红外热成像法检测岩石渗水病害的实验研究

第30卷第1期齐齐哈尔大学学报Vol.30,No.1 2014年1月Journal of Qiqihar Univers i ty Jan.,2014红外热成像法检测岩石渗水病害的实验研究张慧慧1,2（1.辽宁省交通高等专科学校测绘系，沈阳110122；2.东北大学3S与数字矿山研究所，沈阳110004）摘要：通过红外热像仪检测不同渗水程度岩石的模拟实验，验证了红外热成像法现场检测数据进行定量分析渗水严重程度的可行性。

通过红外热成像法检测太阳照射下不同渗水程度岩石的热像变化特征分析可知，利用最小红外辐射温度指标可以确定岩石渗水严重程度。

关键词：红外热成像；无损检测；岩石；渗水病害分级中图分类号：TP722.5文献标志码：A文章编号：1007-984X(2014)01-0071-04红外热成像检测技术在我国建筑、土木工程中的应用取得了一些成果，且正处于从定性检测到定量检测的过渡阶段，但红外热成像技术在我国大型石质文物如壁画、岩画、石窟等方面的保护研究还处于探索阶段。

渗水病害是大型石质文物产生病害的主要原因之一，由于水体一般在岩石内部，偶尔在表面有一些渗水点，因此无法判断岩石渗水的严重程度。

本文通过岩石渗水模拟实验研究，探讨了不同渗水程度岩石红外热成像检测情况，从而验证应用红外热成像法进行大型石质文物病害等级划分的可行性。

1不同渗水程度岩石的热像变化特征实验方案1.1实验目的渗水现场红外检测过程中，不能进行渗水量实测，因而无法进行渗水严重程度等级划分。

为了验证红外热像法实际检测的可行性，从定量上揭示岩石的渗水量与辐射温度变化量的关系，设计了该物理模拟实验，揭示不同渗水程度岩石在太阳照射下温度变化特征。

1.2实验方案实验使用Vario SCAN-3021ST高分辨率制冷、扫描式红外热成像仪进行热像数据获取。

实验中设计了4个级别的渗水量，分别为呈水滴状的最小渗水量、呈细流状的较小渗水量、呈中流的中等渗水量和呈粗流状的较大渗水量，4个级别的渗水量的渗流速度分别为12，30，60，120m L/m in，由连接水容器的塑料管通过虹吸原理来实现对岩石的注水。

为了体现实验效果，岩石选择空隙度大的砂岩进行实验。

将热像仪在放置在岩块的正前方1.3m处观测，观测不同渗水量岩石表面在太阳照射下的辐射温度变化特征。

实验选在晴天进行，时间为上午9:49至下午13:51。

考虑到岩石渗出的水来自于岩石内部孔隙。

而当岩石接受太阳照射时，表面的温度应该比岩石内部的水体温度高。

为模拟这一实际情况，实验时提前一天将盛满水的水桶放置在实验现场，并将其放置在一个木箱内，以遮蔽太阳直接照射。

实验过程中水体随着环境的温度上升也在上升，但上升的速度及幅度明显比环境温度小。

此外，在渗水管外部包裹隔热性好的塑料泡沫，以减少太阳照射所引起管内水体温度变化。

这样就模拟了岩石内部的水体。

2不同渗水程度岩石的热像变化特征结果分析2.1岩石热像演化特征图1是实验过程中获得的红外热像。

热像主要显示以下特征：（1）在9:49~10:51时间段中，各块岩石的温度在逐渐上升，同时岩石中间渗水的部位温度也在上升。

收稿日期：2013-10-07作者简介：张慧慧（1982-），女，满族，辽宁锦州人，讲师，硕士，在读博士，主要从事测绘、红外遥感向面的研究，z hanghuihui1982@。

72齐齐哈尔大学学报2014年渗水量越大的岩石，其低温区域范围越大。

这一点与可见光观测的现象不同。

肉眼观测，渗水量最大的岩石其渗水宽度反而最小。

这表明，可见光观测不能确认真实渗水量的大小，而利用热成像则可以辨认。

（2）同一时刻，渗水量大的岩石其表面的温度要低于渗水量小的岩石。

2.2辐射温度定量变化特征为定量反映4个不同程度渗水岩石随时间的温度变化特征，在每块岩石的表面圈定长方形区域（见图1所示），利用热像仪软件计算圈定区域的平均红外辐射温度（AIRT ）与最小红外辐射温度（T min ），并绘制两种温度随时间的变化曲线，见图2所示。

从图3左看出，在整个实验过程中，渗水量最小的岩石其AIRT 始终高于其它较大渗水量岩石；而其它3块岩石的AIRT 高低则与渗水量的关系不明显，渗水量为120m L/min 岩石其AIRT 反而高于渗水量为60m L/min 的岩石，它与渗水量30mL/m in 的岩石相接近。

因此，使用平均红外辐射温度指标AIRT 不能区分岩石渗水量的大小。

图3右显示，渗水量与最低辐射温度（T min ）有密切的关系，渗水量越大，曲线越低，最低辐射温度就越低；相反，渗水量越小，曲线越高，最低辐射温度就越高。

因此，可以利用最小红外辐射温度指标来检测岩石渗水量的大小。

为从定量上获得渗水量与最低辐射温度之间的关系，取实验过程中的2个时刻（20min 、40m in ），观察每个时刻渗水量与最低辐射温度之间的关系，见图4所示。

212223242526时间/m inAI R T /℃12m L/min 60m L/min 120m L/min 30m L/m in 0181920212223时间/m in T m i n /℃120mL/m in 60m L/min 30m L/min 12m L/m in 图3不同渗水量岩石圈定区域平均温度（左）和最低温度随时间变化曲线图2岩石温度变化定量分析的区域圈定指示图图1不同渗水岩石在太阳照射下随时间变化的热像9:49am 10:00am 10:15am10:30am 10:51am第1期红外热成像法检测岩石渗水病害的实验研究73图4左和右分别是实验20m in （10:09）、40min （10:29）时渗水量与最低辐射温度之间的散点图。

从图4看出，两个时刻渗水量与最低辐射温度之间均近似线性关系。

对图中的散点进行直线拟和，并以L 表示渗水量、T min 表示最低红外辐射温度，则两个时刻拟合直线的关系式非常接近，为T min =17.45+0.032L（1）拟合后的直线的相关系数均为0.98。

上述表明，利用渗水区域的最低辐射温度可以进行岩石渗水量大小等级的划分，这为热成像现场检测渗水分级提供了实验依据。

3结束语本文通过物理模拟实验方法，对太阳照射下不同渗水程度岩石的热像变化特征作了实验研究，为红外热成像现场检测数据进行定量分析提供了实验依据。

具体结论如下：（1）利用渗水区域的最低辐射温度可以进行岩石渗水量大小等级的划分。

（2）渗水量与最低辐射温度有密切的关系，渗水量越大，最低辐射温度就越低；相反，渗水量越小，最低辐射温度就越高。

因此，在红外热像数据分析时，可以利用最小红外辐射温度指标来确定石质文物渗水严重程度。

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