屋面滲漏紅外檢測(cè)中影響靈敏度的因素分析

曾曉文，陳國(guó)鋒，張?jiān)伱?/p>

（九江學(xué)院土木與城建學(xué)院，江西九江 332005）

屋面滲漏紅外檢測(cè)中影響靈敏度的因素分析

曾曉文，陳國(guó)鋒，張?jiān)伱?/p>

（九江學(xué)院土木與城建學(xué)院，江西九江 332005）

紅外熱像技術(shù)由于其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，在土木工程中日益受到重視，但在適用范圍、測(cè)試方法、結(jié)果和精度分析等諸多方面，仍有待進(jìn)行更深入的理論和實(shí)驗(yàn)研究。用有限元仿真模擬的方法研究紅外無(wú)損檢測(cè)的過(guò)程，可以排除實(shí)際檢測(cè)中的各種噪聲及其它外界條件影響，研究各種熱工參數(shù)對(duì)檢測(cè)靈敏度的影響，為實(shí)際紅外無(wú)損檢測(cè)提供理論依據(jù)和技術(shù)參考。

紅外熱像技術(shù)；有限元分析；無(wú)損檢測(cè)

屋面由面層和承重層2部分組成，除了能足以承受屋面荷載，具有良好的隔熱、保溫和隔聲效果以外，還必須具有足夠的抗?jié)B防漏能力。屋面滲漏會(huì)直接損及房屋的正常使用，污損室內(nèi)裝飾，影響美觀舒適；如果長(zhǎng)期滲漏還會(huì)腐蝕房屋的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，危及房屋的使用安全，從而縮短房屋的使用壽命［1］。

因而，及時(shí)發(fā)現(xiàn)屋面滲漏，測(cè)定屋面含水部位及程度具有普遍意義。滲漏的調(diào)查，尤其是滲漏點(diǎn)的確定不是一件容易的事，借助紅外熱像儀診斷屋面成為一種最重要的手段［2］。

在自然界中任何溫度高于絕對(duì)零度（－2.73℃）的物體都是紅外輻射源。輻射能量的主波長(zhǎng)是溫度的函數(shù)，并與表面狀態(tài)有關(guān)。紅外無(wú)損檢測(cè)是利用紅外輻射原理對(duì)材料表面進(jìn)行檢測(cè)。如果被測(cè)材料內(nèi)部存在缺陷，將會(huì)導(dǎo)致材料的熱傳導(dǎo)性改變，進(jìn)而反映在材料表面溫度的差別上，即材料表面的局部區(qū)域產(chǎn)生溫度梯度，導(dǎo)致材料表面紅外輻射能力會(huì)發(fā)生差異，溫度場(chǎng)隨時(shí)間變化的信息中包含了樣品缺陷的信息。利用顯示器將其顯示出來(lái)，便可推斷材料內(nèi)部的缺陷。

用有限元仿真模擬的方法研究紅外無(wú)損檢測(cè)過(guò)程①ANSYS公司，ANSYS熱分析指南，2000.，是在排除實(shí)際檢測(cè)中的各種噪聲及其它外界條件影響下，研究各種熱工參數(shù)對(duì)檢測(cè)靈敏度的影響，為實(shí)際紅外無(wú)損檢測(cè)提供理論依據(jù)和技術(shù)參考，而且還為進(jìn)一步定量分析缺陷特征提供了一個(gè)手段［3］。

1 數(shù)學(xué)模型的選擇

模型如圖1所示，屋面長(zhǎng)寬為1 m，第一層為水泥沙漿保護(hù)層，厚50 mm；第二層為玻璃纖維保溫層，厚50 mm；第三層為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)層，厚100 mm。其中第二層中部圓柱為屋面滲漏使保溫層藏匿水分部位，圓柱半徑為r［4］。材料的熱物理性能見表1。

圖1 紅外無(wú)損檢測(cè)模型Fig.1 Non-destructive testing model

表1 材料熱物理性質(zhì)Table1 Thermophysical p roperties of thematerial

模擬過(guò)程為先加熱3 h后立刻停止注入熱流，再接著在空氣中對(duì)流換熱冷卻3 h。

2 網(wǎng)格劃分

本文有限元分析使用有限元軟件ANSYS中的SOLID70單元，這種單元是一種三維單元，具有8個(gè)節(jié)點(diǎn)，自由度為溫度，采用SOLID70單元對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，如圖2所示。

圖2 總網(wǎng)格劃分圖Fig.2 The totalmesh

3 結(jié)果分析

3.1 保溫材料含水率的影響

固定滲漏范圍半徑r＝20 mm，加熱過(guò)程上表面熱流密度q＝100（W·m－2），下表面空氣對(duì)流換熱系數(shù)h＝5（W·（m2·℃）－1），冷卻降溫過(guò)程上表面空氣對(duì)流換熱系數(shù)h＝10（W·（m2·℃）－1），下表面空氣對(duì)流換熱系數(shù)h＝5（W·（m2·℃）－1）?？諝鉁囟萒air為10℃，溫差ΔT＝Twet－Tdry，Twet為保溫材料滲處相對(duì)應(yīng)屋面表面的溫度（取滲漏中心所對(duì)應(yīng)的點(diǎn)），Tdry為干燥保溫材料相對(duì)應(yīng)屋面處的溫度（取遠(yuǎn)離滲漏處所對(duì)應(yīng)的點(diǎn)）。由圖3可以看出，保溫材料含水率越大，其加熱升溫和冷卻降溫過(guò)程干保溫材料和潮濕保溫材料之間的溫差越大，則越容易用紅外熱像儀檢測(cè)。可以得出，保溫材料藏匿的水分越多，檢測(cè)的效果越好。

圖3 保溫材料含水率對(duì)導(dǎo)熱的影響Fig.3 Impact of heat insulator moisture content on temperature difference

屋面正表面溫度分布云圖如圖4所示，左側(cè)為加熱3 h后屋面表面的溫度分布云圖，右側(cè)為接著冷卻3 h后屋面表面的溫度分布云圖，由上到下屋面滲漏處保溫層含水率分別為20%，40%，60%。

圖4 不同含水率條件的屋面正表面的溫度分布云圖Fig.4 Tem perature distribution of roof surface w ith differentmoisture contents

3.2 滲漏范圍大小的影響

固定濕保溫材料的含水率，滲漏半徑分別為r＝0.1，0.15，0.2 mm。加熱過(guò)程上表面熱流密度q＝100（W·m－2），下表面空氣對(duì)流換熱系數(shù)h＝5（W·（m2·℃）－1），冷卻降溫過(guò)程上表面空氣對(duì)流換熱系數(shù)h＝10（W·（m2·℃）－1），下表面空氣對(duì)流換熱系數(shù)h＝5（W·（m2·℃）－1）?？諝鉁囟萒air為10℃，溫差ΔT＝Twet－Tdry隨時(shí)間變化曲線如圖，由圖5可以看出，滲漏范圍越大，則其表面產(chǎn)生的溫差越大，越容易檢測(cè)。

圖5 滲漏范圍大小對(duì)導(dǎo)熱的影響Fig.5 Impact of leakage area on thermal conductivity

屋面正表面溫度分布云圖如圖6所示，左側(cè)為加熱3 h后屋面表面的溫度分布云圖，右側(cè)為接著冷卻3 h后屋面表面的溫度分布云圖由上到下屋面滲漏半徑分別為r＝0.1，0.15，0.2 mm。

圖6 不同滲漏半徑條件的屋面正表面的溫度分布云圖Fig.6 Tem perature distribution of roof surface w ith different leakage radiuses

3.3 熱流大小的影響

固定濕保溫材料含水率為40%，滲漏范圍半徑20 mm，加熱過(guò)程上表面熱流密度分別為q1＝100（W·m－2），q2＝150（W·m－2）下表面空氣對(duì)流換熱系數(shù)h＝5（W·（m2·℃）－1），冷卻降溫過(guò)程上表面空氣對(duì)流換熱系數(shù)h＝10（W·（m2·℃）－1），下表面空氣對(duì)流換熱系數(shù)h＝5（W·（m2·℃）－1）?？諝鉁囟萒air為10℃，溫差ΔT＝Twet－Tdry隨時(shí)間變化曲線如圖，由圖7可以看出，隨著熱流的增大，屋面表面產(chǎn)生的溫差增大：日照強(qiáng)度越大，則檢測(cè)的靈敏度越高。屋面正表面溫度云圖如圖8所示。

圖7 熱流大小對(duì)導(dǎo)熱的影響Fig.7 Impact of heat quantity on thermal conductivity

圖8 左側(cè)為加熱3 h后屋面表面的溫度分布云圖，右側(cè)為接著冷卻3 h后屋面表面的溫度分布云圖，由上到下表面熱流密度分別為q1＝100（W·m－2），q2＝150（W·m－2）。

圖8 不同熱流大小條件的屋面正表面的溫度分布云圖Fig.8 Tem perature distribution of roof surface w ith different heat quantities

4 結(jié) 論

通過(guò)三維有限元分析方法模擬了屋面升溫與降溫的溫度變化過(guò)程，分析了影響紅外熱像技術(shù)檢測(cè)屋面滲漏靈敏度的幾個(gè)重要參數(shù)，得出以下結(jié)論。

（1）屋面滲漏后，在滲漏處和完好處屋面升溫和降溫過(guò)程存在溫差，這是紅外熱像檢測(cè)的依據(jù)。

（2）屋面滲漏范圍越大，滲漏處所藏匿水分越多，則越容易被檢測(cè)出來(lái)。

（3）日照強(qiáng)度越大，紅外檢測(cè)的靈敏度越高，屋面升溫和降溫過(guò)程中，溫差的最大值跟熱流大小成正比。

［1］ 黃 沛，謝慧才.無(wú)保溫層屋面滲漏的紅外熱像檢測(cè)方法［J］.激光與紅外，2007，（2）：137－139.（HUANG Pei，XIE Hui-cai.Detecting moisture in monolayer roof using infrared thermography［J］.Laser＆Infrared，2007，（2）：137－139.（in Chinese））

［2］ 張維力，和丕訓(xùn)，李春榮.紅外診斷技術(shù)［M］.北京：水利電力出版社，1991.（ZHANG Wei-li，HE Pi-xun，LIChun-rong.Infrared Diagnostic Techniques［M］.Beijing：China Water Power Press，1991.（in Chinese））

［3］ TITMAN D J.Applications of thermography in non-destructive testing of structures［J］.NDT and E international，2001，34（2）：149－154.

［4］ 尚亞妮，陸建勇，宋 偉.紅外檢測(cè)技術(shù)在某建筑屋面滲漏檢測(cè)中的應(yīng)用［J］.陜西建筑，2008，（8）：60－62.（SANG Ya-ni，LU Jian-yong，SONG Wei.Infrared detection technique in a roof leakage detection［J］.Shanxi architecturel，2008，（8）：60－62.（in Chinese））

（編輯：劉運(yùn)飛）

Factors Affecting Sensitivity of Roof Leakage by Infrared Detection Technology

ZENG Xiao-wen，CHEN Guo-feng，ZHANG Yong-mei
（College of Civil Engineering and Urban Construction，Jiujiang University，Jiujiang 332005，China）

The infrared thermal imagery technology has

more andmore attention in the civil engineering because of its unique advantages.But it isworthily further study in theory and experiment in the aspects of its applicable scope，testmethod，result and precision analysis and so on.Using finite element simulationmethod to study infrared non-destructive testing process can remove all kinds of noise and other external condition influences in the actual test.It also helps to study the influence of various thermal parameters on sensitivity testing.Thus it provides the theory basis and the technical reference for the actual infrared non-destructive testing.

infrared thermal imaging technology；finite element analysis；non-destructive testing

TU111.24

A

1001－5485（2010）06－0071－03

2009-07-07；

2009-09-04

曾曉文（1974-），男，江西萬(wàn)安人，講師，主要從事結(jié)構(gòu)工程研究，（電話）13407027451（電子信箱）376959388＠qq.com。