粘钢加固结构钢板粘贴质量的红外检测试验研究

1、2010年第6期总第144期福 建 建 筑Fujian A rchitecture &Co nstr uctionN o6 2010V ol 144粘钢加固结构钢板粘贴质量的红外检测试验研究李梁峰(福建省建筑科学研究院 350025摘 要:通过两个粘钢试件试验, 研究采用红外热成像法对粘钢加固工程粘贴质量进行检测的技术, 试验结果表明, 红外热成像法能直观检测出钢板粘贴缺陷的位置、形状和大小, 且结果可靠; 与目前较为常用的敲击法相比, 红外热成像法具有较高的精度, 不需接触检测物。对位置高、距离远的钢板粘贴质量的检测更方便、有效。此外, 本文还对红外检测技术的主要影响因素进行了对比试验研究。

2、关键词:红外热成像法 粘钢加固 粘贴质量 无损检测中图分类号:T U 317+. 9 文献标识码:A 文章编号:1004-6135(2010 06-0048-03Experiment Study About Inf rared Thermography Detecting on Bonded Quality of Strengthened Structure of Bonded Steel PlatesL i L iang feng(F ujian Pr ov incial Institute of A r chit ectur al Science Research 350025Abstra

3、ct:T hro ug h ex periment on t wo streng thened structure of bo nded steel plates, the applying of infrared ther mog raphy to testthe bonded quality of strengthened structur e w ith ex ter nally bonded steel plates was researched. T he result show t hat infrar ed ther mo gr aphy can directly ex amin

4、e the defects in bo nded steel plates reliably , and the po sitions, fig ures and sizes of the defects in bo nding interface can be ex actly measured. In contr ast to taptest, infr ared thermo gr aphy testing method hav e H ig h precisio n, and do n t need to co nt act the o bject which is to be tes

5、ted. T hese is mo re co nv enient effective fo r testing the bonding qualit y o f steel plates at high and far locatio ns. Besides, T he ma in affecting factor s of this met ho ds was also ana lyzed by contrast ex perimental study.Keywords:Infrar ed themog raphy Bonding an a rmor plate to a co ncr e

6、te co mpo nent Bo nded quality N on-desteuctive test 1 前言采用粘钢法加固时钢板的粘贴质量将极大地影响加固的效果, 因此对钢板的粘贴质量进行检测是十分必要的。目前实际工程中较多采用的检验钢板的粘贴质量的无损检测方法, 主要有敲击法、超声波法等, 但这些方法在实际应用中有较大局限性, 且影响因素较多。敲击法对操作人员的经验要求较高, 且主观性较大。由于采用人工测量, 在桥梁等大型结构粘钢加固时由于粘钢面积较大, 若采用敲击法进行检测工作量极大, 通常只能采用抽检的方式, 不可避免地会产生漏查的情况。超声波法是一种点位检测法, 每次只能检测很小

7、的区域, 且要求被测物表面平整、无污渍, 还要涂耦合剂, 费工费时, 检测费用较高, 更适用于对已知缺陷的细节检测。这两种方法都属于接触式检测法, 需要接触被检测对象, 当检测目标物较高、所处的位置较危险或无法接触时检测困难。红外热像技术是利用红外探测器将不可见的红外辐射转换成可见图像的一种技术。红外热像检测技术是利用红外图像对设备表面温度场进行测定, 进而评估其状态的一种技术, 是一种直观地显示材料、结构物完整连续性及其结合上存在不连续缺陷的检测技术, 它是一种非接触的检测技术, 广泛应用作者简介:李梁峰, 1980年2月出生, 男, 结构工程专业, 硕研, 工程师, 一级注册结构师。收稿日

8、期:2010-04-23基金项目:福建省交通科技发展项目(200925于军事、海洋监测、遥感、医疗、船舶导航等领域。红外探测器焦距在理论上为20cm , 因而适用于做非接触、广视域的大面积无损检测。近年来, 红外检测技术逐渐开始应用于土木工程领域, 而对红外热成像法应用于粘钢加固结构钢板粘贴质量的检测尚处于研究起步阶段14。本文针对粘钢加固的钢板粘贴质量问题, 通过2个粘钢加固混凝土试件, 对采用红外热像法进行钢板粘贴质量无损检测的技术进行了应用试验研究, 并对该技术的主要影响因素进行了分析和对比试验, 与常用的敲击检测法进行对比分析。试验结果表明, 红外热成像法能直观检测出钢板粘贴缺陷的位置

9、、形状和大小, 结果可靠, 具有广阔的应用前景。2 红外检测技术的基本原理红外线是介于可见光与微波之间的电磁波, 它的波长范围在0 771000 m, 频率为3! 10114! 1014H z, 自然界中一切温度高于绝对零度(-273 的物体都是红外辐射源, 每时每刻都辐射出红外线, 同时, 这种红外线辐射都载有物体的特征信息, 这就为利用红外技术来探测各种被测目标的温度高低与热分布场提供了客观的基础。根据斯蒂芬-波尔兹曼定律, 物体红外辐射的总功率与温度的关系为:P = T 4(1式(1 中, P 为物体红外辐射的总功率; 为物体表面红外辐射率; 为斯蒂芬-波耳兹曼常数; T 为物体表面的热

10、力学温度(K 。,变时, 该物体的辐射功率与其温度的四次方成正比。因此, 对物体辐射功率的探测, 实际就成了对物体表面温度的探测。当一个物体的几何形状、热特性参数、测量条件、内部缺陷、位置形态及热特性等条件确定后, 就可以在理论上确定红外检测的依据:将一固定热量加在物体表面时, 热流将均匀地注入其表面, 并扩散进入内部, 扩散速度由被测物体内部性质决定。如果物体内部有缺陷存在, 将由于不同介质导热系数的不同, 改变物体内部的热传导, 则均匀热流就被缺陷阻挡(热阻 , 经过时间延迟, 在缺陷部位发生热量堆积, 并在物体表面产生过热点, 表现为温度异常。利用红外仪器扫描物体表面, 测量物体表面温度

11、分布情况。当探测到过热点时, 就可以断定出现过热点的表面下方存在异常。对于粘钢加固构件, 当钢板和混凝土表面脱粘时, 会在钢板和混凝土表面形成空气层。与粘结剂相比, 空气层有良好的隔热性能, 其气体导热系数较小, 远小于粘结剂的导热系数。当通过外部热源给钢板加温, 热能由钢板向混凝土中传递时要经过粘结界面。在粘结界面, 由于脱粘部分的空气层导热系数小, 因此在此处因热量堆积形成#热点。而目前红外热像仪的大多数红外热像仪对表面温度极其敏感, 其分辨率可达0 1, 可在红外热像图上显示出钢板表面的温度分布状况, 通过寻找热像图中的#热点区域即可推出界面的粘贴质量缺陷位置, 所以用红外热像图对粘钢加

12、固的粘贴质量进行检测在理论上完全可行。在热像分布图上, 通过红外热像仪可显示出不同温度的等温线, 其中各个相邻等温线的温度差值相等。缺陷边缘处温度变化较大, 温度梯度的模最大, 热像图中可以表现为缺陷边缘处的等温线最密集, 这为我们用热像仪测定缺陷的位置、形状1和大小提供了依据。3 粘钢加固钢板粘贴质量红外检测试验本次试验的目的是研究应用红外热成像技术检测粘钢加固钢板粘贴质量的可靠性, 影响检测精度的主要因素以及相关可行的改进措施。3 1 影响测试精度的主要因素分析(1 物体表面红外辐射率的影响由式(1 可见, 红外辐射功率除了与物体表面温度有关外, 还与物体的辐射率 有关。辐射率 是一个描述

13、被测物体相对于黑体辐射能力大小的物理量, 一切物体的辐射率都在大于0和小于1的范围内, 其值的大小与物体的材料、形状、表面粗糙度、凹凸度、氧化程度、颜色、厚度等有关。总体上说红外测温装置从物体上接收到的辐射能量大小与该物体的辐射率 成正比。在粘钢粘贴质量的检测中, 主要采用的是比较法, 即找出由于脱粘部分空气层与粘结剂热传导系数的不同而在在钢板表面形成的温度场变异。在钢板表面辐射率均相同的理想状态下, 在同一时刻处于同一环境下钢板表面的辐射功率仅与钢板表面的热力学温度有关。当钢板表面存在局部锈蚀、表面粗糙度不一致时, 则可能造成钢板表面各处辐射度不同, 从而带来测量误差或干扰。所以从理论上而言

14、, 应当对钢板表面进行必要的处理, 使检测区域内钢板表面的辐射率基本一致。(2 周围环境的影响在检测工作中, 热像仪探测器所接收到的来自物体的红外线辐射包括两个部分, 一部分来自物体自身辐射的红外线, 另一部分是来自周围物体表面反射过来的红外线。周围物体反射的红外线的影响, 近似地以一个温度为T B 的黑体来表示, 则 E 1:E = W(T +(1- W (T B (2式(2 中W (T , W (T B 分别表示温度等于T 及T B 的黑体辐射。由式(2 可得出以下两点推论:被测物体的 越小, 周围物体对测量结果的影响越大, 而当 接近于1时, 除非周围有很高温度的物体存在, 热像仪均能够

15、测得正确的结果。被测物体比周围物体的温度高, 且温差越大, 周围物体对测量结果的影响越小, 热像仪越容易测得正确的结果。当W (T 远大于W (T B 时, 则可忽略周围物体的影响。所以将目标物涂刷黑漆(完全黑体辐射率 =1 以及对目标物进行加热理论上可以有效降低周围环境对测试结果的影响。3 2 红外检测试件制作本次试验采用压力注胶法在混凝土板上粘贴了两块900mm ! 900mm ! 6mm 的钢板。为了使试验结果更具有实用性, 粘钢参照实际粘钢工艺流程:混凝土及钢板表面处理%固定封缝%配胶%注胶%固化。为了在粘结界面形成空鼓, 在固定钢板过程中在试件1钢板中部预留了一个方形封闭隔离区。而试

16、件2的粘结界面空鼓为注胶过程自然形成, 预先未知位置及大小。为了分析钢板表面状况对测量结果的影响, 试验首先对未进行表面处理的试件进行了热像图拍摄, 然后对钢板表面进行了除锈并涂刷黑色油漆的表面处理, 以使钢板表面辐射率一致且接近于黑体(使辐射率趋于1 。3 3 热激励措施由于粘钢试件结构本身不发热, 要对其进行红外热像检测, 就须在其表面施以主动加热, 以在钢板表面产生一定的温差。目前已有部分学者对红外检测的热激励方法进行了专门研究5, 6。通常可采用大功率红外灯为外部加热源, 也有部分学者采用表面冷却的方法2, 这与加热的原理是相同的, 都是通过热能的传递使钢板表面形成温度差。无论采用加热

17、还是冷却的方法, 确保所传递热量的均匀性是至关重要的, 本试验采用阳光照射对试件钢板表面进行均匀加热。3 4 测试结果及分析试件采用阳光照射进行加热, 通过红外成像仪对试件进行拍摄得到红外热像图。首先对表面未处理的试件A 、试件B 进(a 试件A 红外热像图及可视照片(b 试件B 红外热像图及可视照片图1 表面未处理状态下红外检测热像图说明:(a 、(b 可视照片中白色线为测试人员1采用敲击法检测出的脱粘区域边界线行了红外检测, 检测热像图如图1所示。由图1可见, 在加热后, 试件A 和试件B 的热像图均明显反映出钢板表面存在局部温度较高的区域, 该区域与脱粘缺陷区域位置基本符合, 但图像不清

18、晰, 没有明显的等温线密集带, 缺陷区域边界不明显。由图1(b 可见, 钢板表面的铁锈痕迹在热像图中均清晰可辨。说明由于未处理的试件钢板表面局部区域存在铁锈, 造成钢板表面各区域的辐射率不一致, 对检测结果造成了较大的干扰。对钢板表面进行除锈并涂刷黑色油漆的表面处理后, 再次对试件拍摄红外热像图见图2。为了对不同的检测方法进行比较, 拍摄完热像图后采用常用的敲击法对两个试件的粘钢质量进行检测, 并在钢板表面绘出脱粘缺陷区域边界与相应的红外热像图对比列于图2。试验结束后, 揭开钢板得到试件的实际缺陷情况见图3。由图2可见, 试件A 、B 的热像图均明显反映出钢板表面存在局部温度较高的区域, 图像

19、清晰, 具有明显的等温线密集带, 可明显判断脱粘区域的位置和大小(图中亮黄色等温线处可视为缺陷边缘 。对比图2及图1可见, 对钢板表面进行除锈涂刷黑漆处理后, 钢板表面各区域的辐射率基本相同, 且辐射率较大, 可以显著减弱钢板表面辐射率不一致及环境因素带 来的干扰。此时红外成像仪(a 试件A 实际缺陷(中下部深色区域(b 试件B 实际缺陷(中部灰白色区域图3 揭开钢板拍摄得实际脱粘缺陷区域照片布热像图, 且不同人员多次探测的结果均相同, 随机性较小, 客观性较强。而敲击法需测试者缓慢逐寸敲打试件钢板表面, 并需反复辨别敲击声的不同, 逐段绘制缺陷边界线, 单个试件(面积0 81m 2 耗时约2

20、0min, 且对比图1可视照片及图2(b 、(d 可见不同人员的检测结果有较大差异, 检测结果随机性较大, 主观性较强。4 结论本文采用正常施工工艺制作了2个界面存在脱粘缺陷的钢筋混凝土粘钢加固构件, 应用红外热成像检测技术对2个试件进行了无损检测试验, 并对主要的影响因素进行了对比试验研究, 得出以下几点结论:试验结果表明利用红外热成像法对粘钢加固结构粘贴质量进行检测的方法是一种切实有效的检测方法, 能直观检测出钢板粘贴缺陷的位置、形状和大小, 且检测结果精确可靠, 对钢板粘贴质量可作较准确的分析。钢板表面辐射率是红外检测的一个重要影响因素, 而通过对钢板表面采取简单的除锈处理及均匀涂刷深色油漆等措施, 能够使被检测钢板表面辐射率一致, 可以有效降低表面辐射率的影响, 提高红外检测的精度。与敲击检测法相比, 红外热成像法具有非接触、客观性好、操作简便, 大面积检测速度快、精度高等优点, 其中非接触、远距离、大面积扫测的优点是敲击法所无法替代的。对位于较高处及较危险处的钢板(如桥梁粘钢 进行检测红外热成像法可以从地面上进行检测, 而不需要搭设脚手架, 检测结果可靠, 而且可重现。