝土強(qiáng)度的過高估計；在溫暖天氣，如果進(jìn)行大體積混凝土灌注，在現(xiàn)場能了解到混凝土的真實強(qiáng)度，則施工進(jìn)度可以加快。

圖5 在德國ARGE 隧道不同斷面量測的噴混凝土溫度歷程

圖6 根據(jù)熱成像儀測得的不同溫度歷程計算噴混凝土強(qiáng)度

在同一隧道不同斷面量測的噴混凝土溫度曲線示于圖 5。圖 6 是根據(jù)熱成像儀記錄的溫度歷程計算噴混凝土強(qiáng)度的增長，較低的溫度是由地下水流動造成的。未必能預(yù)料到不同斷面同時噴射的試驗板上的噴混凝土強(qiáng)度會有如此大的差別，10 h 齡期強(qiáng)度差別 10 MPa。其實最早期的差別并不太大，這是因為新混凝土溫度是相近的。然而，工地上的新混凝土溫度有可能發(fā)生變化。最早期可能經(jīng)歷明顯的緩凝，但當(dāng)設(shè)備和混凝土已經(jīng)升溫，這時試驗板上的噴混凝土就與當(dāng)初試驗板上的混凝土有所不同了。

3 熱成像強(qiáng)度測試技術(shù)的應(yīng)用

熱成像強(qiáng)度測試技術(shù)的實質(zhì)是，應(yīng)用熱成像儀采集噴混凝土襯砌的溫度歷程，并將其輸入軟件，基于試驗室對噴混凝土混合料進(jìn)行試驗得到的標(biāo)準(zhǔn)化的親和度和活化能，利用時間步長法計算水化度。

為了求得強(qiáng)度，需要有水化度與強(qiáng)度之間的線性關(guān)系。為了得到真實強(qiáng)度，噴混凝土必須是在現(xiàn)場噴射的。在噴射試驗板的同時測試強(qiáng)度和溫度（圖 7）。

圖7 標(biāo)定中的噴混凝土試驗板上的數(shù)字顯示和熱成像

利用熱成像技術(shù)得到的水化度，對強(qiáng)度測試結(jié)果進(jìn)行標(biāo)定。圖 2 是一個呈線性關(guān)系的標(biāo)定實例。采用軟件中的溫度歷程，可以得到實時強(qiáng)度。

應(yīng)用熱成像技術(shù)對具有代表性的噴混凝土襯砌部位進(jìn)行測試。隧道左軸、左肩、拱頂、右肩、右軸，通常是默認(rèn)的選項，其他值得關(guān)心的部位，一般是與襯砌其他部位具有明顯不同溫度而確定的，將它們加進(jìn)軟件不成問題。

當(dāng)前，研發(fā)工作集中在將熱成像技術(shù)與照相或激光掃描一體化，所以，襯砌上每點的溫度歷程是已知的。每次掃描的位置安排在三維空間，這將給出噴混凝土厚度、齡期和抗壓強(qiáng)度接近實時的三維圖像。

軟件能脫機(jī)工作，當(dāng)聯(lián)機(jī)時與服務(wù)器數(shù)據(jù)庫同步，使任何地方都能看到數(shù)據(jù)。它能追蹤哪個用戶輸入什么數(shù)據(jù)，不會永久刪除任何內(nèi)容，進(jìn)行任何編輯或刪除錯誤很方便。

迄今為止在現(xiàn)場獲得的經(jīng)驗指出，應(yīng)用熱成像技術(shù)，迅捷而直觀，工程師們在使用這項技術(shù)時不會發(fā)生困難。培訓(xùn)不僅介紹軟件如何工作，而且介紹理論背景，提高工程師和工人的技能，增加情趣與自主享用的體驗，提高安全、效率和質(zhì)量。

4 結(jié)論

熱成像技術(shù)使我們能從安全的遙控位置監(jiān)測全部噴混凝土襯砌強(qiáng)度的增長，沒有其他方法和技術(shù)能做到這一點。這意味著在噴混凝土的安全和質(zhì)量控制方面跨出了一大步。

大多數(shù)現(xiàn)場強(qiáng)度測試是合格性的測試，對臨時施工的安全未能提供實際監(jiān)測。采用熱成像技術(shù)監(jiān)測噴混凝土襯砌的早期強(qiáng)度有助于更好決策。如果實際強(qiáng)度低于規(guī)定值，可以及早采取措施避免災(zāi)難。如果強(qiáng)度高于規(guī)定值，那么施工可以繼續(xù)進(jìn)行，不必?fù)?dān)心安全問題。

無意用熱成像技術(shù)取代傳統(tǒng)的強(qiáng)度測試方法，這樣做是有益的。當(dāng)新技術(shù)與既有方法平行使用時，可以提高利用試驗板噴混凝土強(qiáng)度推測襯砌噴混凝土強(qiáng)度的信心，有助于工程師和工人更好地了解噴混凝土強(qiáng)度的增長。軟件非常容易使用，讀數(shù)快而簡便，它提供豐富的、容易讀懂的且可以跟蹤的數(shù)據(jù)。