红外热像仪在钢筋混凝土桥梁缺陷检测中的应用

摘要

      混凝土桥梁长期服役易产生分层、剥落、钢筋锈蚀等病害，人工巡检存在安全风险高、效率低、占道影响通行等问题。红外热成像作为非接触式无损检测技术，可依托材料热物性差异识别结构内部缺陷，适用于户外桥梁大面积快速筛查。本文以钢筋混凝土桥梁檐口为研究对象，通过室外现场试验、试件测试与数值模拟，分析自然工况下红外热成像对混凝土分层病害的识别能力，明确不同缺陷尺寸、埋深的检测阈值与适用条件，为桥梁常态化无损检测与养护评估提供技术依据

一、引言

      大量在役钢筋混凝土、预应力混凝土桥梁建成年代久远，受荷载、温变、冻融、侵蚀介质影响，普遍存在表层劣化问题。传统桥梁状态评估以人工目视检测为主，作业依赖性高、干扰交通、综合成本较高。红外无损检测无需近距离接触结构，可快速获取全域热场信息，具备**、无损伤、无干扰等优势，适合户外桥梁病害普查。为验证自然环境下该技术的实际应用效果，本文开展桥梁檐口分层病害检测试验研究，量化技术检测边界与应用优势。

二、病害成因与检测原理

2.1 混凝土檐口分层病害成因

      钢筋混凝土依靠钢筋承担抗拉应力，保障结构整体稳定性。氯离子等侵蚀介质渗入混凝土内部，会破坏钢筋钝化保护层，引发钢筋锈蚀。锈蚀产物体积膨胀，使混凝土内部产生拉应力，逐步造成开裂、分层、剥落。桥梁檐口表层混凝土脱落易诱发道路安全事故，是桥梁运维的重点监测部位。混凝土保护层厚度不足、表层破损会加速侵蚀渗透，加剧结构劣化。

图1   混凝土檐口钢筋锈蚀和混凝土剥落样例

图 2  钢筋锈蚀和混凝土剥落过程。 a) 侵蚀剂的渗透，b) 混凝土的剥落和腐蚀的初始化

2.2 红外热成像检测原理

       混凝土内部分层、空隙缺陷会形成空气夹层，空气导热系数远低于混凝土基材，会产生明显热阻差异。在自然日照、昼夜温差的被动热激励下，缺陷区域与密实区域的储热、散热特性不同，表面会形成稳定可识别的温度梯度。红外热成像设备可捕捉时序热场变化，以此判定浅层缺陷位置、范围，实现非接触无损检测。

图 3  热流方向：a) 白天，b) 夜晚

三、桥梁红外检测可行性试验

3.1 实体桥梁现场试验

      选取存在表层病害的钢筋混凝土桥梁开展室外试验，依托自然气象条件完成被动红外检测。试验结果表明，自然热激励下，病害区域热成像特征区别明显，可稳定识别混凝土表层分层缺陷，满足户外现场检测基本要求。

3.2 标准试件对比试验

      制作桥梁檐口混凝土试件，模拟表层松散、局部剥离、完全分层及完整基材四类工况，全天候采集温度变化数据。测试结果显示，日照工况下病害区域与完好区域温差可达1K-7K，显著高于设备热灵敏度阈值（NETD=30mK），可清晰区分各类分层病害，验证了红外热成像技术在户外混凝土病害定性检测中的可行性。

图 4  混凝土桥面板的可见光谱 (a) 和红外光谱 (b) 中的图像

图 5  桥梁样品图像 (a)，4个测试区域的红外图像 (b)，4个测试区域(c)的平均温度与时间的函数(c)

四、定量检测与数值模拟分析

4.1 试验板试样设计

采用水泥砂浆制作标准试件，预埋低导热聚苯乙烯材料模拟分层缺陷，分别设置1cm、2cm、4cm不同埋深及多种规格的方形、圆形缺陷，精准还原桥梁实际浅层病害工况。

图 5 

λ: 导热系数[W/m.K)     ρ: 密度[kg/m3]      c: 比热[J/kg.K)

 图7  a) 檐口模型，b) 建模的热物理参数

图 8  所示当刺激幅度不足(a)和足以检测缺陷(b)时对表面的影响

图 9 所示，a) 24小时正弦热流，b) 50px深度(蓝色)和100px深度(红色)缺陷区域和完好区域的温度差

4.2 热场数值模拟

      建立混凝土檐口仿真模型，模拟24小时周期性热流变化，分析缺陷埋深、尺寸对表面温度场的影响规律。

      仿真数据表明：浅层缺陷热对比显著，50px埋深缺陷温差可达1.5℃以上，成像清晰；100px深层缺陷温差不足1℃，识别难度提升。结合常规桥梁3cm混凝土保护层厚度，该技术可有效覆盖保护层范围内的浅层病害检测需求，极小尺寸缺陷识别精度相对有限。

图 10.  (a) 实验装置视图，(b) 样品中的缺陷位置以蓝色突出显示

图 11.  样品在自然日光刺激下的红外图像

图 12.  三个不同深度有缺陷的区域与完整区域之间的温差：a) 直径为 8 厘米的圆形缺陷，b) 5x5 平方厘米的缺陷。

4.3 室外试件实测验证

      以自然日照与空气对流为被动热激励，开展室外对照试验，定时采集红外图像，对比不同埋深缺陷的温度响应规律。

实测与模拟规律高度一致，浅层缺陷可快速识别，4cm埋深缺陷需稳定温差工况辅助识别，微小缺陷难以检出，明确了该技术的检测适用边界。

4.4 桥梁实景应用检测

      采用长焦红外镜头开展远距离桥梁检测，无需封闭道路交通。通过标识定位与图像融合技术，精准匹配可见光与红外热成像画面，可稳定识别桥梁檐口浅层分层病害，适配在役桥梁常态化、不间断无损巡检作业。

图 13. 摄影（a 和 b）和拍摄实现（c）的图片

图14所示,左图为地标图像，右图为“融合模式”下检测到的缺陷图像

五、结论

      本文通过模拟试验与现场实测，验证了PS红外热像仪技术在户外钢筋混凝土桥梁分层病害检测的适用性。该技术依托自然温差激励，可非接触、**率筛查混凝土表层及浅层分层、剥落病害，无需占道施工，检测安全性与实操性突出。

      检测精度受缺陷尺寸、埋深及气象条件影响，晴天昼夜温差较大时检测效果*优。该技术可有效弥补人工巡检效率低、风险高的短板，适用于桥梁病害快速普查与隐患前置排查，可为桥梁养护决策、结构安全评估提供**的技术支撑。