红外热成像法在碳纤维粘贴质量检测中的应用

李国庆 夏辉华 厉 兴

(1 浙江省建设工程质量检验站；浙江 杭州 310012 2 浙江省建筑科学设计研究院，浙江 杭州 310012)

外粘碳纤维复合材对既有建筑物的结构加固是现阶段运用较为常见的一种手段，加固效果怎么样，主要取决于两个方面。一方面是准确、合理的加固方案，另一个方面是合格、有效的施工质量。没有好的加固方案，碳纤维织物粘贴上去后不能准确的发挥加固效果；不合格的施工质量，如粘结强度未达到规范要求、甚至大面积的空鼓，贴上去的碳纤维不是加固材料，而是成了“装饰材料”。因此对于施工质量的合格与否，相应的验收规范有着严格的要求。但现有的验收规范，在检测操作中存在着一定不足之处。本文针对碳纤维片材粘贴加固建筑物施工质量的检测，提出了不同于现有规范的检测方法。

1 应用思路

现行、有效的国家规范对碳纤维加固建筑物施工质量的检测验收主要有以下形式：

加固质量整体效果的定性评估:“碳纤维片材与混凝土之间的粘结质量，可用小锤轻轻敲击或手压碳纤维片材表面的方法检查，总有效粘结面积不应低于95%”[1]，“纤维复合材与混凝土之间的粘结质量可用锤击法或其他有效探测法进行检查，根据检查结果确认的总有效粘结面积不应小于总粘结面积的95%”[2]。

加固质量局部区域的定量检测：该方法主要是现场正拉试验，操作方法是根据加固面积，确定检测数量，在设定的检测区域内，布置检测点。检测数据包含试件的破坏形式和破坏强度值。最后综合规范相应的指标作出评判。

在实际的检测工作中，定性评估时，监理人员常见的是采用锤击法。该方法简单宜行，符合规范文字要求，但在实际的操作中存在以下问题。如果加固的检测面积较小，加固的结构部位对于检测者来说方便宜行，尚可正确操作。如果加固面积较大，而且操作部位较为困难，比如是混凝土楼板的板底，需要仰头连续操作；再者是层高较高的板、梁，需要架设梯子，连续上下爬动移动作业。此种工况下，采用敲击法费时费力。定量检测时，检测点往往是随机布置的。检测点的质量好坏，仅代表了该点及周边局部范围内施工质量，尚不能完全表征全部加固面积的施工质量。

红外热像检测技术是采用红外探测器、光学成像物镜等接收被测目标的红外辐射信号，经过红外光学系统中电子扫描电路对被测物的红外热像进行扫描转换成电信号，经放大处理，转换成标准视频信号通过监测器显示红外热图像。在建筑物粘结缺陷检测方面具有传统检测方法（锤击法、外观检测法等）无可比拟的优势。它的工作原理如下：在建筑物外表面粘结施工过程中如果出现空鼓，在粘结层和基层间将产生一定的空气层。当建筑物表面从外部有温变的空气中吸放热量时，有空鼓部位的温度变化比正常部位大。通常，当暴露升温的空气中时，建筑物表面的温度升高，空鼓部位的温度比正常部位的温度低；相反，当气温降低，建筑物表面温度下降时，空鼓部位的温度比正常部位的温度高。由于空气的热导（封闭状态下，空气的导热系数为0.04W/m·k）[3]远低于碳纤维、碳纤维胶粘剂、混凝土等建筑材料，因此当热流从表面进入建筑物饰面层时，即会在“空鼓”缺陷部位受到空气阻挡发生“热堆积”，使该处的红外热像呈“热斑”等特征。由红外热像“热斑”出现的部位、持续时间等特征便可推知存在粘结质量的区域范围。

2 试验部分

本次实验使用红外热像仪对混凝土表面粘贴碳纤维施工质量进行检测，分析热成像数据，综合外观检测法、锤击法等，将结果进行比较。最终评价热像法在建筑物表面粘贴碳纤维材施工质量检测中的意义。

2.1 实验材料

混凝土构件：某厂房二层剪切柱；

纤维加固材：碳纤维布(300g/m2，Ⅰ级)，日本东丽产；

纤维胶粘材料：碳布底胶、碳布浸渍胶(XTL)，杭州固安科技公司产。

2.2 实验用仪器

红外热像仪(TIR 32)，(FLUKE)美国福禄克产。

2.3 实验步骤

选用两根养护期相同的混凝土柱。一根编号为CRT-1，构件表面较为光滑，缺陷部位较少，经过打磨后，得到较为平整的表面。另一根编号为CRT-2，其构件表面有明显坑洼，虽经过打磨，但未做补平处理。混凝土试件上的碳纤维粘结加固工作，按规范要求，打磨、除尘、清洗、烘干、一底两面。CRT-1 构件的粘贴工作采用全粘作业。而CRT-2 混凝土试件上的粘贴工作在坑洼处未找平即粘附作业。

3 结果分析

以下为该次试验的数据：图1 和图2 分别为CRT-1 和CRT-2 两根混凝土柱粘贴碳纤维布施工完后的可见光图片。从照片可以看出，二者在外观上无太大差别，目测无法区分出施工质量的好坏。采用锤击法测试，CRT-2 混凝土柱有明显空鼓，但无法确定大致面积。图3 和图4 分别为CRT-1 和CRT-2 两根混凝土柱在红外热像仪采集完数据后，将表层加固碳布材料剥离后的可见光照片。从该组图片可以清楚的看出，CRT-1 混凝土柱表面较为平整，底胶施工后空鼓处较少，基本实现了全粘作业。而CRT-2 混凝土柱有两处较为明显的坑洼，且未经找平处理。该两处在粘贴作业中，未能实现与碳布层有效粘结，呈现较为明显的空鼓状态。

图5 和图6 分别为CRT-1 和CRT-2 两根混凝土柱粘贴碳纤维布后的红外热像图。拍摄参数如下：日照时间为5 小时左右，拍摄镜头为FLKTI-LENS/TELE1/3441176 长焦红外镜头，发射率ε=0.95。从图5 看出，该柱表面的热像图颜色基本一致为绿色，即表层温度大致相同。从图中选取的两个大的矩形分析框可以看出：该混凝土柱粘贴碳布加固表层的构件热辐射温度平均值一处为22.56℃，另一处2 为23.34℃，较为接近。从图6 看出，该混凝土柱表面的热像图有两处不规则的红色“热斑”。两处红色“热斑”一处的平均温度值为26.76℃，另一处的平均温度值为26.86℃，明显高于其它表层的表面温度23.32℃（该图最下方的椭圆分析框）。该图准确的显示出，柱体表面碳布加固层中存在两处面积较大的空鼓位置。这一点与图4的可见光图片也是相吻合的。当该两处空鼓处经过5个小时的热照射后，由于空鼓位置积累了热导较低的空气层，形成了“热堆积”，从而在红外热像图上显示出较为明显的“热斑”。

4 结论

1）红外热像法作为一种新型无损检测技术，具有非接触、远距离、实时等优点。在碳纤维粘贴加固构件质量检测中，配合标准、广角、长焦各种镜头，扩大了单次检测范围，节省了人力、物力；

2）高精度的红外热像技术为碳纤维粘贴质量的评估，缺陷部位的查找、定位、修补提供了可靠的技术保障；

3）红外热像技术的测试基础是温度的变化在被测区域上形成热累积。在碳纤维粘贴建筑构件的外表面施工质量检测的应用中，目前还有一定的局限性。对于阳光热源无法干预到的结构部位如阴角、板底等背阳面即无法采用该技术。针对这种情况，主动加热技术[4]的进一步研发应用，将可以改善检测的局限性。

[1]岳清瑞、叶列平等。《碳纤维片材加固混凝土结构技术规程》CECS146:2003[M]，北京：中国计划出版社，2007：25-25

[2]孙前元、梁爽等。《建筑结构加固工程施工质量验收规范》GB50550-2010[M]，北京：中国建筑工业出版社，2010：64-64

[3]付祥钊。《夏热冬冷地区建筑节能技术》[M]，北京：中国建筑工业出版社，2002，131-131

[4]杨小林等。红外热成像检测中的主动加热方法研究[J]，《激光与红外》，2007（11）：1-3