CN111337537A - 基于热激励试剂的混凝土微裂缝遥控检查装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于热激励试剂的混凝土微裂缝遥控检查装置和方法，向带有微裂缝的混凝土表面先后喷洒高于气温的NaAlO2溶液及NaHCO3溶液，这两种溶液在混凝土表面发生复分解反应，并能长时间稳定地产热，使得微裂缝与周边混凝土能够产生持久明显的温差，并通过红外热像仪将微裂缝与其周围混凝土的温差以热像图的形式展现出来。本发明的方法能在微裂缝处长时间稳定地反应放热，使得微裂缝与周边混凝土产生了显著而持久的温度差异，进而使得微裂缝在热像图上清晰且长久地呈现出来。
Description
技术领域
本发明属于混凝土微裂缝检测技术领域，具体涉及基于热激励试剂的混凝土微裂缝遥控检查装置和方法。
背景技术
混凝土裂缝是混凝土结构最主要的病害，裂缝检测的前提是发现裂缝，而发现裂缝目前最常用的还是人工巡查法，主要是通过人的视力来发现裂缝。但是对于人员难以到达的位置，比如高耸的桥塔、拱坝上游面等，裂缝检查还十分困难，目前常用的还是传统的搭设脚手架法、吊绳法，桥梁上用桥检车法，这些方法均存在工作量大、时间长和费用高的缺点。也有采用高清摄像机搭载无人机检查裂缝的方法，但利用这种方法来发现张口宽度较小的裂缝比较困难。CN109781740A公开了一种无人机搭载红外热像仪及喷水泵(包含储水桶及喷嘴)的微裂缝遥控检查装置和方法，该方法是通过机载喷水泵向待检查混凝土表面喷洒热水，利用微裂缝强烈的毛细吸水效应，实现针对微裂缝的选择性热激励，再通过机载红外热像仪拍摄混凝土表面的热像图来发现微裂缝，取得了较好的效果。但是该方法存在一个明显的不足，就是激励形成的微裂缝与其周边混凝土的温差较小、持续时间较短，用机载红外热像仪捕捉起来比较困难。
发明内容
针对上述利用机载红外热像仪遥测混凝土微裂缝技术中存在的热激励温差较小及持续时间短的缺点，本发明设计适用于混凝土微裂缝检查的选择性热激励试剂，提供了一种基于热激励试剂的混凝土微裂缝遥控检查装置和方法。
为实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于热激励试剂的混凝土微裂缝遥控检查方法，步骤如下：
(1)将喷水泵A和喷水泵B搭载于安装有红外热像仪的无人机平台上；所述喷水泵A盛放NaAlO2溶液，喷水泵B盛放NaHCO3溶液；
(2)控制无人机沿检查路线飞行，喷水泵A喷嘴向待检查混凝土表面喷洒NaAlO2溶液，达到设定喷洒时间或无人机到达检查路线终点后，停止喷液；无人机返回至初始喷洒位置；
(3)经过T1时间后，无人机携带喷水泵B沿喷洒NaAlO2溶液的路线喷洒NaHCO3溶液，达到设定喷洒时间或无人机到达检查路线终点后，停止喷液；无人机返回检查路线起点；
(4)经过T2时间后，调整红外热像仪与待检查混凝土表面的距离，控制无人机沿着步骤(3)的路线飞行拍摄待检混凝土表面的热像图。
作为本发明的进一步改进，所述NaAlO2溶液质量分数为5％—25％，优选8％—10％；所述NaHCO3溶液质量分数为3％—8％，优选6％—8％。当使用的NaHCO3溶液与NaAlO2溶液浓度过低时，二者在裂纹空腔内发生轻微反应，此时裂纹空腔内产生的热量与混凝土表面产生的热量相差不大，而且裂纹处热量会快速发生横向热扩散，热激励效果不明显；当使用的NaHCO3溶液与NaAlO2溶液浓度过高时，二者会在混凝土表面反应产热较多，弱化了裂纹与周边混凝土的温差，热激励效果仍旧不明显；NaHCO3溶液与NaAlO2溶液在合适的浓度范围内反应，裂纹空腔内会放出较多热量，并且能长时间与混凝土表面产生较大的温差，热激励效果明显。
作为本发明的进一步改进，所述NaAlO2溶液温度高于气温5—30℃，优选10—20℃；所述NaHCO3溶液温度高于气温5—30℃，优选10—20℃。
作为本发明的进一步改进，所述步骤(2)、(3)中，喷嘴方向应该位于混凝土表面的垂直平面内，并与混凝土表面呈30—60°的夹角。如果喷嘴垂直于混凝土表面，则大量的试剂都因反弹损失，为节约试剂用量，限制喷嘴和混凝土表面的角度在60°以下。同时，为确保试剂能喷到混凝土表面，需根据喷水泵的选型确定下限角度，一般为30°。
作为本发明的进一步改进，所述步骤(2)、(3)中，喷嘴在水平方向喷洒试剂时，最大喷液距离不小于2.0m。
作为本发明的进一步改进，所述步骤(2)、(3)中，无人机飞行速度和喷液流量的控制标准为：通过红外热像仪镜头观察，混凝土表面刚好出现液体流动的迹象。
作为本发明的进一步改进，所述步骤(3)中，所述T1时间定义标准为：通过红外热像仪镜头观察，混凝土表面的液体刚好消失。
作为本发明的进一步改进，所述步骤(4)中，所述T2时间间隔为1—5min，优选90s—3min。
作为本发明的进一步改进，所述步骤(4)中，调整热像仪的镜头的方向，使其位于混凝土表面的垂直平面内，并垂直于混凝土表面。
作为本发明的进一步改进，所述步骤(4)中，无人机在红外热像仪拍摄阶段的飞行速度、姿态和喷洒试剂时相同。
作为本发明的进一步改进，所述喷水泵A和喷水泵B型号与规格相同，且具有保温功能。
作为本发明的进一步改进，在一次检查路线完成拍摄后，重复步骤(2)、(3)、(4)，继续开展后续检查。
本发明所述的方法中，在巡检前预先设定热像仪拍摄距离及喷液距离与时长；所指的预定喷液距离基于被测混凝土结构情况以及喷水泵的能力合理设定，同时喷液距离会影响喷液的均匀性，喷液的均匀性明显影响温差激励的效果，为了保证喷液的均匀性，喷液距离的误差一般控制在±20cm以内。
本发明中判断裂缝存在的标准是：通过红外热像仪镜头观察，热像图中出现温度条带，条带温度明显高于两侧混凝土的温度，则判断该条带处存在裂缝。
本发明的另一目的在于提供上述方法使用的装置，所述装置包括地面遥控台、无人机和设置于无人机搭载平台上的红外热像仪、喷水泵A和喷水泵B；所述喷水泵A盛放NaAlO2溶液，喷水泵B盛放NaHCO3溶液。
本发明中通过先后两次喷洒热激励试剂实现温差激励的技术原理是：向带有微裂缝的混凝土表面先后喷洒高于气温的NaAlO2溶液及NaHCO3溶液，溶液温度要明显区别于混凝土表面温度。这两种溶液会在混凝土表面发生复分解反应，并能长时间稳定地产热，化学反应方程式为：NaAlO2+NaHCO3+H2O＝Na2CO3+Al(OH)3↓。微裂缝与周边混凝土能够产生持久明显的温差包括如下两个原因：1)首先用NaAlO2溶液激励混凝土表面，一部分NaAlO2溶液附着在混凝土表面上，另一部分会在微裂缝的毛细吸水作用下进入微裂缝空腔内，相较于微裂缝空腔内储存的NaAlO2溶液，暴露在外表面的NaAlO2溶液因为与空气中的CO2等酸性气体接触并反应而碱性受到弱化；经过合适的时间间隔，再用NaHCO3溶液激励时，一部分NaHCO3溶液与表面上残留的NaAlO2发生反应，一部分NaHCO3溶液进入微裂缝空腔内与NaAlO2溶液发生反应，因为此时微裂缝空腔的NaAlO2溶液碱性更强，因而NaHCO3溶液与NaAlO2溶液反应更加剧烈，放出热量相对会更多。2)基于混凝土微裂缝具有强烈的毛细吸水能力，NaAlO2溶液和NaHCO3溶液在微裂缝处储存量相对更多，相较于微裂缝周围的混凝土，它们在微裂缝处反应产热也会更多。因此，微裂缝与周围混凝土能够产生明显的温度差异。红外热像仪可以拍摄混凝土表面的温度场，目前红外热像仪的温度分辨率可以精确到0.02℃，红外热像仪能将微裂缝与其周围混凝土的温差以热像图的形式展现出来。
本发明的有益效果：通过向混凝土表面先后两次喷洒温度高于气温的NaAlO2溶液及NaHCO3溶液的热激励方式，能在微裂缝处长时间稳定地反应放热，使得微裂缝与周边混凝土产生了显著而持久的温度差异，进而使得微裂缝在热像图上清晰且长久地呈现出来。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述。
图1为本发明装置示意图。
图2为典型的混凝土微裂缝热像图；(a)、(b)、(c)、(d)分别为在喷洒完NaHCO3溶液后第0s、第60s、第90s、第150s拍摄的局部混凝土微裂缝热像图。
图中：1、无人机；2、红外热像仪；3、喷水泵A；4、喷水泵B；5、地面遥控台；6、混凝土梁；7、裂缝。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下文将结合较佳的实施例对本发明作更全面、更细致的描述，但本发明的保护范围并不限于以下具体的实施例。
基于热激励试剂的混凝土微裂缝遥控检查方法，包括如下步骤：
步骤一，制备NaAlO2和NaHCO3溶液；
1.分别称量100g NaAlO2粉末、80g NaHCO3粉末和2000mL蒸馏水；
2.将蒸馏水加热至40℃(测得当时气温为20℃)，量取900mL蒸馏水至烧杯A，量取920mL蒸馏水至烧杯B；
3.将NaAlO2粉末倒入烧杯A中，搅拌均匀，然后将NaAlO2溶液倒入喷水泵A中；将NaHCO3粉末倒入烧杯B中，搅拌均匀，然后将NaHCO3溶液倒入喷水泵B中。
步骤二，巡检；
1.检查准备
(1)检查任务是检查某试验大厅的一根混凝土梁是否含有微裂缝。该混凝土梁6长度为20m，距离地面高度7m。将喷水泵A3与喷水泵B4均搭载于无人机1上；根据检查任务要求，设定无人机1巡检路线为从梁6左端向梁6右端巡检；设定喷液角度为45°，喷液距离为3.0m，一次喷液时长为1min；设定拍摄距离2.0m。
(2)遥控无人机1起飞，飞行到梁6左端且与梁6轴线等高处，并距离混凝土梁6表面2m，悬停。
2.喷液激励
(1)遥控喷嘴方向，使之位于混凝土梁6表面的垂直平面内，并与混凝土梁6表面呈45°的夹角；遥控红外热像仪2的镜头方向，使之位于混凝土梁6表面的垂直平面内，并垂直于混凝土梁6表面。
(2)遥控无人机1沿着检查路线缓慢飞行，保持喷嘴距离待检查混凝土表面3.0m(误差控制在±20cm以内)，同时遥控喷水泵A3向混凝土表面喷洒NaAlO2溶液，喷液时红外热像仪2的镜头保持开启状态，通过镜头观察混凝土梁6表面，遥控飞行速度和喷液流量，控制标准是：通过红外热像仪2的镜头观察，混凝土梁6表面刚好出现液体流动的迹象。
(3)1min后到达喷液停止时间，则停止喷液，控制无人机1飞到此次开始喷液的位置，悬停。
(4)通过红外热像仪2的镜头观察，混凝土梁6表面液体刚好消失的时候，遥控无人机1沿着喷洒NaAlO2溶液的路线飞行，飞行的速度和姿态与喷洒NaAlO2溶液时相同，同时遥控喷水泵B4向混凝土表面喷洒NaHCO3溶液，喷液时红外热像仪2的镜头保持开启状态，通过镜头观察混凝土梁表面，遥控飞行速度和喷液流量，控制标准是：通过红外热像仪2的镜头观察，混凝土梁6表面刚好出现液体流动的迹象。
3.拍摄
经过40s后，控制无人机1沿着喷液时的路线飞行，飞行的速度和姿态与喷液时相同，保持热像仪2镜头距离待检查混凝土表面2.0m(误差控制在±20cm以内)；同时采用红外热像仪2拍摄混凝土表面的热像图，直到喷液结束的位置。在拍摄时，确保被检查混凝土表面的任一位置从喷洒NaHCO3溶液到开始被拍摄的时间间隔在5min以内。
4.根据检查路线，继续开展后续检查；重复步骤2和3两次，完成了混凝土梁6表面的裂缝检查任务。
图2为混凝土梁6表面局部检测结果，通过红外热像仪2镜头观察，热像图中出现明显的温度条带，条带温度明显高于条带两侧混凝土的温度，判断该条带处存在裂缝。
本实施例中：所述红外热像仪2的温度灵敏度为0.06℃。
上述应用方法中使用的遥控检查混凝土微裂缝的装置结构如图1所示，包括地面遥控台5、无人机1和搭载于无人机1平台上的红外热像仪2和喷水泵3、4。
所述地面遥控台5接收无人机1的飞行状态信息及红外热像仪2的成像信息，控制无人机1、红外热像仪2及喷水泵3、4的启停；所述红外热像仪2用于拍摄热像图；所述喷水泵3、4用于储存、保温及喷洒热激励试剂。
本实施例中：所述无人机1可携带外载重量为6kg，所述喷水泵A3、B4的总质量为3kg(含NaAlO2溶液及NaHCO3溶液的重量2kg)，所述喷水泵A3、B4最大容量均为2.5L，并设有保温层，喷水泵3、4顶部设有5个Φ0.5mm通气孔，可保证喷水泵3、4内外气压平衡，并防止飞行过程中喷水泵3、4内的试剂外溅。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或等同代换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (10)
1.一种基于热激励试剂的混凝土微裂缝遥控检查方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)将喷水泵A和喷水泵B搭载于安装有红外热像仪的无人机平台上；所述喷水泵A盛放NaAlO2溶液，喷水泵B盛放NaHCO3溶液；
(2)控制无人机沿检查路线飞行，喷水泵A喷嘴向待检查混凝土表面喷洒NaAlO2溶液，达到设定喷洒时间或无人机到达检查路线终点后，停止喷液；无人机返回至初始喷洒位置；
(3)经过T1时间后，无人机携带喷水泵B沿喷洒NaAlO2溶液的路线喷洒NaHCO3溶液，达到设定喷洒时间或无人机到达检查路线终点后，停止喷液；无人机返回检查路线起点；
(4)经过T2时间后，调整红外热像仪与待检查混凝土表面的距离，控制无人机沿着步骤(3)的路线飞行拍摄待检混凝土表面的热像图。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述NaAlO2溶液质量分数为5％—25％；所述NaHCO3溶液质量分数为3％—8％。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述NaAlO2溶液温度高于气温5—30℃；所述NaHCO3溶液温度高于气温5—30℃。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(2)、(3)中，调整喷水泵喷嘴方向，使其位于待检查混凝土表面的垂直平面内，与混凝土表面呈30—60°夹角。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述喷嘴在水平方向喷洒试剂时，最大喷液距离不小于2.0m。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(2)、(3)中，飞行速度和喷液流量的控制标准是：通过红外热像仪镜头观察，混凝土表面刚好出现液体流动的迹象。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述T1时间定义标准为：通过红外热像仪镜头观察，混凝土表面的液体刚好消失。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述T2时间间隔为1—5min。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(4)中，调整红外热像仪的镜头的方向，使其位于混凝土表面的垂直平面内，并垂直于混凝土表面。
10.权利要求1～9任一项所述方法使用的装置，包括地面遥控台、无人机和设置于无人机搭载平台上的红外热像仪，其特征在于，无人机搭载平台还设有喷水泵A和喷水泵B；所述喷水泵A盛放NaAlO2溶液，喷水泵B盛放NaHCO3溶液。
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