王曉航 雅 菁 尚靜媛 劉立平 岑麗麗 張 頊 袁嘯天

(1.河南省第二建設(shè)集團有限公司，鄭州 451464；2.天津城建大學，天津市建筑綠色功能材料重點實驗室，天津 300384；3.天津津貝爾建筑工程試驗檢測技術(shù)有限公司，天津 300170；4.北京市住宅產(chǎn)業(yè)化集團股份有限公司，北京 100161)

鋼板組合剪力墻作為一種新型的建筑結(jié)構(gòu)體系，具有施工快捷、節(jié)約模板、延性好、承載能力和抗震性能高等特點[1-3]。但考慮到鋼板內(nèi)局部區(qū)域異常復雜存在加勁肋、鋼筋等連接構(gòu)件，混凝土容易振搗不均勻，徑向收縮等因素，易導致鋼板與混凝土之間產(chǎn)生空洞和脫粘缺陷。由于混凝土的密實度是確保鋼板組合剪力墻結(jié)構(gòu)可靠性的重要前提，對結(jié)構(gòu)起到至關(guān)重要的作用，否則就會存在嚴重的質(zhì)量安全隱患[4]。目前，紅外熱成像技術(shù)在建筑無損檢測領(lǐng)域應(yīng)用也比較常見[5-6]，如對鋼板組合剪力墻界面脫空進行檢測[7]、粘鋼加固脫空缺陷檢測[8-9]、外墻飾面脫空缺陷檢測[10]等，但是需要通過對被檢測物體進行熱源激勵來改變檢測物體熱狀態(tài)，而且檢測出缺陷后需要先破損再修補，過程較為繁瑣。因此，為了能在澆筑混凝土時及早檢測脫空缺陷的存在，并在未凝固前通過振搗和及時補灌等方式修補混凝土脫空缺陷，避免因混凝土質(zhì)量問題造成的返工，提高施工質(zhì)量。所以本文在紅外熱成像技術(shù)和傳熱學的基礎(chǔ)上，利用混凝土澆筑時與鋼板之間的溫差對鋼板組合剪力墻界面脫空缺陷進行檢測，通過熱量交換使得缺陷處表面溫度產(chǎn)生差異從而識別脫空缺陷，這種方式對工程檢測更加方便快捷，具有一定的實際應(yīng)用價值。

1 鋼板組合剪力墻缺陷檢測的理論基礎(chǔ)

紅外熱成像檢測技術(shù)的基本原理[11]：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(jù)熱力學第二定律：凡是有溫差存在的地方，就有熱能自發(fā)地從高溫物體向低溫物體傳遞?？紤]到實際工程中在澆筑混凝土時混凝土水化會釋放一定的熱量，與鋼板的溫度可能會存在不同的情況，鋼板、混凝土、水泥砂漿、空氣材料熱物理參數(shù)見表1[12]。

表1 材料的熱物理參數(shù)Table 1 Thermophysical parameters of materials

根據(jù)熱源的位置不同，熱量傳遞過程如圖1所示，可以分為混凝土提供熱源和鋼板提供熱源，由于熱量傳遞的推動力是溫差，熱量會從高溫向低溫區(qū)傳遞，當被測物體內(nèi)部不連續(xù)存在脫空缺陷時，脫空缺陷處與正常位置的導熱系數(shù)不同，正?；炷梁兔摽杖毕萏幍膫鳠崴俾什灰恢拢沟梦矬w表面的熱量分布不同，當熱源為混凝土時，脫空缺陷位置表面溫度低于正常區(qū)域；熱源為鋼板時，脫空缺陷表面溫度高于正常區(qū)域，最后通過紅外熱成像圖呈現(xiàn)出來的顏色差異來檢測物體內(nèi)部缺陷的情況[13-14]。

a—混凝土內(nèi)熱源；b—鋼板外熱源。圖1 不同熱源熱量傳遞示意Fig.1 Heat transfer diagrams of different heat sources

2 試驗過程

制備尺寸為300 mm×200 mm×150 mm且界面存在脫空缺陷的鋼板組合剪力墻。本試驗鋼板壁厚5 mm，采用導熱系數(shù)與空氣導熱系數(shù)接近的擠塑泡沫板代替空氣，緊貼在鋼板組合剪力墻內(nèi)表面，缺陷的厚度分別為20 mm和30 mm，缺陷的面積分別為1，4，9，25 cm2，用下標1、2、3、5表示(例如Aa1是面積為1 cm2，厚度為20 mm的脫空缺陷)。缺陷位置的布置如圖2所示。由于與鋼板界面接觸的主要是水泥砂漿，所以采用水泥砂漿來代替混凝土進行試驗?？紤]到冬天和夏天施工，環(huán)境溫度會有一定的差別，為了能更好地控制混凝土入模時的溫差，方便試驗操作，研究不同入模溫差下的界面脫空情況，設(shè)置兩組試驗：第一組取鋼板溫度為15 ℃作為基礎(chǔ)溫度，將水泥砂漿的入模溫度控制在30，25，20 ℃，入模溫差分別為15，10，5 ℃。第二組取鋼板溫度為30 ℃作為基礎(chǔ)溫度，將水泥砂漿的入模溫度控制在15 ℃。

圖2 入模溫差脫空缺陷位置布置 mmFig.2 Arrangements of void defects caused by the temperature difference during molding

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，熱靈敏度小于0.05 ℃。由于鋼板表面的反光會使得周圍環(huán)境的溫度對紅外儀器測得的溫度準確性產(chǎn)生影響，為了降低鋼板表面發(fā)射率低帶來的誤差，將鋼板表面均勻噴上黑色的油漆，經(jīng)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 入模溫差脫空缺陷試驗檢測結(jié)果分析

圖3～5是入模溫差分別在15，10，5 ℃時鋼板組合剪力墻表面溫度場連續(xù)變化的紅外熱成像示意。以水泥砂漿為熱源，環(huán)境溫度通過空調(diào)、溫濕度計及測溫計進行控制，待房間內(nèi)不同位置的環(huán)境溫度與鋼板表面初始溫度相同為15 ℃時進行試驗。由于本試驗的水泥用量較少，水泥材料自身的溫度對攪拌后的溫度影響較小，自身的水泥水化熱可忽略不計，僅需要控制水泥砂漿拌合后溫度，通過拌合水及溫度計進行溫度控制。在加入不同溫度的水泥砂漿后，即可以觀察到不同大小的暗色區(qū)域，且與預先設(shè)置好的脫空缺陷尺寸大小和位置基本吻合，這是因為混凝土溫度高，向鋼板表面?zhèn)鬟f時，脫空缺陷阻礙了熱量向鋼板表面?zhèn)鬟f，使得缺陷位置處溫度較低呈現(xiàn)暗色，提取紅外熱成像圖中的溫度數(shù)據(jù)，繪制不同入模溫差時缺陷表面溫差隨時間變化曲線結(jié)果如圖6～8所示。由圖6可知，在相同入模溫差和缺陷尺寸時，厚度為 30 mm的缺陷對應(yīng)鋼板表面位置處的溫差高于20 mm厚的缺陷，但是兩者之間溫度差異相差很小，該差異在紅外熱成像圖中出現(xiàn)的顏色沒有差別，相對于缺陷的尺寸對鋼板表面溫度的影響，缺陷厚度的影響可以忽略。結(jié)合圖7、8可以看出：鋼板與混凝土溫度差值越大，脫空缺陷在紅外熱成像圖中可檢測出的最佳時間范圍越長，且會隨著脫空缺陷尺寸的增大而延長。這是因為溫差越大，熱量傳遞的速率和溫差呈正相關(guān)，傳遞到鋼板表面的熱量越多，使得鋼板表面的正常區(qū)域和缺陷區(qū)域的差異更加明顯，呈現(xiàn)出差異的時間范圍增加。

a—0 s；b—10 s；c—20 s；d—30 s；e—40 s；f—50 s；g—60 s；h—70 s。圖3 入模溫差在15 ℃時鋼板組合剪力墻紅外熱成像示意Fig.3 Infrared thermal imaging of the composite steel plate shear wall when the molding temperature difference was 15 ℃

a—0 s；b—10 s；c—20 s；d—30 s；e—40 s；f—50 s；g—60 s；h—70 s。圖4 入模溫差在10 ℃時鋼板組合剪力墻紅外熱成像示意Fig.4 Infrared thermal imaging of the composite steel plate shear wall when the molding temperature difference was 10 ℃

a—0 s；b—10 s；c—20 s；d—30 s；e—40 s；f—50 s；g—60 s；h—70 s。圖5 入模溫差在5 ℃時鋼板組合剪力墻紅外熱成像示意Fig.5 Infrared thermal imaging of the composite steel plate shear wall when the molding temperature difference was 5 ℃

圖6 入模溫差15 ℃時不同缺陷厚度表面溫差變化Fig.6 Changes of temperature difference on defect surface with different defect thicknesses when the temperature difference during molding was 15 ℃

圖7 入模溫差10 ℃時缺陷表面溫差變化Fig.7 Changes of temperature different on defect surface when the temperature difference during molding was 10 ℃

圖8 入模溫差5 ℃時缺陷表面溫差變化Fig.8 Changes of temperature difference on defect surface when the temperature difference during molding was 5 ℃

通過自身以及與環(huán)境進行熱量交換的方式進行自然冷卻，入模溫差在15 ℃時可以識別出1 cm2以上的脫空缺陷(Aa1和Ab1)；在自然冷卻10 s時，Aa1脫空缺陷的輪廓開始變得模糊，自然冷卻20 s后，輪廓消失不見從而無法辨別；Aa2脫空缺陷在自然冷卻40 s時邊界開始模糊；Aa3脫空缺陷在自然冷卻70 s時邊界開始模糊；而25 cm2脫空缺陷由于尺寸較大顯示的時間大約持續(xù)了400 s左右。

入模溫差在10 ℃時可以識別出4 cm2以上的脫空缺陷(Aa1和Ab1)，在自然冷卻20 s時，Aa2脫空缺陷的輪廓開始變得模糊，在自然冷卻30 s后，輪廓消失不見從而無法辨別；Aa3脫空缺陷在自然冷卻50 s時邊界開始模糊，自然冷卻60 s后無法辨別，而25 cm2脫空缺陷由于尺寸較大顯示的時間大約持續(xù)了300 s左右。

入模溫差在5 ℃時的變化過程與入模溫差為10 ℃時較為相似，均無法識別出1 cm2的脫空缺陷(Aa1)，Aa2脫空缺陷在自然冷卻10 s后即看不出輪廓，Aa3和Aa5脫空缺陷持續(xù)顯示的時間分別為20 s和60 s。

圖9是以鋼板為熱源表面初始溫度是30 ℃，水泥砂漿為15 ℃，入模溫差在15 ℃時鋼板組合剪力墻表面溫度場的紅外熱成像示意，與混凝土為熱源時紅外熱成像示意不同的是脫空缺陷處呈現(xiàn)出亮色區(qū)域。這是因為鋼板表面的熱量向混凝土進行傳遞，熱量此時受到脫空缺陷的阻礙使得熱量積聚在鋼板表面，呈現(xiàn)出亮色。

圖9 入模溫差為15 ℃時鋼板為熱源的紅外熱成像示意Fig.9 Infrared thermal imaging of steel plate as heat source when the temperature difference during molding was 15 ℃

圖10是入模溫差為15 ℃時不同熱源位置表面溫差變化曲線，從圖中可以看出脫空缺陷表面積越大阻礙熱量的能力也就越大，兩者呈現(xiàn)出的規(guī)律一致。不同的是鋼板為熱源時脫空缺陷處與正常區(qū)域的溫差低于混凝土為熱源時。這是因為試驗時周圍的環(huán)境為15 ℃，這使得鋼板的熱量不僅向混凝土內(nèi)部傳遞，還會向周圍環(huán)境進行交換，所以圖10a的溫差低于圖10b。

a—鋼板外熱源；b—混凝土內(nèi)熱源。圖10 入模溫差15 ℃時缺陷表面溫差變化Fig.10 Changes of temperature difference on defect surface when the temperature difference during molding was 15 ℃

4 工程實例應(yīng)用

為了進一步驗證該方法在實際工程中的應(yīng)用效果，結(jié)合工程案例采用紅外熱成像法對鋼板混凝土組合剪力墻混凝土脫空缺陷進行檢測。本工程為天津市某裝配式建筑三層樣板房，建筑主體結(jié)構(gòu)采用多腔體鋼板組合剪力墻，截面厚度為160 mm，鋼板厚度為8 mm，平面形狀分為L、Z、T及一字形，鋼板內(nèi)澆筑C40自密實混凝土。

1)在澆筑混凝土前對鋼板組合剪力墻進行測溫，測得澆筑前鋼板表面的平均溫度為32 ℃且表面顏色均勻，圖11為二層某鋼板組合剪力墻澆筑混凝土后的實時紅外熱成像情況，從圖11a可以看出，由于澆筑混凝土時是分腔體進行澆筑，所以在澆筑混凝土后具有明顯的分界線，顏色發(fā)生了區(qū)域性的變化，最右側(cè)區(qū)域呈現(xiàn)出的顏色較暗，且3號點較2號點溫度低1.3 ℃。這是因為澆筑的混凝土平均溫度為35 ℃，比鋼板本身的溫度高，且鋼板內(nèi)部是多腔體結(jié)構(gòu)，此時左側(cè)腔體內(nèi)澆筑了混凝土，最右側(cè)腔體內(nèi)未澆筑混凝土，所以左側(cè)鋼板在吸收了混凝土內(nèi)的熱量使得鋼板表面溫度上升，所以左側(cè)溫度比右側(cè)要高。

a—紅外熱成像示意；b—可見光示意。圖11 測試鋼板組合剪力墻Fig.11 The composite steel plate shear wall for testing

a—上部；b—中部；c—下部。圖12 測試鋼板組合剪力墻紅外熱圖像Fig.12 Infrared thermal images of the composite steel plate shear wall for testing

5 結(jié)束語

通過紅外熱成像檢測技術(shù)對鋼板組合剪力墻進行檢測研究，得出以下結(jié)論：

1)紅外熱成像技術(shù)在不主動加熱情況下僅依靠混凝土入模時與鋼板的溫差進行熱量傳遞即可反映出脫空缺陷的位置及大小。鋼板壁厚為5 mm且溫度為15 ℃，入模溫差在15 ℃時，可識別出面積為1 cm2以上的脫空缺陷，當入模溫差在10 ℃和5 ℃時，可識別出面積為4 cm2以上的脫空缺陷。

2)該方法具有一定的局限性，需要在混凝土澆筑完成后盡快進行檢測，且具有一定的溫差，溫差越小可供檢測的時間越短。針對面積為1 cm2的脫空缺陷在入模溫差為15 ℃時缺陷持續(xù)顯示了10 s；面積為4 cm2的脫空缺陷，入模溫差在15，10，5 ℃的最佳檢測時間分別為40，20，5 s以內(nèi)；面積為9 cm2的脫空缺陷，入模溫差在15，10，5 ℃的最佳檢測時間分別為70，50，10 s以內(nèi)；面積為25 cm2的脫空缺陷，入模溫差在15，10，5 ℃的最佳檢測時間分別為6.5，5，1 min以內(nèi)。

3)利用入模溫差可以在短時間內(nèi)對界面脫空缺陷進行監(jiān)測，并通過振搗和及時補灌等方式及時修補混凝土脫空缺陷，在一定程度上可以提高混凝土澆筑時的質(zhì)量，從而避免因混凝土質(zhì)量問題造成的返工，具有很高的實際應(yīng)用價值。