紅外熱像檢測技術(shù)在土木工程領(lǐng)域中的應(yīng)用近況

謝春霞

(四川建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川成都610081)

目前，對于大量的混凝土構(gòu)筑物及建筑物進(jìn)行大范圍、快速、低成本的普查檢測，常用的方法有超聲波法、雷達(dá)法、聲發(fā)射法、沖擊回波法及在日本常用的打音診斷和目視檢查等，各種方法都有各自的優(yōu)點(diǎn)，其不足之處是以較少的取樣分析反映整個(gè)結(jié)構(gòu)工作性能，取樣選點(diǎn)和數(shù)據(jù)實(shí)測都與操作者人為因素有關(guān)，同時(shí)限制條件也比較多，且后兩種方法存在很大的局限性，檢測結(jié)果又不可靠。因此尋求一種無損、快速、低成本、大范圍的普查方法是土木工程界極為關(guān)注的問題，具有非?，F(xiàn)實(shí)的意義。紅外熱像檢測技術(shù)就是在這種情況下被引入土木工程領(lǐng)域的。本文旨在介紹目前紅外熱像檢測技術(shù)在土木工程領(lǐng)域的應(yīng)用。

1 紅外熱像基本原理

紅外輻射是自然界存在的一種最為廣泛的電磁波輻射，它是基于任何物體在常溫都會產(chǎn)生自身的分子和原子無規(guī)則的運(yùn)動，并不停地輻射出紅外能量，分子和原子的運(yùn)動愈劇烈，輻射的能量愈大，反之，輻射的能量愈小。在0°K以上的物體，都會因自身的分子運(yùn)動而輻射出紅外線。

著名的普郎克定律表明溫度、波長和能量之間存在一定的關(guān)系，紅外總能量隨溫度的增加而迅速增加;峰值波長隨溫度的增加向短波移動。根據(jù)斯蒂芬·玻耳茲曼定律，當(dāng)溫度變化時(shí)，紅外總能量與絕對溫度的四次方成正比，當(dāng)溫度有較小的變化時(shí)，會引起總能量的很大變化，可表達(dá)為下式:

式中:P為輻射功率(W/cm2);σ為常數(shù)，σ=5.673×10－12W/(cm2·K4);T為物體表面的熱力學(xué)溫度(K);ε為發(fā)射率，0＜ε＜1。

熱流在物體內(nèi)部擴(kuò)散和傳遞的路徑，將會由于材料傳導(dǎo)的熱物理性質(zhì)不同，或受阻堆積，或通暢無阻傳遞，最終會在物體表面形成相應(yīng)的“熱區(qū)”和“冷區(qū)”，這種由里及表出現(xiàn)的溫度差現(xiàn)象，就是紅外檢測的基本原理，如圖1(以單面法為例)。

圖1 熱流通過物體傳導(dǎo)后正面溫度分布圖

2 紅外熱像儀簡介［1］

紅外熱像儀是利用紅外探測器和光學(xué)成像物鏡接受被測目標(biāo)的紅外輻射能量分布圖形并反映到紅外探測器的光敏元件上，從而獲得紅外熱像圖，這種熱像圖與物體表面的熱分布場相對應(yīng)。通俗地講紅外熱像儀就是將物體發(fā)出的不可見紅外能量轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢姷臒釄D，工作原理如圖2。熱像圖上面的不同顏色代表被測物體的不同溫度。

圖2 紅外熱像儀的組成

紅外熱像檢測技術(shù)應(yīng)用于土木工程領(lǐng)域是一種很新的技術(shù)，具有非接觸大面積、響應(yīng)快、測試精度高等優(yōu)點(diǎn)。自20世紀(jì)70年代，歐美一些發(fā)達(dá)國家先后開始了紅外熱像儀在土木工程領(lǐng)域的探索。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，已經(jīng)發(fā)展成非常輕便的現(xiàn)場測試設(shè)備。由于土木工程領(lǐng)域測試往往產(chǎn)生的溫度場差異大和現(xiàn)場環(huán)境復(fù)雜等因素，具備溫度分辨率小于0.06℃、空間分辨率小于1.2 mrad、紅外圖像和可見光圖像合成功能等是土木工程領(lǐng)域應(yīng)用紅外熱儀不可缺少的條件。隨著紅外熱像儀的發(fā)展和在土木工程領(lǐng)域的應(yīng)用日益完善，紅外熱像檢測技術(shù)將給土木工程領(lǐng)域檢測和評估技術(shù)的前進(jìn)和發(fā)展帶來較大的幫助。本文將著重對近年來紅外熱像技術(shù)在國內(nèi)的應(yīng)用和實(shí)踐進(jìn)行總結(jié)。

3 在建筑領(lǐng)域的應(yīng)用

3.1 外墻缺陷

3.1.1 空鼓和剝落［2］

當(dāng)外墻的表面溫度比墻體的溫度高，熱就從外墻表面?zhèn)鞯綁w中。當(dāng)外墻的表面溫度低時(shí)，熱就從墻體內(nèi)傳到外墻表面。當(dāng)外墻中有空鼓或剝落等缺陷，缺陷處的熱傳導(dǎo)變小，因此，當(dāng)暴露在太陽光或升溫的空氣中時(shí)，外墻表面的溫度升高，空鼓或剝落部位的溫度比正常部位的溫度高。相反，當(dāng)太陽光減弱或氣溫降低，外墻表面溫度下降時(shí)，空鼓或剝落部位的溫度比正常部位的溫度低。用紅外檢測技術(shù)能快速檢測出建筑物外墻空鼓和剝落的部位。

相對于傳統(tǒng)的手敲法檢測，紅外熱像儀檢測無需搭設(shè)腳手架，可以大面積進(jìn)行拍攝，所有的檢測可以記錄并且重現(xiàn)，檢測結(jié)果比較客觀，因而檢測效率和效果更好。通過紅外熱像圖可以清楚精確地分辨出損傷的面積和程度。

3.1.2 裂縫

由于建筑結(jié)構(gòu)受荷載作用或使用了不合格的水泥混凝土材料可能會引起墻體裂縫，也會造成貫通裂縫而使結(jié)構(gòu)破壞，有時(shí)會導(dǎo)致雨水滲入從而引起更大的麻煩，這些隱藏的缺陷很難通過常規(guī)的檢測方法成功的發(fā)現(xiàn)。而通過紅外熱像儀進(jìn)行檢測，可以快速的清楚顯示。

3.1.3 粘貼飾面［3］

粘貼飾面由于粘貼不良，容易造成滲水甚至剝落。粘貼飾面掉下來砸中汽車或者行人的事件偶有發(fā)生。粘貼飾面剝落在事故發(fā)生之前往往沒有什么征兆，但這些缺陷是逃不過紅外熱像儀的“眼睛”的。目前許多重要建筑物的粘貼飾面都已經(jīng)成功的使用了紅外熱像儀進(jìn)行定期檢查。

3.2 在建筑節(jié)能中的應(yīng)用［4］

據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)記載，能量的消耗30%集中在建筑.當(dāng)前，改善現(xiàn)有建筑、降低其能耗是十分緊迫的任務(wù).擺在我們面前的就是怎樣知道建筑保溫絕熱效果，冬天夏季室內(nèi)外溫差較大，內(nèi)外熱傳導(dǎo)給紅外熱像檢測門窗氣密、保溫滲漏性提供了良好的條件。缺陷造成的漏熱、氣密性不良部位與正常氣密性良好部位存在較明顯的差異，其形成的溫度場分布截然不同，紅外熱像儀能直觀地快速顯示和分辨出來，為施工裝配質(zhì)量檢查和節(jié)能評估提供了科學(xué)依據(jù)。采用紅外熱像檢測技術(shù)可檢測出建筑物的能量損失程度，進(jìn)而準(zhǔn)確地得到建筑保溫絕熱效果。

3.3 受潮和滲漏［4］

受潮是影響建筑物整體性最為嚴(yán)重的因素之一，受潮的原因可能根源于滲漏、冷凝或建筑材料釋放的濕氣;建筑物常常會因?yàn)橥獠坑晁疂B入而造成麻煩。而又很難找到滲入點(diǎn)，借助于紅外熱像儀，在建筑物滲水部位，其水分的熱容性和導(dǎo)熱性與周邊質(zhì)量正常部位的熱容性和導(dǎo)熱性是不同的。當(dāng)太陽光照射后的熱傳導(dǎo)和反射擴(kuò)散，使有缺陷部位在其表面層形成的溫度場分布與周邊正常部位表層溫度分布有著明顯的差異，紅外熱像檢測技術(shù)可以清楚的發(fā)現(xiàn)滲水并找到滲漏源。

4 在混凝土工程中的應(yīng)用

4.1 混凝土路面脫空的檢測

水泥混凝土路面具有承載能力大、穩(wěn)定性好、使用壽命長、日常養(yǎng)護(hù)費(fèi)用少等優(yōu)點(diǎn)，是高等級、重要交通公路運(yùn)輸路面的主要類型之一，在公路建設(shè)中也等到了越來越多的重視。同時(shí)在實(shí)際使用過程中，由于車輛荷載的重復(fù)作用，板下基礎(chǔ)將產(chǎn)生一定的塑性變形，使混凝土板的局部不再和基礎(chǔ)保持連續(xù)接觸，即混凝土板下局部出現(xiàn)了脫空。由于早期出現(xiàn)的脫空病害不能從路表得到及時(shí)的發(fā)現(xiàn)，在路面車輛的作用下，脫空會逐步發(fā)展，最終導(dǎo)致板的斷裂，這時(shí)再進(jìn)行挖除重新澆筑混凝土，將會浪費(fèi)大量的人力物力，也影響了路面的正常使用。因此，混凝土路面的常見病害:脫空、斷裂、破碎等也成為急等解決的問題。

常規(guī)的檢測方法勞動強(qiáng)度大、速度慢，且對路基造成破損，紅外熱像技術(shù)是依據(jù)物體的紅外輻射——表面溫度——材料特性三者間的內(nèi)在關(guān)系，借助紅外熱像儀把來自目標(biāo)的紅外輻射轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢姷臒嵯駡D，通過熱像圖特征分析，直觀地了解物體的表面溫度分布，進(jìn)而達(dá)到推斷物體內(nèi)部結(jié)構(gòu)和表面狀態(tài)的目的，是一種效果較好的混凝土路面脫空的檢測方法。對研究新型路面無損檢測設(shè)備的技術(shù)手段具有重要的現(xiàn)實(shí)意義，它將使道路管理水平和建設(shè)質(zhì)量達(dá)到一個(gè)新的水平。

4.2 結(jié)構(gòu)混凝土火災(zāi)受損、凍融凍壞檢測［6］

目前，對結(jié)構(gòu)混凝土火災(zāi)的損傷程度和混凝土強(qiáng)度的下降范圍，以及混凝土受凍融反復(fù)情況還缺乏快速有效的檢測手段。在國內(nèi)，近年來有些學(xué)者采用紅外熱像技術(shù)對上述混凝土損傷破壞進(jìn)行探測研究工作。根據(jù)混凝土火災(zāi)的物理化學(xué)反應(yīng)，混凝土表層會變得疏松，表面因被直接火燒其疏松程度尤為嚴(yán)重，混凝土強(qiáng)度會隨著疏松程度下降?；炷潦軆鋈谧饔脮霈F(xiàn)剝落破壞和局部疏松，以上均導(dǎo)致混凝土導(dǎo)熱性下降。當(dāng)外界有熱流注入時(shí)，損傷部位的溫度場分布與完好的周邊混凝土溫度場分布有明顯的區(qū)別。從紅外熱像儀上顯示的“熱斑”和“冷斑”比較容易分辨出火燒混凝土和凍融破壞的損傷部位。通過模擬實(shí)驗(yàn)，還可以建立一定條件下混凝土損傷程度和災(zāi)后強(qiáng)度下降的大致對應(yīng)關(guān)系，從而可作為工程實(shí)際紅外檢測熱像圖分辨判斷的標(biāo)識指標(biāo)，為工程修復(fù)加固處理提供參考。

5 在加固工程中的應(yīng)用

5.1 粘鋼加固結(jié)構(gòu)鋼板粘貼質(zhì)量的檢測［7］

傳統(tǒng)的粘鋼結(jié)構(gòu)鋼板粘貼質(zhì)量的檢測方法是肉眼觀察法、敲擊法和超聲波法，但這些方法的局限性和受影響的因素較多。紅外探測器焦距在理論是為20 cm以上到無窮遠(yuǎn)，因而適用于做非接觸、廣視域的大面積無損檢測。該方法具有可記錄在記憶體、用軟件重現(xiàn)數(shù)據(jù)、高效、不需要腳手架，省工時(shí)和檢測結(jié)果可靠等優(yōu)點(diǎn)。對粘鋼加固結(jié)構(gòu)鋼板粘貼質(zhì)量的檢測，紅外熱像檢測技術(shù)是一種高效、方便的檢測方法。

5.2 檢測碳纖維施工質(zhì)量［1］

碳纖維片材通過環(huán)氧膠粘結(jié)在被加固物表面上，如果混凝土表面的剝落、疏松、蜂窩、腐蝕等缺陷沒有采用專用找平材料進(jìn)行處理，碳纖維粘貼上之后容易造成空洞，碳纖維與混凝土沒有很好的粘結(jié);如果涂涮的底層樹脂質(zhì)量不合格或者涂涮的不夠均勻，碳纖維也易造成褶皺、空鼓等缺陷;如果碳纖維施工過程中碳纖維浸漬不充分，易造成碳纖維分層、拉拔時(shí)撕裂等情況。為了保證施工質(zhì)量，《碳纖維片材加固混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》給出“碳纖維有效粘結(jié)面積不應(yīng)低于95%”的規(guī)定，但實(shí)際工程中，不可能對粘貼面做到100%敲擊，只能目測，檢驗(yàn)結(jié)果不能做到準(zhǔn)確客觀。所以，對大面積碳纖維粘貼施工工程，應(yīng)有一種客觀有效的評價(jià)方法。用紅外熱像法檢測技術(shù)檢測碳纖維質(zhì)量非常直觀方便，如果確定比例尺，可以方便地對大片的碳纖維粘貼質(zhì)量進(jìn)行整體評價(jià)，也可以方便地標(biāo)出碳纖維施工過程中的浸漬不完全、空鼓、翹邊等缺陷。

6 總結(jié)

隨著我們對紅外熱像儀技術(shù)的進(jìn)一步認(rèn)識和科研思路及理念的轉(zhuǎn)變，紅外熱像檢測技術(shù)將日趨成熟，將其應(yīng)用于土木工程領(lǐng)域的研究將會有更高廣闊的前景。

［1］唐岱新，王鳳來.土木工程結(jié)構(gòu)檢測鑒定與加固改造新進(jìn)展及工程實(shí)例［M］.北京:中國建材工業(yè)出版社，2006

［2］陸建勇，鐘建國.紅外熱像檢測技術(shù)在建筑工程中的應(yīng)用［J］.陜西建筑，2007(1):4－5

［3］李命成，葉斌.應(yīng)用紅外熱成像技術(shù)檢測飾面花崗巖的粘貼質(zhì)量［J］.工程質(zhì)量，2004(1):15－17

［4］余曼麗，潘偉，朱若寒.紅外成像檢測技術(shù)在工程中的應(yīng)用及其發(fā)展［J］.國外建材科技，2007，28(9):323 －324

［5］林志杰，郭德棟，陳穎.紅外熱像儀在路面離析檢測和評定中的應(yīng)用［J］.山西建筑，2007，33(9):323－324

［6］吳新璇.混凝土無損檢測技術(shù)手冊［M］.北京:人民交通出版社，2004

［7］黃文浩，艾軍，田裕鵬，等.粘鋼加固結(jié)構(gòu)鋼板粘貼質(zhì)量的檢測新方法［J］.建筑技術(shù)，2006，37(6):1－4