采用熱成像技術監測混凝土強度

1 熱成像技術監測混凝土強度的基礎知識

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

這是水泥與水之間產生水化反應的結果。引起強度增長的是熱量的釋放：只需要一小點能量（熱量），便能使化學反應發生，而化學反應會產生更多的熱量。溫度越高，反應速度越快。對一種給定的混凝土混合料，溫度是最重要的變量。

發生水化反應的數量，是可能發生總的反應的一部分，這可以用一個所謂“水化度”（從 0 到 1 ）的參數加以量化。對處于不同的恒定溫度中養護的混凝土，繪出水化速率與水化度的關系曲線，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

圖 1 表示養護溫度每增加 10 ℃，水化速率會成倍增加。水化度達到 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，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，包括抗壓強度、抗拉強度、剛度、收縮和蠕變，與水化度（而不是與齡期）有更好的相關性，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。

已經發現，混凝土的抗壓強度與水化度之間存在線性關系，這種關系從倫敦地鐵邦德街車站新建工程試驗中表現出來（圖 2）。

圖2 抗壓強度（fc）與水化度的線性關系

每一種混凝土配合比具有唯一的線性關系。一般來說，強度較大的混凝土具有較陡的坡度。線性關系只適用于早期，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% 的水泥水化反應是初始最起碼的基本反應，促成強度增長的則是在此以后的水化反應。

水化速率可利用 Arrhenius 公式求得：

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

標準化的親和度表現在圖1仿擬的曲線形狀上。它被認為是混凝土混合料的明顯特征，它是水化度的函數，可以方便地描述各個階段發生的水化反應。當標準化的親和度值高時，表明易于產生反應，當此值低時，表明不易產生反應。標準化的親和度與溫度無關。

圖 3 中展示摻加速凝劑的噴混凝土混合料的標準化親和度曲線，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，速凝劑促使標準化親和度達到很高的初始值，使反應很快發生。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引起的較長的“鼓包”，大部分強度的獲得是在這里發生的。

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

活化能可以視為發生每一個反應所需的小能量，它是一個常數，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）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，只要已知當前的水化度和當前的溫度，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 強度試驗和監測

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

在歐洲，噴混凝土早期強度的試驗主要利用檢測探針和射釘槍完成。在英國，由于擔心鄰近掌子面的噴混凝土崩塌或地層塌方對操作者構成危險，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行的。事實上，當檢測試驗板上的噴混凝土強度時，由于試驗板上的噴混凝土相對于襯砌經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度。對于普通混凝土也有同樣的問題。當測試養護在水溫 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，有可能導致對混凝土強度的過高估計；在溫暖天氣，如果進行大體積混凝土灌注，在現場能了解到混凝土的真實強度，則施工進度可以加快。

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 根據熱成像儀測得的不同溫度歷程計算噴混凝土強度

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 是根據熱成像儀記錄的溫度歷程計算噴混凝土強度的增長，較低的溫度是由地下水流動造成的。未必能預料到不同斷面同時噴射的試驗板上的噴混凝土強度會有如此大的差別，10 h 齡期強度差別 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生變化。最早期可能經歷明顯的緩凝，但當設備和混凝土已經升溫，這時試驗板上的噴混凝土就與當初試驗板上的混凝土有所不同了。

3 熱成像強度測試技術的應用

熱成像強度測試技術的實質是，應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行試驗得到的標準化的親和度和活化能，利用時間步長法計算水化度。

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

圖7 標定中的噴混凝土試驗板上的數字顯示和熱成像

利用熱成像技術得到的水化度，對強度測試結果進行標定。圖 2 是一個呈線性關系的標定實例。采用軟件中的溫度歷程，可以得到實時強度。

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

當前，研發工作集中在將熱成像技術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、齡期和抗壓強度接近實時的三維圖像。

軟件能脫機工作，當聯機時與服務器數據庫同步，使任何地方都能看到數據。它能追蹤哪個用戶輸入什么數據，不會永久刪除任何內容，進行任何編輯或刪除錯誤很方便。

迄今為止在現場獲得的經驗指出，應用熱成像技術，迅捷而直觀，工程師們在使用這項技術時不會發生困難。培訓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、效率和質量。

4 結論

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

大多數現場強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測。采用熱成像技術監測噴混凝土襯砌的早期強度有助于更好決策。如果實際強度低于規定值，可以及早采取措施避免災難。如果強度高于規定值，那么施工可以繼續進行，不必擔心安全問題。

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