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红外热像仪在钢筋混凝土桥梁缺陷检测中的应用
来源: | 作者:ymssn | 发布时间:2021-07-02 | 109 次浏览 | 分享到:
红外热成像的光学方法构成了控制和测量的非破坏性手段,及早发现混凝土结构(如桥梁或水坝)中的缺陷对于优化土木工程设施的维护至关重要。

摘要

及早发现混凝土结构(如桥梁或水坝)中的缺陷对于优化土木工程设施的维护至关重要。 像红外热成像这样的光学方法构成了控制和测量的非破坏性手段,但它们通常仅限于对设置和环境进行控制的实验室。本文介绍了红外热成像在不同混凝土结构和钢筋混凝土桥梁室外缺陷检测中的应用。

介绍

如今法国约有 20万座桥梁在使用中,在全国公路网中500万平方米的面积大约有12000座桥梁。这些桥梁中的大多数是用钢筋混凝土(48.6%)和预应力混凝土制成的(18.6%)。这些建于1970-80年的建筑可能会受到老化引起的一些典型病害的影响,例如混凝土分层和钢筋腐蚀。在法国桥梁状况评估是根据IQOA方法(建筑工程质量图像)进行的。经过完整的目视检查后,给出一组等级。目视检查需要与结构建立联系,这反过来又会引起操作员安全、重要成本和上下车道道路交通干扰的问题。光学方法具有非破坏性的优点,并且不需要在靠近结构的区域进行任何人为干预,因此它们可以提供缺陷的全面可视化。红外热成像的一个成功应用是评估防水层的粘合质量。为了评估红外热像仪在缺陷检测方面的潜在适用性,在几个混凝土桥梁上使用红外热像仪进行了原位可行性研究。为了解释户外获得的定性结果,对特殊设计的试验板进行了研究。

2. 桥梁檐口缺陷总结及缺陷检测方法介绍

2.1. 桥梁混凝土檐口分层的成因

钢筋混凝土使用钢来提供结构混凝土所需的抗拉强度,它可以防止混凝土结构因交通、风、静载和热循环而受到拉伸和弯曲应力的破坏。通过目视检查在混凝土桥梁上发现的常见缺陷是混凝土分层和钢筋腐蚀。在老化的桥梁上一个特别重要的监测点是檐口外表面和桥面下方水平表面的混凝土覆盖层的完整性,如果混凝土碎片落在路上,可能会发生严重事故。

图2显示了腐蚀过程,氯化物等腐蚀性物质进入混凝土并改变其化学性质,钢的钝化不再得到保证腐蚀开始。当钢材腐蚀时产生的锈蚀会占据比钢材更大的体积,并导致钢材和混凝土之间失去结合。这种膨胀会在混凝土中产生拉应力,最终会导致开裂、分层和剥落。如果不加以经检查,结构的完整性和耐久性可能会受到影响。

防止桥梁钢筋腐蚀的第一道防线是钢筋混凝土覆盖层的质量,混凝土必须减缓氯化物盐的渗透和碳化的发展。 退化的混凝土和薄覆盖层(例如由冻融损坏引起)可以加速这种渗透。

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. 红外热像仪在分层检测中的应用

本研究的主要目标是通过红外热成像检测飞檐上的分层。如果受到相同的热刺激,有缺陷的檐口的表面温度与没有缺陷的檐口不同。将檐口视为一个热系统,空气间隙等缺陷的存在会引入补充热阻。由于空气的热导率低于混凝土和钢材的热导率,因此可以使用红外摄像机生成并记录热梯度,这种现象与时间有关,有助于揭示缺陷。热流取决于温差,一旦穿过剥落或开裂区域的起点就会中断(图3)。例如在晴天之后,当桥梁比周围环境温暖时,缺陷可能会比周围的完整区域显得更冷。

图3  热流方向:a) 白天,b) 夜晚

3. 桥梁檐口可行性试验

3.1. 现场实验

第一次测试是在一座钢筋混凝土桥上进行的,该桥有一些明显的缺陷(图 4a)。 第一次试验的目的是评估不同气象条件下自然征集下的热图像质量。实验表明在自然环境刺激下可以检测桥梁缺陷,缺陷看起来比完整的周围区域更温暖(图4b)。

图4  混凝土桥面板的可见光谱 (a) 和红外光谱 (b) 中的图像

3.2. 对桥梁飞檐试件进行试验

第二个实验是在室外进行的,在自然条件刺激下的桥梁檐口样品上进行。该示例展示了四个有趣的领域:

•区域1:剩余混凝土爆裂释放

•区域2:爆裂部分脱离

•区域3:完全分离爆发

•区域4:钢筋混凝土完整部分(参考)

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)

在4个指定区域内记录了样品在一天内的温度变化,检测到所有缺陷(图 5b)。 在日照期间,完好部分与缺陷区域的温差大于1K,可达7K,高于红外热像仪的热灵敏(NETD=30mK).

这一定性评价表明了红外热像技术在外部条件下检测钢筋混凝土病害的可行性。缺陷的定量评估可用于评估,例如受缺陷影响的混凝土表面。

4. 定量红外热成像的评价

4.1. 试验板说明

为了模拟混凝土的分层缺陷,测试板实现了已知缺陷。这些试样是用水泥砂浆制成的(导热系数 = 1.60 W m-1°C)。 在每个块中三个缺陷由聚苯乙烯泡沫(热导率 = 0.04 W m-1°C)产生并放置在距外表面 1、2 和 4 厘米深的位置。这些缺陷,如图6所示是圆形、矩形或方形。

图 6  试样浇注过程中缺陷的定位:a) 圆形缺陷,b) 方形缺陷

4.2. 测试板的建模

为了评估样品在外部条件下的热演化,建立了一个模型。檐口是由一个尺寸为 50×20 厘米的矩形混凝土制成的。如图 8a 所示,在深度为2和100px处有一个尺寸为0.2×8 cm的气隙来模拟缺陷,热物理参数示于表图8b。

   该模拟的目的是确定表面温度梯度的演变。 檐口的背面被认为处于固定温度 Tback=10°C。Tair=10°C 时正面与周围流体之间的交换由全局交换系数 (hg=15 W/m2.C) 表示。 施加在梁两侧的边界条件是绝热类型的。


 

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

不同仿真条件下的模型结果如图 9 所示。

*信号的幅度必须足够高,以便可以检测到对表面的影响;

*缺陷尺寸与其与表面的接近程度之间的比率应足够大以产生热对比;

*正弦热波的传播随深度呈指数衰减(图10b)。

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

模拟了24小时+/-300W/m2的正弦热流 (图9a)。

图 9b 显示了缺陷区域和完整区域之间 24 小时温差的演变。对于 50px 深度处的缺陷,所得温度的幅度高于1.5°C,而对于 100px 处更深的缺陷,所得温度幅度小于 1°C。

这些结果表明,可以通过红外热成像检测到位于 4 cm 深度处的缺陷。 这些令人鼓舞的结果让我们认为,可以通过红外摄像机检测到混凝土保护层开始剥落,因为老化桥梁上的混凝土保护层大约为 3 厘米。

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

4.3  试验板试验

采用被动热像法对试验板进行了室外红外热像试验。热刺激是由气候环境引起的:太阳辐射和对流。两侧用泡沫隔热,以减少来自外围的热量损失。实验装置如图10所示。

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

红外摄像机从早上7点30分到下午6点每十秒拍摄一次图像。图10中可以看到红外摄像机捕获的图像示例。缺陷区域和完整区域之间的温差已表示为 3 个缺陷。 结果如图 11所示。

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

 虽然在第一次阳光照射后可以快速识别靠近表面的缺陷,但只有在环境温度升高时才能检测到深度为 4 厘米的缺陷。无论深度如何,2x50px 大小的缺陷都从未被检测到。因此我们还尝试在实验室中使用主动刺激(红外线灯)检测 2x50px 缺陷,但没有成功。

4.4. 钢筋混凝土桥梁试验

对测试板进行的实验表明了该方法的适用性,并确定了可以检测到的缺陷的大小和深度。

为了识别损坏的檐口,我们在钢筋混凝土桥梁上进行了多次实验。为了保证操作员的安全,实验是用配备长焦镜头的相机进行的。从图 14 中可以看出,在干预期间,道路交通并未停止。

图 13. 摄影(a 和 b)和拍摄实现(c)的图片

为了能够定位缺陷,需要进行桥梁准备,例如通过在桥梁上放置标志,如图 14 所示。这些标志应该出现在红外和可见光谱中。通过这种设置,可以通过安装 4 台摄像机对桥梁的檐口进行全面检查。即使在间接阳光照射的情况下,也检测到了一些缺陷,如分层。

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

5. 结论

这项研究是第一个说明热成像在钢筋混凝土桥梁评估中的方法,它的目的是确定缺陷的大小和在什么深度红外热成像可以检测到它们。小于100px2的小缺陷没有被检测到,但对于较大的缺陷,红外热成像可以使用高达100px。现场干预需要有效的设备、最佳的天气条件和时间。白天和夜晚之间有较大温差的晴天是最佳的。