超声红外热像技术在混凝土结构检测中的应用.pdf

2 0 1 3 年 第 7 期 总 第 2 8 5 期 Nu mb e r 7 i n 2 0 1 3 T o t a l N o ．2 8 5 混 凝 土 Co n c r e t e 实用技术 P RACTI CAL TECHN0L OGY 超声红外热像技术在混凝土结构检测中的应用 胡振华 1 I ，汤雷 。 1 ．山东科技大学 土木建筑学院，山东 青岛 2 6 6 5 9 3 ；2 ． 河海大学 岩土工程科学研究所，江苏 南京 2 1 0 0 9 8 3 ． 南京水利科学研究院，江苏 南京 2 1 0 0 2 4 摘要 针对混凝土结构缺陷检测中操作复杂及工作量大等大量难题 ， 将 国内外新型的无损检测技术超声红外热像技术引 人到混凝土缺陷检测过程中。 简单地介绍了超声红外热像技术的基本原理及其特点， 着重分析了信噪比、 热激励和预紧力 3 个因 素对检测效果的影响 ， 并成功进行 了混凝土的缺陷检测的试验。 试验结果表明 该技术能够实现混凝土隐性裂纹等缺陷的准确定 位 ， 并且能够在较短的时间内对其进行快速检测。 关键词 超声红外热像；混凝土结构 ；缺陷检测 中图分类号 T U5 2 8 ． 0 7 文献标志码 A 文章编号 1 0 0 2 3 5 5 0 2 0 1 3 0 7 0 1 2 4 0 3 Ap pl i c a t i on o f t h e ult r a s o u n d i n f r a r e d t h e r m a l i ma g i n g t e c h n o l o g y i n t h e d e t e c t i o n o f c o n c r e t e s t r u c t u r e s HUZhe n hu a ， TANG Le i 1 ． C o l l e g e o f C i v i l E n g i n e e r i n g a n d Ar c h i t e c t u r e ， S h a n d o n g Un i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ， Qi n g d a o 2 6 6 5 9 3 ， C h i n a ； 2 ． R e s e a r c hI n s t i tu t e o f G e o t e c hni c a l E n g i n e e r i n g ， H o h a i U n i v e r s i t y ， N a n j i n g 2 1 0 0 9 8 ， C h i n a ； 3 ． N a n j i n g H y d r a u l i c R e s e a r c h I n s t i tu t e ， N a n j i n g 2 1 0 0 2 4 ， C h i n a Ab s t r a c t I n o r d e r t o r e d u c e t h e o p e r a t i n g c o mp l e x i ty a n d t h e wo r k l o a d o f d e f e c t d e t e c t i o n i n t h e c o n c r e t e s t r u c tur e s ， t h e u l t r a s o u n d i n f r a r e d t he r ma l i ma g i ng t e c hn o l o gy wa s i n t r o d u c e d t o t he de t e c t i o n o f c o nc r e t e s t r u c t u r e s ， wh i c h wa s a n e w n o n d e s t r u c t i v e t e s t i ng t e c hn o l o g y a t ho me a nd a br o a d．Fi r s t l y， i t br i e fl yd e pi c t e dt h eb a s i c p r i nc i p l e s a n d c h a r a c t e r i s t i c s o fu l t r a s o u ndi n fra r e dt he r ma li ma g i ngt e c h no l o gy ． T h e n， t h r e e ma i n f a c t o r s i n c l u d i n g s i g n a l t o n o i s e r a t i o S NR ， t h e r ma l e x c i t a t i o n and p r e l o a d i n fl u e n c i n g the d e t e c t i o n r e s u l t s we r e a n a l y z e d i n de t a i l ． F i n a l l y， t he e x p e r i me n t s f o r d e f e c t d e t e c t i o n i n the c o n c r e t e s t r u c tur e s we r e c a r r i e d o u t ． Ex p e r i me n t a l r e s u l t s s h o we d c o n c r e t e d e f e c t s u c h a s r e c e s s i v e c r a c k c o u l d be po s i t i o n e d a c c u r a t e l y a n d c o u l d be d e t e c t e d i n a r e l a t i v e l y s ho r t t i me ． K e y w o r d s u l t r a s o u n d i n fr a r e d t h e r ma l i ma g i n g ； c o n c r e t e s tr u c tur e ； d e f e c t d e t e c t i o n 0 引 言 近几年来国内外发生的多起码头 、 桥梁垮塌的恶性事故 已经引起了社会的普遍关注。 我国大量的混凝土结构已进人 中老年期 ， 存在着各种缺陷 ， 其中结构性裂缝 因其延伸扩展 对构件承载能力损害最大而最受重视。 码头桥梁等在役结构 荷载一般是运动变化的， 对应于结构性裂缝也有一个从无到 有 、 由小到大的发展过程 ， 若能尽早发现 ， 则意义重大。 目前常用混凝 土缺 陷 包括裂缝 的无损检测方法 主 要有视觉检查法 、 超声波法 、 回弹法 、 冲击 回波法 、 x 射线或 射线照相法 、 雷达波法等。 视觉检查法要确保那些缺陷和损伤 如水泥散裂 、 钢 筋外露 、 表层退化等 在混凝土表面能够被看见 ， 在很大程 度上依赖于检查人员的经验 ， 并没有一定数量的数据能够 显示其判断的可靠性 。 超声波法是利用混凝土缺陷引起的 声时、 波形、 波幅和频率等参数所发生的变化来判断缺陷 收稿 日期 2 0 1 3 - 0 1 1 7 基金项 目国家 自然科学基金项 目 5 1 0 7 9 0 8 7 l 2 4 的。 最新 的研究包括超声 断层扫描技术 和利用表面波 、 横 波的特征信号检测混凝土的动弹模量和水下结构裂缝 【 1_ 3 ] 。 回弹法是最常用 的一种无损检测手段 ， 但是回弹法只能测 量混凝土表面的质量状况， 其内部信息就不得而知了。 冲 击 回波法是利用机械 向被测物表 面发送短周期应力脉 冲 波 ， 该脉冲波遇到缺 陷时产生反射 ， 通过接收反射波 ， 来计 算缺陷的位置和深度。 该法最常用于隧洞衬砌和路面等 的 厚度检测。 其最新进展是连续激发与采集技术 ， 十分适合于 后张法预应力管道灌浆质量的检查[ 4 - 6 ] 。 X 射线或 射线照 相法技术 比较适合于检测与放射线平行 的裂缝 ， 但是却很 难辨别与放射线垂直的裂缝 ， 况且该检测设备的尺寸较大 、 价格 比较 昂贵 ， 因此多适用 于在试验室 内检测工作[7 - 8 ] 。 雷 达波法是利用介电常数对雷达波传播的影 响， 常用于混凝 土内钢筋和金属预埋件 ， 以及混凝土 内部缺陷和壁后空洞 的检Nt 9 - Ⅻ 。 上述方法一般是一点发射检测波 、 一点接收检 测波， 接收的检测波中携带有缺陷信息。 也可以是一点发射 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 多点接收、 或多点发射多点接收， 但仍属于点测法。 因此一 般需对缺陷部位有先验认识， 而且此类方法逐点检测、 工作 量大 ， 也无法对所有点进 行检测 ， 无法用来发现隐性裂纹 。 针对混凝土结 构诊断和缺陷检测 中存在 的上述难题 ， 本试验将 国内外新型 的无损 检测技 术超声 红外热像 技术引人到混凝土缺陷检测过程中 ， 通过两个室内试验研 究及结果分析验证其可行性 以及进行影响因素 的分析 。 1 基本原理及 其特点 超声红外热像技术是将超声波输入到混凝 土中 ， 对裂 缝处 的混凝土进行选择性加热 ， 由红外热像仪进行观察发 现裂缝。 选择性加热是基于 固体 内耗 的基本原理 。 振动波 在物 体 内振动时 ， 即使与外界完全 隔绝 ， 振 动也会 浙渐停 止 。 这种 由于内部原 因而使振动能量逐渐耗 散不可逆地转 化为热能的现象叫内耗[ 1 1 - 1 3 ] 。 混凝土构件出现裂纹等缺陷， 其振 动阻尼 会增 加。 由于 内摩擦热效应和热 弹效应 ， 振 动 波在缺陷处 内耗较大 ， 振 动波衰减 以及产生 的热量 比无缺 陷处要大， 从而使得该处得到选择性加热， 温度升高， 在热 像仪的视野 中易于发觋【 阍 。 如图 1 所示是超声红外热像技术的装置图。 超声激发 源包括超声电源和超声发射器两部分。 既可以通过手动控 制也 可以通 过计算 机远程控制来驱动超声 电源给超声发 射器提供一个电信号。 超声发射器包含超声换能器和一个 与样品接触的聚能杆。 通常还需要一些耦合剂如硅胶或凡 士林等为样品和聚能杆之问提供良好的声耦合。 红外热像 仪则用来对样品表面温度进行检测和记录 。 计算机 起声 电源 图 1 超声红外热像技术的装置图 超声红外热像技术作为一种新型的无损检测技术， 与 传统 的缺陷检测方法相 比， 有如下特点 1 在检测的过程 中不需要去考虑被检测对象的几 何 形状 以及热激励覆盖试件的均匀性 。 2 超声波在混凝土 中的传播速度很快几乎是瞬时到 达裂纹缺陷部位， 故可以忽略超声波在混凝土传播过程中 的衰减 。 所以， 超声激励可 以对更深更厚 的混凝土结构 内部 进行检测 。 3 该技术 的检测步骤操作简单 、 结果直观形象。 4 超声波注入混凝土试 件后 只对缺陷裂纹处激励加 热 ， 热像仪拍摄 的图像信噪比高。 5 超声激励强度大、 作用时间短， 能检测 出其他主动红 外热像检测技术难以检测的微裂纹， 可用于大范围、 快速检测。 2 影响因素的分析 影响超声红外热像技术检测效果 的因素有很多 ， 概括 地来讲 主要包含信 噪比 、 热激励 、 预紧力 、 热像仪性 能等 ， 对 这些影 响因素的进一 步研究成 了制定 和优化超声红外 热像检测方案的前提和基础。 本研究主要对信噪比、 热激励 、 预紧力三种影 响因素展开论述分析 ， 并结合混凝土结构缺 陷检测的条件 ， 提出相应的改进措施 。 2 ． 1信 噪 比 热像仪检测到的信号通常包含目标信号和噪声信号 两部分， 信噪比 即目标信号和噪声信号的比值 是影响超 声红外热像检测效果的重要因素。 目标信号是指被检测对 象表面热辐射产生 的信号 ， 其信号 的强弱直接决定 了热像 图的结果分析； 噪声信号主要包含可见光、 背景红外辐射、 空气的流动等信号。 表面热辐射率对目标信号影响比较明 显 ， 表面热辐射率低的被测对象即便内部温度变化 明显 ， 反 映在其表面上 的温度变 化也非常微弱[ 。 另外 ， 当被测对 象表面光滑时， 表面反射红外信号可能会淹没目标信号， 导 致无法检测到 目标信号 ， 从 而影响缺陷诊断和裂纹检测的 效果 。 针对混凝土工程的检测对象以及位置， 可以提高信噪 比的措施如下 第一是在红外热像仪镜头前端加上能够滤 除所需波段以外波段成分 的滤波器具 ， 滤除可见光和其他 波段 的噪声信号 ； 第二是通过木板或者硬纸板架成一个临 时红外暗室 ， 减少可见光 、 背景红外辐射 、 红外反射和空气 流动等对目标信号的影响； 第三是采用在被测区域涂抹哑 光漆 的方法 ， 既能提高检测 区域表 面热辐射率 ， 同时还 能 抑制可见光 、 红外反射等噪声信号对 目 标信号的影响。 混凝 土的缺陷检测工作通常是在野外环境下进行 ， 并且混凝土 结构普遍体积大， 因此适合采用在热像仪前段加滤波器和 在感兴趣区域涂抹哑光漆的方法来提高信噪比。 2 ． 2热 激 励 红外热像技 术可 以采 用多种激 励源 ， 如大功 率闪光 灯 、 超声 、 电磁、 热风等外加激励设备 ， 对于不同的故障和 缺 陷类 型不 同的激励源具有不 用优势特 点 ， 可 以根据具 体缺陷特点设计独特的激励源 。 超声红外热像技术采 用 的激励源是超声激励 ， 在激励源相 同的条件下 ， 激励频 率 、 激励 时 间 、 激 励强度 、 激励 位置等激励 方式 的选 择对 检测结果也有非常直观 的影 响l2 l 】 。 经过多 次试 验得 出， 超 声激励 的红外热像 试验研究要 满足 以下两个 基本条 件 第一是通过超声激励 引起的在混凝土缺陷部位的发热反 映在表 面的温差应该 不小于红外 热像 仪 的热 灵敏度 ； 第 二是表面温差所持续的时间应该不小于红外热像仪的响 应输出时间。 2 ． 3预 紧力 预 紧力就是在拧螺栓过程 中拧紧力矩作用下 的螺栓 与被联接件之间产生的沿螺栓轴心线方 向的力 ， 其大小与 螺栓的拧紧力矩 、 螺栓与螺母之问的摩擦 力 、 螺母 与被联 接件之间的摩擦力 。 超声 聚能杆与混凝土之间的预 紧力是 1 25 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 3 ．6 含泥量对混凝土开裂性能影响 当保持混凝土工作性基本相 同时 ， 不同含泥量对混凝 土抗裂性能的影响见图 7 。 35O 譬 s 0 0 2 5 0 蹲 2 0 0 蛊 -q 目 l 5 0 匿 0 0 50 0 U． 3 0． 5 1 ． 0 1 ． 5 Z． U 2． 5 j． 0 含 泥量 ， ％ 图 7 含泥量对混凝土开裂性能影响 由图 7 可知 随着含泥量的增加 ， 混凝土开裂总面积 逐渐增大 ， 开裂性能变差。 含泥量不超过 1 ． 0 ％之前对抗裂 性能影响不明显 ， 含泥量超过 1 ． O ％后抗裂性能下降明显； 含泥量为 3 ％的混凝土干缩值 比 0 ． 3 ％时增大 3 倍左 右 ， 大 大加剧了混凝土的开裂敏感性。 主要原因 泥粉是颗粒很细 的非 活性物质 ， 它们会吸附大量的水 分 ， 这些 非活性 物质 一 方面使水泥浆与集料之间的界面区黏结变差 ， 影响 了浆 体与集料的黏结， 使集料抑制干缩的作用减弱， 抗裂能力 下 降； 另一方面泥粉吸附的水分是 自由水 ， 易挥发 ， 挥发后 的变形较大， 开裂敏感性增大。 4结 论 1 碎石 中 O ． 0 7 5 mm以下颗粒包含石粉和泥粉 ， 随着 泥粉含量的增加 ， 对亚甲基蓝的吸附量增大。 通过亚 甲基蓝 曲线标定分析确定本试 验采用 的碎石含泥组分为 6 0 ％的 上接第 1 2 6页 陷的方法[ J 】 _水利水电技术， 1 9 8 8 2 ． 【 3 1周明华． 对混凝土非破损检测方法的应用述评[ J 】 ． 施工技术， 2 0 0 2 4 ． [ 4 ] 罗骐先． 水工混凝土缺陷检测和处理[ M】 _ ] E 京 中国水利水电出 版社 ， 1 9 9 7 ． [ 5 】 傅翔， 罗骐先， 宋人心， 等． 冲击回波法检测隧洞混凝土衬砌厚 度[ J ] _ 水力发电， 2 0 0 6 1 ． 『 6 1 张建纲， 水中和， 余小华． 冲击回波法评价混凝土损伤程度的试 验研究【J 】 ． 无损探伤， 2 0 0 7 2 ． [ 7 】 郝景宏 ， 姜袁， 梅世强 ， 等． 基于 X射线 C T的混凝土内部裂纹识 另 U 研究[ J 1 ． 混凝土 ， 2 O m 1 O ． [ 8 】8 陈厚群， 丁卫华， 蒲毅彬， 等． 单轴压缩条件下混凝土细观破裂 过程的 X射线 c T实时观测[ J 】 ．水利学报， 2 0 0 6 9 ． 【 9 】9 赵永辉， 吴健生， 万明浩， 等． 钢筋混凝土的透视雷达无损检测 技术及应用『 J 1 ．无损检测， 2 0 0 2 6 ． [ 1 O 】 涂文戈， 雷达波． 在混凝土无损伤检测中的应用[ J 】 ． 建筑科学与 工程学报 ， 2 0 0 7 3 ． [ 1 1 ] 葛庭燧． 我国内耗与固体缺陷研究的拼搏、 奋起和腾飞[J 1 ． 大自 然探索 ， 1 9 9 0 3 1 - 6 ． 『 1 2 ] RI EG E RT G， B US S E G， e t a1． A c o u s t i c l o c k i n t h e r mo g r a p h y o f i m p e r f e c t s o l i d s f o r a d v a n c e d d e f e c t s e l e c t i v e N D E [ C ] ／ ／ I n n o v a t i o n s i n No nl i n e a r t Ac o u s t i c s， 2 0 0 6 1 08 1 11 ． f 1 3 ] R I EG E RT G， B U S S E G， e t a1．Ac t i v e t h e r mo g r a p h y for d e f e c t d e t e c t i o n i n c a r b o n fi b e r r e i n f o r c e d c o m p o s i t e m a t e r i a l s [ C ] ／ ／ R e v i e w o f P r o g r e s s i n Q u a n t i t a t i v e N o n d e s t r u c t i v e E v a l u a t i o n ， 2 0 0 7 1 O 4 4 一 】 0 51 ． 1 3 0 石粉和 4 0 ％的黏土质泥粉 。 2 碎石中黏土质泥粉对海工混凝土性 能的影响起主 导作用。 3 随着含 泥量 的增加 ， 混凝土拌合物 的工作性能逐 渐变差， 混凝土的强度逐渐下降， 干缩逐渐增大， 混凝土的 抗氯离子渗透性能和抗裂性逐渐下降。 含泥量超过 1 ． 5 ％ 时， 相同工作性条件下掺人外加剂量明显增大 、 混凝土抗 压强度明显下降、 干缩明显增加； 含泥量超过 1 ． 0 ％时， 混 凝土抗氯离子渗透性和抗裂性明显下降。 4 综合本试验的结果， 海工混凝土实际使用的碎石 含泥组分包括石粉和泥粉 ， 碎石含泥量要求可适 当放宽 ， 合 理范围应控制在 1 ％以内。 参考文献 [ 1 ] 赵尚传， 邱晖， 等． 碎石含泥量对混凝土力学性能及抗冻耐久性 的影响[J 1 ． 公路交通科技 应用技术版 ， 2 0 0 7 1 1 1 1 - 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6 2 0 5 1 F - 9 ． 【 1 7 】 王成亮， 杨波． 飞机复合材料超声红外无损检测试验研究[ J 】 _激 光与红外， 2 0 1 0 ， 4 0 4 3 7 6 3 7 9 ． [ 1 8 】 邢春飞， 李艳红， 陈大鹏， 等． 基于超声红外技术对金属管内壁 缺陷的检测『 J 1 _应用光学， 2 0 0 9 ， 3 0 3 4 6 5 4 6 8 ． 『 1 9 1 MA L D AGU E X P， C I E L O P， P OU S S AR T D， e t a 1 ． T r a n s i e n t t h e r - m o gr a p h y N D E o f t u r b i n e b l a d e s [ J ] ．S HE ， 1 9 9 0 1 3 1 3 1 6 1 1 7 1 ． f 2 0 ] 谢兴盛， 颜芳， 陆佳佳．红外热波无损检测技术在涡轮叶片探伤 中的应用【 J ] ．红外技术， 2 0 0 7 ， 2 9 9 5 5 2 5 5 5 ． 『 2 1 ] R E N S H A W J ， C H E N J C ， H 0 L L A N D ， e t a l ‘T h e s o u r c e s o f h e a t g e n - e r a t i o n i n v i b r o t h e r mo g r a p h y l J 1 ． ND T E I n t e r n a t i o n a l ， 2 0 1 1 4 _4 7 3 6 -7 3 9． 作者简介 联系地址 联系电话 胡振华 1 9 8 8 一 ， 男， 硕士研究生， 主要研究方向工程 质量检测及数值模拟。 山东泰安肥城向阳街2 8 号 2 7 1 0 0 0 1 37 7 0 61 4 0 48 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m