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(yīng)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(fù)雜性，使其在制備和服役過程中容易產(chǎn)生蜂窩、孔洞、分層等缺陷，從而影響混凝土結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)內(nèi)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(shù)是1960 年代發(fā)展起來的新型檢測技術(shù)，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(jié)構(gòu)檢測中的應(yīng)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(nèi)部含有缺陷的混凝土結(jié)構(gòu)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(yīng)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(shù)在混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部缺陷檢測中的應(yīng)用奠定一定的理論基礎(chǔ)。

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(shù)可將紅外輻射轉(zhuǎn)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(nèi)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(nèi)部發(fā)生熱傳導，當試件內(nèi)部存在熱特性不連續(xù)性結(jié)構(gòu)時，會對熱傳導性能產(chǎn)生影響，進而使得試件表面溫度分布產(chǎn)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(yīng)試件的表面溫度差異，實現(xiàn)對混凝土柱內(nèi)部缺陷的判定［1，5］。

圖1 紅外熱成像檢測混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部缺陷的基本原理

3 熱傳導方程

混凝土柱結(jié)構(gòu)長期暴露于室外自然環(huán)境中，承受風吹日曬等自然作用?；炷两Y(jié)構(gòu)體系的溫度效應(yīng)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(jié)構(gòu)的三維熱傳導方程寫為：

式中：T-混凝土柱內(nèi)某點在某時刻的溫度，為坐標（x y z）與時間t 的函數(shù)；kx、ky、kz-為混凝土柱材料在三個方向上的導熱系數(shù)；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(shù)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(shè)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(shè)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(yīng)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(shù)檢測混凝土內(nèi)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(shù)

圖3 不同時刻的試件表面溫度熱圖

6 結(jié) 論

在分析混凝土結(jié)構(gòu)常見缺陷的基礎(chǔ)上，采用紅外熱成像技術(shù)對內(nèi)部含有空洞類缺陷的混凝土結(jié)構(gòu)進行了無損檢測研究。建立了熱流在試件內(nèi)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(jié)果表明，缺陷處與完好材料處對應(yīng)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(shù)可用于實現(xiàn)對混凝土內(nèi)部缺陷的檢測。后續(xù)將對內(nèi)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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［3］ 陳偉，丁沙，陳波，等.基于紅外熱成像與溫度場有限元模擬的混凝土無損檢測研究［J］.混凝土，2011（8）：140-143.

［4］ GHALI V S, et al. Three-Dimensional Pulse Compression for Infrared Nondestructive Testing ［J］. IEEE SENSORS JOURNAL，2009，9（7）：832-833.

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

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［J］.公路，2008（11）：161-163.