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        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

        2021-12-21 09:04:00楊鴻玉蔣佳磊蔡睿欣周軍紅
        建筑施工 2021年8期
        關(guān)鍵詞:溫差時(shí)刻鋼管

        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(wèn)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(kāi)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(kāi)、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(méi)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(méi)有更多的溫差參照對(duì)比,并且所得試驗(yàn)值沒(méi)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(jiàn)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(jiàn)的裂縫和缺陷以直觀的溫度圖像反映出來(lái),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(wú)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(shù)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T(mén)2,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(guò)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(niǎo)缺陷進(jìn)行試驗(yàn)的,所以缺陷A并沒(méi)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(jiàn)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(guò)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(guò)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。

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