高强混凝土高温后的红外热像检测

吴慧萍，杜红秀，成聪慧，阎蕊珍

(太原理工大学 建筑与土木工程学院，山西 太原030024)

高强混凝土在实际建筑工程中具有广泛的应用，然而由于高强混凝土自身结构致密，渗透性低，在火灾作用下容易发生爆裂，会使得构件承载力大幅下降。因此，合理评估火灾后建筑的承载力和安全性，提出经济适用的修复加固方法，对建筑具有重大意义［1-4］。有研究表明，在高强混凝土中掺入适宜长度、直径和数量的聚丙烯纤维，可以提高其抗压强度，而且有利于改善其高温性能［5］。罗素蓉等［6］通过纤维自密实混凝土早期抗裂性能试验结果表明，在自密实混凝土中掺入纤维，将有助于早期抗裂性能的提高。

红外热像是一种新型无损检测方法，它提供了一种检测与评估火灾混凝土的新技术［7-8］。本文采用红外热像技术，检测分析了不同温度作用后的混凝土试块(包括掺纤维和不掺纤维两种类型)的损伤情况，通过研究高温后素混凝土和掺聚丙烯纤维混凝土试块红外热像的变化规律，得到了混凝土试块红外热像平均温升与实际受火温度和抗压强度损失率的关系。

1 红外热像检测原理

实际上，红外热成像是被检测物体表面的温度分布图。图1 所示就是红外系统的成像原理。在高温作用下，混凝土会出现开裂、疏松等破坏。混凝土的导热系数λ、密度ρ、比热容c 等会由于受火温度、受火时间的不同而发生相应的变化，导致被测物体表面温度和发射率不同，从而影响混凝土的红外辐射分布，形成不同的红外热图像［9-11］。通过对这些红外热像图的分析，就可推断混凝土的损伤情况。

图1 红外系统成像原理Fig.1 Principle of imaging infrared system

2 试验方案

2.1 试验原材料

本试验水泥采用P.O52.5 普通硅酸盐水泥;粗骨料为粒径5 ～16 mm 的碎石;细骨料为细度模数2.96、级配良好的豆罗砂;纤维选用长度8 mm、直径25 μm、掺量为1.8 kg/m3的束状单丝聚丙烯纤维，熔点约170 ℃，抗拉强度＞400 MPa，弹性模量＞3.5 GPa，比重0.91［12］;硅灰采用埃肯微硅粉，28d 活性指数119.9%;粉煤灰为磨细粉煤灰Ⅰ级，细度为8.2%，需水量为95%，28 d 活性指数71.1%;粒化高炉矿渣粉采用S95 级矿渣微粉，流动度比为124%，7 d 活性指数82.97%，28 d 活性指数104.16%;减水剂为聚羧酸高效减水剂。

2.2 试件设计

试件采用C80 标准混凝土立方体试块(150 mm×150 mm×150 mm)，共54 块，分不掺纤维和掺纤维两种。将C80 高强混凝土试块标准养护28 d，置室内自然干燥。采用SRJX 型箱式电阻炉加热，加热温度分别为100 ℃、200 ℃、300 ℃、400 ℃、500 ℃、600 ℃、700 ℃和800 ℃8 个等级，并有3 个未加热(20 ℃)的试块作为对比，取出试块在空气中自然冷却。试验共分18 组，每组3 个试件(每个温度等级下加热3 个试块)。

2.3 红外热像检测方法

试验采用TH9100 WV 型红外热像仪摄取不同受热温度下试块的红外热像图。检测时，辐射率设置为0.92。外部加热源为红外线灯泡，与混凝土试块之间的距离为1 m，加热和散热时间都为3 min(常温的拍一张，然后隔30 s 拍一张)。采集图像后，分析处理数据，得出试块平均温升值。

3 试验结果及分析

3.1 红外热像检测结果与分析

掺聚丙烯纤维前后的高强混凝土试块的红外热像如图2、图3 所示。由于受火温度不同及掺加聚丙烯纤维的影响，使试块的破坏程度存在差异，在外部加热条件相同的情况下，混凝土试块的热像图会具有不同的特征。

不掺纤维的混凝土试块在不同温度作用下的红外热像如图2 所示。随着受火温度的升高，图像的颜色逐渐发生变化，由刚开始的绿色变成浅红色，500 ℃以后变成红色甚至发白。对比图2(c)、(d)图和图2(a)、(b)图可以看出，500 ℃、700 ℃高温作用下的热像图，与常温、300 ℃的较低温度作用下的热像图相比，图像温度有了显著提高。这是因为较高的受火温度，会使试块受到更加严重的破坏，会在表面产生更多裂缝(有的甚至贯通整个试块)，在表面这些裂缝薄弱处形成热堆积，因此热像温度升高比较快，并且加热的时间越长，热像图温度升高越快。试块在停止加热后红外图像温度逐渐降低。结果显示，当温度在400 ℃以下时，红外热像图温升较慢，温度在400 ℃以上时，热像图温度有了明显提高。这表明总体上试块的破坏程度随着受火温度的升高越来越严重，而400 ℃以后更加显著。

图2 不掺聚丙烯纤维的高强混凝土的红外热像图Fig.2 Infrared image of high－strength concrete without polypropylene fiber

掺加聚丙烯纤维的高强混凝土试块在不同受火温度下的红外热像如图3 所示。随着受火温度的升高，图像的颜色由刚开始的黄色、浅红色，变成红色甚至发白，这与素混凝土的热像图变化趋势大致相同。图2 和图3 都表明随着受火温度的升高，相应热像图温度也明显升高，试块的破坏程度越来越严重。

图2 和图3 不同的是，由于掺加聚丙烯纤维的影响，对比红外热图像(图2 和图3)可以发现，掺加聚丙烯纤维的混凝土试块的红外热像在300 ℃颜色就变红。在相同试验时刻图3 温度都比图2 高，这是由于混凝土中的纤维在受到高温作用后融化，在纤维融化处留下孔洞、缝隙等缺陷，在这些位置产生热堆积，因此相应试验时刻的热像温度较高。结果表明，混凝土中掺入聚丙烯纤维后，增大了混凝土的含气量，造成混凝土密实度下降［13］，使试块表面缺陷增多。

应用热像仪自带的分析软件计算了每组3 块试块不同受火温度下3 min 的红外热像平均温升值，并用压力试验机测定了抗压强度，然后求出不同试验温度下抗压强度与常温下抗压强度的比值(fcut/fcu)，即抗压强度比(见表1)。

图3 掺聚丙烯纤维高强混凝土的红外热像图Fig.3 Infrared image of high－strength concrete with polypropylene

表1 高强混凝土试块红外热像检测结果Tab.1 Results of high-strength concrete infrared thermal image

由表1 可知，随着受火温度的升高，素混凝土和聚丙烯纤维混凝土的红外热像平均温升基本上处于上升趋势。不掺纤维的试块，在400 ℃以下，热像平均温升变化不大，在400 ℃以上，热像平均温升明显上升。掺纤维的试块，热像平均温升上升较显著。素混凝土和聚丙烯纤维混凝土的抗压强度比基本上处于下降趋势，但200°C 和300°C 时，强度变化不大，且有小幅度回升，这是因为在较低的受火温度下，混凝土中的游离水不断蒸发使水泥粘结更加紧密，起到了类似于蒸汽养护的作用，有利于水泥进一步水化，另外混凝土中凝胶体的低温脱水加强了其与骨料的结合，从而使其强度增加，一定程度上抵消了由于骨料和水泥石—骨料联系的破坏导致的强度损失［14］。

300 ℃以后，混凝土中的C-S-H 凝胶和Ca(OH)2开始脱水，Ca(OH)2会转变为CaO，使Ca(OH)2原来结晶完整的片状结构破坏，产生裂缝。水泥砂浆的收缩和骨料的膨胀产生的裂缝不断增多。500 ℃时，混凝土中的化学组分在高温作用下分解，微结构发生变化，形成大量界面裂缝。C-S-H 凝胶的网状结构开始破坏，使混凝土强度急剧下降，抗压强度下降为原来的50%。600 ℃以后，强度损失率更是达到75%左右，强度损失严重。这是由于水泥中未水化的颗粒和骨料中的石英成分晶体化，骨料发生相变和热分解，混凝土体积产生巨大的膨胀，界面裂缝快速发展［9］。

与素混凝土相比，掺纤维的混凝土试块抗压强度变化不大，但是其高温性能得到了改善。这是因为高温作用下，一旦温度超过聚丙烯纤维的熔点(约170 ℃)时，纤维就会汽化，在混凝土中留下孔道，有利于释放混凝土内由于温度升高产生的水蒸汽和热量，改善了高温性能［15］。

3.2 回归分析

掺聚丙烯纤维前后的高强混凝土经不同的受火温度作用后，建立红外热像平均温升与混凝土受火温度及抗压强度比的关系(图4，图5)，得到回归公式如下:

①红外热像平均温升与混凝土受火温度的关系:

不掺纤维的高强混凝土平均温升与受火温度的关系:

掺纤维的高强混凝土平均温升与受火温度的关系:

②红外热像平均温升与混凝土抗压强度比的关系:

不掺纤维的高强混凝土平均温升与抗压强度比的关系:

掺纤维的高强混凝土平均温升与抗压强度比的关系:

式中:x 为混凝土的红外热像平均温升(℃);y1，y2分别为混凝土的受火温度(℃);fcu1(T)/fcu1、fcu2(T)/fcu2分别为混凝土受火后与未受火的抗压强度比(%);R2为自变量与因变量的相关系数。

图4 高强混凝土(HSC)平均温升与受火温度的关系Fig.4 Relationship of temperature rise and fire temperature of high-strength concrete(HSC)

图5 HSC 平均温升与抗压强度比的关系Fig.5 Relationship of temperature rise and compressive strength of HSC

通过上述分析可知，相关系数R2数值较高，表明高强混凝土的平均热像温升与受火温度回归结果较好。通过检测构件的红外热像平均温升，建立构件表面平均温升与受火温度、抗压强度比之间的回归方程，就可以求得构件实际受火温度，推测其损伤强度，从而鉴定火灾后混凝土的火灾温度、结构损伤程度，有利于及时修复灾后建筑物。

4 结 论

①掺聚丙烯纤维前后的高强混凝土试块在不同温度作用后的红外热像图及抗压强度比的变化规律大体相同，随着受火温度的升高，红外热像温度升高，而抗压强度降低，表明试块损伤趋于严重。

②不掺纤维的高强混凝土试块在受火温度低于400°C 时损伤不严重，热像平均温升上升幅度小，强度稍有下降。受火温度在500°C 以上时，热像温度明显升高，强度大幅下降，试块损伤严重;聚丙烯纤维高强混凝土试块随着受火温度的升高，热像平均温升的上升趋势和抗压强度的下降趋势都比较明显，损伤严重。

③掺聚丙烯纤维的高强混凝土红外热像温度比素混凝土高，表明加入纤维后使试块表面缺陷有所增加。

④迄今，掺纤维的高强混凝土高温损伤的研究成果较少。因此，有必要对纤维混凝土遭受火灾作用的结构损伤开展进一步的研究。通过对红外热像仪摄取的红外热像图分析，建立了掺纤维的高强混凝土热像平均温升与受火温度、抗压强度比的关系分别如下:y2=1261.8x2-7528.9x+11199，fcu2(T)/fcu2=-168.4x2+1043.2x-1517.6，这可用于鉴定混凝土的受火温度及推定损伤程度，便于提出经济适用的修复加固方法。

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