红外热像技术在混凝土检测中的应用现状和发展趋势

蒋济同,范晓义

(中国海洋大学工程学院,青岛 266100)

对红外热像技术应用方面的研究,最早出现在20世纪60年代的美国。20世纪70年代末,已经有学者应用红外成像技术诊断建筑物的热损耗、屋顶渗水、围墙缺陷以及查找路面的次表面缺陷等。此技术在我国起步较晚,在20世纪90年代初,我国才有学者将红外热像诊断技术和土木工程结合起来,在建筑物热损耗、建筑材料缺陷探测和建筑外墙施工质量等方面进行了初步的应用研究。红外热像技术是一种全新、灵敏的检测方法,也是一种很好的监测方法,其重要的特点是可以快速、非接触、大面积地扫查检测物表面,并且不损伤检测物,结果直观形象,易于实现自动化和实时观测[1]。

1 红外热像技术的基本原理

在自然界中,任何高于绝对零度的物体都是红外辐射源,红外线是介于可见红光和微波间的电磁波,它的波长范围在0.76～1 000μm之间。其中只有3～5和8～14μm的波段能很好地透过,红外探测器就是利用这个波段进行探测的[2]。当物体内部存在裂缝和缺陷时,它将改变物体的热传导,使物体表面温度的分布产生差别,利用红外热成像仪测量它的不同热辐射,可以检测出物体的缺陷位置。红外热像检测原理如图1所示[3]。

2 红外热像技术在混凝土检测中的应用现状和发展趋势

红外热像检测在土木工程中的应用,国外已经研究了相当长的一段时间,在许多国家应用已久,如美国ASTM和ASNT一直致力于对此项技术的研究,并制定了有关检测标准,作为实际检测过程中的指导性文件。该技术在国内尚处于起步阶段,但应用前景十分广泛。目前利用红外热像技术对混凝土无损检测的研究热点集中在对红外热像获取的热源的改进,缺陷深度、大小的定量化研究以及如何把研究成果运用到复杂的实际工程当中。

图1 红外热像检测物体原理示意图

2.1 热源的改进

针对混凝土的有关检测过程中如何改进热源这一问题,国内外研究人员主要是采用大功率的红外脉冲加热装置、红外灯照射、超声红外技术和高能闪光灯等热源。德国的Ch Maierhfer和 H w iggenhuaser等人[4-5]在对混凝土中的缺陷及碳纤维增强表面粘结层的脱胶情况进行检测的过程中,采用大功率的红外脉冲加热装置,效果很好。文献[6]和[7]中Takahide Sakagami等研究人员利用红外灯照射对混凝土内部的层离缺陷进行了分析研究,得出了混凝土内部缺陷随埋设深度及缺陷的几何大小变化的关系曲线。另外,S Vallerand和X Maldague[8]在脉冲加热的红外热激励条件下,比较了数理统计法和神经网络法对材料的内部缺陷检测的优劣,指出了各种方法的适用条件。国内,李卓球、黄莉、伍颖和宋显辉等[9-11]在通电的情况下,利用碳纤维混凝土的电热效应,对含预制裂纹的碳纤维混凝土缺陷体进行红外无损检测,采用有限元的方法计算得到了电热碳纤维混凝土缺陷体的表面温度分布及其最大温差,得出了随着材料电阻率的降低和裂纹逐步加深,检测灵敏度显著提高的结论,为优化和评估电热红外检测方案提供了重要的数值依据。国内外的科研人员在检测过程中尝试了不同的热源,但使用外加热源时,在检测物上产生的温度场具有以热源对应点为中心,向外围梯度递减的特点,影响检测结果的准确性。如何通过变换外加热源的角度,或增加热源的数量,在检测区域进行叠加,来降低检测误差以及寻找空间梯度小、时间梯度大的新式热源将是今后红外热像检测技术的一个主要研究方向。

2.2 定量化研究

在混凝土红外热像检测中的缺陷深度、大小的定量化研究方面,Pietro Giovanni Bocca等[12]在实验条件下,确定了混凝土裂缝大小与温度减小量之间的关系,从而缩短了现场检测的时间。研究人员D Defer和JShen[13]等详细推导了自然条件下带缺陷层的多层平壁导热公式,同时根据热阻的概念,利用自然界温度场,通过红外热像法对结构物的内部分层缺陷进行了定量研究。北京航空航天大学的王永茂等[14]为定量测定缺陷,提出由有缺陷区域表面温度和由表面温差达到最大值的峰值时间确定缺陷深度的两种红外检测方法,同时给出由红外图像确定缺陷尺寸的方法。这些方法主要适合于检测试件浅表面较大面积的缺陷。武汉大学的杨锐玲[15]根据热传导方程和热辐射边界条件,从理论上建立了计算混凝土内部缺陷深度公式和确立了该公式适用范围及条件,最后给出了截断误差计算公式。从实际与模拟的角度出发,同济大学的赵鸣、李杰和王婷等[16-17]借助一维与二维热传导物理模型进行混凝土结构内部缺陷深度与厚度的识别,实现了对混凝土内部缺陷的三维重构,并采用LM人工神经网络对缺陷的深度和厚度进行了计算。清华大学的孙格靓,王厚亮等[18]同样利用红外热像仪对碳纤维增强混凝土构件的破坏进行了全过程的检测,得出了不同破坏阶段红外图像温度特征的变化曲线。对于缺陷深度、大小的定量化研究,目前进行试验的材料多为匀质材料,缺陷的深度较浅。如何建立适用于多数复杂的实际工程计算模型,加强定量运算也将是研究的重点。

目前对于红外热像检测的定性和定量研究已经取得了很大进展,因此如何把研究成果运用到复杂的实际工程当中就成为各国科研人员研究的热点问题。英国的Clark MR[19-21]等利用红外热像技术在较低温度下对混凝土分层和桥梁砌体粘结质量、石拱桥的背部渗水和铁路碎石路基的工作状况检测进行了试验,并且把该技术应用到了实际工程中。Valluzzi MR等[22]通过红外热像技术,对一些历史建筑物的维护结构进行了损伤检测,并利用该方法进行修复状态检测。此外,为了探讨红外热像检测技术在现场检测的效果,Maierhofer Ch等[23]将红外热像法和探地雷达法对混凝土浅层的内部缺陷的检测效果进行试验比较,结果证实红外热像法在一定条件下比较有效。中国地震局综合观测中心的邓明德[24-25]通过试验得到混凝土的红外辐射能量随着压力变化而显著变化的关系。此变化与温度无关,完全由压力引起,不需要经历生热的中间物理过程。这一物理现象在世界上第一次被发现,为混凝土工程应力测量提出了新原理、新方法和新技术,具有广泛的应用价值和前景。东北大学的研究人员刘善军、河北理工大学的张艳博等[26]共同提出对内含水体的混凝土试样进行单轴压缩加载,利用红外热像仪并辅以声发射仪,观测加载过程中试样的红外辐射与声发射变化特征,研究混凝土破裂与渗水的红外异常前兆的方法。该试验结果对水库大坝以及其他储水混凝土工程破裂与渗水的遥感监测与灾变预警具有重要的意义。在评估灾害对建筑物结构的影响上,同济大学的张雄等科研人员[27-32]更是在国际上首创了用红外热像技术对火灾混凝土的检测方法,不但得到了火灾混凝土红外热像的平均温升随时间的变化曲线,而且确定了平均升温与预期收获温度损失之间的回归方程,为建筑物在火灾中损害的评估检测提供了一种新思路。

综上可以看出,红外热像检测技术与常规检测方法相比优势比较明显,国内外研究人员在各自的领域也取得了相应的研究成果,有些成果也已经成功地在实践中得到了应用,并取得了良好的效果。

3 结语

目前国内外研究人员已经对红外热像检测技术进行了广泛的研究,但仍然存在不足：①如何通过变换外加热源的角度或增加热源的数量在检测区域内进行叠加来降低检测误差以及没有找到空间梯度小、时间梯度大的新式热源。②在缺陷深度、大小的定量化研究方面,目前进行试验的材料多为匀质材料,缺陷的深度较浅,没有适当的计算模型使其能运用于复杂的实际工程当中。③在红外图像的后期处理方面,图像的几何校正和拼接、温度梯度校正、背景校正、噪声分析和消噪、统计算法等问题都没有得到很好的解决。相信随着各学科的交叉发展以及各项研究的突破,红外热像检测技术在研究和实际应用中出现的这些问题都能够得到很好的解决,从而进一步发挥其在无损检测上的优势。

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