混凝土板裂縫的超聲紅外熱像檢測機(jī)理

蔣雅君，任 榮，馮輔周，趙菊梅

(1.西南交通大學(xué)交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610031； 2.陸軍裝甲兵學(xué)院車輛工程系，北京 100072)

開裂是混凝土結(jié)構(gòu)服役期內(nèi)最常見的病害形式，所產(chǎn)生的裂縫不但削弱了結(jié)構(gòu)的承載能力及整體性能，而且也會使得滲漏水和鋼筋銹蝕的可能性增加，降低混凝土的耐久性.因此，目前混凝土結(jié)構(gòu)病害的檢測中，裂縫是重點(diǎn)檢查內(nèi)容.除了目測以外，常見混凝土裂縫檢測方法主要包括波動法、紅外法、線性相機(jī)法和激光掃描法，但是以上方法用于裂縫缺陷檢測都有其局限性[1-5]：波動法的檢測效率低，紅外法難以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定熱源，線性相機(jī)法和激光掃描法的檢測精度還有待提高.因此，急需探索新的檢測方法及技術(shù)，以提高混凝土裂縫檢測的效率和精度.

超聲紅外熱像檢測方法是一種新型無損檢測技術(shù)，該方法已經(jīng)在金屬、碳纖維、陶瓷等材料缺陷檢測上得到一定應(yīng)用，被證明具有熱源穩(wěn)定、損傷小、精度高、速度快等優(yōu)點(diǎn)[6].Favro等[7]、Han等[8-9]和 Song[10]基于數(shù)值仿真和試驗(yàn)，研究了超聲紅外熱像檢測方法的理論原理、影響因素和檢測效果.Renshaw等[11]研究發(fā)現(xiàn)摩擦滑移作用、塑性變形和材料黏彈性共同促成試件缺陷生熱.Roberto等[12]研究了無表面接觸的缺陷生熱方式，證明無接觸面的缺陷生熱源于阻尼和黏彈性效應(yīng)，并且無接觸面缺陷振動生熱與構(gòu)件振型及自振頻率有關(guān).米小兵等[13]、陳趙江等[14]基于三維彈性動力學(xué)方程，引入罰函數(shù)及界面本構(gòu)摩擦模型，推導(dǎo)出裂縫生熱的計(jì)算理論，并研究了超聲激勵(lì)下試件的非線性振動.張超省等[15-16]、閔慶旭等[17]通過設(shè)計(jì)超聲紅外熱像檢測系統(tǒng)，對裝甲裝備裂縫缺陷展開生熱特性、檢測條件優(yōu)化等研究，進(jìn)一步拓展了超聲紅外熱像檢測方法的應(yīng)用領(lǐng)域.但以上研究僅針對金屬、碳纖維、陶瓷等類材料缺陷，其研究成果對于混凝土材料的適用性不強(qiáng).胡振華等[18]和賈宇等[19]結(jié)合數(shù)值仿真和試驗(yàn)，研究了超聲紅外熱像檢測技術(shù)對混凝土缺陷的適用性，發(fā)現(xiàn)該技術(shù)可快速高效地檢測出混凝土裂縫和疏松缺陷，但對于影響裂縫生熱的相關(guān)因素，該研究并未給出試驗(yàn)分析與驗(yàn)證.因此，超聲紅外熱像檢測方法雖然已經(jīng)初步引入到混凝土結(jié)構(gòu)裂縫的檢測中，但是相關(guān)的機(jī)理、主要影響因素及規(guī)律尚未得到深入的研究和探討.

基于此，本文通過開展超聲激勵(lì)下混凝土板裂縫生熱室內(nèi)試驗(yàn)，對超聲激勵(lì)下混凝土板裂縫生熱的機(jī)理及主要影響因素進(jìn)行驗(yàn)證和探索，希望為該方法的進(jìn)一步應(yīng)用提供指導(dǎo)和依據(jù).

1 試驗(yàn)概況

1.1 超聲紅外熱像檢測系統(tǒng)

本研究中采用的超聲紅外熱像檢測系統(tǒng)的試驗(yàn)裝置如圖1所示，主要由超聲發(fā)射系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)、紅外熱像儀和試件4個(gè)部分組成.

圖1 超聲紅外熱像檢測系統(tǒng)及其示意圖Fig.1 Ultrasonic infrared thermal imaging detection system and its device schematic

超聲發(fā)射系統(tǒng)由超聲聚能桿、預(yù)緊力調(diào)控裝置及超聲電源組成，超聲聚能桿由換能器、調(diào)幅器和工具桿組成.超聲電源為BRANSON DCX S，輸出電流頻率為20 kHz，輸出功率為1.25 kW，采用必能信CJ20超聲波換能器，工作頻率為20 kHz，工具桿桿頭端面振動激勵(lì)的最大幅值為60 μm.熱像儀為FLIR T640紅外熱像儀，性能參數(shù)如表1所示.

表1 FLIR T640紅外熱像儀性能參數(shù)

1.2 試件制備

參照相關(guān)規(guī)范[20]進(jìn)行混凝土板試件的制備，混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級為C35.采用如圖2所示的模具制備試件，試件尺寸為200 mm×100 mm×10 mm.通過在模具預(yù)留縫隙處插入0.04 mm厚的塞尺(試件脫模時(shí)取出)，實(shí)現(xiàn)在混凝土試件的中上部預(yù)制深度為10 mm、寬0.04 mm的裂縫.

圖2 混凝土板試件制備鋼模具設(shè)計(jì)圖(單位：mm)Fig.2 Design drawing of steel mold for concrete plate test piece (unit: mm)

在標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護(hù)28 d后，在帶裂縫的混凝土試件表面涂刷啞光漆(見圖3)，準(zhǔn)備進(jìn)行超聲激勵(lì)試驗(yàn).試驗(yàn)結(jié)束后，采用硬化混凝土氣孔結(jié)構(gòu)分析儀(CABR-457)對裂縫面成像，該儀器的顯微鏡分辨率小于2 μm，顯微鏡最大放大倍數(shù)為200，見圖4.

圖3 帶裂縫的混凝土板試件Fig.3 Concrete slab specimens with cracks

圖4 混凝土氣孔結(jié)構(gòu)分析儀Fig.4 Concrete pore structure analyzer

1.3 試驗(yàn)步驟

首先在試件上標(biāo)記激勵(lì)位置，再將耦合材料粘貼于激勵(lì)位置；然后固定試件，連接超聲電源、熱像儀、計(jì)算機(jī)，啟動計(jì)算機(jī)、熱像儀和超聲電源，打開超聲熱像控制及采集程序，調(diào)試儀器及軟件至正常工作狀態(tài)；最后按照試驗(yàn)方案開展試驗(yàn).試驗(yàn)后，將混凝土板件固定在氣孔結(jié)構(gòu)分析儀的托架上，控制托架位置使裂縫處于顯微鏡鏡頭下，調(diào)焦后可得到裂縫顯微鏡成像.

1.4 試驗(yàn)方案

1)單因素激勵(lì)參數(shù)變化對裂縫生熱的影響試驗(yàn)

試驗(yàn)初始條件為預(yù)緊力120 N，激勵(lì)時(shí)間1.00 s，激勵(lì)強(qiáng)度為20%(空載下激勵(lì)頭的振幅為20 μm)，激勵(lì)位置為試件右上側(cè).本項(xiàng)試驗(yàn)分為3組，每組10次(試驗(yàn)A至試驗(yàn)J)，共計(jì)需3×10=30次試驗(yàn)，每組試驗(yàn)具體方案參見表2，每次試驗(yàn)后應(yīng)等待3 min使試件冷卻至室溫.其中，控制變量為激勵(lì)時(shí)間時(shí)，預(yù)緊力為100 N，激勵(lì)強(qiáng)度為20%；控制變量為預(yù)緊力時(shí)，激勵(lì)時(shí)間為1.00 s，激勵(lì)強(qiáng)度為20%；控制變量為激勵(lì)強(qiáng)度時(shí)，激勵(lì)時(shí)間為1.00 s，預(yù)緊力為100 N.

表2 單因素激勵(lì)參數(shù)變化對裂縫生熱的影響試驗(yàn)方案

2)多因素激勵(lì)參數(shù)變化對裂縫生熱的影響試驗(yàn)

取激勵(lì)時(shí)間為1.00 s，預(yù)緊力分別為40、60、80、100、120 N，激勵(lì)強(qiáng)度分別為16%、18%、20%、22%、24%，為保證2種因素下的各種組合均被考慮，設(shè)計(jì)交叉試驗(yàn)方案，具體方案參見表3.

表3 多因素激勵(lì)參數(shù)變化對裂縫生熱的影響試驗(yàn)方案

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 單因素激勵(lì)參數(shù)變化對裂縫生熱的影響試驗(yàn)結(jié)果

2.1.1 不同激勵(lì)時(shí)間下裂縫生熱結(jié)果

提取試件熱像圖最高升溫像素點(diǎn)的數(shù)據(jù)，繪制其溫度隨時(shí)間的變化曲線(曲線經(jīng)平滑處理)，見圖5(a).同時(shí)提取超聲激勵(lì)停止時(shí)刻、激勵(lì)時(shí)間為0.20～2.00 s試件裂縫區(qū)域紅外熱像圖，見圖6.

圖5 試件在不同激勵(lì)參數(shù)下像素點(diǎn)的溫升曲線Fig.5 Temperature rise curve of sample under different excitation parameters

圖6 試件在激勵(lì)時(shí)間為0.20～2.00 s且超聲激勵(lì)停止時(shí)刻的裂縫區(qū)域熱像圖Fig.6 Thermal image of crack area of specimen at the time of stopping of ultrasonic excitation and excitation time of 0.20-2.00 s

由圖5(a)可知，激勵(lì)啟動后，像素點(diǎn)溫度持續(xù)上升，溫度迅速上升的實(shí)際區(qū)間是0～0.25 s，當(dāng)時(shí)間大于0.25 s時(shí)，溫度上升趨勢變緩.激勵(lì)停止后，像素點(diǎn)溫度持續(xù)下降，迅速下降的時(shí)間段為激勵(lì)停止后的0.20 s內(nèi)，緩慢下降的時(shí)間段為激勵(lì)停止后的0.20 s到記錄最終時(shí)刻，激勵(lì)時(shí)間越長，溫度上升也越大.由圖6可知，隨著激勵(lì)時(shí)間的增加，激勵(lì)停止時(shí)裂縫區(qū)域圓形熱斑逐漸變大，色彩也更加飽和，裂縫周圍區(qū)域熱像圖由紫變黃，即隨著激勵(lì)時(shí)間的增加，熱擴(kuò)散作用增強(qiáng).圖5(a)中的曲線總體上符合上述規(guī)律，激勵(lì)時(shí)間為1.60 s的曲線的規(guī)律與同系列其他曲線的結(jié)果相比，略有一定偏差，可能是試驗(yàn)時(shí)夾具有一定松動，導(dǎo)致部分預(yù)緊力變化所造成.

2.1.2 不同預(yù)緊力下裂縫生熱結(jié)果

提取試件熱像圖最高升溫像素點(diǎn)的數(shù)據(jù)，繪制其溫度隨時(shí)間的變化曲線(曲線經(jīng)平滑處理)，見圖5(b).

由圖5(b)可知，激勵(lì)啟動后，像素點(diǎn)在0～0.25 s內(nèi)溫度迅速上升，在0.25～1.00 s內(nèi)溫度緩慢上升.激勵(lì)停止后，像素點(diǎn)在1.00～1.25 s內(nèi)溫度迅速下降，在1.25～2.00 s內(nèi)溫度緩慢下降，預(yù)緊力越大，溫度上升也越大.由圖5(b)可推知，隨著預(yù)緊力的增加，激勵(lì)停止時(shí)裂縫區(qū)域圓形熱斑逐漸變大，色彩也更加飽和.

2.1.3 不同激勵(lì)強(qiáng)度下裂縫生熱結(jié)果

提取試件熱像圖最高升溫像素點(diǎn)的數(shù)據(jù)，繪制其溫度隨時(shí)間的變化曲線(曲線經(jīng)平滑處理)，見圖5(c).

由圖5(c)可知，激勵(lì)啟動后，像素點(diǎn)在0～0.25 s內(nèi)溫度迅速上升，在0.25～1.00 s內(nèi)溫度緩慢上升.激勵(lì)停止后，像素點(diǎn)在1.00～1.25 s內(nèi)溫度迅速下降，在1.25～2.00 s內(nèi)溫度緩慢下降，激勵(lì)強(qiáng)度越大，溫度上升也越大，但相比預(yù)緊力和激勵(lì)時(shí)間，激勵(lì)強(qiáng)度每提高1%對溫度上升的貢獻(xiàn)較小.此外，由圖6可知，隨著激勵(lì)時(shí)間的增加，激勵(lì)停止時(shí)刻裂縫區(qū)域圓形熱斑稍微擴(kuò)大.

2.2 多因素激勵(lì)參數(shù)變化對裂縫生熱的影響試驗(yàn)結(jié)果

提取多因素激勵(lì)參數(shù)試驗(yàn)條件下的試件熱像圖最高升溫像素點(diǎn)在記錄時(shí)間內(nèi)的最高溫度，繪制得到最高溫度三維柱狀圖，見圖7.

由圖7可知，當(dāng)預(yù)緊力小于120 N時(shí)，增大激勵(lì)強(qiáng)度(每增加2%)后，裂縫區(qū)域像素點(diǎn)的最高溫度變化不大；增大預(yù)緊力(每增加20 N)后，裂縫區(qū)域像素點(diǎn)的最高溫度變化較大，特別是預(yù)緊力由100 N變?yōu)?20 N后，像素點(diǎn)最高溫度變化達(dá)到2.5℃以上.

圖7 試件在不同預(yù)緊力和激勵(lì)強(qiáng)度下像素點(diǎn)最高 溫度三維柱狀圖Fig.7 Three-dimensional histogram of the highest temperature of the pixels in specimen B under different pre-tightening forces and excitation intensities

3 試驗(yàn)結(jié)果討論

3.1 超聲激勵(lì)下混凝土板裂縫生熱機(jī)理

采用硬化混凝土氣孔結(jié)構(gòu)分析儀對試驗(yàn)后的試件裂縫面成像見圖8，據(jù)圖8可知試驗(yàn)后裂縫面中下部較為光滑平整，而裂縫面中上部不光滑且有毛刺.結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果，圖6顯示裂縫主要生熱部位為裂縫中下部，推測其為主要生熱區(qū)，而裂縫生熱機(jī)理為裂縫面的接觸、碰撞和滑移，故可得出如下解釋：裂縫面中下部發(fā)生強(qiáng)烈的接觸、碰撞和滑移，并通過此作用磨損了混凝土裂縫內(nèi)的填充物，導(dǎo)致裂縫中下部位的表面更平整光滑，中下部因摩擦滑移作用成為主生熱區(qū)；裂縫上部寬度更大，裂縫兩側(cè)質(zhì)點(diǎn)相距遠(yuǎn)，則發(fā)生接觸的概率較小，難以發(fā)生接觸、碰撞和滑移，故生熱不明顯或無生熱，裂縫面粗糙并仍充滿填充物和毛刺.

圖8 試件試驗(yàn)后裂縫底部、中下部和頂部顯微鏡成像圖Fig.8 Microscopic imaging of bottom, middle and lower parts and top of cracks after specimen

3.2 單因素激勵(lì)參數(shù)變化對裂縫生熱的影響分析

為分析單因素激勵(lì)參數(shù)對裂縫生熱的影響，提取試件在不同預(yù)緊力、激勵(lì)時(shí)間和激勵(lì)強(qiáng)度下的像素點(diǎn)最高溫度，擬合繪制像素點(diǎn)最高溫度與激勵(lì)參數(shù)的關(guān)系圖，見圖9.

圖9 試件像素點(diǎn)最高溫度與激勵(lì)參數(shù)的關(guān)系圖Fig.9 Relationship between the maximum temperature of the pixels of specimen and the excitation parameters

由圖9可知，增大預(yù)緊力、延長激勵(lì)時(shí)間和增加激勵(lì)強(qiáng)度，均使得像素點(diǎn)最高溫度增大，而根據(jù)熱像圖，像素點(diǎn)最高溫度越大，裂縫熱斑面積越大，飽和度也越高.即3種激勵(lì)參數(shù)的增大均促進(jìn)裂縫生熱，利于裂縫檢測識別.此外，提高1%激勵(lì)強(qiáng)度相比增大10 N預(yù)緊力或延長0.20 s激勵(lì)時(shí)間，其生熱的促進(jìn)作用更小，激勵(lì)時(shí)間越長，每提高0.20 s的激勵(lì)時(shí)間所促進(jìn)的生熱越小.

預(yù)緊力越小，試件與超聲槍的接觸越不穩(wěn)定，能量傳遞效率越低，則試件輸入能量不足，接觸碰撞和滑移作用受限，故生熱不強(qiáng)烈.

延長激勵(lì)時(shí)間，質(zhì)點(diǎn)保持振動狀態(tài)，裂縫面質(zhì)點(diǎn)將持續(xù)發(fā)生接觸、碰撞和滑移作用，熱量保持積累，溫度不斷上升，然而，相對超聲啟動初期0.25 s，熱量積累改變的溫度較小.這一方面是啟動時(shí)試件振動的混沌效應(yīng)致使裂縫面質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動無序，兩側(cè)相對滑移量更大，生熱也就更多；另一方面，超聲激勵(lì)穩(wěn)定后，裂縫周圍的熱擴(kuò)散作用不可忽略，裂縫的最終生熱為抵消熱擴(kuò)散后的相對生熱量.

對于諧振動系統(tǒng)，其系統(tǒng)總能量E計(jì)算公式[21]為

(1)

式中：ω為振動圓頻率；A為振幅；f為振動頻率.諧振動系統(tǒng)輸入總能量與振動幅值的平方成正比，故超聲激勵(lì)幅值越大，試件振動能量越高.增大激勵(lì)強(qiáng)度即為增加激勵(lì)幅值，更高的激勵(lì)幅值下試件的振動幅值也更大，裂縫面質(zhì)點(diǎn)在更大的振動幅值下更容易發(fā)生接觸、碰撞和滑移作用，進(jìn)而利于生熱，故增大激勵(lì)幅值利于裂縫生熱.

綜上，影響裂縫生熱的主因是裂縫面質(zhì)點(diǎn)的接觸、碰撞和滑移狀態(tài).

3.3 多因素激勵(lì)參數(shù)變化下的試驗(yàn)推薦激勵(lì)參數(shù)

為給出多因素激勵(lì)參數(shù)變化下的試驗(yàn)推薦激勵(lì)參數(shù)，選取試件熱像圖最高升溫像素點(diǎn)在記錄時(shí)間內(nèi)的最高溫度值，繪制得到生熱分布云圖，見圖10.

由圖10可知，單位時(shí)間內(nèi)像素點(diǎn)溫度升高越多，裂縫區(qū)域熱斑越顯著，檢測出缺陷的概率越大，反之概率越小.當(dāng)預(yù)緊力小于等于80 N時(shí)，不論激勵(lì)強(qiáng)度值為多大，裂縫區(qū)域溫升變化熱成像都不明顯，不利于裂縫識別，當(dāng)預(yù)緊力為110～120 N且激勵(lì)強(qiáng)度為21%～24%時(shí)，裂縫區(qū)域溫升熱成像顯著，有利于裂縫識別，故其為試驗(yàn)條件下的推薦最優(yōu)激勵(lì)參數(shù).

圖10 試件在不同預(yù)緊力和激勵(lì)強(qiáng)度下裂縫區(qū)域 生熱分布云圖Fig.10 Nephogram of heating distribution in crack area of specimen under different pre-tightening forces and excitation intensities

4 結(jié)論

本文采用試驗(yàn)分析方法，對混凝土板裂縫的超聲紅外熱像檢測機(jī)理及其影響因素展開研究，得到如下結(jié)論：

1)混凝土板裂縫生熱機(jī)理是裂縫面質(zhì)點(diǎn)發(fā)生接觸、碰撞和滑移，質(zhì)點(diǎn)做功生熱，機(jī)械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能；試驗(yàn)驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)，中下部裂縫寬度小，更容易發(fā)生接觸、碰撞和滑移，進(jìn)而產(chǎn)生熱量，故裂縫面保持平整無充填物.

2)激勵(lì)參數(shù)影響裂縫生熱，增大預(yù)緊力、延長激勵(lì)時(shí)間、提高激勵(lì)強(qiáng)度都有利于裂縫生熱，合適的預(yù)緊力保證振動能量穩(wěn)定輸入試件，延長激勵(lì)時(shí)間使得熱量持續(xù)積累，增大激勵(lì)強(qiáng)度使得輸入試件能量增加.增大預(yù)緊力和延長激勵(lì)時(shí)間相比提高激勵(lì)強(qiáng)度具有更好的生熱促進(jìn)作用，相應(yīng)的熱像圖熱斑更顯著、色彩更飽和、對比度更強(qiáng).

3)根據(jù)多因素超聲激勵(lì)下混凝土板裂縫生熱規(guī)律，發(fā)現(xiàn)存在裂縫檢測識別的最優(yōu)激勵(lì)參數(shù)區(qū)間，激勵(lì)參數(shù)落在最優(yōu)區(qū)間內(nèi)，檢測識別出裂縫缺陷的概率最大.

限于研究條件，本文所開展的工作也有不足，如未開展不同裂縫寬度的超聲激勵(lì)試驗(yàn)，裂縫紅外圖不能識別裂縫深寬等參數(shù)等，下一步將結(jié)合紅外熱像圖像處理技術(shù)，進(jìn)一步研究聲紅外熱像檢測方法用于識別裂縫深、寬級別的可行性，以便定量評定裂縫狀態(tài).

致謝

本文所開展的相關(guān)研究工作得到了陸軍裝甲兵學(xué)院車輛工程系閔慶旭、孫吉偉、姬龍鑫，西南交通大學(xué)李福海、胡丁涵、劉世軍、潘基先、何雨帝、林明才、杜坤、陶磊等人的支持和協(xié)助，在此表示感謝.