紅外熱像技術在混凝土檢測中的應用現狀和發展趨勢

蔣濟同,范曉義

(中國海洋大學工程學院,青島 266100)

對紅外熱像技術應用方面的研究,最早出現在20世紀60年代的美國。20世紀70年代末,已經有學者應用紅外成像技術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。此技術在我國起步較晚,在20世紀90年代初,我國才有學者將紅外熱像診斷技術和土木工程結合起來,在建筑物熱損耗、建筑材料缺陷探測和建筑外墻施工質量等方面進行了初步的應用研究。紅外熱像技術是一種全新、靈敏的檢測方法,也是一種很好的監測方法,其重要的特點是可以快速、非接觸、大面積地掃查檢測物表面,并且不損傷檢測物,結果直觀形象,易于實現自動化和實時觀測[1]。

1 紅外熱像技術的基本原理

在自然界中,任何高于絕對零度的物體都是紅外輻射源,紅外線是介于可見紅光和微波間的電磁波,它的波長范圍在0.76～1 000μm之間。其中只有3～5和8～14μm的波段能很好地透過,紅外探測器就是利用這個波段進行探測的[2]。當物體內部存在裂縫和缺陷時,它將改變物體的熱傳導,使物體表面溫度的分布產生差別,利用紅外熱成像儀測量它的不同熱輻射,可以檢測出物體的缺陷位置。紅外熱像檢測原理如圖1所示[3]。

2 紅外熱像技術在混凝土檢測中的應用現狀和發展趨勢

紅外熱像檢測在土木工程中的應用,國外已經研究了相當長的一段時間,在許多國家應用已久,如美國ASTM和ASNT一直致力于對此項技術的研究,并制定了有關檢測標準,作為實際檢測過程中的指導性文件。該技術在國內尚處于起步階段,但應用前景十分廣泛。目前利用紅外熱像技術對混凝土無損檢測的研究熱點集中在對紅外熱像獲取的熱源的改進,缺陷深度、大小的定量化研究以及如何把研究成果運用到復雜的實際工程當中。

圖1 紅外熱像檢測物體原理示意圖

2.1 熱源的改進

針對混凝土的有關檢測過程中如何改進熱源這一問題,國內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、超聲紅外技術和高能閃光燈等熱源。德國的Ch Maierhfer和 H w iggenhuaser等人[4-5]在對混凝土中的缺陷及碳纖維增強表面粘結層的脫膠情況進行檢測的過程中,采用大功率的紅外脈沖加熱裝置,效果很好。文獻[6]和[7]中Takahide Sakagami等研究人員利用紅外燈照射對混凝土內部的層離缺陷進行了分析研究,得出了混凝土內部缺陷隨埋設深度及缺陷的幾何大小變化的關系曲線。另外,S Vallerand和X Maldague[8]在脈沖加熱的紅外熱激勵條件下,比較了數理統計法和神經網絡法對材料的內部缺陷檢測的優劣,指出了各種方法的適用條件。國內,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,對含預制裂紋的碳纖維混凝土缺陷體進行紅外無損檢測,采用有限元的方法計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,檢測靈敏度顯著提高的結論,為優化和評估電熱紅外檢測方案提供了重要的數值依據。國內外的科研人員在檢測過程中嘗試了不同的熱源,但使用外加熱源時,在檢測物上產生的溫度場具有以熱源對應點為中心,向外圍梯度遞減的特點,影響檢測結果的準確性。如何通過變換外加熱源的角度,或增加熱源的數量,在檢測區域進行疊加,來降低檢測誤差以及尋找空間梯度小、時間梯度大的新式熱源將是今后紅外熱像檢測技術的一個主要研究方向。

2.2 定量化研究

在混凝土紅外熱像檢測中的缺陷深度、大小的定量化研究方面,Pietro Giovanni Bocca等[12]在實驗條件下,確定了混凝土裂縫大小與溫度減小量之間的關系,從而縮短了現場檢測的時間。研究人員D Defer和JShen[13]等詳細推導了自然條件下帶缺陷層的多層平壁導熱公式,同時根據熱阻的概念,利用自然界溫度場,通過紅外熱像法對結構物的內部分層缺陷進行了定量研究。北京航空航天大學的王永茂等[14]為定量測定缺陷,提出由有缺陷區域表面溫度和由表面溫差達到最大值的峰值時間確定缺陷深度的兩種紅外檢測方法,同時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試件淺表面較大面積的缺陷。武漢大學的楊銳玲[15]根據熱傳導方程和熱輻射邊界條件,從理論上建立了計算混凝土內部缺陷深度公式和確立了該公式適用范圍及條件,最后給出了截斷誤差計算公式。從實際與模擬的角度出發,同濟大學的趙鳴、李杰和王婷等[16-17]借助一維與二維熱傳導物理模型進行混凝土結構內部缺陷深度與厚度的識別,實現了對混凝土內部缺陷的三維重構,并采用LM人工神經網絡對缺陷的深度和厚度進行了計算。清華大學的孫格靚,王厚亮等[18]同樣利用紅外熱像儀對碳纖維增強混凝土構件的破壞進行了全過程的檢測,得出了不同破壞階段紅外圖像溫度特征的變化曲線。對于缺陷深度、大小的定量化研究,目前進行試驗的材料多為勻質材料,缺陷的深度較淺。如何建立適用于多數復雜的實際工程計算模型,加強定量運算也將是研究的重點。

目前對于紅外熱像檢測的定性和定量研究已經取得了很大進展,因此如何把研究成果運用到復雜的實際工程當中就成為各國科研人員研究的熱點問題。英國的Clark MR[19-21]等利用紅外熱像技術在較低溫度下對混凝土分層和橋梁砌體粘結質量、石拱橋的背部滲水和鐵路碎石路基的工作狀況檢測進行了試驗,并且把該技術應用到了實際工程中。Valluzzi MR等[22]通過紅外熱像技術,對一些歷史建筑物的維護結構進行了損傷檢測,并利用該方法進行修復狀態檢測。此外,為了探討紅外熱像檢測技術在現場檢測的效果,Maierhofer Ch等[23]將紅外熱像法和探地雷達法對混凝土淺層的內部缺陷的檢測效果進行試驗比較,結果證實紅外熱像法在一定條件下比較有效。中國地震局綜合觀測中心的鄧明德[24-25]通過試驗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系。此變化與溫度無關,完全由壓力引起,不需要經歷生熱的中間物理過程。這一物理現象在世界上第一次被發現,為混凝土工程應力測量提出了新原理、新方法和新技術,具有廣泛的應用價值和前景。東北大學的研究人員劉善軍、河北理工大學的張艷博等[26]共同提出對內含水體的混凝土試樣進行單軸壓縮加載,利用紅外熱像儀并輔以聲發射儀,觀測加載過程中試樣的紅外輻射與聲發射變化特征,研究混凝土破裂與滲水的紅外異常前兆的方法。該試驗結果對水庫大壩以及其他儲水混凝土工程破裂與滲水的遙感監測與災變預警具有重要的意義。在評估災害對建筑物結構的影響上,同濟大學的張雄等科研人員[27-32]更是在國際上首創了用紅外熱像技術對火災混凝土的檢測方法,不但得到了火災混凝土紅外熱像的平均溫升隨時間的變化曲線,而且確定了平均升溫與預期收獲溫度損失之間的回歸方程,為建筑物在火災中損害的評估檢測提供了一種新思路。

綜上可以看出,紅外熱像檢測技術與常規檢測方法相比優勢比較明顯,國內外研究人員在各自的領域也取得了相應的研究成果,有些成果也已經成功地在實踐中得到了應用,并取得了良好的效果。

3 結語

目前國內外研究人員已經對紅外熱像檢測技術進行了廣泛的研究,但仍然存在不足：①如何通過變換外加熱源的角度或增加熱源的數量在檢測區域內進行疊加來降低檢測誤差以及沒有找到空間梯度小、時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,目前進行試驗的材料多為勻質材料,缺陷的深度較淺,沒有適當的計算模型使其能運用于復雜的實際工程當中。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、統計算法等問題都沒有得到很好的解決。相信隨著各學科的交叉發展以及各項研究的突破,紅外熱像檢測技術在研究和實際應用中出現的這些問題都能夠得到很好的解決,從而進一步發揮其在無損檢測上的優勢。

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