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试验研究 利用时变温度场探测混凝土缺陷 杨锐玲,朱永华,陈思作,蒋寅军 (武汉大学 土木建筑工程学院,武汉 430072) 摘 要:根据有缺陷混凝土试件温度场差异,通过摄影采集混凝土结构洒水后温度和不同时 刻含水量变化等参数的图像,并经图像处理对传统目视检查难以观察到的裂纹进行初步识别。试 验验证该方法是可行的,但仍需进一步研究和完善。 关键词:混凝土;裂纹;温度场;摄影 中图分类号:TG115. 28 文献标识码:A 文章编号:100026656(2003)0820418202 DETECTION OF THE DEFECT IN CONCRETE ACCORDING TO THE VARIATION OF TEMPERATURE FIELD WITH TIME YANG Rui2ling, ZHUYong2hua , CHEN Si2zuo, JIANGYin2jun (School of Civil Engineering , Wuhan University , Wuhan 430072 , China) Abstract : The water content images of the concrete sample sprayed with water in variousperiods were photographed and processed to detect the crack hard to be found by visual examination based on the variation of the temperature field of the sample. Experimental result showed that the method wasfeasible ,yet further research andperfection should be made. Keywords :Concrete; Crack; Temperature field; Photography 混凝土是使用最广泛的一种建筑材料。普通混 凝土是由水泥、 砂、 石和水(有时可掺少量添加剂)按 适当比例配合,经搅拌、 浇灌、 成形和硬化后制成的 人造石材,性能十分复杂。混凝土在硬化过程或后 续使用过程中,由于化学物理反应或基础沉陷、 钢筋 腐蚀以及载荷等作用产生裂缝1。混凝土构筑物 (如桥梁、 隧道、 高架道路、 堤防和挡土墙等)内的裂 纹、 空洞和钢筋锈蚀引起的混凝土内部开裂及风化 等将使混凝土承载能力大幅度下降,容易造成人员 伤亡、 交通中断乃至桥梁倒塌等重大事故,使国家财 产和人民生命安全遭受重大损失。因此,混凝土的 无损检测技术是整个混凝土技术的一项重要内容。 现今国内外无损检测混凝土缺陷的方法有回弹 法、 脉冲回波法、 雷达扫描法、 红外线热图法、 声发射 法和中子散射法1等。以上方法各有优缺点,主要 适用于对可能存在的缺陷进行重点检测。但对于大 收稿日期:2002208227 基金项目:国家自然科学基金资助项目(50178057) 量的混凝土高架公路、 桥梁和堤防等土木构筑物,还 没有好的检测方法。笔者拟在传统的目视检查基础 上对肉眼难于观察的表面微裂纹进行探测,并对裂 纹进行初步识别,在其基础上寻求一种无损、 快速、 低成本、 大范围的普查方法。 1 基本原理 对于肉眼难于观察的裂纹,采用有缺陷混凝土 温度场差异的原理,也就是在日照作用下,有缺陷混 凝土的热传导受缺陷的影响,与没有缺陷的混凝土 的含水量有差异,缺陷阻止了热传导,局部温度上升 较快2,导致表面含水率变化,而表面含水率不同 则光线的反射率不一样,通过摄影摄取表面的含水 量图像及不同时刻表面含水量的变化图像,间接反 映混凝土表面温度场。因表面温度场与内部缺陷直 接相关,因此可以反映混凝土中缺陷状况。为了对 表面不同区域的含水量进行对比,采用洒水方法模 拟改变混凝土表面温度场。 为了把裂纹从背景中分离出来,根据图像的几 814 第25卷第8期 2 0 0 3年8月 无损检测 NDT Vol. 25 No. 8 Aug . 2 0 0 3 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 标准分享网 w w w .b z f x w .c o m 何结构特性进行统计和拓朴特征的提取,由于裂缝 和其余部分(背景)占据不同灰度级范围,选取一个 适当的灰度级门限,再将每个像素灰度与它进行比 较把背景表示成最亮的图像。灰度级门限化分割方 法的关键在于门限值的选择3。 2 试验分析及裂纹识别 2. 1 试验现象及分析 试验对象是一块有微裂纹的预制混凝土板,长 1 500mm ,宽460mm ,厚115mm ,裂纹深度为1 10 - 3mm。在干燥的环境温度 (28 )下将混凝土板 在日光下放置一段时间,使其表面温度趋于稳定,仔 细观察表面状态,有微裂纹隐现(图1) ,均匀喷洒一 薄层水,沿裂纹长度方向周围的水挥发速度明显高 于较远处,1min以后,水分完全蒸发,出现干燥区 域,距裂纹较远处仍有少量水分,整个裂纹区因透水 呈现一条深色的湿痕,不易察觉的裂纹变得非常明 显(图2) ,反复试验,结果始终相同。这说明裂纹的 存在干扰了构件的温度场,裂纹区域温度上升较快。 2. 2 裂纹识别 利用裂纹区的连续性和其它区域灰度等级的差 图1 图2 图3 异,使用双门限,对去除小区域后的骨架图像进行修 剪得到图3所示图像。在一定的试验基础上排除其 它干扰因素,初步提取了裂纹特征值,在摄取图像的 同时加入标尺,对裂纹和标尺单位长度所占像素值 进行比较,可以近似计算裂纹的宽度。试验结果与 测量值较吻合2 ,4。 3 结语 (1)利用人工智能图像识别技术自动快速识别 混凝土缺陷方法的研究已经取得一定成效。该方法 采用数码摄像机,价格不高,分辨力和精度很高,设 备重量轻、 体积小,便于野外作业。 (2)通过洒水人为制造时变表面温度场的方法 经试验验证是可行的。为进一步应用红外线摄像仪 摄取的温度场进行计算机分析,形成数字温度场和 温度差场,找出有开裂空洞、 钢筋锈蚀和混凝土剥离 的特征温度场和温度差场,以快速、 大范围查找劣化 混凝土提供了可靠的依据。 (3)计算机自动识别混凝土缺陷还在起步阶 段,许多思想还不成熟,需要大量的实践积累。如何 实现自动化、 高精度、 大批量、 短周期、 低消耗的混凝 土裂缝探测还需进一步研究。 参考文献: 1 侯宝隆,蒋之峰编译.混凝土的非破损检测M.北京: 地震出版社,1992. 2 范治新.工程传热原理 M.北京:化学工业出版社, 1982. 3 王晓丹,吴崇明.基于MATLAB的系统分析与设计 图像处理M.西安:西安电子科技大学出版社, 2000. 4 张兆礼,赵春晖,梅晓丹.现代图像处理技术及Matlab 实现M.北京:人民邮电出版社,2001. 914 杨锐玲等:利用时变温度场探测混凝土缺陷 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 标准分享网 w w w .b z f x w .c o m