無損檢測技術在文物表面空鼓病害探查中的應用

黃繼忠,章云夢, ,張 悅,趙 朋

(1.上海大學文化遺產保護基礎科學研究院,上海 200444;2.上海大學力學與工程科學學院,上海 200444;3.山西省古建筑工程監(jiān)理有限公司,山西 太原 030012)

山西大學堂坐落在著名的歷史文化名城山西太原,是我國最早的三所大學之一,現(xiàn)為太原市師苑中學校舍.該建筑于1996年和2013年分別被列為省級重點文物保護單位和第七批全國重點文物保護單位,具有很高的歷史、科學和藝術價值.

一個多世紀以來,環(huán)境和人為因素的綜合作用使山西大學堂出現(xiàn)了不同類型與程度的劣化.歷史上雖多次開展修繕工作,但由于對原始材料及建造工藝等了解的局限性,修繕后的建筑又面臨新的問題.以圍墻為例,其原始結構由灰磚砌筑、石灰勾縫而成,但在近代修繕時人為地在砌體外表面涂抹了一層水泥砂漿抹面,并雕刻形成仿磚圖案,圍墻局部還鑲嵌有裝飾性石膏板.然而,由于水泥砂漿與灰磚材料性質的巨大差異,抹面層逐漸出現(xiàn)開裂和空鼓現(xiàn)象,更甚者發(fā)展為片狀剝落,并進一步導致內部磚體的破碎和粉化(見圖1).空鼓病害通常是指某區(qū)域存在明顯鼓起并伴有由剪應力釋放導致的裂隙[1],具有潛在危害大、肉眼難以識別等特點.因此,針對山西大學堂圍墻開展相應的表面空鼓病害探查與評估是修復其外觀、延續(xù)其壽命、傳承其價值的重要前提.

圖1 山西大學堂圍墻結構及病害Fig.1 Structure and diseases of wall in Shanxi Academy

關于文物空鼓病害檢測,國內外學者已開展了大量研究.手指輕敲是方便、有效的方法之一,即可根據(jù)敲擊音色大致判斷空鼓的存在范圍[2],進而評價灌漿等修復措施的實際效果[3-4].為避免人耳聽聲的主觀性,部分學者自主研發(fā)檢測設備,通過對敲擊過程進行建模并采集、分析相應的聲信號特征參數(shù),在室內實現(xiàn)了建筑墻體和飾面空鼓的自動與定量檢測[5-6].此外,超聲波技術也可有效實現(xiàn)文物空鼓無損檢測.孫兵等[7]采用非金屬聲波檢測儀以100 mm為移動步距進行聲波探測,發(fā)現(xiàn)壁畫地仗層的空腔區(qū)與緊密粘貼區(qū)的波速差別較大,并根據(jù)二者的波速界限值推斷出空腔區(qū)域分布規(guī)律.左螭[8]利用空氣耦合超聲斷層成像系統(tǒng)對模擬壁畫地仗層試樣開展二維和三維成像,該儀器識別出地仗淺表層0.2 cm范圍內的空鼓,精度可達0.000 1 cm.近年來,紅外熱成像技術由于能實時測量物體表面溫度,并通過溫度差異直接反映材料的相關物理特性,因此也逐漸被用于空鼓病害檢測[9].張艷杰等[10]證實壁畫溫度場的變化能有效表明其空鼓位置,還可實時反映入漿液的流動狀況,從而提高空鼓灌漿加固的科學性.針對西班牙一所神學院的歷史建筑,Lerma等[11]通過對比墻面的真實照片和紅外熱成像圖,清晰準確地揭示出由建造工藝、環(huán)境等因素導致的不同缺陷類型.Meola等[12]綜合采用超聲波和紅外熱成像技術對人為預置了氣泡空鼓的裝飾性磚墻模型開展測試,發(fā)現(xiàn)超聲波檢測可精細反映表層石膏板和內部磚體的厚度,紅外熱成像則能在大范圍內快速實現(xiàn)對缺陷位置及尺寸的檢測.部分學者圍繞探地雷達[13]、高密度電法[14]等無損檢測技術在文物空鼓病害探查中的應用也開展了相關研究,并取得一定成果.

在檢測文物空鼓病害時,研究者通常只采用某種單一技術手段,因此在獲取空鼓分布范圍方面存在一定的局限性.基于此,本工作以山西大學堂為例,在采用手動敲擊方法對圍墻空鼓部位進行初步判別的基礎上,綜合采用相控陣超聲成像以及紅外熱成像兩種無損檢測技術對局部病害開展精細探查.通過對比所得結果,重點討論超聲成像和紅外熱成像兩種檢測技術各自的特點及可能對檢測結果造成影響的主要因素,最后以面積作為指標對空鼓病害的嚴重程度進行定量化評價,以期為后續(xù)的保護修繕工作提供可靠依據(jù)和科學支撐.

1 檢測技術與方案

1.1 相控陣超聲成像

超聲波法主要通過測量聲波在固體材料內部傳播時到達接收器探頭的超聲波時間和振幅等,來確定超聲波的衰減、速度、頻率等聲學參數(shù),借以表征材料的力學性能和微結構變化,從而實現(xiàn)對材料損傷及其進展的無損評價[15].傳統(tǒng)檢測設備通常是基于透射法,即在待測物體兩側分別由不同探頭發(fā)射超聲波并接收發(fā)射回波信號.戴仕炳等[16]對山西南部等地古建筑燒結黏土磚開展聲波檢測,檢測過程簡單快速,但只能將所得的波速值作為磚體劣化程度的唯一評價指標,無法獲取內部的缺陷形狀和深度等信息.馬濤等[17]也利用該方法對乾陵石刻不同斷面的波速進行測量,并結合發(fā)射波法反演得到波速分布的二維圖像,進而推測石刻內部的裂隙情況.然而,若文物體量更大、形制更復雜時,傳統(tǒng)設備則存在波信號的可達性差、檢測工作量繁重、操作空間受限等一系列問題.

相控陣超聲成像技術以惠更斯原理為基礎,是一種通過聲波相互干涉實現(xiàn)主動檢測的方式.具體而言,相控陣超聲換能器(又稱發(fā)射探頭)可向待測物體發(fā)射超聲波,并接收反射回波信號.通過控制相控陣超聲換能器中各個陣元激勵或接收脈沖的時間延遲,改變由各陣元發(fā)射或接收聲波到達待測物體內部某點的相位關系,實現(xiàn)聚焦點和聲束方位的變化,從而完成相控波束合成.

本工作采用的是混凝土超聲波成像儀pundit 250,其發(fā)射探頭由24個干接觸式剪切波換能器組成,每豎向3個為1組,每列共形成8個通道(見圖2).超聲波探頭工作面長度240 mm、寬度90 mm,2個換能器之間的豎向和橫向距離分別為30和24 mm.進行單次掃描時,根據(jù)超聲波脈沖回波原理,儀器探頭的每個通道輪流發(fā)送超聲波信號,其他7個通道接收回波(見圖3(a)).當測量區(qū)域較大時,移動探頭進行多次、連續(xù)掃描,所得的多張圖像可利用合成孔徑聚焦技術(synthetic aperture focusing technique,SAFT)自動拼接,最終實時呈現(xiàn)清晰結果[18-19](見圖3(b)).

圖2 相控陣超聲成像儀(pundit 250)Fig.2 Phased array ultrasonic imager(pundit 250)

圖3 相控陣超聲成像技術原理Fig.3 Principle of phased array ultrasonic imaging technology

與傳統(tǒng)超聲波換能器相比,本工作所用的儀器探頭由多個晶片組成且能同時聚焦,聚焦區(qū)能量遠大于普通單晶聚焦探頭,因此可實現(xiàn)大面積區(qū)域的多角度、多方向勘察,檢測靈敏度和分辨率也更高.此外,干接觸式換能器的優(yōu)勢在于檢測過程中無需使用耦合劑(如凡士林等),從而可有效避免對文物表面造成污染[20].換能器頂端由陶瓷防磨帽保護,內部設有彈簧支座,所構成的柔性陣列可以有效適應粗糙的物體表面,在保證探頭與待測物體接觸良好的前提下,降低測試時輕微施壓對物體表面可能造成的影響.

1.2 紅外熱成像

在自然界中,任何溫度高于絕對零度的物體都可自發(fā)向外輻射紅外線,即產生紅外輻射能.基于此原理,紅外熱成像技術通過探查物體產生的不同波段紅外輻射,將其轉換成電信號形成反映表面溫度場分布的偽彩熱圖[21].

當被測物體內部存在裂縫、空鼓等缺陷時,由于空氣導熱系數(shù)與周邊固體材料相比較小,熱流在該區(qū)域局部受阻,熱量分布不均,此時使用紅外熱成像儀捕捉物體表面狀況,會在紅外熱像圖中形成相應的冷區(qū)、熱區(qū).通過分析冷區(qū)和熱區(qū)的位置和大小,可直觀、準確、迅速地實現(xiàn)缺陷定量化描述.此外,紅外熱成像檢測技術不僅適用于大面積檢測,而且只要被測物體溫度高于絕對零度,即可實現(xiàn)全天正常檢測.作為一種非接觸式無損檢測技術,紅外熱成像技術避免了對被測物體造成損害和擾動,非常符合文物保護要求的最小干預原則.本次檢測采用紅外熱成像儀testo 890,成像像素為130萬,溫度檢測量程為-50～1 200°C.

1.3 現(xiàn)場檢測方案

山西大學堂目前殘存圍墻總長約70 m,東西走向,整體由方形立柱等間距分割形成14段墻體,依次編號為B1～B14.每段墻體上方為圓形裝飾柱,本次檢測主要針對下方兩根橫梁之間的水泥砂漿抹面部分,該檢測區(qū)域的長度和寬度分別為4.50和0.85 m,包括南、北兩個立面(見圖4(a)).

現(xiàn)場工作在夏季晴天開展,室外氣溫30°C.首先,通過現(xiàn)場觀察外加手動敲擊的方法對所有檢測區(qū)域的空鼓病害分布情況進行初步判別.若手指輕敲水泥砂漿抹面發(fā)出的響聲低且沉悶,則認為其與內部灰磚粘結牢固;反之,若為清脆聲響或有叩擊回聲,表明二者之間可能存在松動或局部脫離.隨后,針對存在空鼓的區(qū)域開展局部的精細探查.如圖4(b)所示,采用混凝土超聲波成像儀沿選定的2條水平測線和3條豎直測線分別由西向東、由上至下進行多次、連續(xù)掃描,步長為180 mm,兩次掃描的重疊區(qū)域長30 mm.檢測過程中的儀器參數(shù)設定波速2 000 m/s、增益58 dB,通過輕壓方式使探頭與墻體緊密接觸,提高信號入射率的同時盡量避免對文物本體造成損傷.為避免早上和下午太陽直射角不同的影響,本次紅外熱成像拍攝時間為15:00—18:00.每個檢測區(qū)域分東、西兩部分拍攝,拍攝時避免攝入立柱和地面等無關區(qū)域,以保證成像效果和測量精度.

圖4 現(xiàn)場檢測方案Fig.4 Scheme of field test

2 檢測結果

現(xiàn)場觀察和手動敲擊結果初步表明,山西大學堂圍墻的水泥砂漿抹面普遍產生了一定程度的空鼓病害.大部分空鼓都集中在裝飾性石膏板四周,當病害程度較輕時,墻體邊緣靠近立柱的水泥砂漿抹面與內部灰磚的粘結依舊緊密,外觀也尚且保持完好(見圖5(a));隨著病害程度逐漸加重,水泥砂漿抹面整體發(fā)生起翹甚至大面積脫落,導致內部灰磚直接暴露在外,加劇其粉化、開裂和剝離等破壞(見圖5(b)).

圖5 不同空鼓病害程度的墻體Fig.5 Walls with different degrees of detachment disease

2.1 相控陣超聲成像

圖6為B2墻體南立面相控陣超聲成像檢測結果,圖中橫坐標為掃描距離,即在檢測過程中探頭沿測線方向的實際移動距離;縱坐標為深度,即墻體表面到內部的垂直距離.圖中各點顏色亮度由回波幅度線性控制,紅色區(qū)域一般代表波速異常點,通常對應缺陷位置.需要強調的是,沿縱坐標自上而下的一串紅色異常點表示在各個深度缺陷界面上的回波.據(jù)此判斷,圖中首次出現(xiàn)的紅色異常點是由于超聲波在水泥砂漿抹面與空氣接觸界面產生反射回波所致.

圖6 B2墻體南立面相控陣超聲成像結果Fig.6 Phased array ultrasonic imaging results of the south facade of B2 wall

檢測結果表明,B2墻體在豎直方向上的缺陷主要集中在S2與S3測線中段0.4 m左右范圍內,但前者的異常界面反射深度普遍小于0.05 m,后者則大于0.10 m(見圖6(b)、(c)).在水平方向上,相比H1測線,H2測線上0.5～2.0 m和2.5～4.0 m范圍內的缺陷分布更為密集,且深度較淺,基本在0.05 m以內(見圖6(d)、(e)).

圖7為B9墻體北立面相控陣超聲成像檢測結果.可以看出,S1測線缺陷主要分布在上段和中段,且分布深度在0.05 m以內.H1測線上的缺陷分布較H2更為密集,整個測線區(qū)域都存在缺陷,且深度也基本在0.05 m以內.

圖7 B9墻體北立面相控陣超聲成像結果Fig.7 Phased array ultrasonic imaging results of the north facade of B9 wall

2.2 紅外熱成像

從B2墻體南立面紅外熱成像結果可以看出,墻體整體溫度分布范圍為29.5～36.7°C(見圖8(a)).檢測區(qū)域的左下方位置溫度偏高,裝飾性石膏板下邊緣與水泥砂漿抹面交界處的高溫尤為明顯.圖8(b)為測線溫度分布,反映的是測線方向上每隔0.017 m各點實際溫度變化.很明顯,墻體左側S2測線的溫度普遍高出右側S3測線0.5～2.4°C,下方H2測線溫度普遍高出上方H1測線0.8～2.1°C.此外,水平測線溫度分布呈現(xiàn)由左向右逐漸降低的趨勢,但H1測線變化相對平穩(wěn),H2測線下降幅度更大,兩端溫差可達1°C以上.豎直測線溫度由上至下逐漸升高,S2測線前半段溫度增速明顯快于S3測線,且后半段溫度波動更為劇烈.

圖8 B2墻體南立面紅外熱成像結果Fig.8 Infrared thermal imaging results of the south facade of B2 wall

B9墻體北立面紅外熱成像結果顯示,所拍攝區(qū)域整體溫度分布在31.0～37.9°C,檢測區(qū)域高溫主要集中在裝飾性石膏板的四周且呈橢圓形分布(見圖9(a)).沿S1測線,溫度由上至下呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢,中段最高溫度可達34.6°C.H1和H2測線上的溫度變化規(guī)律相似,在前0.70 m范圍內逐漸升高并達到最高值,在后1.5 m范圍內大致穩(wěn)定,存在小幅波動.

圖9 B9墻體北立面紅外熱成像結果Fig.9 Infrared thermal imaging results of the north facade of B9 wall

3 分析與討論

3.1 缺陷類型

針對B2墻體南立面,相控陣超聲成像結果表明S2和S3測線中段結構內部均存在缺陷(見圖6(b)、(c)),然而紅外熱成像結果顯示,與S2測線相比,S3測線相同位置的升溫現(xiàn)象并不明顯(見圖8).此外,通過現(xiàn)場觀察發(fā)現(xiàn),墻體表面水泥砂漿抹面實際厚度通常小于0.05 m,一般在0.02～0.03 m(見圖10).

圖10 墻體表面的水泥砂漿抹面Fig.10 Cement mortar plaster on the wall surface

已有研究表明,超聲技術可探測的缺陷深度范圍為0.2～1.5 m[22],而紅外熱成像技術揭示的缺陷深度通常為毫米或厘米級[23].據(jù)此可以合理推斷,S3測線上紅外熱成像所得的高溫異常數(shù)據(jù)與墻體淺層缺陷密切相關,即水泥砂漿抹面發(fā)生空鼓病害,從而導致空氣的隔熱效應.相比之下,S3測線上的缺陷深度在0.1 m以上,基本處在灰磚砌體結構內部,對熱流傳遞阻力作用較小,因此墻體表面的溫度聚集效應并不明顯.需要強調的是,以目前的檢測技術尚不能準確揭示S3測線上深部缺陷的具體類型和成因,需要進一步分析研究.

3.2 環(huán)境因素

綜合對比相同檢測區(qū)域的相控陣超聲成像與紅外熱成像結果可以發(fā)現(xiàn),兩種無損檢測技術所得結果基本一致,但存在局部誤差.

以B2墻體南立面為例,相控陣超聲成像結果表明其空鼓主要集中在S2和H2測線中段,其他部位水泥砂漿抹面與內部灰磚粘結完好(見圖6),然而在紅外熱成像儀測得的溫度分布圖中,左下角區(qū)域即S2測線下半段溫度也偏高(見圖8).本次紅外檢測時間均在下午,因此墻體接受日照時間較長,尤其是檢測區(qū)域的下半部分特別是底部橫梁等突出位置的溫度已高達36°C以上,說明強烈的陽光直射也可能造成檢測區(qū)下部水泥砂漿抹面產生局部高溫現(xiàn)象.其他學者也分析過日照情況對紅外熱成像效果的影響.黃新等[24]在夏季晴天的10點和14點分別針對同一墻體開展紅外拍攝,并在14點觀察到了在早上10點未能檢測到的缺陷,認為這與下午墻體輻射的能量更高有關.袁昕等[25]認為由于早上11點的日照強度比10點更強,因此飾面磚墻在單位時間內接收到的熱量更多,從而使缺陷在紅外熱成像圖中呈現(xiàn)得更為清晰,也更容易辨識.

此外,已有研究者還指出,水分是影響紅外檢測效果的重要因素之一.由于水的熱容量以及熱傳導性能顯著大于巖石、泥土等材料,當存在熱源時,干燥物體溫度上升幅度顯著大于潮濕物體[26-27].此外,即使在無熱源的條件下,由于水蒸發(fā)的降溫效應,含水物質也較干燥物質溫度更低[28].Avdelidis等[29]利用紅外熱成像技術針對不同含水率巖石進行測試,結果顯示巖石吸水率與溫度呈負相關,即試樣含水率越大,表面溫度越低.Edis等[30]在使用紅外熱成像法檢測含水量的變化時,指出通常有3個因素會導致含水界面溫度較其他界面低,即潮濕區(qū)域的蒸發(fā)冷卻、熱阻降低以及潮濕材料的儲熱能力增加.據(jù)此判斷,由于水泥砂漿抹在部分部位含有一定的水分,故其表面溫度較其他干燥部位更低,從而導致紅外熱成像數(shù)據(jù)與相控陣超聲成像數(shù)據(jù)存在一定誤差.因此,針對容易受到地下水、降雨等的外來水分影響的研究對象,在采用紅外熱成像技術進行空鼓檢測時應探明水分分布,綜合分析才能對病害情況作出合理的判斷和評估.

3.3 空鼓病害評估

綜合對比分析相控陣超聲成像和紅外熱成像兩種無損檢測技術所得結果,排除深部缺陷和環(huán)境因素的可能影響后,得到所有墻體南、北立面水泥砂漿抹面存在空鼓的范圍.針對空鼓病害,已有研究通常只統(tǒng)計實際分布面積[3,7],而本工作則以檢測區(qū)域內的空鼓面積與總面積之比為評價指標,并將其嚴重程度大致劃分為4個等級:輕微(0～40%)、中度(41%～70%)、較嚴重(71%～90%)、非常嚴重(91%～100%).如表1所示,山西大學堂圍墻的空鼓病害總體而言比較嚴重,幾乎所有水泥砂漿抹面都已經與內部灰磚產生分離甚至脫落,且北立面空鼓病害比南立面更為嚴重.

表1 山西大學堂圍墻空鼓病害評估Table 1 Evaluation of detachment disease of Shanxi academy wall

4 結論

針對山西大學堂圍墻表面水泥砂漿抹面的空鼓病害,在采用手動敲擊對空鼓范圍進行初步判別的基礎上,綜合應用相控陣超聲成像以及紅外熱成像兩種無損檢測技術開展精細探查,主要得到以下結論.

(1)手動敲擊屬于經驗方法,只能大致判斷墻面是否空鼓,無法定量描述;相控陣超聲成像及紅外熱成像技術可以相對準確地檢測出空鼓分布范圍和面積.

(2)無損檢測技術所得結果基本一致,局部誤差與實際測量過程中的其他影響因素有關,如缺陷類型、環(huán)境因素(日照、水分)等,需要對比分析判斷.

(3)以空鼓面積與總檢測面積之比作為評價指標,將山西大學堂圍墻表面水泥砂漿抹面的空鼓病害分為4個等級,評估結果表明其病害狀況總體較為嚴重.

古建筑的病害類型復雜多樣,在實際保護過程中,需要在考慮文物保存現(xiàn)狀的基礎上選擇合適的無損、非接觸式技術開展檢測.通過綜合應用和對比不同技術,才能有效開展病害的定量探查與評估,并為最終的治理和修復提供科學依據(jù).

致謝:本工作得到賀大龍研究員的幫助,現(xiàn)場檢測工作由董海燕博士和鄭伊同學協(xié)助完成,在此表示衷心感謝!