蔣濟(jì)同,范曉義

(中國海洋大學(xué)工程學(xué)院,青島 266100)

對紅外熱像技術(shù)應(yīng)用方面的研究,最早出現(xiàn)在20世紀(jì)60年代的美國。20世紀(jì)70年代末,已經(jīng)有學(xué)者應(yīng)用紅外成像技術(shù)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(shù)在我國起步較晚,在20世紀(jì)90年代初,我國才有學(xué)者將紅外熱像診斷技術(shù)和土木工程結(jié)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(zhì)量等方面進(jìn)行了初步的應(yīng)用研究。紅外熱像技術(shù)是一種全新、靈敏的檢測方法,也是一種很好的監(jiān)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(jié)果直觀形象,易于實現(xiàn)自動化和實時觀測[1]。

1 紅外熱像技術(shù)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(jìn)行探測的[2]。當(dāng)物體內(nèi)部存在裂縫和缺陷時,它將改變物體的熱傳導(dǎo),使物體表面溫度的分布產(chǎn)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(shù)在混凝土檢測中的應(yīng)用現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢

紅外熱像檢測在土木工程中的應(yīng)用,國外已經(jīng)研究了相當(dāng)長的一段時間,在許多國家應(yīng)用已久,如美國ASTM和ASNT一直致力于對此項技術(shù)的研究,并制定了有關(guān)檢測標(biāo)準(zhǔn),作為實際檢測過程中的指導(dǎo)性文件。該技術(shù)在國內(nèi)尚處于起步階段,但應(yīng)用前景十分廣泛。目前利用紅外熱像技術(shù)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(jìn),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(fù)雜的實際工程當(dāng)中。

圖1 紅外熱像檢測物體原理示意圖

2.1 熱源的改進(jìn)

針對混凝土的有關(guān)檢測過程中如何改進(jìn)熱源這一問題,國內(nèi)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(shù)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(qiáng)表面粘結(jié)層的脫膠情況進(jìn)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(xiàn)[6]和[7]中Takahide Sakagami等研究人員利用紅外燈照射對混凝土內(nèi)部的層離缺陷進(jìn)行了分析研究,得出了混凝土內(nèi)部缺陷隨埋設(shè)深度及缺陷的幾何大小變化的關(guān)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(shù)理統(tǒng)計法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法對材料的內(nèi)部缺陷檢測的優(yōu)劣,指出了各種方法的適用條件。國內(nèi),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(yīng),對含預(yù)制裂紋的碳纖維混凝土缺陷體進(jìn)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(jié)論,為優(yōu)化和評估電熱紅外檢測方案提供了重要的數(shù)值依據(jù)。國內(nèi)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(chǎn)生的溫度場具有以熱源對應(yīng)點為中心,向外圍梯度遞減的特點,影響檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性。如何通過變換外加熱源的角度,或增加熱源的數(shù)量,在檢測區(qū)域進(jìn)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(shù)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(guān)系,從而縮短了現(xiàn)場檢測的時間。研究人員D Defer和JShen[13]等詳細(xì)推導(dǎo)了自然條件下帶缺陷層的多層平壁導(dǎo)熱公式,同時根據(jù)熱阻的概念,利用自然界溫度場,通過紅外熱像法對結(jié)構(gòu)物的內(nèi)部分層缺陷進(jìn)行了定量研究。北京航空航天大學(xué)的王永茂等[14]為定量測定缺陷,提出由有缺陷區(qū)域表面溫度和由表面溫差達(dá)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(xué)的楊銳玲[15]根據(jù)熱傳導(dǎo)方程和熱輻射邊界條件,從理論上建立了計算混凝土內(nèi)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(fā),同濟(jì)大學(xué)的趙鳴、李杰和王婷等[16-17]借助一維與二維熱傳導(dǎo)物理模型進(jìn)行混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部缺陷深度與厚度的識別,實現(xiàn)了對混凝土內(nèi)部缺陷的三維重構(gòu),并采用LM人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對缺陷的深度和厚度進(jìn)行了計算。清華大學(xué)的孫格靚,王厚亮等[18]同樣利用紅外熱像儀對碳纖維增強(qiáng)混凝土構(gòu)件的破壞進(jìn)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(jìn)行試驗的材料多為勻質(zhì)材料,缺陷的深度較淺。如何建立適用于多數(shù)復(fù)雜的實際工程計算模型,加強(qiáng)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(jīng)取得了很大進(jìn)展,因此如何把研究成果運用到復(fù)雜的實際工程當(dāng)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(shù)在較低溫度下對混凝土分層和橋梁砌體粘結(jié)質(zhì)量、石拱橋的背部滲水和鐵路碎石路基的工作狀況檢測進(jìn)行了試驗,并且把該技術(shù)應(yīng)用到了實際工程中。Valluzzi MR等[22]通過紅外熱像技術(shù),對一些歷史建筑物的維護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了損傷檢測,并利用該方法進(jìn)行修復(fù)狀態(tài)檢測。此外,為了探討紅外熱像檢測技術(shù)在現(xiàn)場檢測的效果,Maierhofer Ch等[23]將紅外熱像法和探地雷達(dá)法對混凝土淺層的內(nèi)部缺陷的檢測效果進(jìn)行試驗比較,結(jié)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(guān)系。此變化與溫度無關(guān),完全由壓力引起,不需要經(jīng)歷生熱的中間物理過程。這一物理現(xiàn)象在世界上第一次被發(fā)現(xiàn),為混凝土工程應(yīng)力測量提出了新原理、新方法和新技術(shù),具有廣泛的應(yīng)用價值和前景。東北大學(xué)的研究人員劉善軍、河北理工大學(xué)的張艷博等[26]共同提出對內(nèi)含水體的混凝土試樣進(jìn)行單軸壓縮加載,利用紅外熱像儀并輔以聲發(fā)射儀,觀測加載過程中試樣的紅外輻射與聲發(fā)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(jié)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(jiān)測與災(zāi)變預(yù)警具有重要的意義。在評估災(zāi)害對建筑物結(jié)構(gòu)的影響上,同濟(jì)大學(xué)的張雄等科研人員[27-32]更是在國際上首創(chuàng)了用紅外熱像技術(shù)對火災(zāi)混凝土的檢測方法,不但得到了火災(zāi)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(yù)期收獲溫度損失之間的回歸方程,為建筑物在火災(zāi)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(shù)與常規(guī)檢測方法相比優(yōu)勢比較明顯,國內(nèi)外研究人員在各自的領(lǐng)域也取得了相應(yīng)的研究成果,有些成果也已經(jīng)成功地在實踐中得到了應(yīng)用,并取得了良好的效果。

3 結(jié)語

目前國內(nèi)外研究人員已經(jīng)對紅外熱像檢測技術(shù)進(jìn)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(shù)量在檢測區(qū)域內(nèi)進(jìn)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(jìn)行試驗的材料多為勻質(zhì)材料,缺陷的深度較淺,沒有適當(dāng)?shù)挠嬎隳Ｐ褪蛊淠苓\用于復(fù)雜的實際工程當(dāng)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(tǒng)計算法等問題都沒有得到很好的解決。相信隨著各學(xué)科的交叉發(fā)展以及各項研究的突破,紅外熱像檢測技術(shù)在研究和實際應(yīng)用中出現(xiàn)的這些問題都能夠得到很好的解決,從而進(jìn)一步發(fā)揮其在無損檢測上的優(yōu)勢。

[1]張榮成.紅外熱像法檢測建筑物外墻飾面施工質(zhì)量的試驗研究[J].建筑科學(xué),2002,18(1)：40-44.

[2]周書銓.紅外輻射測量基礎(chǔ)[M].上海：上海交通大學(xué)出版社,1991：7-10

[3]李為杜.紅外檢測技術(shù)基本原理及應(yīng)用[J].施工技術(shù),1998(11)：34

[4]W iggenhauser H.Active IR-app lications in civil engineering[J].In frared Physics&Technology,2002,43(3-5)：233-238.

[5]Maierho fer Ch,Brink A,Ro llig M,et al.Transient thermography of structural investigation of concrete and composites in the near surface region[J].Infrared Physics&technology,2002,43(3-5)：271-278.

[6]Takahide Sakagami,Shiro Kubo.Development of a new non-destructive testing technique for qualitative evaluations of delamination defects in conc rete structure based on phase Delay measurement using lock-in thermography[J].Infrared Physiec&Technology,2002,43(3-5)：311-316.

[7]Takahide Sakagami,Shiro Kubo.Applications of pulse heating thermography and lock-in thermography to quantitative nondestruc tive evaluations[J].In frared Physics&Technology,2002,43(3-5)：211-218.

[8]Vallerand S,Maldague X.Defect characterization in pulsed thermography：a statistical method compared w ith Kohonen and Perceptron neural netw orks[J].NDT&E International,2000,33(5)：307-315.

[9]宋顯輝,王建軍,李卓球.碳纖維混凝土局部損傷檢測的實驗研究[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報,2004,26(3)：44.

[10]黃莉,龍曦,李卓球.碳纖維混凝土電熱紅外無損檢測的靈敏性分析[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報,2005,27(3)：37-40.

[11]黃莉,李卓球,宋顯輝.碳纖維增強(qiáng)混凝土中裂紋的紅外熱線和檢測方法與機(jī)理研究[J].實驗力學(xué),2003,18(3)：403-408.

[12]Pietro GiovanniBocca,Paola Antonaci.Experimental study for the evaluation of creep in concrete through thermalmeasurements[J].Cement and Concrete Research,2005,35(9)：1776-1783.

[13]Defer D,Shen J,Lassue S,et al.Non-destructive testing of a building wa ll by studying natural thermal signals[J].Energy andBuildings,2002,34(1)：63.

[14]王永茂,郭興旺,李日華,等.缺陷大小和深度的紅外檢測[J].無損檢測,2003,25(9)：458-461.

[15]楊銳玲.紅外熱成像法探測混凝土缺陷的實驗及理論研究[D].武漢：武漢大學(xué),2004：3-6.

[16]王婷,趙鳴,李杰.紅外CT模擬在混凝土板內(nèi)部缺陷探測中的應(yīng)用[J].計算力學(xué)報,2007,24(5)：579-584.

[17]王婷,趙鳴,李杰.識別混凝土板內(nèi)部缺陷的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報,2007,35(3)：304-308.

[18]孫格靚,王厚亮,李建保.碳纖維混凝土構(gòu)件破壞過程的動態(tài)混凝土檢測[J].碳素技術(shù),2004(4)：25-31.

[19]Clark M R.Application of infrared thermography to the non-destructive testing of concrete and masonry bridges[J].NDT&E International,2003,36(4)：265-275.

[20]Clark M R,Mc Cann D M,Forde M C.Infrared thermographic investigation of railway track ballast[J].NDT&E International,2002,35(2)：83-94.

[21]Clark M R,Forde M C.Infrared Thermography Assessment of Masonry Arch Bridges Laboratory and Field Case Studies[C].Germany：International Symposium(NDT-CE 2003).

[22]Valluzzi M R,BondìA.Structural investigations and analyses for the conservation of the Arsenal of Venice[J].Journal of Cultural Heritage,2002,3(1)：65.

[23]Maierhofer Ch,Brink A,Rllig M,et al.Detection of shallow voids in concrete structures with impulse thermography and radar[J].NDT&E International,2003,36(4)：257-263.

[24]鄧明德,樊正芳耿,乃光,等.混凝土的微波輻射和紅外輻射隨應(yīng)力變化的實驗研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報,1997,16(6)：577-583.

[25]鄧明德,錢家棟,尹京苑,等.紅外遙感用于大型混凝土工程穩(wěn)定性監(jiān)測和失穩(wěn)預(yù)測研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報,2001,20(2)：147-150.

[26]劉善軍,張艷博,吳立新,等.混凝土破裂與滲水過程的紅外輻射特征[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報,2009,28(1)：53-58.

[27]杜紅秀,張雄,韓繼紅.混凝土火災(zāi)損傷的紅外熱像檢測與評估[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報,2002,30(9)：1078-1082.

[28]杜紅秀,張雄,韓繼紅.混凝土構(gòu)筑物的火災(zāi)危害與損傷檢測評估[J].建筑材料學(xué)報,1998,1(2)：175-181.

[29]杜紅秀,張雄,韓繼紅,等.混凝土火燒損傷的紅外熱像檢測與分析[J].建筑材料學(xué)報,1998,1(3)：223-226.

[30]張潔龍,杜紅秀,張雄.火災(zāi)損傷混凝土結(jié)構(gòu)紅外熱像檢測與評估[J].高技術(shù)通訊,2002,02：62-65.

[31]杜紅秀,張雄.鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)火災(zāi)損傷的紅外熱像-電化學(xué)綜合檢測技術(shù)與應(yīng)用[J].土木工程學(xué)報,2004,37(7)：41-46.

[32]張維.建筑物紅外檢測技術(shù)[J].無損檢測,1997,19(5)：130-131.