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. 河南省第二建設集團有限公司 河南 鄭州 451464；

2. 陜西省建筑設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展住宅產業化，在政策導向的背景下裝配式建筑已經進入快速發展時期，裝配式混凝土剪力墻結構作為一種新型的建筑結構形式正在全國大規模推廣。裝配式剪力墻和預制梁結構中存在大量的水平接縫、豎向接縫及節點，這些接縫和關鍵節點的連接質量一直是建筑行業關注的核心問題之一[1]。鋼筋套筒灌漿連接是國內外裝配式混凝土剪力墻結構預制構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構的抗震性能和承載能力，對裝配式結構的耐久性和安全性起到關鍵作用。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的規范標準，主要是通過現場監督和對平行試件進行拉伸試驗來對套筒連接質量進行控制。國內學者采用超聲波、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的技術研究[2]，結果表明：超聲波檢測能夠定性地分析出套筒脫空缺陷，對于預埋在混凝土內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厚的預制剪力墻，可界定鋼筋套筒灌漿飽滿區域和未灌漿區域[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灌漿料的飽滿度[7]。近年來，紅外熱成像技術作為一種簡單、快捷、安全的無損檢測手段在不斷地發展和完善，紅外熱成像技術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，也可以實現一定深度內的脫空缺陷檢測，在建筑無損檢測領域應用也比較廣泛[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和熱輻射理論的基礎上，通過理論與試驗相結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

在自然界中，高于絕對零度（－273.15 ℃）的物體均可以輻射紅外線，根據玻爾茲曼定律可知，物體表面的發射率保持一致時，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，σ=5.67×10-8W/（m2·K4）；

T——熱力學溫度，K。

根據傳熱學中熱量守恒定律、傅里葉熱傳導定律，熱傳導方程可表示為[15]：

式中：ρ——密度，kg/m3；

c——比熱容，J/（kg·K）；

λ——導熱系數，W/（m·K）。

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

表1 材料的導熱系數

2 試驗與數值模擬

2.1 試驗模型設計與制作

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類試驗模型選取Q345鋼和球墨鑄鐵2種不同材質的鋼筋套筒，套筒的長度為150 mm，內部填充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見表2，根據設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類試驗模型共設計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，以減小金屬表面發射率低帶來的誤差，將經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域，且與預先設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據，得出兩者間的溫差，結果見圖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，這是因為套筒的導熱系數較大，套筒壁厚的增加會使熱量傳導的路徑變長，在傳導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亮的區域大小不一樣，發亮區域與預先設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據，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。結合紅外熱成像圖和溫差數據對不同脫空缺陷尺寸檢測效果進行對比分析，可以發現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熱系數比灌漿料小，脫空缺陷處套筒表面的熱量向內部傳遞熱量受阻，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據，發現鋼筋套筒與灌漿料的導熱系數相差越大，對套筒脫空區域與正常區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橫向擴散，使得混凝土表面最終無法產生溫度差異。

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，這是由于套筒導熱系數遠比空氣和灌漿料大，套筒的熱傳導占主要原因，將混凝土表面的熱量吸收，使得混凝土表面溫度降低，呈現出較暗的顏色。當套筒不含灌漿料時，內部的空氣阻礙熱量的傳導，使沒有灌漿套筒比灌漿套筒混凝土表面的溫度高。結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以內混凝土保護層的套筒未灌漿和灌漿區域。

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 結語

1）紅外熱成像技術可以定性識別出純鋼筋套筒試件脫空缺陷的位置，當套筒壁厚小于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脫空缺陷輔助性判斷，對施工現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以內的套筒，可判別出套筒未灌漿區域和灌漿區域；當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；當混凝土保護層厚度在20 mm時，紅外熱成像技術無法檢測出套筒灌漿情況。

3）針對不同套筒材質進行試驗，發現套筒與灌漿料的導熱系數相差越大，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境要求比較嚴格，現場環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場試驗，尋找不同因素下脫空和密實套筒成像效果。