技术领域
[0001] 本发明属于裂缝检测装置技术领域，尤其是涉及一种用于水下混凝土结构裂缝检测装置技术领域。
相关背景技术
[0002] 见图1，为现有技术一发明的水下混凝土裂缝监测方案，该系统由加热测温集成系统、监测管1、套管2组成，其中：加热测温集成系统具有加热和温度监测两种功能，由加热测温集成线路3、解调仪4和稳压电源5组成。其中：监测管具有一定的柔韧性，套管采用多孔吸水材料。
[0003] 监测原理如下：混凝土开裂后，当开裂部位与水接触时，由于多孔材质的毛细作用，水可沿裂缝面渗入套管2，使套管2的含水率发生改变，而套管2的密度、比热、热传导系数均与其含水率有关，含水率越大，这三个热力学参数越大，从而导致监测管1中的热源降温速度加快，因此，根据监测管1中测点升温后的降温时程曲线可确定降温速度指标，从而进行开裂部位的识别。
[0004] 现有技术的缺点：
[0005] 1)预埋图1中的监测管1和套管2需要占用一定的空间，当混凝土布设的钢筋较密时，难以实施；
[0006] 2)开裂前后，热源降温曲线的差异性较小，识别裂缝的敏感度偏低；
[0007] 3)只能识别裂缝位置，无法确定裂缝宽度。
具体实施方式
[0047] 本发明了一种用于水下混凝土结构裂缝检测的监测管‑套管组件，如图2所示。监测管采用不锈钢管等强度较大的钢性材料制作，套管采用脆性材料制作，分段包裹在监测管外部，使二者之间存在一定间隙，两端的间隙用密封胶封堵。在监测管与套管密封处预埋带真空阀的真空管，如图3所示。采用真空泵对监测管与套管的间隙抽真空。监测管上分段焊接有锚固钢板，使监测管与混凝土产生足够的咬合力，确保监测管与被测结构协同受力，这样监测管就可替换混凝土内部的钢筋，减小预埋监测管的空间需求。监测管‑套管组件就像一根根裂缝感知神经预埋在混凝土内部，同时，监测管还兼作裂缝检测通道，便于传感加热集成线路在监测管内自由拖动，当传感加热集成线路损坏时，还可将其从监测管中拖出进行维修或更换。传感加热集成线路上集成有加热元件和测温元件，对加热元件通电实施多点分散加热，然后降温，通过监测热源降温规律来识别裂缝。
[0048] 监测原理如下：
[0049] 热量的传递方式有三种：热传导、热对流和热辐射。对于大多数传热问题，热辐射所占的比例很小，可忽略。此时，传热规律的可用下式表示：
[0050]
[0051] 式中，ρ是密度的；c是比热；T是温度；{v}是热量传输的速度矢量，等于{vx vy vz}T；{L}是向量运算符；[D]是热传导矩阵；QT是单位体积的产热率。
[0052] 开裂前，监测管‑套管组件的空腔为真空，开裂后，由于空腔的吸力作用，使外界的水被吸入空腔，从而导致与开裂部位对应的传感加热单元周围介质发生改变。由于热传导的传热效率介质的热传导系数有关，根据热传导理论，单位时间从高温物体向低温物体传导的热量可表示为：
[0053] q(t)＝γ·ζ(t).A (2)
[0054] 式中：t为时间；q(t)为单位时间传导的热量；γ为热传导系数；ζ(t)为t时刻的温度梯度；A为传热面积。
[0055] 由于水的导热系数比真空大得多，因此，当对每个热源实施加热后，开裂部位对应的热源降温速度明显比未开裂部位快，根据这一现象就可确定裂缝的位置。
[0056] 开裂后，监测管‑套管组件空腔中的水会由于压力差和温度梯度而产生流动，并以裂缝作为通道与外界的水产生热交换，从而产生对流传热效应。对流传热是通过流体流动将热量带走的传热方式，其传热效率与对流传热系数相关，根据牛顿冷却定律，流体在固体表面流动所产生的热流量可表示为：
[0057] {q}T{n}＝hf(Ts‑TB) (3)
[0058] 式中：{q}热流矢量；{n}为散热面的法向向量；hf对流传热系数；Ts固体表面温度； TB流体的温度。
[0059] 从式(3)可以看出：对流传热效率与对流传热系数成正比。对流传热系数与流体流速相关，而腔体中流体的流速又与裂缝宽度有关。裂缝越宽，对流传热越明显，降温越快，因此，热源降温速度还可反映裂缝宽度的大小。
[0060] 为了验证本发明的水下混凝土结构裂缝检测的监测管‑套管组件的有效性，制作了1个混凝土试件，试件尺寸规格为150mm*150mm*550mm。试件中预埋有1根监测管‑套管组件。其中监测管采用外径20mm，壁厚2mm，长600mm 的不锈钢管；套管采用外径35mm，壁厚5mm，长200mm的陶瓷管。监测管底端用热熔胶封堵，在管内灌满水，然后将由光纤光栅温度传感器直径4mm，长60mm和陶瓷加热管外径12mm，内径8mm，长12mm，其外套有外径15mm，壁厚
1mm，长12mm的铜管组成的传感加热元件从监测管顶端插入管内。
[0061] 对传感加热单元进行加热‑降温测试，其中：加热采用稳压电源，温度测量采用光纤光栅解调仪。
[0062] 根据降温阶段传感器的ln(λ‑λθ)时程曲线(如图5所示)，计算裂缝判别指标 (ξ)，然后建立裂缝宽度(w)与判别指标的关系，如图6所示，其拟合公式见式(4)。从图5可以看出：开裂前后，降温阶段ln(λ–λθ)时程曲线有明显区别，其初始斜率绝对值基本上随裂缝宽度的增大而增大，但增大的趋势不明显，而后期斜率的绝对值随裂缝宽度增大而增大的趋势则较明显。从图6和式(4)可以看出：在测试缝宽范围内，裂缝宽度与裂缝判别指标具有良好的线性关系。
[0063] ξ＝‑0.0789w‑0.3003(R2＝0.9914) (4)
[0064] 以上所述的仅是本发明的部分具体实施例，方案中公知的具体内容或常识在此未作过多描述。应当指出，上述实施例不以任何方式限制本发明，对于本领域的技术人员来说，凡是采用等同替换或等效变换的方式获得的技术方案均落在本发明的保护范围内。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。
