红外热像检测技术在土木工程领域中的应用近况

谢春霞

(四川建筑职业技术学院，四川成都610081)

目前，对于大量的混凝土构筑物及建筑物进行大范围、快速、低成本的普查检测，常用的方法有超声波法、雷达法、声发射法、冲击回波法及在日本常用的打音诊断和目视检查等，各种方法都有各自的优点，其不足之处是以较少的取样分析反映整个结构工作性能，取样选点和数据实测都与操作者人为因素有关，同时限制条件也比较多，且后两种方法存在很大的局限性，检测结果又不可靠。因此寻求一种无损、快速、低成本、大范围的普查方法是土木工程界极为关注的问题，具有非常现实的意义。红外热像检测技术就是在这种情况下被引入土木工程领域的。本文旨在介绍目前红外热像检测技术在土木工程领域的应用。

1 红外热像基本原理

红外辐射是自然界存在的一种最为广泛的电磁波辐射，它是基于任何物体在常温都会产生自身的分子和原子无规则的运动，并不停地辐射出红外能量，分子和原子的运动愈剧烈，辐射的能量愈大，反之，辐射的能量愈小。在0°K以上的物体，都会因自身的分子运动而辐射出红外线。

著名的普郎克定律表明温度、波长和能量之间存在一定的关系，红外总能量随温度的增加而迅速增加;峰值波长随温度的增加向短波移动。根据斯蒂芬·玻耳兹曼定律，当温度变化时，红外总能量与绝对温度的四次方成正比，当温度有较小的变化时，会引起总能量的很大变化，可表达为下式:

式中:P为辐射功率(W/cm2);σ为常数，σ=5.673×10－12W/(cm2·K4);T为物体表面的热力学温度(K);ε为发射率，0＜ε＜1。

热流在物体内部扩散和传递的路径，将会由于材料传导的热物理性质不同，或受阻堆积，或通畅无阻传递，最终会在物体表面形成相应的“热区”和“冷区”，这种由里及表出现的温度差现象，就是红外检测的基本原理，如图1(以单面法为例)。

图1 热流通过物体传导后正面温度分布图

2 红外热像仪简介［1］

红外热像仪是利用红外探测器和光学成像物镜接受被测目标的红外辐射能量分布图形并反映到红外探测器的光敏元件上，从而获得红外热像图，这种热像图与物体表面的热分布场相对应。通俗地讲红外热像仪就是将物体发出的不可见红外能量转变为可见的热图，工作原理如图2。热像图上面的不同颜色代表被测物体的不同温度。

图2 红外热像仪的组成

红外热像检测技术应用于土木工程领域是一种很新的技术，具有非接触大面积、响应快、测试精度高等优点。自20世纪70年代，欧美一些发达国家先后开始了红外热像仪在土木工程领域的探索。经过几十年的发展，已经发展成非常轻便的现场测试设备。由于土木工程领域测试往往产生的温度场差异大和现场环境复杂等因素，具备温度分辨率小于0.06℃、空间分辨率小于1.2 mrad、红外图像和可见光图像合成功能等是土木工程领域应用红外热仪不可缺少的条件。随着红外热像仪的发展和在土木工程领域的应用日益完善，红外热像检测技术将给土木工程领域检测和评估技术的前进和发展带来较大的帮助。本文将着重对近年来红外热像技术在国内的应用和实践进行总结。

3 在建筑领域的应用

3.1 外墙缺陷

3.1.1 空鼓和剥落［2］

当外墙的表面温度比墙体的温度高，热就从外墙表面传到墙体中。当外墙的表面温度低时，热就从墙体内传到外墙表面。当外墙中有空鼓或剥落等缺陷，缺陷处的热传导变小，因此，当暴露在太阳光或升温的空气中时，外墙表面的温度升高，空鼓或剥落部位的温度比正常部位的温度高。相反，当太阳光减弱或气温降低，外墙表面温度下降时，空鼓或剥落部位的温度比正常部位的温度低。用红外检测技术能快速检测出建筑物外墙空鼓和剥落的部位。

相对于传统的手敲法检测，红外热像仪检测无需搭设脚手架，可以大面积进行拍摄，所有的检测可以记录并且重现，检测结果比较客观，因而检测效率和效果更好。通过红外热像图可以清楚精确地分辨出损伤的面积和程度。

3.1.2 裂缝

由于建筑结构受荷载作用或使用了不合格的水泥混凝土材料可能会引起墙体裂缝，也会造成贯通裂缝而使结构破坏，有时会导致雨水渗入从而引起更大的麻烦，这些隐藏的缺陷很难通过常规的检测方法成功的发现。而通过红外热像仪进行检测，可以快速的清楚显示。

3.1.3 粘贴饰面［3］

粘贴饰面由于粘贴不良，容易造成渗水甚至剥落。粘贴饰面掉下来砸中汽车或者行人的事件偶有发生。粘贴饰面剥落在事故发生之前往往没有什么征兆，但这些缺陷是逃不过红外热像仪的“眼睛”的。目前许多重要建筑物的粘贴饰面都已经成功的使用了红外热像仪进行定期检查。

3.2 在建筑节能中的应用［4］

据有关文献记载，能量的消耗30%集中在建筑.当前，改善现有建筑、降低其能耗是十分紧迫的任务.摆在我们面前的就是怎样知道建筑保温绝热效果，冬天夏季室内外温差较大，内外热传导给红外热像检测门窗气密、保温渗漏性提供了良好的条件。缺陷造成的漏热、气密性不良部位与正常气密性良好部位存在较明显的差异，其形成的温度场分布截然不同，红外热像仪能直观地快速显示和分辨出来，为施工装配质量检查和节能评估提供了科学依据。采用红外热像检测技术可检测出建筑物的能量损失程度，进而准确地得到建筑保温绝热效果。

3.3 受潮和渗漏［4］

受潮是影响建筑物整体性最为严重的因素之一，受潮的原因可能根源于渗漏、冷凝或建筑材料释放的湿气;建筑物常常会因为外部雨水渗入而造成麻烦。而又很难找到渗入点，借助于红外热像仪，在建筑物渗水部位，其水分的热容性和导热性与周边质量正常部位的热容性和导热性是不同的。当太阳光照射后的热传导和反射扩散，使有缺陷部位在其表面层形成的温度场分布与周边正常部位表层温度分布有着明显的差异，红外热像检测技术可以清楚的发现渗水并找到渗漏源。

4 在混凝土工程中的应用

4.1 混凝土路面脱空的检测

水泥混凝土路面具有承载能力大、稳定性好、使用寿命长、日常养护费用少等优点，是高等级、重要交通公路运输路面的主要类型之一，在公路建设中也等到了越来越多的重视。同时在实际使用过程中，由于车辆荷载的重复作用，板下基础将产生一定的塑性变形，使混凝土板的局部不再和基础保持连续接触，即混凝土板下局部出现了脱空。由于早期出现的脱空病害不能从路表得到及时的发现，在路面车辆的作用下，脱空会逐步发展，最终导致板的断裂，这时再进行挖除重新浇筑混凝土，将会浪费大量的人力物力，也影响了路面的正常使用。因此，混凝土路面的常见病害:脱空、断裂、破碎等也成为急等解决的问题。

常规的检测方法劳动强度大、速度慢，且对路基造成破损，红外热像技术是依据物体的红外辐射——表面温度——材料特性三者间的内在关系，借助红外热像仪把来自目标的红外辐射转变为可见的热像图，通过热像图特征分析，直观地了解物体的表面温度分布，进而达到推断物体内部结构和表面状态的目的，是一种效果较好的混凝土路面脱空的检测方法。对研究新型路面无损检测设备的技术手段具有重要的现实意义，它将使道路管理水平和建设质量达到一个新的水平。

4.2 结构混凝土火灾受损、冻融冻坏检测［6］

目前，对结构混凝土火灾的损伤程度和混凝土强度的下降范围，以及混凝土受冻融反复情况还缺乏快速有效的检测手段。在国内，近年来有些学者采用红外热像技术对上述混凝土损伤破坏进行探测研究工作。根据混凝土火灾的物理化学反应，混凝土表层会变得疏松，表面因被直接火烧其疏松程度尤为严重，混凝土强度会随着疏松程度下降。混凝土受冻融作用会出现剥落破坏和局部疏松，以上均导致混凝土导热性下降。当外界有热流注入时，损伤部位的温度场分布与完好的周边混凝土温度场分布有明显的区别。从红外热像仪上显示的“热斑”和“冷斑”比较容易分辨出火烧混凝土和冻融破坏的损伤部位。通过模拟实验，还可以建立一定条件下混凝土损伤程度和灾后强度下降的大致对应关系，从而可作为工程实际红外检测热像图分辨判断的标识指标，为工程修复加固处理提供参考。

5 在加固工程中的应用

5.1 粘钢加固结构钢板粘贴质量的检测［7］

传统的粘钢结构钢板粘贴质量的检测方法是肉眼观察法、敲击法和超声波法，但这些方法的局限性和受影响的因素较多。红外探测器焦距在理论是为20 cm以上到无穷远，因而适用于做非接触、广视域的大面积无损检测。该方法具有可记录在记忆体、用软件重现数据、高效、不需要脚手架，省工时和检测结果可靠等优点。对粘钢加固结构钢板粘贴质量的检测，红外热像检测技术是一种高效、方便的检测方法。

5.2 检测碳纤维施工质量［1］

碳纤维片材通过环氧胶粘结在被加固物表面上，如果混凝土表面的剥落、疏松、蜂窝、腐蚀等缺陷没有采用专用找平材料进行处理，碳纤维粘贴上之后容易造成空洞，碳纤维与混凝土没有很好的粘结;如果涂涮的底层树脂质量不合格或者涂涮的不够均匀，碳纤维也易造成褶皱、空鼓等缺陷;如果碳纤维施工过程中碳纤维浸渍不充分，易造成碳纤维分层、拉拔时撕裂等情况。为了保证施工质量，《碳纤维片材加固混凝土结构技术规程》给出“碳纤维有效粘结面积不应低于95%”的规定，但实际工程中，不可能对粘贴面做到100%敲击，只能目测，检验结果不能做到准确客观。所以，对大面积碳纤维粘贴施工工程，应有一种客观有效的评价方法。用红外热像法检测技术检测碳纤维质量非常直观方便，如果确定比例尺，可以方便地对大片的碳纤维粘贴质量进行整体评价，也可以方便地标出碳纤维施工过程中的浸渍不完全、空鼓、翘边等缺陷。

6 总结

随着我们对红外热像仪技术的进一步认识和科研思路及理念的转变，红外热像检测技术将日趋成熟，将其应用于土木工程领域的研究将会有更高广阔的前景。

［1］唐岱新，王凤来.土木工程结构检测鉴定与加固改造新进展及工程实例［M］.北京:中国建材工业出版社，2006

［2］陆建勇，钟建国.红外热像检测技术在建筑工程中的应用［J］.陕西建筑，2007(1):4－5

［3］李命成，叶斌.应用红外热成像技术检测饰面花岗岩的粘贴质量［J］.工程质量，2004(1):15－17

［4］余曼丽，潘伟，朱若寒.红外成像检测技术在工程中的应用及其发展［J］.国外建材科技，2007，28(9):323 －324

［5］林志杰，郭德栋，陈颖.红外热像仪在路面离析检测和评定中的应用［J］.山西建筑，2007，33(9):323－324

［6］吴新璇.混凝土无损检测技术手册［M］.北京:人民交通出版社，2004

［7］黄文浩，艾军，田裕鹏，等.粘钢加固结构钢板粘贴质量的检测新方法［J］.建筑技术，2006，37(6):1－4