CN102226685A - 利用红外热像和弹性导电膜非接触检测混凝土裂缝宽度的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了利用红外热像和弹性导电膜非接触测量混凝土裂缝宽度的方法，将柔性导电涂料固化形成弹性导电膜敷设在混凝土构件上，在弹性导电膜两端设置导线，进行通电发热；利用红外热成像装置在一定距离外对混凝土构件进行扫描检测；根据红外热成像装置扫描检测后得到的热成像图像，选取待测量的裂缝，在弹性导电膜上确定该裂缝所在的区域，根据该区域内最高温度与最低温度的温差，确定待测量裂缝的宽度。本发明的方法，弹性导电膜通电后，在裂缝部位的发热量比正常部位大，采用红外热成像装置进行扫描，能够准确显示出裂缝部位、确定裂缝的宽度；红外热成像装置与混凝土构件之间不接触，受到的干扰更少，测量精度高、使用寿命长。

Description

利用红外热像和弹性导电膜非接触检测混凝土裂缝宽度的方法

技术领域

本发明涉及一种对混凝土大坝、混凝土建筑物或混凝土构件等产生的裂缝进行非接触无损检测的方法，尤其是采用红外热像和弹性导电膜非接触检测混凝土裂缝宽度进行的方法。

背景技术

在房屋、电站、核电站、矿山、机场、高速公路、大坝、桥梁等各方面的建设中，都要大量采用水泥，以水泥为基本原料，浇注成各种混凝土，形成钢筋混凝土结构，作为基本的受力构件。由于钢筋混凝土在长期使用过程中，受到各种外力和内部缺陷的长期作用，容易开裂，产生安全隐患。在对安全要求特别高的地方，如核电站、大坝、桥梁等场所，特别需要对钢筋混凝土进行连续监测、确保其不发生安全事故就显得尤为重要。本专利申请人曾经申请了名称为“一种能连续监测受力构件变形、开裂的装置”、专利号为ZL200420034322.X的实用新型专利，在受力构件内埋设有弹性导电体或在其表面上设置弹性导电体，弹性导电体的两端都分别接入信号转换装置中；弹性导电体分别随着受力构件受力、变形、开裂、破坏等不同的情况，其内部电阻值相应变化，经控制处理器分析、处理，可明确提示混凝土等受力构件所处的阶段，对开裂、破坏等状态发出报警信号；可作全天候、连续自动监测预警；在另一名称为“弹性导电膜传感器和红外热像技术对混凝土裂缝进行监测定位的方法”、申请号为200910104789.4的发明专利申请文件中，公开了将弹性导电膜敷设在混凝土构件上，在弹性导电膜两端设置导线，形成弹性导电膜传感器；再利用红外热成像装置进行扫描检测，根据红外热成像装置扫描检测后得到的图像，根据热成像图像确定裂缝的准确位置并获得裂缝走向的信息。

上述装置或方法，虽然能监测混凝土等受力构件是否变形、开裂，以及在变形、开裂后及时发出报警信号，也能显示出变形、开裂点的相关位置，也能显示出是一个点还是多个点发生了变形、开裂，但没有公开如何测量上述裂缝的宽度、如何得到上述裂缝的宽度等信息，不能完全满足测量、修补等后续工作的需要。

目前裂缝宽度测量都是采用光学放大镜在可见光范围进行测量的方法，尽管精度高、准确，但是最大问题是不能实现远距离非接触测量，检测速度慢，效率低。

发明内容

本发明针对现有技术中的监测装置或方法只能监测混凝土等受力构件是否变形、开裂，不能显示裂缝部位的宽度信息等不足，采用热红外成像方式，通过分析开裂部位温度差的方法，测量裂缝宽度，是一种新颖的混凝土受力构件裂缝宽度远距离、非接触的快速检测。

本发明的技术方案：利用红外热像和弹性导电膜非接触测量混凝土裂缝宽度的方法，其特征在于包括如下步骤：（1）将柔性导电涂料固化形成弹性导电膜，或由导电橡胶带制成弹性导电膜，将弹性导电膜敷设在混凝土构件上，在弹性导电膜两端设置导线；

（2）在发现混凝土构件产生裂缝后或者在例行检查时，将弹性导电膜两端的导线连接到电源上，进行通电发热；

（3）位于裂缝部位的弹性导电膜由于该处电阻率增大，产生热量及温度要高于其他部位，利用红外热成像装置在一定距离外对混凝土构件进行扫描检测；

（4）根据红外热成像装置扫描检测后得到的热成像图像，选取待测量的裂缝，在弹性导电膜上确定该裂缝所在的区域，根据该区域内最高温度与最低温度的温差，确定待测量裂缝的宽度。

本发明的红外热像和弹性导电膜和测量混凝土裂缝宽度的方法，具有如下特点：

1、将柔性导电涂料固化形成弹性导电膜传感器，弹性导电膜传感器电阻对变形很敏感，随着混凝土产生裂缝，弹性导电膜传感器在裂缝部位的电阻率增大；因此，通电后，在裂缝部位的发热量比正常部位大，同时直接对裂缝内空气加热，热惯量小，升温会明显高于未开裂部位，其温度高于其他部位，采用红外热成像装置进行扫描，能够准确显示出裂缝部位。

2、本发明采用弹性导电膜传感器和红外热像技术，能够准确显示出变形、开裂点的准确位置，也能显示出是一个点还是多个点发生了变形、开裂，并获得裂缝走向、大小等信息，为下一步修补工作奠定基础。

3、在红外热成像装置扫描检测后得到热成像图像上，根据选取的裂缝所在区域的最高温度与最低温度的差值，确定裂缝的宽度等信息，为下一步修补工作提供具有决定性作用的参数。

4、由于红外热成像装置在一定距离外对混凝土构件进行扫描，相互之间不接触，受到的干扰更少，能提高测量精度、延长红外热成像装置的使用寿命。

具体实施方式

本发明的弹性导电膜传感器和红外热像测量混凝土裂缝宽度的方法，其特征在于包括如下步骤：

1、将柔性导电涂料固化形成弹性导电膜，或由导电橡胶带制成弹性导电膜，将弹性导电膜敷设在混凝土构件上，在弹性导电膜两端设置导线，形成弹性导电膜传感器；最佳方式是涂敷在混凝土构件表面上；

2、在发现混凝土构件产生裂缝后或者在例行检查时，将弹性导电膜两端的导线连接到电源上，进行通电发热；

3、位于裂缝部位的弹性导电膜由于电阻率增大，产生热量及温度要高于其他部位，利用红外热成像装置在一定距离外对混凝土构件进行扫描检测；

4、根据红外热成像装置扫描检测后得到的热成像图像，选取待测量的裂缝，在弹性导电膜上确定该裂缝所在区域，根据该区域内最高温度与最低温度的温差，确定测量裂缝的宽度。

参见本专利申请人曾经申请了名称为“一种能连续监测受力构件变形、开裂的装置”、专利号为ZL200420034322.X的实用新型专利；柔性导电涂料是一种填加性碳系双组分改性聚酯导电涂料，以有机高分子聚合物作为粘合剂，由粉末状导电材料、助剂等混制而成，具有优异的柔软性、耐热老化性和导电性，实践中，以弹性聚酯类有机高分子聚合物为最佳，粉末状导电材料为碳粉或金属粉。主要性能：导电性好（表面电阻率0.8~1Ω·cm-1）、弹性高（在-40℃以下，断裂延伸率70%）、电热效率高（电热转化率>95%）、耐久性好（可在80℃温度下半永久使用）、防潮性好。

参见本专利申请人曾经申请了名称为“弹性导电膜传感器和红外热像技术对混凝土裂缝进行监测定位的方法”、申请号为200910104789.4的发明专利，将上述柔性导电涂料固化形成弹性导电膜，将弹性导电膜敷设在混凝土构件上，在弹性导电膜两端设置导线，形成弹性导电膜传感器；当弹性导电膜与混凝土构件在受到各种应力作用时，弹性导电膜在受力部位被拉伸，引起弹性导电膜内部的微观结构发生变化，其表现形式之一就是其电阻率随着增大；当混凝土构件产生裂缝后，弹性导电膜的电阻值显著增大。

当发现混凝土构件开裂后或者在例行检查时，将弹性导电膜两端的导线接到外接电源上（选择合适的电压），进行通电发热。利用红外热成像系统（装置）进行裂缝位置的检测；检测原理如下：弹性导电膜传感器在裂缝部位被拉伸，该处电阻率增大（该部位电阻将数倍于其他部位），通电后该部位单位面积功率超过其他部位，发热量大，温度高；更主要的是裂缝部位是直接对裂缝内空气加热，热惯量小，升温远高于未开裂部位。因此利用热红外成像系统观测，温度明显高于背景的部位将是裂缝的位置；根据红外热成像装置扫描检测后得到的热成像图像，选取待测量的裂缝，在弹性导电膜上选取并确定该裂缝所在区域，首先应该在弹性导电膜上选取合适的区域，该区域应该应该将弹性导电膜上形成的该段裂缝包括在内，根据该区域内最高温度与最低温度的温差，确定待测量裂缝的宽度。从热成像图像中测得相关区域的温度，是一种现有技术，在此不作进一步描述。

具体测量时，将测得的裂缝所在区域的温差与裂缝宽度与最大温差关系标定值进行比对，得到裂缝宽度值。裂缝宽度与最大温差关系标定值通过大量实验和数据分析工作获得：裂缝宽度与最大温差关系受到导电膜区域通电功率密度、自然环境温度、通电时间、风速等参数影响，需要开展各种工况的实验测试和结果归纳分析得到，而且可以通过设定不同的修正参数进行修正，以贴近不同工况下的实际测量状况。

实施例：试验过程

1．混凝土板：采用C30混凝土，配2根Ф4的钢丝，浇注混凝土板尺寸为：长×宽×高=70cm×25cm×6cm；

2．按制备要求在同一块块混凝土板表面布设导电膜传感器，导电膜尺寸：30cm×5cm；稳定后的初始电阻分别为162、155欧姆，编号分别为1118A、1118B；

3．在导电膜表面刷涂自制的水泥基装饰涂料，厚度控制在1mm；

4．按要求在结构实验台上将混凝土板压裂至不同的裂缝宽度进行测试。热像仪探测距离100cm左右，实现非接触式测量，一般的测量距离在50cm—180cm；考虑热量平衡时间，应分时进行图象采集。

测试结果如下表

表1：裂缝宽度-区域最大温差关系

    结果分析

可以看出，裂缝宽度与裂缝所在区域（邻近区域）的最大温差具有一定的关联性，在一定范围内大致呈线性关系，可以采用分析裂缝所在区域（邻近区域）的最大温差获得裂缝宽度的概略信息，技术方法可行；

试验结果中当裂缝宽度大于一定程度如试验中的0.4mm，由于导电膜拉伸超过一定限度后该部位电阻率急剧增大，导致裂缝部位导电膜局部温度大幅度增加；

试验结果也表明，在较小的微裂缝状态下难以精确分辨出精确的裂缝宽度，主要原因在于裂缝宽度自身的不均匀性。

Claims (1)

1.利用红外热像和弹性导电膜非接触检测混凝土裂缝宽度的方法，其特征在于包括如下步骤：

（1）将柔性导电涂料固化形成弹性导电膜，或由导电橡胶带制成弹性导电膜，将弹性导电膜敷设在混凝土构件上，在弹性导电膜两端设置导线；

（2）在发现混凝土构件产生裂缝后或者在例行检查时，将弹性导电膜两端的导线连接到电源上，进行通电发热；

（3）利用红外热成像装置对混凝土构件进行扫描检测；

    （4）根据红外热成像装置扫描检测后得到的热成像图像，选取待测量的裂缝，在弹性导电膜上确定该裂缝所在的区域，根据该区域内最高温度与最低温度的温差，确定待测量裂缝的宽度。