基于熱效應的涉水混凝土工程裂縫監(jiān)測方法

陳 江，熊 杰，李宇馳，熊 峰*

(1.四川大學 災變力學與工程防災四川省重點實驗室，四川 成都 610065；2.四川大學 深地科學與工程教育部重點實驗室，四川 成都 610065；3.四川大學 建筑與環(huán)境學院，四川 成都 610065)

中國正處于基礎設施建設的大力發(fā)展階段，跨江跨海大橋、港口碼頭、大壩、海洋平臺等涉水工程在不斷興建，水下空間的開發(fā)利用也是未來緩解城市空間壓力的重要舉措[1]。水下混凝土工程服役環(huán)境惡劣，其建設和運營過程中的安全問題尤其突出。裂縫是混凝土最常見的缺陷，對于水下混凝土工程，裂縫不僅降低結構承載能力、剛度和耐久性，還可能導致漏水、增加鋼筋銹蝕風險，其危害更加嚴重。尤其是處于海洋環(huán)境的鋼筋混凝土結構，混凝土保護層開裂會使氯離子的侵入更容易，從而加速局部堿度損失，導致嚴重的鋼筋腐蝕[2]。鋼筋腐蝕又會加劇裂縫的發(fā)展，從而形成一個不可逆的惡性循環(huán)[3]。準確、及時地監(jiān)測裂縫的發(fā)生發(fā)展過程，對保障涉水工程安全、防止事故具有重要意義。

長期以來，水下混凝土結構裂縫檢測主要憑借潛水員依靠雙手的觸感和清水中的視覺進行辨別。20世紀80年代以來，相繼出現(xiàn)了一系列先進的水下無損探測設備，如：水下攝像監(jiān)視機[4]、超聲儀[5]、圖像聲納系統(tǒng)[6]等，但這些檢測技術大多仍需要潛水員進行水下作業(yè)。水下環(huán)境復雜多變，對潛水員的生命安全有較大威脅，另外，潛水員作業(yè)時間短，難以開展長時間大面積檢測任務，且潛水員下潛深度一般不宜超過50 m，難以完成深水檢測任務[7–8]。隨著人工智能、自動化技術的發(fā)展，各類水下機器人逐漸取代潛水員實施各種水下作業(yè)。水下機器人主要有兩類：一類是有纜水下機器人，習慣上把它稱為水下遙控運載體（remotely operated vehicle，ROV）[8–9]；另一類是無纜水下機器人，習慣上把它稱為水下自主式無人運載體（autonomous underwater vehicle，AUV）[10–11]。在水下機器人上裝載封閉式水下光學相機或聲納系統(tǒng)對水下結構進行拍照或聲納掃描，利用深度學習算法通過計算機對圖像進行處理、分析和理解[12]，進而識別裂縫的方法在水下結構中得到廣泛研究和應用。但是，當檢測范圍大且裂縫位置未知時，這種檢測技術耗時較長，效率較低。同時，這種檢測技術容易受到水生植物和水生動物的干擾。在流速較大、水質(zhì)渾濁等惡劣水下環(huán)境中，這類檢測技術也難以實施。

提前做好裂縫監(jiān)測規(guī)劃，在工程施工階段將監(jiān)測設施預埋在混凝土內(nèi)部是一種較為保險的方案。裂縫計是工程上常用的預埋式裂縫監(jiān)測儀器[13]，以電阻式為主，這類監(jiān)測手段歷史悠久，工程經(jīng)驗積累較多，且被相應規(guī)范所認可，今后一定時期內(nèi)仍將持續(xù)發(fā)揮作用。隨著智能材料的發(fā)展，形狀記憶合金[14]、光纖光柵[15]、壓電陶瓷[16]等新材料在裂縫傳感器研制方面也得到廣泛研究。這類埋入式傳感器一般只在關鍵部位布點，測點覆蓋范圍較窄，容易漏判；且傳感器埋入混凝土內(nèi)部，與混凝土緊密黏結，一旦損壞，無法更換，難以滿足工程長期監(jiān)測需求。

針對水下混凝土結構裂縫監(jiān)測的技術難題，尋求新的監(jiān)測途徑勢在必行。正如醫(yī)學上將體溫作為人體健康狀態(tài)的重要指標一樣，溫度也可以反映結構物的健康狀態(tài)。溫度示蹤法就是利用待測物理量與溫度的耦合作用效應，根據(jù)待測物理量與溫度的轉(zhuǎn)換關系，通過可靠且費用較低的溫度測量技術實現(xiàn)待測物理量的間接監(jiān)測，該方法已在隧道火災[17]、輸油管線泄漏[18]、土體含水率[19]和滲流[20]、樁基完整性[21]等工程領域得到廣泛研究和應用。事實上，水下混凝土工程處于流固耦合作用的特殊環(huán)境，熱效應耦合作用是流固耦合作用的表現(xiàn)形式之一，本文利用這種耦合作用，提出了涉水混凝土工程裂縫監(jiān)測的溫度示蹤法，設計了3種水下混凝土結構裂縫監(jiān)測方案，通過模型試驗驗證了該方法用于涉水混凝土工程裂縫監(jiān)測的可行性。

1 監(jiān)測原理與方案

熱量的傳遞方式包括熱傳導、熱對流和熱輻射。對于大多數(shù)傳熱問題，熱輻射所占的比例較小，可忽略。對于混凝土這種孔隙率較小，內(nèi)部無流體流動的相對密實介質(zhì)，熱量主要通過熱傳導的方式散失。根據(jù)熱傳導理論，單位時間從高溫物體向低溫物體傳遞的熱量可表示為：

式中，qh為熱流向量，λ為材料的熱傳導系數(shù)，T為溫度，L為向量算子，D為熱傳導矩陣，其中，L和D的計算式為：

式中，Kx、Ky和Kz為3個方向的熱傳導系數(shù)。

當裂縫中有流體流動時，縫隙中的水流將產(chǎn)生對流傳熱效應，其熱流密度可表示為：

為了使裂縫周圍介質(zhì)的熱力學參數(shù)或傳熱邊界條件發(fā)生變化，采用溫度示蹤法監(jiān)測水下混凝土結構裂縫。水下混凝土結構開裂后，水滲入到裂縫中，從而使開裂部位的熱力學參數(shù)發(fā)生變化，同時，在裂縫界面形成新的換熱邊界。但是，這種變化很微弱，除非裂縫很寬。為了提升開裂前后開裂部位熱工性能的差異，提出3種監(jiān)測方案如圖1所示。

圖1 水下混凝土結構裂縫監(jiān)測方案Fig. 1 Crack monitoring scheme for underwater concrete structures

圖1中，3種方案都采用耐熱聚乙烯（PE–RT）或聚四氟乙烯（PTFE）材料做監(jiān)測管。方案1中，套管采用脆性多孔材料，如微孔陶瓷管，當裂縫延伸至套管，由于多孔套管的毛細吸力，外界的水可沿裂縫面滲入填充套管孔隙，使套管的含水率增大，從而導致套管的熱傳導系數(shù)增大。方案2中：采用脆性致密材料做套管，套管的內(nèi)徑需比監(jiān)測管外徑大，使套管與監(jiān)測管間有一定間隙形成空腔，用柔性密封膠封堵套管兩端；開裂前，監(jiān)測管–套管組件的空腔中為空氣；開裂后，外界的水滲入空腔，使開裂部位周圍介質(zhì)發(fā)生改變，也即使熱傳導系數(shù)增大。由式（1）可知，熱源周圍介質(zhì)的熱傳導系數(shù)增大會使熱量傳遞速度快，從而增大熱源降溫速度，因此，開裂部位對應的熱源降溫速度明顯比未開裂部位快，根據(jù)這一現(xiàn)象就可確定開裂信息。方案3中：灌水管與監(jiān)測管并排布置，灌水管同樣采用脆性致密材料；當某處產(chǎn)生裂縫時，外界的水將滲入灌水管，因此，當發(fā)現(xiàn)灌水管中有水時，即預示該條監(jiān)測線路上有裂縫；此時，可將灌水管與恒水位水箱相連，由于水壓差，灌水管中的水將通過裂縫流入外界，從而在裂縫界面產(chǎn)生對流傳熱效應，裂縫附近熱源的降溫速度將明顯變快，根據(jù)這一現(xiàn)象即可確定開裂信息。

陳江等[20]定義了反映降溫速度的判別指標ξv，如式（5）所示：

式中，T0為降溫初始溫度，Tθ為環(huán)境溫度。

選取ln(T–Tθ)時程曲線中線性度較好的時段進行線性擬合，擬合直線的斜率即為ξv。利用t1～tn時段測試的溫度計算ξv：

式中，Ti為ti時刻的溫度。

2 試 驗

2.1 試件

測試試件采用鋼筋混凝土梁，試件截面尺寸為150 mm×150 mm，長550 mm，按圖1所示的監(jiān)測方案分別在混凝土內(nèi)部預埋監(jiān)測管–套管組件或監(jiān)測管–灌水管組件，如圖2所示。圖2中，監(jiān)測管選用耐熱聚乙烯（PE–RT）管，其外徑和壁厚分別為20和2 mm。方案1中，微孔陶瓷管的內(nèi)徑為20 mm，外徑為40 mm，長為100 mm，其微孔尺寸為70 μm，孔隙率為0.35；方案2中，陶瓷管的內(nèi)徑為25 mm，外徑為35 mm，長為200 mm；方案3中，灌水管采用外徑為18 mm，壁厚為2 mm的陶瓷管。

圖2 試件制作Fig. 2 Specimen fabrication

2.2 測試裝置

采用陶瓷加熱管模擬圖1中的點熱源，采用光纖光柵溫度傳感器測量點熱源的溫度時程響應，采用導熱膠把光纖光柵溫度傳感器與陶瓷加熱管集成于一體，其結構如圖3所示。

圖3 傳感加熱單元結構示意圖Fig. 3 Sketch map of sensing-heating element

圖3中，采用外徑4 mm，長60 mm的銅管封裝光纖光柵溫度傳感器；陶瓷加熱管的外徑、內(nèi)徑和長度分別為12、8和12 mm。為了減小傳感加熱單元與監(jiān)測管內(nèi)壁的間隙，用1根外徑15 mm，壁厚1 mm的銅管套在陶瓷加熱管外。采用聚華公司生產(chǎn)的JH–FBG–C1型解調(diào)儀測試光纖光柵溫度傳感器的波長，其波長測試范圍為1 528～1 568 nm，采樣頻率最高可達1 000 Hz，波長分辨率為0.1 pm，波長測量精度為±0.5 pm，動態(tài)范圍大于25 dB。

2.3 試驗結果

2.3.1 方案1

設環(huán)境溫度下光纖光柵溫度傳感器的中心波長為λθ，由于光纖光柵的波長λ與溫度呈線性關系，因此，ln(λ–λθ)時程曲線的特征與ln(T–Tθ)時程曲線相似。開裂前后測點的ln(λ–λθ)時程曲線如圖4所示。由圖4可以看出：ln(λ–λθ)時程曲線的斜率均具有前期較大，后期較小的特征，這主要是由于前期溫度梯度大，散熱快所致。由于混凝土的孔隙率較小，幾乎不滲水，監(jiān)測管周圍介質(zhì)的熱力學參數(shù)在浸水前后基本相同。因此，當混凝土未開裂時，是否浸水對熱源降溫規(guī)律幾乎沒有影響，ln(λ–λθ)時程曲線基本一致。當混凝土開裂后，由于微孔陶瓷管的吸水作用，裂縫面浸水導致監(jiān)測管周圍介質(zhì)的熱力學參數(shù)改變幅度較大，開裂前后，ln(λ–λθ)時程曲線有較明顯的區(qū)別。選取20～200 s 時段的波長監(jiān)測數(shù)據(jù)，計算3種狀態(tài)對應的降溫速度判別指標分別為–7.806×10–3、–7.972×10–3和–10.268×10–3，可見開裂后測點降溫速度判別指標的絕對值明顯增大。根據(jù)這一異?，F(xiàn)象可進行開裂部位的識別，但這種方案難于識別裂縫寬度。

圖4 ln(λ–λθ)時程曲線對比（方案1）Fig. 4 Comparison of the time-history curves of ln(λ–λθ)with scheme 1

2.3.2 方案2

圖5 方案2試驗裝置Fig. 5 Sketch map of test setup for the second scheme

當試件在靜水中時，不同裂縫寬度w對應的測點降溫階段的ln(λ–λθ)時程曲線如圖6所示。由圖6可以看出，測點A和測點B的ln(λ–λθ)時程曲線開裂后與開裂前相比存在明顯變化，但不同裂縫寬度對應的ln(λ–λθ)時程曲線差異較小。

圖6 靜水中l(wèi)n(λ?λθ)時程曲線對比（方案2）Fig. 6 Comparison of the time-history curves of ln(λ?λθ) in still water with monitoring scheme 2

取t1= 0，tn= 80 s，采用式（6）計算靜水環(huán)境中不同裂縫寬度對應的ln(λ–λθ)時程曲線的初始斜率ξi，見表1。

表1 靜水中 ξi的計算結果Tab. 1 Calculation results of ξi in still water

由表1可見：開裂后ξi的絕對值明顯大于開裂前ξi的絕對值；在不同裂縫寬度下，兩個測點降溫階段的ln(λ–λθ)時程曲線基本一致，ξi值也基本相同，說明在靜水環(huán)境中，采用方案2只能判別套管覆蓋面內(nèi)是否開裂，而無法識別裂縫寬度。

啟動水泵，使水箱中的水產(chǎn)生循環(huán)流動來模擬流動水環(huán)境。當水泵流量為18 500 mL·min–1時，不同裂縫寬度對應的測點降溫階段ln(λ–λθ)時程曲線如圖7所示。由圖7可以看出：在流動水環(huán)境中，測點A降溫階段的ln(λ–λθ)時程曲線與裂縫寬度相關；測點B降溫階段的ln(λ–λθ)時程曲線受裂縫寬度的影響較小。

圖7 動水中l(wèi)n(λ–λθ)時程曲線對（方案2）Fig. 7 Comparison of the time-history curves of ln(λ–λθ) in flowing water with monitoring scheme 2

取t1= 0，tn= 80 s，采用式（6）計算流動水環(huán)境中不同裂縫寬度對應的ln(λ–λθ)時程曲線的初始斜率ξi見表2。取t1= 200 s，tn= 500 s，采用式（6）計算流動水環(huán)境中不同裂縫寬度對應的ln(λ–λθ)時程曲線的后期斜率ξj見表3。

表2 流動水環(huán)境中 ξi的計算結果Tab. 2 Calculation results of ξi in flowing water

表3 流動水環(huán)境中 ξj的計算結果Tab. 3 Calculation results of ξj in flowing water

由表2、3可見：測點A降溫階段，ln(λ–λθ)時程曲線的初始斜率絕對值基本上隨裂縫寬度的增大而增大，但增大的趨勢不明顯；而后期斜率的絕對值隨裂縫寬度增大而增大的趨勢則較明顯。測點B降溫階段ln(λ–λθ)時程曲線的初始斜率只與是否開裂有關，與裂縫寬度基本無關；其后期斜率的絕對值基本上隨裂縫寬度的增大而增大，但變化幅度不大。

后期斜率ξj與裂縫寬度w的關系如圖8所示。在測試的裂縫寬度范圍內(nèi)， ξj與w的擬合關系可表示為：

田光居“上館”三月，在了解太子丹意圖及其門客的才能之后，以“欲為太子良謀，則太子不能；欲奮筋力，則臣不能”的兩難，向太子推薦了“神勇之人”荊軻。事后，卻因太子送別之時的一句叮囑“此國事，愿勿泄之”而在荊軻面前“吞舌而死”，既以保全“不為人所疑”之節(jié)操，亦借此激勵荊軻。

圖8 ξj與w擬合關系Fig. 8 Fitting relationship between ξj and w width

綜上，在流動水環(huán)境中，采用方案2可識別裂縫寬度，測點離裂縫越近，后期斜率對裂縫寬度越敏感。

2.3.3 方案3

在靜水環(huán)境中，對不同裂縫寬度和滲漏流量的組合工況開展如圖9所示部位的測試。

圖9 測點布置Fig. 9 Layout of measuring points

定義無量綱參數(shù)Γ為：

式中，λ0為降溫初始時刻光纖光柵溫度傳感器的中心波長。

在半對數(shù)坐標軸中繪制降溫階段各測點的Γ時程曲線，作為示例，圖10給出了當裂縫寬度為0.6 mm，滲漏流量qw為100 mL·min?1時，圖9所示的各測點對應的Γ時程曲線，其他工況的Γ時程曲線的變化規(guī)律與之類似。由圖10可以看出：當150 s≤t≤600 s時，lg Γ的時程曲線具有線性特征，該時段時程曲線的斜率與熱源降溫速度具有很好的相關性。測點離裂縫越近，其對應的時程曲線在該時段的斜率的絕對值也越大，因此，后續(xù)分析統(tǒng)一將150 s≤t≤600 s時段，lg Γ時程曲線的斜率作為裂縫判別指標ψ。

圖10 Γ時程曲線的半對數(shù)坐標圖Fig. 10 Semilogarithmic plot of time-history curves of Γ

當裂縫寬度w為0.4 mm時，圖9所示各測點ψ值的分布特征如圖11所示（裂縫所在位置的y坐標設為0）。在未開裂狀態(tài)下，在灌水管中灌滿水，測得的ψ值為–1.606×10–3，圖11中，虛線即為ψ=–1.606×10–3的基準線。

圖11 w=0.4 mm時ψ的分布特征Fig. 11 Distribution of ψ under different leakage flow when w = 0.4 mm

由圖11可以看出：離裂縫越近，ψ的絕對值越大，其分布特征能很好地反映裂縫的位置；當裂縫寬度一定時，滲漏流量越大，縫隙中的流速越大，ψ的絕對值也越大；裂縫下端灌水管中的流速接近0，因此，位于裂縫下端的測點（測點6#～8#）的降溫規(guī)律主要受縫隙中流速的影響，測點離裂縫越遠，其所受影響越小，如：測點8#的ψ值與未開裂狀態(tài)下的ψ值基本相同，說明測點8#的降溫規(guī)律基本不受裂縫中流速的影響；裂縫上端灌水管中的流速與滲漏流量成正比，位于裂縫上端測點（測點1#～4#）的降溫規(guī)律除了受縫隙中流速的影響外，還會受灌水管中流速的影響，因此，與測點8#相比，測點1#雖然距裂縫更遠，但ψ的絕對值更大，且測點1#的ψ的絕對值隨滲漏流量的增大呈增大趨勢。

當裂縫寬度一定時，滲漏流量越大，縫隙中的流速越大，對流傳熱效應越顯著，熱源降溫越快。在半對數(shù)坐標軸中繪制不同裂縫寬度和滲漏流量的組合工況下，測點5#的ψ值與qw的關系曲線如圖12所示。由圖12可以看出，當裂縫寬度一定時，隨著滲漏流量的增大，ψ的絕對值呈增大趨勢，其增大的幅度在變緩，說明滲漏流量越大，開裂部位ψ的絕對值與未開裂部位的差異越大，監(jiān)測效果更佳。

圖12 測點5#的ψ值與qw的關系曲線Fig. 12 Relationship between qw and ψ for test point 5#

隨著裂縫寬度的增大，縫隙處的抗?jié)B性降低，在水頭差一定時，滲漏流量越大。圖13繪制了當水頭差為88 cm時，滲漏流量與裂縫寬度的關系曲線。

圖13 qw與w的關系Fig. 13 Relationship between qw and w

由圖13可以看出：隨著裂縫寬度的增大，滲漏流量具有非常明顯的遞增趨勢，在測試的裂縫寬度范圍內(nèi)，二者的擬合關系見式（9），因此，ψ可作為裂縫定位的判別指標，滲漏流量可用于裂縫寬度的識別。

3 結 論

本文基于流體–熱源–裂縫的熱效應耦合作用，提出了涉水混凝土工程裂縫監(jiān)測的溫度示蹤法，并設計了3種裂縫監(jiān)測方案，針對這3種監(jiān)測方案，分別開展了裂縫監(jiān)測模型試驗，根據(jù)試驗結果，可得到以下結論：1）根據(jù)熱源降溫規(guī)律，這3種方案均能較好地識別是否有裂縫產(chǎn)生。在裂縫定位方面，方案1和方案2只能判斷套管覆蓋范圍內(nèi)是否有裂縫；方案3的裂縫定位精度更高，但需要布置更多測點。2）在靜水環(huán)境中，方案1和方案2均不能識別裂縫寬度；在流動水環(huán)境中，方案2可識別裂縫寬度，且測點離裂縫越近，靈敏度越高。3）在靜水環(huán)境中，采用方案3監(jiān)測裂縫時，滲漏流量與水頭壓力和裂縫寬度有關，當水頭壓力一定時，可根據(jù)滲漏流量與裂縫寬度的關系識別裂縫寬度。