1、红外热像技术在检测 PS 加固风化土体效果中的探索摘要：红外热像技术作为一门新兴的无损检测技术，是基于被测对象温度场的变化规律而进行的，由此检测物体表面的结构状态、性质和内部缺陷等。PS 材料对西北干旱区土建筑遗址防风化加固具有良好的加固效果，通过红外检测 PS 加固土体效果的室内模型试验表明，红外热像技术能够对 PS 加固土体的效果起到有效的检测，经初步分析试验结果，得出如下结论：PS 阻碍了土体的热传导过程，加温后未加固土体比 PS 加固土体升温快。 关键词：红外热像技术；温度场；PS 材料；土遗址；室内模型试验 中图分类号：K826 文献标识码： A 1 引言 我国西北地区的新疆、甘肃、
2、宁夏和陕西境内，遗存下许多古代土建筑遗址，如陕西西安近郊的半坡村、甘肃秦安县的大地湾人类居住遗址、新疆吐鲁番地区的交河故城和西夏王陵土遗址等等1。这些土建筑遗址历史久远，有的已被列为世界文化遗产，具有很高的考古学价值和历史价值2,3。我国大部分土建筑遗址地处西北干旱地区，该地区昼夜温差大，据张虎元等4研究者的实测研究，地处新疆吐鲁番的交河故城最高与最低气温相差 21.9，地面昼夜温差达 44.5。温差的剧烈变化在巨大的土体颗粒内部以及颗粒之间会产生巨大的热应力效应，造成应力的局部集中，使土体内部结构发生破坏，如此长期反复的温差变化，将使土体的结构不断疏松，直至脱落崩解。因此，处于西北干旱区的土
3、遗址如今有的已千疮百孔，有些已大面积坍塌，呈现毁灭性破坏之势。大量的研究结果发现，频繁交替的巨大昼夜温差所引起的物理风化作用是该地区土遗址遭受破坏的主要原因。在这种情况下，开展土遗址加固研究就具有很重要的意义5。 近年来，土遗址防风化加固是世界文物保护界普遍关注和重视的热点课题，除了应用传统方法进行加固保护外，还采用化学材料进行防风化加固。大量的室内试验和现场试验表明，PS一种高模数的硅酸钾溶液，作为新型的无机加固材料可用于干旱区土遗址的加固保护，成效显著6。另外，土遗址土体加固效果的检测是目前土遗址防风化加固研究中亟需解决的一个重要问题，而红外热像这一无损检测技术是基于被测对象的温度场变化规
4、律进行的，可以用于 PS 加固土遗址土体效果的检测。本文主要采用土遗址现场采取的扰动土做土样模型，然后采用模数一定，浓度不同的 PS 加固土样模型，之后应用红外热像仪充分捕捉土体加固前后的热图，由此探讨分析 PS 加固土体的温度场变化规律。试验分析表明，未加固土体比 PS 加固土体对温度变化更敏感，加温后未加固土体升温快，PS 加固土体的热传导过程受到了阻碍。利用红外热像这一技术手段检测土体的加固效果，操作简单快捷，成效明显可靠，完全能够实现检测的目的。这一现代无损检测技术在土遗址保护工作中的有效应用，对进行土遗址风化机理以及加固保护技术的研究具有十分重要的意义。 2 基本检测原理 红外热像检
5、测技术是利用红外辐射对物体或材料表层进行检测、测量，并且可将不可见的红外辐射转化为可见图像的一种专门技术7。利用这一技术研制成的红外装置称为热像仪。 2.1 红外线工作原理 红外线是一种肉眼看不见的波，具有和光一样的特性，像光一样，红外线具有直线传播、反射、折射、干涉、衍射、偏振等性质8。自然界中的一切物体，只要它的温度高于绝对温度（-273）就存在分子和原子无规则的运动，其表面就不断辐射红外线。如图 1 所示，红外线是一种电磁波，其波长范围为 0.761000m，不为人眼所见，它反映物体表面的能量场，即温度场8。 图 1 红外光谱在电磁波中的位置示意图7 Fig.1The position
6、schematic diagram of infrared spectrum in electromagnetic wave 2.2 红外热像检测系统工作原理及主要试验设备 红外热像检测利用红外辐射对物体或材料表层进行检测和测量，其工作原理为：温度在绝对零度以上的物体，都会因自身的分子运动而辐射出红外线。通过红外探测器将物体辐射的功率信号转换成电信号后，经电子系统处理，传至显示屏上得到与物体表面热分布相应的热像图。当物体内部发生结构或材料性质（如裂缝、缺陷、加固等）变化时，它将改变物体的热传导，使物体表面温度分布产生差别。再用红外热像仪捕捉物体表面温度状况，进而深入分析物体所处的状态。红外热像
7、检测系统的工作原理8如图 2 所示。 由于它反映了目标各部分的热分布和各部分的发射本领的差异，因此可根据所形成的热像分析目标各部分的状况。 图 2 红外热像检测系统示意图 Fig.2The schematic diagram of infrared imaging detection system 该试验采用的 Research-N1 红外热成像监控系统主要是由红外热像仪与相应的计算机软件及通讯网络组成。由红外热像仪采集到的被测目标的温度图像数据，通过必要的接口传输到计算机，实现在现场或控制中心对检测目标的红外图像和温度数据变化进行快速检索与分析处理。 3 试验概况 该实验主要采用新疆交河故城
8、遗址现场采取的扰动土，依照现场土的密度、含水量、空隙比等物理指标，在室内制备长方体（20cm30cm2.5cm 长宽高）土样模型。将土样模型的一半用模数为 3.84，浓度为 10%PS 加固，另一半不做处理。然后以红外灯作为热激励，红外热像仪充分捕捉土样模型在加热和散热全过程中的红外热像图序列，分析 PS 加固对热图特征的影响。 3.1 试验土样模型制备 采用新疆交河故城土遗址现场采取的扰动土进行试验，试验用土特征：黄色，空隙较大，渗透性好，天然含水量极低，小于 1.3%。依照以下步骤制备土样模型： (1) 将试验用土碾碎，经直径为 2mm 的试验筛筛分，使其粉粒含量在 95%左右。 （2）加
9、 10%水拌合，配制成均匀湿土,确保粉粒含量在 90%95%。 （3）将配制的均匀湿土放置在制样机9中制备成20cm30cm2.5cm（长宽高）的长方体重塑样模型。 （4）将模数为 3.84，浓度为 10%PS 按时间间隔T=5min，均匀喷洒在模型的表面上，使 PS 的渗透深度达到 2.5cm，将其一半加固。 在室温、通风良好的条件下，将 PS 加固土样模型静置室内 20d，直至自然风干为止。PS 加固土样模型如图 3 所示。 其中：PS 加固区未加固区 图 3 土样模型 Fig.3The soil models 3.2 试验方法 将制备的 PS 加固土样模型放在一块厚 2mm 的绝热薄板上
10、，静置一段时间，使土样模型两部分的初始温度与室温均趋于一致。将红外灯热激励放置在距模型 50cm 正上方的高度处，确保整个模型处于红外灯光照范围之内。调节红外热像仪支架的高度及热像仪的各参数，在土样模型的两部分范围内各确定一个测温点，为了便于对比热图差异，两个测温点关于模型中心线对称为最佳。模型试验布置示意图如图 4 所示。 其中：红外灯红外热像仪 土样模型未加固区 土样模型 PS 加固区 图 4 模型试验布置示意图 Fig.4Layout schematic diagram of the model test 4 试验结果及讨论 在连续升温和降温的过程中，红外热像仪会记录土样模型各部分的热图
11、和任意时刻的温度值。图 5（a）（d）为干密度为 1.42g/cm3 的土样模型的热图检测结果。 （a） （b） （c） （d） 其中： PO1未加固区测温点 PO2PS 加固区测温点 图 5 土样模型热图 Fig.5 Thermography of the soil model 红外灯未对土样模型升温之前，由热像仪显示的热图可以看出，模型加固区和未加固区的热图相同，温度值一样，均与室温一致，表明 PS的加固和模型的制作均是均匀的。从图 5（a）（b）可以看出，随着红外灯持续不断地释放热量，周围环境温度升高，土样模型的加固区和未加固区的温度也缓慢升高，但二者的温度变化幅度不同，未加固区相对加固
12、区温度升高幅度较大。两个区域的热图上的热斑亮度不同，对应热图右边的温度标识，可以明显看出，土样模型的未加固区温度比加固区温度高。图 6 为测温点 PO1、PO2 在升温和降温过程中温度随时间变化关系曲线。初始时，二者温度基本一致，但由于 PS 加固区的传热过程受阻，随着时间的增加，二者的温差也越来越大，这与上述从热图角度分析所得结论是一致的。 时间/s 图 6 测温点 PO1、PO2 温度变化曲线 Fig.6Temperature chang curves of temperature measuring points PO1、PO2 观察图 6，两区域温度曲线的变化趋势是一致的，但曲线并不平
13、滑。升温过程中，温度有时会突然下降到某个值，随后继续升高，降温过程中，温度有时会回升到某个值，继而下降。经分析，出现该状况的原因有可能是受到环境因素（如风速、环境湿度等）的影响，另外，红外灯的灯丝发出的光晕不均匀分布，亦会影响土样模型的温度变化。然而，这些因素的影响毕竟还是很微小的，不会造成两个区域的温度变化趋势发生很大波动。 根据李最雄10等人的研究，土体经 PS 加固处理后，会改变其原来离散态、片状、晶状黏土矿物的微结构，形成致密、非晶态的网状凝胶体结构。这种结构的变化使土体的物理力学强度和抗风化、风蚀能力大大提高。通过用不同浓度 PS 制备的土样模型重复做该试验发现，PS 加固区和未加固
14、区的温度差值的平均值最高可达 15。而且从所得热图分析，PS 浓度越大，两区域温差越大，PS 加固效果越好。由此，初步得出结论，PS 对土遗址土体的热传导过程具有巨大的阻碍作用，也就是说，PS 对防止由于温差所引起的物理风化作用有重要的意义。 5 结论 (1) 红外热像检测这一无损检测技术能够应用于土体加固效果的研究中，可很好地实现检测加固效果的目的。 (2) 从土样模型热图和温度变化曲线分析，PS 阻碍土体的传热过程，从而对土体具有良好的加固效果。 (3) 该模型试验的 PS 加固土体深度为 2.5cm，那么，改变加固深度会对土样模型的热图产生何影响，进而分析 PS 加固土体的效果将是下一步
15、的研究工作。另外，PS 是一种高模数的硅酸钾溶液，升温和降温的过程中，PS 是否会发生化学变化，以致影响土体的加固效果尚待研究。 参 考 文 献 1李最雄. 丝绸之路古遗址保护M. 北京：科学出版社, 2003. 2王银梅. 西北干旱区土建筑遗址加固概述J. 工程地质学报,2003,11(2): 189192. 3李最雄, 张虎元, 王旭东.古代土建筑遗址的加固研究J. 敦煌研究, 1995,（3）: 117. 4张虎元, 刘平, 王锦芳, 等. 土建筑遗址表面结皮形成与剥离机制研究J.岩土力学, 2009,30(7):1883-1891. 5李黎, 邵明申, 裴强强, 等. 环境因素对 PS
16、 加固土遗址效果的影响C/古遗址保护国际学术讨论会暨国际岩石力学学会区域研讨会论文集, 北京: 科学出版社, 2008. 6李黎, 陈锐, 邵明申, 等. 经 PS 加固土遗址水饱和强度及加固效果的环境影响研究J. 岩石力学与工程学报, 2009, 28(5):10741080. 7王汝琳, 王永涛. 红外检测技术M. 化学工业出版社, 2006. 8李晓刚, 付冬梅. 红外热像检测与诊断技术M. 中国电力出版社, 2006. 9袁聚云. 土工试验与原理M. 同济大学出版社, 2003. 10李最雄, 苏伯民, 胡之德. PS 与土遗址作用机制的初步探讨J. 敦煌研究, 2000, (1): 30 35.
