混凝土桥梁隐伏病害的红外无损检测研究

邹兰林，金 辉

（武汉科技大学汽车与交通工程学院，湖北 武汉 430065）

1 引言

受施工工艺复杂性、自然因素多样性、运行荷载以及环境荷载多变性的影响，混凝土桥梁在运营过程中会产生空洞、裂缝等结构性病害，进而影响到混凝土桥梁运行的安全性，甚至会造成混凝土桥梁的坍塌，因此对混凝土桥梁结构病害的研究显得至关重要［1］。空洞是混凝土桥梁结构隐伏病害形式之一，出现空洞的地方会出现应力集中，从而导致桥梁混凝土的破坏，这种破坏往往没有预兆，是一种突发性破坏，对桥梁结构安全有很大的负面影响。空洞又处于混凝土桥梁结构内部，隐蔽性较强，肉眼无法直接观测出来，无法实现有效的可视化检测。对于混凝土结构隐伏病害的检测，目前主要有以下几种方法：超声法、探地雷达法、回弹法、拔出法等，这些方法不同程度的存在着诸如工作量大、制约精度因素多、受地面以上介质影响较大、可能会影响建筑物的正常使用等缺点，而红外热成像法能够有效的克服这些弊端［2-4］。近年来，红外热成像技术在工程领域有越来越广泛的应用。有学者将红外成像方法用在沥青路面、建筑物外墙、盾构隧道中［5-7］，取得了一定的检测效果，但这些建筑物的材料性质与混凝土桥梁材料性质有一定的区别；文献［8］将红外成像方法用在水工混凝土中，文献［9］将红外成像方法用在钢管混凝土管道壁中，但水工混凝土和钢管混凝土与混凝土桥梁相比，工作环境有着显著差异；文献［10］将红外成像方法用在混凝土桥梁中，但并未进行前期的有限元模拟分析，且隐伏病害的体积大小、深度对此方法的检测效果有着怎样的影响，也没有进行细致深入的研究。

拟先用ABAQUS对有空洞缺陷的混凝土模型进行温度荷载下的有限元模拟分析，获取空洞部位与紧邻正常部位的温度云图，然后用红外热像仪采集有内部空洞的混凝土实体试块的温度分布，验证红外热成像法检测桥梁混凝土隐伏缺陷的可行性，并就空洞的体积和深度对红外热成像法的检测效果有何影响进行深入探究。

2 红外热成像的理论基础及工作原理

2.1 红外热成像的理论基础

温度高于绝对零度的物体均能以电磁波的形式向外辐射能量。为研究的方便，引入黑体这一理想概念，黑体：可以全部吸收透射到其表面上所有波长电磁波能量辐射能的物体。黑体辐射能与热力学温度的关系满足斯蒂芬-玻尔兹曼定律，其表达式为：

式中：E—单位时间内，物体的单位表面积向半球空间发射的所有波长电磁波的能量总和，也叫辐射力；Eb—黑体辐射力；σ—黑体辐射常量；T—黑体的热力学温度；C0—黑体辐射系数，取值5.67W/（m2·K4）。

电磁波的波长包括从零到无穷大的范围，电磁波谱图，如图1所示。

图1 电磁波谱图Fig.1 Electromagnetic Spectru m

黑体的光谱辐射力与各种不同波长电磁波的关系满足普朗克定律，其表达式为：

式中：Ebλ—单位时间、某一具体特定波长的单位波长范围内、黑体的单位面积向半球空间发射出去的辐射能，也叫黑体光谱辐射力；T—黑体的热力学温度；e—自然对数底数；c1—第一辐射常量，取值3.7419×10-16W·m2；c2—第二辐射常量，取值1.4388×10-2m·K。

将式（2）进行求导得到公式，如式（3）所示。

将式（2）进行广义积分就得到定值温度下的黑体辐射力，表达式为：

由图1可知红外线有固定的波段范围，在此范围内任意选取λ1～λ2的波段范围代入式（3）中，得到红外线波段范围内的黑体辐射力，表达式为：

取波段范围具体数值和正常温度具体数值，代入式（3）和式（5）中，得到当红外热像仪工作在此波段时，黑体的辐射力Eb与温度的4次方T4呈正比例关系。

黑体是理想模型，与混凝土有着很大的差别，大量理论与实践均能证明，混凝土辐射力小于同等条件下的黑体辐射力且热辐射处于红外波段范围内［11-12］，故有如式（6）所示。

将式（6）代入式（1）得式，如式（7）所示。

式中：E混—混凝土辐射力；ε—物体发射率，总是小于或等于1；σ—黑体辐射常量，斯蒂芬·玻尔兹曼常量；T—混凝土的热力学温度。

由此式可知，混凝土辐射力与温度的四次方呈正比例关系，这就是红外热成像法检测混凝土结构病害的理论基础。

2.2 红外热像仪的工作原理

由式（7）可知：混凝土辐射力大小与温度的四次方成正比，温度越高，辐射力越大；反之，就越小。

在传热学中，热量以温度的形式表征。病害部位与正常部位材料性质不同会导致传热性能不同，进而产生不同的温度，不同的温度会产生不同的红外线光谱辐射力，红外热像仪就会探测到材料强度不同的红外线光谱辐射力，继而获得根据物体表面温度场的分布状况所形成的有温度差异的温度云图［13］。

3 仿真模型建立与求解

3.1 瞬态热传导理论分析

建立有内部缺陷的混凝土三维模型，并对其进行温度场的理论分析。模型瞬态温度场T（x，y，z，t）在坐标系中满足的热扩散方程为：

将式（8）简化，得温度场的数学描写表达式为：

上述方程通解为：

由边界条件可得：

将式（11）～式（13）代入式（10）可得温度为：

式中：ρ—材料密度；c—材料比热；λ—材料导热系数；q—热流密度；t初—初始温度；x—与模型上表面之间的距离；h—对流换热系数。

3.2 仿真分析

选择8节点的实力单元SOLID70进行瞬态温度场分析。这里使用的模型为8个有内部空洞的混凝土模型。混凝土尺寸为（16×10×6）cm，在8个混凝土内部分别设置4个体积相同深度不同和4个体积不同深度相同的空洞，得到8个有不同尺寸空洞的混凝土模型，模型尺寸及编号，如表1所示。模型概图，如图2所示。

表1 模型空洞尺寸及对应编号Tab.1 Model Cavity Size and Corresponding Number

图2 模型概图Fig.2 Model Overview

编辑模型中各个部分的材料属性，输入材料的导热系数λ、比热c及密度ρ这三个热工参数［14］，数值，如表2所示。

表2 热工参数

采用稳定热流密度对模型进行加热，对流换热系数取值15W/（m2·K），不考虑热外界空气与混凝土模型的热量交换，混凝土模型的初始温度设定为10℃，四周及底部按绝热处理，只考虑热量从混凝土模型上表面向下表面的传递，即仅考虑一维导热问题，设置4个温度荷载步，以此为初始条件，进行瞬态温度场求解。

3.3 结果分析

选取4个荷载步中第2个荷载步的温度云图做分析。模型#1～模型#4代表空洞体积相同深度不同的4个混凝土模型，其表面的温度云图，如图3所示。模型#5～模型#8代表空洞深度相同体积不同的4个混凝土模型，其表面的温度云图，如图4所示。模型#1～模型#8表面温差，如表3所示。

表3 各模型表面温差Tab.3 Surface Temperature Difference of Each Model

图3 模型#1～模型#4混凝土模型表面温度云图Fig.3 Model #1～Model #4 Concrete Model Surface Temperature Cloud Map

图4 模型#5～模型#8混凝土模型表面温度云图Fig.4 Model #5～Model #8 Concrete Model Surface Temperature Cloud Map

8个混凝土模型尺寸均为（16×10×6）cm。由图3、图4、表3可知：代表空洞体积相同深度不同的4个混凝土模型#1～模型#4，随着其空洞深度逐渐递减，表面的中心（下方是空洞）部位与紧邻部位的温度差异分别为0℃、1.19℃、1.3℃、1.54℃，且在此文仿真边界条件下2cm深度为空洞临界深度，深度大于2cm，模型表面并没有温差。故可以得出结论：当空洞体积不变时，在临界范围之内，深度越浅，模型表面温差越大。

代表空洞深度相同体积不同的4个混凝土模型#5～模型#8，随着其空洞体积逐渐增大，表面的中心（下方是空洞）部位与紧邻部位的温度差异分别为0℃、0.68℃、1.5℃、1.75℃，且在此文仿真边界条件下4.5cm3体积为空洞临界体积，体积小于4.5cm3，模型表面并没有温差。故可以得出结论：当空洞深度不变时，在临界范围之内，体积越大，模型表面温差越大。

4 试验研究

4.1 采集设备

试验用到的采集设备是型号为FLIR A300的红外热像仪，光谱范围为（8～14）μm，契合红外光谱范围，温度灵敏度为0.04℃，图像分辨率为（1280×960）像素。红外热像仪的照片，如图5所示。

图5 红外热像仪Fig.5 Thermal Imaging Camera

4.2 制作混凝土实体试块

为验证仿真分析的结果，制作8个尺寸为（16×10×6）cm的混凝土实体试块，在混凝土试块未凝固之前，在试块内部设置与仿真对应尺寸的空洞，并分别编号，不同尺寸试块所对应的编号，如表4所示。

表4 试块空洞尺寸及对应编号Tab.4 Test Block Cavity Size and Corresponding Number

4.3 试验结果

试验环境与前文仿真保持一致，采用仪器对试件表面进行主动热激励，热量在实体试块内部传导，导致缺陷部位与正常部位产生不同的热效应，进而导致缺陷部位与正常部位形成温度差异。用红外热像仪采集实体试件表面温度值，再用WINDOWS10环境下的图像分析软件系统FLIR TOOLS分析采集得到的数据，结果如下：试块#1～试块#4的数码图片，如图6所示。与之对应的红外图像，如图7所示。试块#5～试块#8的数码图片，如图8所示。与之对应的红外图像，如图9所示。试块#1～试块#8的表面温差，如表5所示。

表5 各试块表面温差Tab.5 Surface Temperature Difference of Each Test Block

图6 试块#1～试块#4的数码图片Fig.6 Digital Pictures of Test Block #1～Test Block #4

图7 试块#1～试块#4的红外图像Fig.7 Infrared Images of Test Block #1～Test Block #4

图8 试块#5～试块#8的数码图片Fig.8 Digital Pictures of Test Block #5～Test Block #8

图9 试块#5～试块#8的红外图像Fig.9 Infrared Images of Test Block #5～Test Block #8

图6（a）、图6（b）、图6（c）、图6（d）分别表示空洞体积相同深度不同的4个混凝土试块#1～试块#4，图中黑色方框处标记数字1、2、3、4处分别表示深度不同的空洞对应在试块表面的大致位置，图7（a）、图7（b）、图7（c）、图7（d）分别表示与之对应的红外图像，图中小方框部位的亮斑代表空洞在试块表面的红外表征，右上侧的数值差代表亮斑位置和紧邻位置的温度差，温差分别对应为：0℃、26.6℃-25.2℃=1.4℃、26.8℃-25.2℃=1.6℃、27.1℃-25.2℃=1.9℃，在此文试验条件下2cm深度为空洞临界深度，深度大于2cm，试件表面并没有亮斑。

图8（a）、图8（b）、图8（c）、图8（d）分别表示空洞深度相同体积不同的4个混凝土试块#5～试块#8，图中黑色方框处标记数字5、6、7、8处分别表示深度不同的空洞对应在试块表面的大致位置，图9（a）、图9（b）、图9（c）、图9（d）分别表示与之对应的红外图像，图中小方框部位的亮斑代表空洞在试块表面的红外表征，右上侧的数值差代表亮斑位置和紧邻位置的温度差，温差分别对应为：0℃、26.4℃-25.4℃=1.0℃、27.5℃-25.4℃=2.1℃、27.8℃-25.4℃=2.4℃，在此文试验条件下4.5cm3体积为空洞临界体积，体积小于4.5cm3，试件表面并没有亮斑。

8个混凝土试块尺寸均为（16×10×6）cm。由图7、图9、表5可知：当空洞体积不变时，在临界范围之内，深度越浅，试件表面温差越大，亮斑越明显，检测效果越明显；当空洞深度不变时，在临界范围之内，体积越大，试件表面温差越大，亮斑越明显，检测效果越明显。

5 仿真与试验的拟合分析

为凸显科学严谨性，现进行仿真与试验的拟合分析。空洞体积相同深度不同的仿真温差与试验温差，如表6所示。空洞深度相同体积不同的仿真温差与试验温差，如表7所示。

表6 空洞体积相同深度不同的温差Tab.6 The Temperature Difference Between the Same Cavity Volume and Different Depth

表7 空洞深度相同体积不同的温差Tab.7 The Temperature Difference Between the Same Cavity Depth and Different Volume

将表6、表7进行拟合，拟合曲线，如图10、图11所示。

图10 体积相同深度不同的拟合曲线Fig.10 Fitting Curves with the Same Volume and Different Depth

由图10、图11可知仿真温差与试验温差存在一定的误差，原因在于：为更方便的研究工程实际问题，在仿真分析中，一般将三维导热问题近似处理为一维导热问题，模型四周按照绝热处理，忽略外部辐射［15］。总体来说误差在合理范围内，且温差曲线变化趋势基本相同，拟合分析效果良好。

6 结论

先用综合分析软件ABAQUS对有内部空洞缺陷的混凝土模型进行温度荷载下的仿真分析，获取模型表面的温度云图，在试验中用红外热像仪采集有内部空洞的混凝土实体试块的温度分布，将试验结果与仿真结果进行拟合分析，拟合效果良好，可以得出如下结论：红外热成像检测混凝土桥梁内部空洞病害的方法是完全可行的；当空洞体积不变时，在临界范围之内，深度越浅，温差越大，此方法检测效果越明显；当空洞深度不变时，在临界范围之内，体积越大，温差越大，此方法检测效果越明显；对于空洞深度过深或者体积过小导致此方法没有检测效果的问题，还需要后续更为深入的研究。