紅外熱成像法對鋼筋套筒灌漿飽滿度檢測研究

雒加巖 王曉航 趙 杰

1. 河南省第二建設(shè)集團有限公司 河南 鄭州 451464；

2. 陜西省建筑設(shè)計研究院集團有限公司 陜西 西安 710018

隨著國家和地方政府大力發(fā)展住宅產(chǎn)業(yè)化，在政策導(dǎo)向的背景下裝配式建筑已經(jīng)進入快速發(fā)展時期，裝配式混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)作為一種新型的建筑結(jié)構(gòu)形式正在全國大規(guī)模推廣。裝配式剪力墻和預(yù)制梁結(jié)構(gòu)中存在大量的水平接縫、豎向接縫及節(jié)點，這些接縫和關(guān)鍵節(jié)點的連接質(zhì)量一直是建筑行業(yè)關(guān)注的核心問題之一[1]。鋼筋套筒灌漿連接是國內(nèi)外裝配式混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)預(yù)制構(gòu)件鋼筋連接的主要方式，套筒灌漿的飽滿程度將直接影響結(jié)構(gòu)的抗震性能和承載能力，對裝配式結(jié)構(gòu)的耐久性和安全性起到關(guān)鍵作用。但目前在實際工程中，針對鋼筋套筒灌漿飽滿度檢測還沒有相關(guān)的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，主要是通過現(xiàn)場監(jiān)督和對平行試件進行拉伸試驗來對套筒連接質(zhì)量進行控制。國內(nèi)學(xué)者采用超聲波、X射線、阻尼振動法等無損檢測方法，針對鋼筋套筒灌漿飽滿度的檢測進行了相關(guān)的技術(shù)研究[2]，結(jié)果表明：超聲波檢測能夠定性地分析出套筒脫空缺陷，對于預(yù)埋在混凝土內(nèi)的套筒需要借助幅值進行判斷[3-4]；采用X射線，對套筒居中或梅花形布置在200 mm厚的預(yù)制剪力墻，可界定鋼筋套筒灌漿飽滿區(qū)域和未灌漿區(qū)域[5-6]；采用阻尼振動法可以通過傳感器反饋的波形信號定性地判斷套筒內(nèi)灌漿料的飽滿度[7]。近年來，紅外熱成像技術(shù)作為一種簡單、快捷、安全的無損檢測手段在不斷地發(fā)展和完善，紅外熱成像技術(shù)雖然只能夠識別物體表面的溫度分布情況，但通過提前對被檢測物體進行熱源激勵，也可以實現(xiàn)一定深度內(nèi)的脫空缺陷檢測，在建筑無損檢測領(lǐng)域應(yīng)用也比較廣泛[8]，如外墻飾面脫空缺陷檢測[9]、粘鋼加固脫空缺陷檢測[10-11]、鋼-混凝土脫空缺陷檢測[12-13]等。所以本文將在傳熱學(xué)和熱輻射理論的基礎(chǔ)上，通過理論與試驗相結(jié)合的方式對純鋼筋套筒和具有一定混凝土保護層厚度的鋼筋套筒表面溫度場進行研究。

1 套筒灌漿缺陷紅外檢測理論基礎(chǔ)

在自然界中，高于絕對零度（－273.15 ℃）的物體均可以輻射紅外線，根據(jù)玻爾茲曼定律可知，物體表面的發(fā)射率保持一致時，紅外輻射總功率和物體表面溫度的四次方成正比，紅外輻射總功率與溫度的關(guān)系可表示為[14]：

式中：P——紅外熱輻射總功率，W/m2；

ε——被測物表面紅外輻射率；

σ——玻爾茲曼常數(shù)，σ=5.67×10-8W/（m2·K4）；

T——熱力學(xué)溫度，K。

根據(jù)傳熱學(xué)中熱量守恒定律、傅里葉熱傳導(dǎo)定律，熱傳導(dǎo)方程可表示為[15]：

式中：ρ——密度，kg/m3；

c——比熱容，J/（kg·K）；

λ——導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m·K）。

導(dǎo)熱系數(shù)是熱量傳遞的重要參數(shù)，套筒、灌漿料、混凝土以及空氣的導(dǎo)熱系數(shù)[15]見表1。在鋼筋套筒內(nèi)部灌漿料存在脫空時，給鋼筋套筒均勻地施加熱量，由于空氣的導(dǎo)熱系數(shù)非常小且灌漿料和空氣的導(dǎo)熱系數(shù)相差較大，脫空處空氣阻礙了熱量向內(nèi)部傳遞，使得套筒脫空區(qū)域表面的溫度比正常區(qū)域的要高，可通過紅外熱圖像來識別出灌漿套筒內(nèi)部缺陷的情況。

表1 材料的導(dǎo)熱系數(shù)

2 試驗與數(shù)值模擬

2.1 試驗?zāi)Ｐ驮O(shè)計與制作

由于紅外熱成像是檢測物體表面的溫度，考慮到熱量穿透混凝土和金屬的能力，本試驗設(shè)計了A類純套筒模型和B類具有一定混凝土保護層厚度的套筒模型。

A類試驗?zāi)Ｐ瓦x取Q345鋼和球墨鑄鐵2種不同材質(zhì)的鋼筋套筒，套筒的長度為150 mm，內(nèi)部填充CGM高強灌漿料。在灌漿壓力不夠或者套筒漏漿等不確定因素下會產(chǎn)生脫空缺陷，灌漿料具有較強的流動性且在自重的作用下會使得脫空缺陷存在于套筒的上端部，其中，灌漿料脫空的高度和其他參數(shù)見表2，根據(jù)設(shè)計的試件模型脫空缺陷的高度計算出脫空的體積和灌漿料的體積，以保證實際灌漿時脫空缺陷的高度。套筒脫空缺陷位置如圖1所示。B類試驗?zāi)Ｐ凸苍O(shè)計3個具有混凝土保護層的套筒連接試件，混凝土保護層厚度分別為10、15、20 mm，C40混凝土配合比見表3，具有混凝土保護層的套筒脫空缺陷示意見圖2。

表2 A類試件模型基本信息

圖1 純套筒垂直和水平脫空缺陷示意

表3 C40混凝土配合比單位：kg/m3

圖2 具有混凝土保護層的套筒脫空缺陷示意

2.2 紅外熱成像檢測

本試驗采用主動熱源激勵的方式進行加熱，使用功率為1 500 W的光波遠紅外線加熱燈裝置，它具有熱慣性小、升溫速度快、加熱溫度均勻等優(yōu)點。熱源距套筒為0.5 m，分別對鋼筋套筒照射一定的時間，去掉熱源后用紅外熱成像儀器拍攝，紅外熱成像儀型號為美國FILR T610，該儀器的紅外圖像分辨率為640×480像素，熱靈敏度＜0.05 K。將鋼筋套筒表面均勻噴上黑色的油漆，以減小金屬表面發(fā)射率低帶來的誤差，將經(jīng)接觸式測溫儀測得的溫度與紅外熱成像儀測得的溫度進行對比修正，校核了紅外熱成像儀的輻射率為0.83。

3 結(jié)果與討論

3.1 套筒壁厚對套筒表面溫度場的影響

圖3是1號、2號鑄鐵套筒在熱激勵180 s撤掉熱源后的紅外熱成像圖，可以看出套筒上端有一個很亮的區(qū)域，且與預(yù)先設(shè)置好的脫空缺陷位置一致。

圖3 不同套筒壁厚180 s熱激勵的紅外熱成像

通過FILR Tools軟件提取出套筒脫空缺陷處和飽滿處不同加熱時間下的溫度數(shù)據(jù)，得出兩者間的溫差，結(jié)果見圖4，可以看出在加熱180 s時，4 mm和5 mm套筒壁厚脫空缺陷處和飽滿處的溫差可達2 K以上，結(jié)合紅外熱成像圖可以識別出脫空高度為50 mm的缺陷。隨著熱激勵時間的變化，脫空缺陷處和飽滿處的溫差逐漸增大，套筒壁厚為4 mm的溫差曲線總在5 mm的上方，這是因為套筒的導(dǎo)熱系數(shù)較大，套筒壁厚的增加會使熱量傳導(dǎo)的路徑變長，在傳導(dǎo)過程中會損失一部分熱量，使得壁厚越大溫度升高就越慢，相應(yīng)地溫差也會減小。

圖4 套筒壁厚隨加熱時間對豎向套筒表面溫差的影響

3.2 脫空缺陷尺寸對套筒表面溫度場的影響

圖5、圖6是垂直和水平灌漿鋼套筒在熱激勵180 s時撤掉熱源后的紅外熱成像圖，可以明顯看出垂直灌漿套筒和水平灌漿套筒發(fā)亮的區(qū)域大小不一樣，發(fā)亮區(qū)域與預(yù)先設(shè)置好的脫空缺陷尺寸大小基本吻合，且缺陷尺寸越大中心溫度就越高。

圖5 垂直灌漿套筒不同脫空高度180 s熱激勵的紅外熱成像

圖6 水平灌漿套筒不同脫空高度180 s熱激勵的紅外熱成像

利用FILR Tools軟件提取出套筒不同熱激勵時間下脫空缺陷處和飽滿處的溫度數(shù)據(jù)，計算出兩者之間的溫差，繪制出脫空缺陷處與飽滿處套筒表面溫差隨熱激勵時間的變化曲線，結(jié)果見圖7、圖8，可以看出隨著熱激勵時間的增加，套筒飽滿處與缺陷處的溫差也在增大。結(jié)合紅外熱成像圖和溫差數(shù)據(jù)對不同脫空缺陷尺寸檢測效果進行對比分析，可以發(fā)現(xiàn)50 mm以上脫空高度的垂直灌漿套筒可以在熱激勵60 s時識別出，溫差在2 K以上，對于10 mm以上脫空高度的水平灌漿套筒在熱激勵120 s時，最大溫差可達2 K以上。分析其原因，主要是由于空氣的導(dǎo)熱系數(shù)比灌漿料小，脫空缺陷處套筒表面的熱量向內(nèi)部傳遞熱量受阻，熱量積聚在套筒表面，且缺陷尺寸越大熱量堆積在套筒表面的熱量越多，所形成的溫差就越大，而小脫空缺陷表面堆積的熱量較少，則需要更長的加熱時間才能產(chǎn)生溫差。

圖7 脫空缺陷尺寸隨加熱時間對垂直套筒表面溫差的影響

圖8 脫空缺陷尺寸隨加熱時間對水平套筒表面溫差的影響

通過對比脫空高度為50 mm的鑄鐵套筒和鋼套筒在熱激勵180 s時紅外熱成像圖和溫度數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)鋼筋套筒與灌漿料的導(dǎo)熱系數(shù)相差越大，對套筒脫空區(qū)域與正常區(qū)域表面溫差的影響就越顯著。

3.3 混凝土保護層厚度對混凝土表面溫度場的影響

圖9為不同混凝土保護層厚度的套筒在熱激勵300 s時撤掉熱源后的紅外熱成像圖。從圖中可以明顯看出當(dāng)保護層厚度為10 mm時，可判斷出套筒的輪廓，且灌漿套筒和未灌漿套筒顏色較暗，這是由于金屬導(dǎo)熱性好，傳遞熱量的能力比較快，套筒吸收了混凝土表面的熱量使得混凝土表面溫度低，而灌漿的顏色比未灌漿顏色深是因為套筒內(nèi)的灌漿料也吸收了一部分熱量，造成灌漿的套筒混凝土表面溫度低于未灌漿套筒的；當(dāng)保護層厚度為15 mm時，雖然可以識別出灌漿套筒的輪廓，但是未灌漿的套筒邊界不明顯；從圖中識別不出混凝土保護層在20 mm厚時套筒的輪廓及灌漿情況。分析其原因，主要是因為混凝土的導(dǎo)熱能力低，隨著混凝土保護層厚度的增加，熱量從混凝土表面到達套筒的路徑增加，熱量在沒有到達套筒表面前已經(jīng)橫向擴散，使得混凝土表面最終無法產(chǎn)生溫度差異。

圖9 不同混凝土保護層厚度的套筒300 s熱激勵紅外熱成像

通過FILR Tools軟件在不同混凝土保護層厚度的表面分別繪制出路徑線R（a）、R（b），提取路徑上點的溫度值并繪制出曲線圖，如圖10所示。從圖中可以看出每條曲線上正好存在2個極小值，分別對應(yīng)未灌漿套筒和灌漿套筒，且極值d比極值e溫度高，極值f比極值g溫度高，與前面分析的一致，這是由于套筒導(dǎo)熱系數(shù)遠比空氣和灌漿料大，套筒的熱傳導(dǎo)占主要原因，將混凝土表面的熱量吸收，使得混凝土表面溫度降低，呈現(xiàn)出較暗的顏色。當(dāng)套筒不含灌漿料時，內(nèi)部的空氣阻礙熱量的傳導(dǎo)，使沒有灌漿套筒比灌漿套筒混凝土表面的溫度高。結(jié)合紅外熱成像圖和路徑溫度分布曲線進行分析，可以識別出厚15 mm以內(nèi)混凝土保護層的套筒未灌漿和灌漿區(qū)域。

圖10 不同混凝土保護層厚度沿路徑R（a）、R（b）溫度分布曲線

4 結(jié)語

1）紅外熱成像技術(shù)可以定性識別出純鋼筋套筒試件脫空缺陷的位置，當(dāng)套筒壁厚小于5 mm時，通過套筒表面溫度差異可以有效識別脫空高度在50 mm以上的豎向垂直套筒缺陷，對于橫向水平套筒，可識別出10 mm以上脫空高度的缺陷。目前該方法可以作為套筒內(nèi)脫空缺陷輔助性判斷，對施工現(xiàn)場套筒平行試件進行工藝檢測。

2）采用主動熱源激勵的方式對具有一定混凝土保護層的套筒加熱5 min，對于混凝土保護層厚度在10 mm以內(nèi)的套筒，可判別出套筒未灌漿區(qū)域和灌漿區(qū)域；當(dāng)混凝土保護層厚度在15 mm時，紅外熱成像圖中未灌漿的套筒邊界不明顯，但利用路徑溫度分布曲線可以界定出未灌漿套筒與灌漿套筒；當(dāng)混凝土保護層厚度在20 mm時，紅外熱成像技術(shù)無法檢測出套筒灌漿情況。

3）針對不同套筒材質(zhì)進行試驗，發(fā)現(xiàn)套筒與灌漿料的導(dǎo)熱系數(shù)相差越大，對溫差的影響越顯著，識別脫空缺陷的效果越明顯。

4）由于紅外儀器對檢測環(huán)境要求比較嚴(yán)格，現(xiàn)場環(huán)境受周圍物體溫度及天氣等因素影響較多，因此，還需要進行大量的現(xiàn)場試驗，尋找不同因素下脫空和密實套筒成像效果。