紅外熱像技術(shù)在混凝土檢測(cè)中的應(yīng)用現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)

蔣濟(jì)同,范曉義

(中國(guó)海洋大學(xué)工程學(xué)院,青島 266100)

對(duì)紅外熱像技術(shù)應(yīng)用方面的研究,最早出現(xiàn)在20世紀(jì)60年代的美國(guó)。20世紀(jì)70年代末,已經(jīng)有學(xué)者應(yīng)用紅外成像技術(shù)診斷建筑物的熱損耗、屋頂滲水、圍墻缺陷以及查找路面的次表面缺陷等。此技術(shù)在我國(guó)起步較晚,在20世紀(jì)90年代初,我國(guó)才有學(xué)者將紅外熱像診斷技術(shù)和土木工程結(jié)合起來(lái),在建筑物熱損耗、建筑材料缺陷探測(cè)和建筑外墻施工質(zhì)量等方面進(jìn)行了初步的應(yīng)用研究。紅外熱像技術(shù)是一種全新、靈敏的檢測(cè)方法,也是一種很好的監(jiān)測(cè)方法,其重要的特點(diǎn)是可以快速、非接觸、大面積地掃查檢測(cè)物表面,并且不損傷檢測(cè)物,結(jié)果直觀形象,易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化和實(shí)時(shí)觀測(cè)[1]。

1 紅外熱像技術(shù)的基本原理

在自然界中,任何高于絕對(duì)零度的物體都是紅外輻射源,紅外線是介于可見(jiàn)紅光和微波間的電磁波,它的波長(zhǎng)范圍在0.76～1 000μm之間。其中只有3～5和8～14μm的波段能很好地透過(guò),紅外探測(cè)器就是利用這個(gè)波段進(jìn)行探測(cè)的[2]。當(dāng)物體內(nèi)部存在裂縫和缺陷時(shí),它將改變物體的熱傳導(dǎo),使物體表面溫度的分布產(chǎn)生差別,利用紅外熱成像儀測(cè)量它的不同熱輻射,可以檢測(cè)出物體的缺陷位置。紅外熱像檢測(cè)原理如圖1所示[3]。

2 紅外熱像技術(shù)在混凝土檢測(cè)中的應(yīng)用現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)

紅外熱像檢測(cè)在土木工程中的應(yīng)用,國(guó)外已經(jīng)研究了相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間,在許多國(guó)家應(yīng)用已久,如美國(guó)ASTM和ASNT一直致力于對(duì)此項(xiàng)技術(shù)的研究,并制定了有關(guān)檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn),作為實(shí)際檢測(cè)過(guò)程中的指導(dǎo)性文件。該技術(shù)在國(guó)內(nèi)尚處于起步階段,但應(yīng)用前景十分廣泛。目前利用紅外熱像技術(shù)對(duì)混凝土無(wú)損檢測(cè)的研究熱點(diǎn)集中在對(duì)紅外熱像獲取的熱源的改進(jìn),缺陷深度、大小的定量化研究以及如何把研究成果運(yùn)用到復(fù)雜的實(shí)際工程當(dāng)中。

圖1 紅外熱像檢測(cè)物體原理示意圖

2.1 熱源的改進(jìn)

針對(duì)混凝土的有關(guān)檢測(cè)過(guò)程中如何改進(jìn)熱源這一問(wèn)題,國(guó)內(nèi)外研究人員主要是采用大功率的紅外脈沖加熱裝置、紅外燈照射、超聲紅外技術(shù)和高能閃光燈等熱源。德國(guó)的Ch Maierhfer和 H w iggenhuaser等人[4-5]在對(duì)混凝土中的缺陷及碳纖維增強(qiáng)表面粘結(jié)層的脫膠情況進(jìn)行檢測(cè)的過(guò)程中,采用大功率的紅外脈沖加熱裝置,效果很好。文獻(xiàn)[6]和[7]中Takahide Sakagami等研究人員利用紅外燈照射對(duì)混凝土內(nèi)部的層離缺陷進(jìn)行了分析研究,得出了混凝土內(nèi)部缺陷隨埋設(shè)深度及缺陷的幾何大小變化的關(guān)系曲線。另外,S Vallerand和X Maldague[8]在脈沖加熱的紅外熱激勵(lì)條件下,比較了數(shù)理統(tǒng)計(jì)法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法對(duì)材料的內(nèi)部缺陷檢測(cè)的優(yōu)劣,指出了各種方法的適用條件。國(guó)內(nèi),李卓球、黃莉、伍穎和宋顯輝等[9-11]在通電的情況下,利用碳纖維混凝土的電熱效應(yīng),對(duì)含預(yù)制裂紋的碳纖維混凝土缺陷體進(jìn)行紅外無(wú)損檢測(cè),采用有限元的方法計(jì)算得到了電熱碳纖維混凝土缺陷體的表面溫度分布及其最大溫差,得出了隨著材料電阻率的降低和裂紋逐步加深,檢測(cè)靈敏度顯著提高的結(jié)論,為優(yōu)化和評(píng)估電熱紅外檢測(cè)方案提供了重要的數(shù)值依據(jù)。國(guó)內(nèi)外的科研人員在檢測(cè)過(guò)程中嘗試了不同的熱源,但使用外加熱源時(shí),在檢測(cè)物上產(chǎn)生的溫度場(chǎng)具有以熱源對(duì)應(yīng)點(diǎn)為中心,向外圍梯度遞減的特點(diǎn),影響檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性。如何通過(guò)變換外加熱源的角度,或增加熱源的數(shù)量,在檢測(cè)區(qū)域進(jìn)行疊加,來(lái)降低檢測(cè)誤差以及尋找空間梯度小、時(shí)間梯度大的新式熱源將是今后紅外熱像檢測(cè)技術(shù)的一個(gè)主要研究方向。

2.2 定量化研究

在混凝土紅外熱像檢測(cè)中的缺陷深度、大小的定量化研究方面,Pietro Giovanni Bocca等[12]在實(shí)驗(yàn)條件下,確定了混凝土裂縫大小與溫度減小量之間的關(guān)系,從而縮短了現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)的時(shí)間。研究人員D Defer和JShen[13]等詳細(xì)推導(dǎo)了自然條件下帶缺陷層的多層平壁導(dǎo)熱公式,同時(shí)根據(jù)熱阻的概念,利用自然界溫度場(chǎng),通過(guò)紅外熱像法對(duì)結(jié)構(gòu)物的內(nèi)部分層缺陷進(jìn)行了定量研究。北京航空航天大學(xué)的王永茂等[14]為定量測(cè)定缺陷,提出由有缺陷區(qū)域表面溫度和由表面溫差達(dá)到最大值的峰值時(shí)間確定缺陷深度的兩種紅外檢測(cè)方法,同時(shí)給出由紅外圖像確定缺陷尺寸的方法。這些方法主要適合于檢測(cè)試件淺表面較大面積的缺陷。武漢大學(xué)的楊銳玲[15]根據(jù)熱傳導(dǎo)方程和熱輻射邊界條件,從理論上建立了計(jì)算混凝土內(nèi)部缺陷深度公式和確立了該公式適用范圍及條件,最后給出了截?cái)嗾`差計(jì)算公式。從實(shí)際與模擬的角度出發(fā),同濟(jì)大學(xué)的趙鳴、李杰和王婷等[16-17]借助一維與二維熱傳導(dǎo)物理模型進(jìn)行混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部缺陷深度與厚度的識(shí)別,實(shí)現(xiàn)了對(duì)混凝土內(nèi)部缺陷的三維重構(gòu),并采用LM人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)缺陷的深度和厚度進(jìn)行了計(jì)算。清華大學(xué)的孫格靚,王厚亮等[18]同樣利用紅外熱像儀對(duì)碳纖維增強(qiáng)混凝土構(gòu)件的破壞進(jìn)行了全過(guò)程的檢測(cè),得出了不同破壞階段紅外圖像溫度特征的變化曲線。對(duì)于缺陷深度、大小的定量化研究,目前進(jìn)行試驗(yàn)的材料多為勻質(zhì)材料,缺陷的深度較淺。如何建立適用于多數(shù)復(fù)雜的實(shí)際工程計(jì)算模型,加強(qiáng)定量運(yùn)算也將是研究的重點(diǎn)。

目前對(duì)于紅外熱像檢測(cè)的定性和定量研究已經(jīng)取得了很大進(jìn)展,因此如何把研究成果運(yùn)用到復(fù)雜的實(shí)際工程當(dāng)中就成為各國(guó)科研人員研究的熱點(diǎn)問(wèn)題。英國(guó)的Clark MR[19-21]等利用紅外熱像技術(shù)在較低溫度下對(duì)混凝土分層和橋梁砌體粘結(jié)質(zhì)量、石拱橋的背部滲水和鐵路碎石路基的工作狀況檢測(cè)進(jìn)行了試驗(yàn),并且把該技術(shù)應(yīng)用到了實(shí)際工程中。Valluzzi MR等[22]通過(guò)紅外熱像技術(shù),對(duì)一些歷史建筑物的維護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了損傷檢測(cè),并利用該方法進(jìn)行修復(fù)狀態(tài)檢測(cè)。此外,為了探討紅外熱像檢測(cè)技術(shù)在現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)的效果,Maierhofer Ch等[23]將紅外熱像法和探地雷達(dá)法對(duì)混凝土淺層的內(nèi)部缺陷的檢測(cè)效果進(jìn)行試驗(yàn)比較,結(jié)果證實(shí)紅外熱像法在一定條件下比較有效。中國(guó)地震局綜合觀測(cè)中心的鄧明德[24-25]通過(guò)試驗(yàn)得到混凝土的紅外輻射能量隨著壓力變化而顯著變化的關(guān)系。此變化與溫度無(wú)關(guān),完全由壓力引起,不需要經(jīng)歷生熱的中間物理過(guò)程。這一物理現(xiàn)象在世界上第一次被發(fā)現(xiàn),為混凝土工程應(yīng)力測(cè)量提出了新原理、新方法和新技術(shù),具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值和前景。東北大學(xué)的研究人員劉善軍、河北理工大學(xué)的張艷博等[26]共同提出對(duì)內(nèi)含水體的混凝土試樣進(jìn)行單軸壓縮加載,利用紅外熱像儀并輔以聲發(fā)射儀,觀測(cè)加載過(guò)程中試樣的紅外輻射與聲發(fā)射變化特征,研究混凝土破裂與滲水的紅外異常前兆的方法。該試驗(yàn)結(jié)果對(duì)水庫(kù)大壩以及其他儲(chǔ)水混凝土工程破裂與滲水的遙感監(jiān)測(cè)與災(zāi)變預(yù)警具有重要的意義。在評(píng)估災(zāi)害對(duì)建筑物結(jié)構(gòu)的影響上,同濟(jì)大學(xué)的張雄等科研人員[27-32]更是在國(guó)際上首創(chuàng)了用紅外熱像技術(shù)對(duì)火災(zāi)混凝土的檢測(cè)方法,不但得到了火災(zāi)混凝土紅外熱像的平均溫升隨時(shí)間的變化曲線,而且確定了平均升溫與預(yù)期收獲溫度損失之間的回歸方程,為建筑物在火災(zāi)中損害的評(píng)估檢測(cè)提供了一種新思路。

綜上可以看出,紅外熱像檢測(cè)技術(shù)與常規(guī)檢測(cè)方法相比優(yōu)勢(shì)比較明顯,國(guó)內(nèi)外研究人員在各自的領(lǐng)域也取得了相應(yīng)的研究成果,有些成果也已經(jīng)成功地在實(shí)踐中得到了應(yīng)用,并取得了良好的效果。

3 結(jié)語(yǔ)

目前國(guó)內(nèi)外研究人員已經(jīng)對(duì)紅外熱像檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行了廣泛的研究,但仍然存在不足：①如何通過(guò)變換外加熱源的角度或增加熱源的數(shù)量在檢測(cè)區(qū)域內(nèi)進(jìn)行疊加來(lái)降低檢測(cè)誤差以及沒(méi)有找到空間梯度小、時(shí)間梯度大的新式熱源。②在缺陷深度、大小的定量化研究方面,目前進(jìn)行試驗(yàn)的材料多為勻質(zhì)材料,缺陷的深度較淺,沒(méi)有適當(dāng)?shù)挠?jì)算模型使其能運(yùn)用于復(fù)雜的實(shí)際工程當(dāng)中。③在紅外圖像的后期處理方面,圖像的幾何校正和拼接、溫度梯度校正、背景校正、噪聲分析和消噪、統(tǒng)計(jì)算法等問(wèn)題都沒(méi)有得到很好的解決。相信隨著各學(xué)科的交叉發(fā)展以及各項(xiàng)研究的突破,紅外熱像檢測(cè)技術(shù)在研究和實(shí)際應(yīng)用中出現(xiàn)的這些問(wèn)題都能夠得到很好的解決,從而進(jìn)一步發(fā)揮其在無(wú)損檢測(cè)上的優(yōu)勢(shì)。

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