屋面渗漏红外检测中影响灵敏度的因素分析

曾晓文，陈国锋，张咏梅

（九江学院土木与城建学院，江西九江 332005）

屋面渗漏红外检测中影响灵敏度的因素分析

曾晓文，陈国锋，张咏梅

（九江学院土木与城建学院，江西九江 332005）

红外热像技术由于其独特的优势，在土木工程中日益受到重视，但在适用范围、测试方法、结果和精度分析等诸多方面，仍有待进行更深入的理论和实验研究。用有限元仿真模拟的方法研究红外无损检测的过程，可以排除实际检测中的各种噪声及其它外界条件影响，研究各种热工参数对检测灵敏度的影响，为实际红外无损检测提供理论依据和技术参考。

红外热像技术；有限元分析；无损检测

屋面由面层和承重层2部分组成，除了能足以承受屋面荷载，具有良好的隔热、保温和隔声效果以外，还必须具有足够的抗渗防漏能力。屋面渗漏会直接损及房屋的正常使用，污损室内装饰，影响美观舒适；如果长期渗漏还会腐蚀房屋的结构构件，危及房屋的使用安全，从而缩短房屋的使用寿命［1］。

因而，及时发现屋面渗漏，测定屋面含水部位及程度具有普遍意义。渗漏的调查，尤其是渗漏点的确定不是一件容易的事，借助红外热像仪诊断屋面成为一种最重要的手段［2］。

在自然界中任何温度高于绝对零度（－2.73℃）的物体都是红外辐射源。辐射能量的主波长是温度的函数，并与表面状态有关。红外无损检测是利用红外辐射原理对材料表面进行检测。如果被测材料内部存在缺陷，将会导致材料的热传导性改变，进而反映在材料表面温度的差别上，即材料表面的局部区域产生温度梯度，导致材料表面红外辐射能力会发生差异，温度场随时间变化的信息中包含了样品缺陷的信息。利用显示器将其显示出来，便可推断材料内部的缺陷。

用有限元仿真模拟的方法研究红外无损检测过程①ANSYS公司，ANSYS热分析指南，2000.，是在排除实际检测中的各种噪声及其它外界条件影响下，研究各种热工参数对检测灵敏度的影响，为实际红外无损检测提供理论依据和技术参考，而且还为进一步定量分析缺陷特征提供了一个手段［3］。

1 数学模型的选择

模型如图1所示，屋面长宽为1 m，第一层为水泥沙浆保护层，厚50 mm；第二层为玻璃纤维保温层，厚50 mm；第三层为钢筋混凝土结构层，厚100 mm。其中第二层中部圆柱为屋面渗漏使保温层藏匿水分部位，圆柱半径为r［4］。材料的热物理性能见表1。

图1 红外无损检测模型Fig.1 Non-destructive testing model

表1 材料热物理性质Table1 Thermophysical p roperties of thematerial

模拟过程为先加热3 h后立刻停止注入热流，再接着在空气中对流换热冷却3 h。

2 网格划分

本文有限元分析使用有限元软件ANSYS中的SOLID70单元，这种单元是一种三维单元，具有8个节点，自由度为温度，采用SOLID70单元对模型进行网格划分，如图2所示。

图2 总网格划分图Fig.2 The totalmesh

3 结果分析

3.1 保温材料含水率的影响

固定渗漏范围半径r＝20 mm，加热过程上表面热流密度q＝100（W·m－2），下表面空气对流换热系数h＝5（W·（m2·℃）－1），冷却降温过程上表面空气对流换热系数h＝10（W·（m2·℃）－1），下表面空气对流换热系数h＝5（W·（m2·℃）－1）。空气温度Tair为10℃，温差ΔT＝Twet－Tdry，Twet为保温材料渗处相对应屋面表面的温度（取渗漏中心所对应的点），Tdry为干燥保温材料相对应屋面处的温度（取远离渗漏处所对应的点）。由图3可以看出，保温材料含水率越大，其加热升温和冷却降温过程干保温材料和潮湿保温材料之间的温差越大，则越容易用红外热像仪检测。可以得出，保温材料藏匿的水分越多，检测的效果越好。

图3 保温材料含水率对导热的影响Fig.3 Impact of heat insulator moisture content on temperature difference

屋面正表面温度分布云图如图4所示，左侧为加热3 h后屋面表面的温度分布云图，右侧为接着冷却3 h后屋面表面的温度分布云图，由上到下屋面渗漏处保温层含水率分别为20%，40%，60%。

图4 不同含水率条件的屋面正表面的温度分布云图Fig.4 Tem perature distribution of roof surface w ith differentmoisture contents

3.2 渗漏范围大小的影响

固定湿保温材料的含水率，渗漏半径分别为r＝0.1，0.15，0.2 mm。加热过程上表面热流密度q＝100（W·m－2），下表面空气对流换热系数h＝5（W·（m2·℃）－1），冷却降温过程上表面空气对流换热系数h＝10（W·（m2·℃）－1），下表面空气对流换热系数h＝5（W·（m2·℃）－1）。空气温度Tair为10℃，温差ΔT＝Twet－Tdry随时间变化曲线如图，由图5可以看出，渗漏范围越大，则其表面产生的温差越大，越容易检测。

图5 渗漏范围大小对导热的影响Fig.5 Impact of leakage area on thermal conductivity

屋面正表面温度分布云图如图6所示，左侧为加热3 h后屋面表面的温度分布云图，右侧为接着冷却3 h后屋面表面的温度分布云图由上到下屋面渗漏半径分别为r＝0.1，0.15，0.2 mm。

图6 不同渗漏半径条件的屋面正表面的温度分布云图Fig.6 Tem perature distribution of roof surface w ith different leakage radiuses

3.3 热流大小的影响

固定湿保温材料含水率为40%，渗漏范围半径20 mm，加热过程上表面热流密度分别为q1＝100（W·m－2），q2＝150（W·m－2）下表面空气对流换热系数h＝5（W·（m2·℃）－1），冷却降温过程上表面空气对流换热系数h＝10（W·（m2·℃）－1），下表面空气对流换热系数h＝5（W·（m2·℃）－1）。空气温度Tair为10℃，温差ΔT＝Twet－Tdry随时间变化曲线如图，由图7可以看出，随着热流的增大，屋面表面产生的温差增大：日照强度越大，则检测的灵敏度越高。屋面正表面温度云图如图8所示。

图7 热流大小对导热的影响Fig.7 Impact of heat quantity on thermal conductivity

图8 左侧为加热3 h后屋面表面的温度分布云图，右侧为接着冷却3 h后屋面表面的温度分布云图，由上到下表面热流密度分别为q1＝100（W·m－2），q2＝150（W·m－2）。

图8 不同热流大小条件的屋面正表面的温度分布云图Fig.8 Tem perature distribution of roof surface w ith different heat quantities

4 结 论

通过三维有限元分析方法模拟了屋面升温与降温的温度变化过程，分析了影响红外热像技术检测屋面渗漏灵敏度的几个重要参数，得出以下结论。

（1）屋面渗漏后，在渗漏处和完好处屋面升温和降温过程存在温差，这是红外热像检测的依据。

（2）屋面渗漏范围越大，渗漏处所藏匿水分越多，则越容易被检测出来。

（3）日照强度越大，红外检测的灵敏度越高，屋面升温和降温过程中，温差的最大值跟热流大小成正比。

［1］ 黄 沛，谢慧才.无保温层屋面渗漏的红外热像检测方法［J］.激光与红外，2007，（2）：137－139.（HUANG Pei，XIE Hui-cai.Detecting moisture in monolayer roof using infrared thermography［J］.Laser＆Infrared，2007，（2）：137－139.（in Chinese））

［2］ 张维力，和丕训，李春荣.红外诊断技术［M］.北京：水利电力出版社，1991.（ZHANG Wei-li，HE Pi-xun，LIChun-rong.Infrared Diagnostic Techniques［M］.Beijing：China Water Power Press，1991.（in Chinese））

［3］ TITMAN D J.Applications of thermography in non-destructive testing of structures［J］.NDT and E international，2001，34（2）：149－154.

［4］ 尚亚妮，陆建勇，宋 伟.红外检测技术在某建筑屋面渗漏检测中的应用［J］.陕西建筑，2008，（8）：60－62.（SANG Ya-ni，LU Jian-yong，SONG Wei.Infrared detection technique in a roof leakage detection［J］.Shanxi architecturel，2008，（8）：60－62.（in Chinese））

（编辑：刘运飞）

Factors Affecting Sensitivity of Roof Leakage by Infrared Detection Technology

ZENG Xiao-wen，CHEN Guo-feng，ZHANG Yong-mei
（College of Civil Engineering and Urban Construction，Jiujiang University，Jiujiang 332005，China）

The infrared thermal imagery technology has

more andmore attention in the civil engineering because of its unique advantages.But it isworthily further study in theory and experiment in the aspects of its applicable scope，testmethod，result and precision analysis and so on.Using finite element simulationmethod to study infrared non-destructive testing process can remove all kinds of noise and other external condition influences in the actual test.It also helps to study the influence of various thermal parameters on sensitivity testing.Thus it provides the theory basis and the technical reference for the actual infrared non-destructive testing.

infrared thermal imaging technology；finite element analysis；non-destructive testing

TU111.24

A

1001－5485（2010）06－0071－03

2009-07-07；

2009-09-04

曾晓文（1974-），男，江西万安人，讲师，主要从事结构工程研究，（电话）13407027451（电子信箱）376959388＠qq.com。