超声红外热像技术在混凝土结构检测中的应用.pdf
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1、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 ,
2、 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
3、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
4、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
5、 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
6、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 dFi 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
7、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
8、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
9、 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
10、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 、
11、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。
12、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
13、土 内部缺陷和壁后空洞 的检Nt 9 - 。 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
14、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
15、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
16、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
17、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
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