基于紅外熱成像技術(shù)的鋼管混凝土密實(shí)度檢測(cè)研究

楊鴻玉 李 赟 危 鼎 蔣佳磊 蔡睿欣 周軍紅

中國(guó)建筑第八工程局有限公司 上海 200122

混凝土的密實(shí)性直接影響鋼管混凝土結(jié)構(gòu)，進(jìn)而影響整個(gè)結(jié)構(gòu)的安全性能。鋼管混凝土的不密實(shí)情況有：由于混凝土的澆筑位置較高而造成混凝土離析；由于混凝土內(nèi)部粗細(xì)骨料配合比問題，造成底部骨料緊密堆積，而上部骨料稀疏、水泥漿含量較高；由于鋼管設(shè)置了較多內(nèi)隔板，導(dǎo)致內(nèi)隔板下部存在局部孔洞；由于混凝土本身的收縮，使鋼管與混凝土在界面處脫開造成不密實(shí)。鋼管混凝土內(nèi)部缺陷若發(fā)生于結(jié)構(gòu)主要受力部位，將對(duì)結(jié)構(gòu)承載能力有重要影響。因此，查明鋼管混凝土內(nèi)部缺陷非常必要[1]。

現(xiàn)階段，超聲波檢測(cè)是針對(duì)鋼管混凝土密實(shí)度的主要檢測(cè)方法，在混凝土與鋼管內(nèi)壁脫離的缺陷檢測(cè)方面，超聲波檢測(cè)僅適用于一側(cè)混凝土與鋼管脫開、另一側(cè)混凝土與鋼管密貼的情況，存在局限性[2-3]。

在文獻(xiàn)[4]中，由于沒有在缺陷厚度上形成對(duì)比，設(shè)置的溫差也僅僅限于8 K、5 K，沒有更多的溫差參照對(duì)比，并且所得試驗(yàn)值沒有時(shí)間歷程分析，與模擬值不能形成良好的對(duì)比。 因此，本文將在文獻(xiàn)[4]的基礎(chǔ)上進(jìn)一步進(jìn)行研究，將最小溫差設(shè)置到2 K，缺陷厚度設(shè)置到0.5 cm，并將試驗(yàn)值和模擬值進(jìn)行對(duì)比分析，從而實(shí)現(xiàn)利用混凝土的入模溫差對(duì)隔板下部局部空洞缺陷進(jìn)行密實(shí)性檢測(cè)研究的目的。

1 檢測(cè)原理

紅外熱成像技術(shù)的基本原理：利用紅外熱成像技術(shù)將紅外輻射（任何高于絕對(duì)零度的物體都是紅外輻射源）轉(zhuǎn)化為可見溫度圖像，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)物體特征的分析和評(píng)價(jià)。當(dāng)物體內(nèi)部存在裂縫和缺陷時(shí)，它將改變物體的熱傳導(dǎo)，影響物體表面溫度的分布，將不可見的裂縫和缺陷以直觀的溫度圖像反映出來，達(dá)到檢測(cè)物體內(nèi)部缺陷的目的[5-6]。

現(xiàn)階段，建筑工程行業(yè)無損檢測(cè)領(lǐng)域的很多方面已成功運(yùn)用了紅外熱成像技術(shù)，如外墻飾面檢測(cè)、建筑滲漏檢測(cè)、建筑節(jié)能檢測(cè)、災(zāi)損建筑檢測(cè)和混凝土密實(shí)度檢測(cè)等。然而，在鋼管混凝土密實(shí)度檢測(cè)方面的研究卻罕有[7-8]。

2 試驗(yàn)研究

2.1 試驗(yàn)方案

由于鋼管混凝土澆筑時(shí)流態(tài)的混凝土中主要是水泥砂漿與鋼管壁接觸，因此試驗(yàn)采用水代替混凝土中的水泥砂漿，作為入模材料。同時(shí)，雖然混凝土1.54 W/(m·K)的導(dǎo)熱系數(shù)為水0.6 W/(m·K)的導(dǎo)熱系數(shù)的2.57倍，但混凝土837 J/(kg·K)的比熱容是水4 185 J/(kg·K)的比熱容的1/5，相比于其他材料，水更適合于代替混凝土作為入模材料。

由于E P C珍珠保溫板與空氣的導(dǎo)熱系數(shù)分別為0.027 W/(m·K)和0.026 W/(m·K)，兩者的導(dǎo)熱系數(shù)基本相同，因此試驗(yàn)采用EPC珍珠保溫板代替空氣作為缺陷。各材料的物理性質(zhì)如表1所示。

表1 各材料物理性質(zhì)

為與工程實(shí)體結(jié)構(gòu)一致，試驗(yàn)采用壁厚30 mm、直徑550 mm的圓形鋼管柱，鋼管材質(zhì)為Q345；混凝土為C60；設(shè)置4種不同大小及厚度的EPC珍珠保溫板缺陷（A缺陷為10 cm×10 cm×1 cm，B缺陷為10 cm×10 cm×0.5 cm，C缺陷為5 cm×5 cm×1 cm，D缺陷為5 cm×5 cm×0.5 cm），用環(huán)氧樹脂粘貼于鋼管內(nèi)壁；紅外熱成像儀器為FLIR T420，圖像像素值為320×240，熱靈敏度為＜0.045 K@＋30 ℃，溫度范圍為－20～＋650 ℃，溫度精度為±2 K或讀數(shù)的2%。

為了減小環(huán)境溫度變化對(duì)試驗(yàn)的影響，試驗(yàn)時(shí)間選擇在清晨或者晚上，此時(shí)鋼管受環(huán)境影響小，溫度均勻。試驗(yàn)時(shí)先用測(cè)溫槍測(cè)出鋼管的溫度T1，并用大功率加熱器將水加熱，用電子測(cè)溫計(jì)測(cè)出水上、中、下位置處的溫度，取平均值作為T2，當(dāng)T2=T1＋設(shè)定溫差值時(shí)，停止加熱，將水?dāng)嚢杈鶆蚩焖俚氐谷脘摴苤?，用紅外熱成像儀進(jìn)行測(cè)量觀察。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.2.1 B缺陷試驗(yàn)結(jié)果與分析

入模溫差為8 K時(shí)，B缺陷試驗(yàn)過程如圖1所示。初始時(shí)刻的熱成像圖如圖1（a）所示，此時(shí)空鋼管呈現(xiàn)淺藍(lán)色，下部淡黃色是由于鋼管內(nèi)部混凝土所傳遞的熱量導(dǎo)致溫度高于上部空鋼管。圖1（b）圖像正中的圓形封閉區(qū)域即為B缺陷，左邊為A缺陷，由于儀器是正對(duì)著B缺陷進(jìn)行試驗(yàn)的，所以缺陷A并沒有完全顯示。此時(shí)B缺陷最大溫差達(dá)到0.8 K。圖1（c）為t=4 min時(shí)刻所得熱成像圖，溫差達(dá)到0.5 K，此時(shí)缺陷顏色對(duì)比不明顯，僅僅顯現(xiàn)為淡黃色，改變儀器拍攝的溫度云圖比例區(qū)間，即可得到圖1（d）所示的熱成像圖，此時(shí)t=5 min，溫差達(dá)到0.4 K，缺陷呈現(xiàn)紅色，被溫度更高的白色所包圍。

圖1 8 K入模溫差下B缺陷熱成像圖

入模溫差為5 K時(shí)，B缺陷試驗(yàn)過程如圖2所示。圖2（a）為t=1 min時(shí)刻所得熱成像圖，溫差達(dá)到0.6 K，此時(shí)缺陷顏色對(duì)比明顯。圖2（b）為t=6 min時(shí)刻的熱成像圖，溫差達(dá)到0.2 K，缺陷呈現(xiàn)黃色，被溫度更高的紅色所包圍。

圖2 5 K入模溫差下B缺陷熱成像圖

入模溫差為4 K時(shí)，B缺陷試驗(yàn)過程如圖3所示。圖3（a）為t=1 min時(shí)刻所得熱成像圖，溫差達(dá)到0.4 K。圖3（b）為t=4 min時(shí)刻所得熱成像圖，溫差達(dá)到0.3 K，此時(shí)缺陷區(qū)域變得模糊，缺陷不明顯。

圖3 4 K入模溫差下B缺陷熱成像圖

入模溫差為3 K時(shí)，B缺陷試驗(yàn)過程如圖4所示。與入模溫差為4 K時(shí)相同，在t=1 min時(shí)刻溫差達(dá)到0.4 K，t=4 min時(shí)刻溫差達(dá)到0.2 K。

圖4 3 K入模溫差下B缺陷熱成像圖

入模溫差為2 K時(shí)，B缺陷試驗(yàn)過程如圖5所示。在t=1 min時(shí)刻溫差達(dá)到0.3 K。t=2 min時(shí)刻溫差已經(jīng)降至0.2 K。

圖5 2 K入模溫差下B缺陷熱成像圖

從B缺陷不同入模溫度下的試驗(yàn)熱成像圖可以看出，隨著入模溫度的降低，同一時(shí)刻所得缺陷溫差也在降低，并且缺陷邊界變得模糊，可以分辨出缺陷的時(shí)間段也在逐漸縮短。

因此將各入模溫度下的熱成像圖整理分析，得到如圖6所示的B缺陷不同入模溫度下的缺陷區(qū)域溫差曲線。所有的溫差曲線整體上呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，并且在初始時(shí)刻存在一個(gè)上升段，達(dá)到最大溫差后曲線逐漸下降；隨著入模溫度的降低，所得的缺陷區(qū)域溫差值也在降低，在8 K入模溫差下最大缺陷溫差達(dá)到1.2 K，5 K入模溫差下最大缺陷溫差達(dá)到0.7 K，在2 K入模溫差下最大缺陷溫差仍可以達(dá)到0.3 K。

圖6 B缺陷（10 cm×10 cm×0.5 cm）不同入模溫度下的溫差曲線

2.2.2 C、D缺陷試驗(yàn)結(jié)果與分析

入模溫差為8 K時(shí)，C、D缺陷試驗(yàn)過程如圖7所示。圖像中呈現(xiàn)3個(gè)缺陷，其中右邊一個(gè)為C缺陷，其余2個(gè)為D缺陷。t=30 s時(shí)刻的熱成像圖如圖7（a）所示，C缺陷區(qū)域溫差為0.5 K，D缺陷區(qū)域溫差為0.4 K。t=90 s時(shí)刻的熱成像圖如圖7（b）所示，C缺陷區(qū)域溫差為0.7 K，D缺陷區(qū)域溫差為0.5 K。

圖7 8 K入模溫差下C、D缺陷熱成像圖

入模溫差為5 K時(shí)，C、D缺陷熱成像如圖8所示，此時(shí)t=60 s，C缺陷區(qū)域溫差為0.6 K，D缺陷區(qū)域溫差為0.5 K。入模溫差為4 K時(shí)，C、D缺陷熱成像如圖9所示，此時(shí)t=60 s，C、D缺陷區(qū)域溫差均為0.6 K。

圖8 5 K入模溫差下t=60 s時(shí)的C、D缺陷熱成像圖

圖9 4 K入模溫差下t=60 s時(shí)的C、D缺陷熱成像圖

入模溫差為3 K時(shí)，C、D缺陷試熱成像如圖10所示，此時(shí)t=45 s，C缺陷區(qū)域溫差為0.3 K，D缺陷區(qū)域溫差為0.4 K。入模溫差為2 K時(shí)，C、D缺陷試熱成像如圖11所示，此時(shí)t=45 s，C缺陷區(qū)域溫差為0.4 K，D缺陷區(qū)域溫差為0.3 K。

圖10 3 K入模溫差下t=45 s時(shí)的C、D缺陷熱成像圖

圖11 2 K入模溫差下t=45 s時(shí)的C、D缺陷熱成像圖

將各入模溫差下的熱成像圖整理分析，得到如圖12、圖13所示的C、D缺陷不同入模溫差下的缺陷區(qū)域溫差曲線。與B缺陷溫差曲線圖相似，C、D缺陷所得的溫差曲線具有相同的規(guī)律。在8 K入模溫差下，C、D缺陷區(qū)域溫差可達(dá)到0.6 K；在5 K入模溫差下，C、D缺陷區(qū)域溫差可達(dá)到0.4 K。

圖12 C缺陷（5 cm×5 cm×1 cm不同入模溫差下的溫差曲線

圖13 D缺陷（5 cm×5 cm×0.5 cm）不同入模溫差下的溫差曲線

對(duì)比B、D缺陷區(qū)域溫差曲線可以發(fā)現(xiàn)，相同入模溫差下，B缺陷區(qū)域溫差大于D缺陷區(qū)域溫差，并且入模溫度越高差別越大，即相同入模溫度、相同缺陷厚度下，缺陷尺寸越大，缺陷區(qū)域溫差越大。同樣，對(duì)比C、D缺陷區(qū)域溫差曲線可以發(fā)現(xiàn)，兩者溫差曲線差異不大，但在相同入模溫度下，C缺陷溫差稍高于D缺陷溫差，即相同入模溫度、相同缺陷尺寸下，缺陷厚度對(duì)缺陷區(qū)域溫差的影響較小。

3 Ansys有限元熱分析

利用Ansys有限元分析軟件，建立熱分析模型。各材料物理性質(zhì)參見表1，選用Thermal Solid 8node278單元，有限元分析模型如圖14所示。

圖14 有限元分析模型

各模擬圖不再一一列舉。圖15為A缺陷在入模溫差為8 K、t=15 s時(shí)刻的溫度云圖，圖中藍(lán)色區(qū)域即為A缺陷。將不同缺陷下的各模擬值進(jìn)行整理，可得到如圖16～圖19所示的溫差曲線圖。

圖15 8 K入模溫差下t=15 s時(shí)的A缺陷溫度云圖

圖16 不同入模溫度下A缺陷（10 cm×10 cm×1 cm）模擬值溫差曲線

圖19 不同入模溫度下D缺陷（5 cm×5 cm×0.5 cm）溫差曲線

為了更清楚地進(jìn)行對(duì)比分析，在模擬值溫差曲線的基礎(chǔ)上，添加了試驗(yàn)值溫差曲線。在圖17中，B缺陷的模擬值和試驗(yàn)值溫差曲線變化趨勢(shì)基本相同，而模擬值大于試驗(yàn)值，原因可能是試驗(yàn)過程受到風(fēng)的影響，導(dǎo)致試驗(yàn)值稍低，但是影響不大。在圖18和圖19中，C、D缺陷的模擬值和試驗(yàn)值比較吻合，但在3 K入模溫差下所得的最大溫差，試驗(yàn)值稍大于模擬值，原因可能是在試驗(yàn)結(jié)果處理過程中產(chǎn)生誤差。

圖17 不同入模溫度下B缺陷（10 cm×10 cm×0.5 cm）溫差曲線

圖18 不同入模溫度下C缺陷（5 cm×5 cm×1 cm）溫差曲線

4 結(jié)語(yǔ)

1）隨著入模溫度的降低，同一時(shí)刻所得缺陷溫差也在降低，并且缺陷邊界變得模糊，可以分辨出缺陷的時(shí)間段也在逐漸縮短。

2）相同入模溫度、相同缺陷厚度下，缺陷尺寸越大，缺陷區(qū)域溫差也越大；相同入模溫度、相同缺陷尺寸下，缺陷厚度對(duì)缺陷區(qū)域溫差的影響較小。

3）對(duì)于10 cm×10 cm×1 cm（0.5 cm）和5 cm×5 cm×1 cm（0.5 cm）大小的缺陷，入模溫差控制在3～5 K之間，此時(shí)的缺陷區(qū)域溫差可達(dá)到0.4～0.6 K，易得到理想的紅外熱圖像。