混凝土柱內部缺陷的紅外熱成像無損檢測

卜遲武， 耿浩

（哈爾濱商業(yè)大學a.輕工學院；b.能源與建筑工程學院，哈爾濱150028）

1 引 言

混凝土作為一種施工方便、性能良好、價格低廉的建筑材料，被廣泛應用于各種建筑物中。但由于混凝土制備工藝和工作環(huán)境的復雜性，使其在制備和服役過程中容易產生蜂窩、孔洞、分層等缺陷，從而影響混凝土結構的承載能力，甚至橋梁倒塌、交通中斷等重大事故。因此，對混凝土結構內部情況進行檢測和評估是非常必要的［1-3］。

紅外熱成像技術是1960 年代發(fā)展起來的新型檢測技術，具有遠距離、非接觸、檢測速度快等優(yōu)點，近年來在材料缺陷或結構檢測中的應用越來越廣泛［4-5］。本文采用高能脈沖閃光燈作為激勵源，建立了熱流在內部含有缺陷的混凝土結構中的熱傳遞模型。運用有限元仿真分析的方法，得到試件表面溫度場分布情況，并對有無缺陷處對應試件表面的溫度信號進行了分析和比較，為紅外熱成像技術在混凝土結構內部缺陷檢測中的應用奠定一定的理論基礎。

2 檢測原理

任何溫度高于絕對零度的物體，都會時刻向外發(fā)出紅外輻射，紅外輻射信號載有物體的溫度、材料及表面特性等特征信息，而利用紅外熱成像技術可將紅外輻射轉化為可見溫度圖像，從而實現(xiàn)對物體特征的分析和評價［5］。紅外熱成像檢測混凝土柱內部缺陷的基本原理如圖1 所示。采用高能脈沖閃光燈激勵熱源對混凝土柱試件表面進行加熱，熱流在試件內部發(fā)生熱傳導，當試件內部存在熱特性不連續(xù)性結構時，會對熱傳導性能產生影響，進而使得試件表面溫度分布產生差異。采用紅外熱像儀采集試件表面溫度信號，利用缺陷與無缺陷處對應試件的表面溫度差異，實現(xiàn)對混凝土柱內部缺陷的判定［1，5］。

圖1 紅外熱成像檢測混凝土結構內部缺陷的基本原理

3 熱傳導方程

混凝土柱結構長期暴露于室外自然環(huán)境中，承受風吹日曬等自然作用。混凝土結構體系的溫度效應問題屬于三維熱傳導問題［3］。由傅里葉熱傳導定律知，混凝土結構的三維熱傳導方程寫為：

式中：T-混凝土柱內某點在某時刻的溫度，為坐標（x y z）與時間t 的函數；kx、ky、kz-為混凝土柱材料在三個方向上的導熱系數；ρ-混凝土柱材料的密度；c-混凝土柱材料比熱容。

圖2 模擬缺陷試件幾何模型

4 模擬缺陷試件

含有孔洞缺陷的混凝土模擬試件幾何模型如圖2 所示。其中混凝土試件整體尺寸為100mm×100mm×100mm，缺陷舉例試件表面的距離即缺陷深度為20mm，缺陷直徑為30mm。混凝土和缺陷的材料熱特性參數見表1［3］。

5 有限元仿真

采用1 個高能脈沖閃光燈在試件上表面加載熱流，其熱流密度為1000W，脈沖寬度為20s。假設上下表面存在空氣對流，其他表面認為絕熱。周圍環(huán)境溫度和初始溫度為293K。設置分析時間為300s，采樣頻率為1Hz。圖3 給出了當分析時刻分別為60s、120s、180s 和300s 時的試件表面溫度熱圖。在給定的邊界條件和初始條件下，直徑為30mm、深度為20mm 的缺陷可以檢測出來。

圖4 給出了試件缺陷中心處表面溫度隨時間變化情況。由圖4可知，缺陷中心處表面溫度先快速升高，在熱源加載時間20s 后逐漸降低。圖5給出了缺陷處與完好材料處對應試件表面溫度差隨時間變化曲線。由圖5 可知，溫度差先增大、后減小、再增大，若分析時間延長，將會再減小。因此，溫度差存在兩個極大值點，分別出現(xiàn)在升溫階段和冷卻階段，并且冷卻階段的溫度差異更大。這說明，當采用紅外熱成像技術檢測混凝土內部缺陷時，比較適合選擇冷卻階段的溫度熱圖進行分析。

表1 材料熱特性參數

圖3 不同時刻的試件表面溫度熱圖

6 結 論

在分析混凝土結構常見缺陷的基礎上，采用紅外熱成像技術對內部含有空洞類缺陷的混凝土結構進行了無損檢測研究。建立了熱流在試件內部的熱傳導方程，并采用有限元分析方法獲得了試件表面的溫度場分布情況。結果表明，缺陷處與完好材料處對應試件表面溫度存在著明顯差異，溫度差存在兩個極大值點，分別出現(xiàn)在升溫階段和冷卻階段，并且冷卻階段的溫度差異更大。紅外熱成像無損檢測技術可用于實現(xiàn)對混凝土內部缺陷的檢測。后續(xù)將對內部含有不同類型、不同大小和深度的缺陷檢測進行研究。

圖4 缺陷中心處表面溫度隨時間變化曲線

圖5 缺陷處與完好處表面溫度差隨時間變化曲線

［1］ 徐勝林，宋顯輝.混凝土損傷的紅外熱像檢測［J］.實驗室研究與探索，2007，26（11）：289-291.

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［5］ 汪子君.紅外相位法無損檢測理論及應用研究［D］.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學，2009：1-36.

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