红外热成像法对钢筋套筒灌浆饱满度检测研究

雒加岩 王晓航 赵 杰

1. 河南省第二建设集团有限公司 河南 郑州 451464；

2. 陕西省建筑设计研究院集团有限公司 陕西 西安 710018

随着国家和地方政府大力发展住宅产业化，在政策导向的背景下装配式建筑已经进入快速发展时期，装配式混凝土剪力墙结构作为一种新型的建筑结构形式正在全国大规模推广。装配式剪力墙和预制梁结构中存在大量的水平接缝、竖向接缝及节点，这些接缝和关键节点的连接质量一直是建筑行业关注的核心问题之一[1]。钢筋套筒灌浆连接是国内外装配式混凝土剪力墙结构预制构件钢筋连接的主要方式，套筒灌浆的饱满程度将直接影响结构的抗震性能和承载能力，对装配式结构的耐久性和安全性起到关键作用。但目前在实际工程中，针对钢筋套筒灌浆饱满度检测还没有相关的规范标准，主要是通过现场监督和对平行试件进行拉伸试验来对套筒连接质量进行控制。国内学者采用超声波、X射线、阻尼振动法等无损检测方法，针对钢筋套筒灌浆饱满度的检测进行了相关的技术研究[2]，结果表明：超声波检测能够定性地分析出套筒脱空缺陷，对于预埋在混凝土内的套筒需要借助幅值进行判断[3-4]；采用X射线，对套筒居中或梅花形布置在200 mm厚的预制剪力墙，可界定钢筋套筒灌浆饱满区域和未灌浆区域[5-6]；采用阻尼振动法可以通过传感器反馈的波形信号定性地判断套筒内灌浆料的饱满度[7]。近年来，红外热成像技术作为一种简单、快捷、安全的无损检测手段在不断地发展和完善，红外热成像技术虽然只能够识别物体表面的温度分布情况，但通过提前对被检测物体进行热源激励，也可以实现一定深度内的脱空缺陷检测，在建筑无损检测领域应用也比较广泛[8]，如外墙饰面脱空缺陷检测[9]、粘钢加固脱空缺陷检测[10-11]、钢-混凝土脱空缺陷检测[12-13]等。所以本文将在传热学和热辐射理论的基础上，通过理论与试验相结合的方式对纯钢筋套筒和具有一定混凝土保护层厚度的钢筋套筒表面温度场进行研究。

1 套筒灌浆缺陷红外检测理论基础

在自然界中，高于绝对零度（－273.15 ℃）的物体均可以辐射红外线，根据玻尔兹曼定律可知，物体表面的发射率保持一致时，红外辐射总功率和物体表面温度的四次方成正比，红外辐射总功率与温度的关系可表示为[14]：

式中：P——红外热辐射总功率，W/m2；

ε——被测物表面红外辐射率；

σ——玻尔兹曼常数，σ=5.67×10-8W/（m2·K4）；

T——热力学温度，K。

根据传热学中热量守恒定律、傅里叶热传导定律，热传导方程可表示为[15]：

式中：ρ——密度，kg/m3；

c——比热容，J/（kg·K）；

λ——导热系数，W/（m·K）。

导热系数是热量传递的重要参数，套筒、灌浆料、混凝土以及空气的导热系数[15]见表1。在钢筋套筒内部灌浆料存在脱空时，给钢筋套筒均匀地施加热量，由于空气的导热系数非常小且灌浆料和空气的导热系数相差较大，脱空处空气阻碍了热量向内部传递，使得套筒脱空区域表面的温度比正常区域的要高，可通过红外热图像来识别出灌浆套筒内部缺陷的情况。

表1 材料的导热系数

2 试验与数值模拟

2.1 试验模型设计与制作

由于红外热成像是检测物体表面的温度，考虑到热量穿透混凝土和金属的能力，本试验设计了A类纯套筒模型和B类具有一定混凝土保护层厚度的套筒模型。

A类试验模型选取Q345钢和球墨铸铁2种不同材质的钢筋套筒，套筒的长度为150 mm，内部填充CGM高强灌浆料。在灌浆压力不够或者套筒漏浆等不确定因素下会产生脱空缺陷，灌浆料具有较强的流动性且在自重的作用下会使得脱空缺陷存在于套筒的上端部，其中，灌浆料脱空的高度和其他参数见表2，根据设计的试件模型脱空缺陷的高度计算出脱空的体积和灌浆料的体积，以保证实际灌浆时脱空缺陷的高度。套筒脱空缺陷位置如图1所示。B类试验模型共设计3个具有混凝土保护层的套筒连接试件，混凝土保护层厚度分别为10、15、20 mm，C40混凝土配合比见表3，具有混凝土保护层的套筒脱空缺陷示意见图2。

表2 A类试件模型基本信息

图1 纯套筒垂直和水平脱空缺陷示意

表3 C40混凝土配合比单位：kg/m3

图2 具有混凝土保护层的套筒脱空缺陷示意

2.2 红外热成像检测

本试验采用主动热源激励的方式进行加热，使用功率为1 500 W的光波远红外线加热灯装置，它具有热惯性小、升温速度快、加热温度均匀等优点。热源距套筒为0.5 m，分别对钢筋套筒照射一定的时间，去掉热源后用红外热成像仪器拍摄，红外热成像仪型号为美国FILR T610，该仪器的红外图像分辨率为640×480像素，热灵敏度＜0.05 K。将钢筋套筒表面均匀喷上黑色的油漆，以减小金属表面发射率低带来的误差，将经接触式测温仪测得的温度与红外热成像仪测得的温度进行对比修正，校核了红外热成像仪的辐射率为0.83。

3 结果与讨论

3.1 套筒壁厚对套筒表面温度场的影响

图3是1号、2号铸铁套筒在热激励180 s撤掉热源后的红外热成像图，可以看出套筒上端有一个很亮的区域，且与预先设置好的脱空缺陷位置一致。

图3 不同套筒壁厚180 s热激励的红外热成像

通过FILR Tools软件提取出套筒脱空缺陷处和饱满处不同加热时间下的温度数据，得出两者间的温差，结果见图4，可以看出在加热180 s时，4 mm和5 mm套筒壁厚脱空缺陷处和饱满处的温差可达2 K以上，结合红外热成像图可以识别出脱空高度为50 mm的缺陷。随着热激励时间的变化，脱空缺陷处和饱满处的温差逐渐增大，套筒壁厚为4 mm的温差曲线总在5 mm的上方，这是因为套筒的导热系数较大，套筒壁厚的增加会使热量传导的路径变长，在传导过程中会损失一部分热量，使得壁厚越大温度升高就越慢，相应地温差也会减小。

图4 套筒壁厚随加热时间对竖向套筒表面温差的影响

3.2 脱空缺陷尺寸对套筒表面温度场的影响

图5、图6是垂直和水平灌浆钢套筒在热激励180 s时撤掉热源后的红外热成像图，可以明显看出垂直灌浆套筒和水平灌浆套筒发亮的区域大小不一样，发亮区域与预先设置好的脱空缺陷尺寸大小基本吻合，且缺陷尺寸越大中心温度就越高。

图5 垂直灌浆套筒不同脱空高度180 s热激励的红外热成像

图6 水平灌浆套筒不同脱空高度180 s热激励的红外热成像

利用FILR Tools软件提取出套筒不同热激励时间下脱空缺陷处和饱满处的温度数据，计算出两者之间的温差，绘制出脱空缺陷处与饱满处套筒表面温差随热激励时间的变化曲线，结果见图7、图8，可以看出随着热激励时间的增加，套筒饱满处与缺陷处的温差也在增大。结合红外热成像图和温差数据对不同脱空缺陷尺寸检测效果进行对比分析，可以发现50 mm以上脱空高度的垂直灌浆套筒可以在热激励60 s时识别出，温差在2 K以上，对于10 mm以上脱空高度的水平灌浆套筒在热激励120 s时，最大温差可达2 K以上。分析其原因，主要是由于空气的导热系数比灌浆料小，脱空缺陷处套筒表面的热量向内部传递热量受阻，热量积聚在套筒表面，且缺陷尺寸越大热量堆积在套筒表面的热量越多，所形成的温差就越大，而小脱空缺陷表面堆积的热量较少，则需要更长的加热时间才能产生温差。

图7 脱空缺陷尺寸随加热时间对垂直套筒表面温差的影响

图8 脱空缺陷尺寸随加热时间对水平套筒表面温差的影响

通过对比脱空高度为50 mm的铸铁套筒和钢套筒在热激励180 s时红外热成像图和温度数据，发现钢筋套筒与灌浆料的导热系数相差越大，对套筒脱空区域与正常区域表面温差的影响就越显著。

3.3 混凝土保护层厚度对混凝土表面温度场的影响

图9为不同混凝土保护层厚度的套筒在热激励300 s时撤掉热源后的红外热成像图。从图中可以明显看出当保护层厚度为10 mm时，可判断出套筒的轮廓，且灌浆套筒和未灌浆套筒颜色较暗，这是由于金属导热性好，传递热量的能力比较快，套筒吸收了混凝土表面的热量使得混凝土表面温度低，而灌浆的颜色比未灌浆颜色深是因为套筒内的灌浆料也吸收了一部分热量，造成灌浆的套筒混凝土表面温度低于未灌浆套筒的；当保护层厚度为15 mm时，虽然可以识别出灌浆套筒的轮廓，但是未灌浆的套筒边界不明显；从图中识别不出混凝土保护层在20 mm厚时套筒的轮廓及灌浆情况。分析其原因，主要是因为混凝土的导热能力低，随着混凝土保护层厚度的增加，热量从混凝土表面到达套筒的路径增加，热量在没有到达套筒表面前已经横向扩散，使得混凝土表面最终无法产生温度差异。

图9 不同混凝土保护层厚度的套筒300 s热激励红外热成像

通过FILR Tools软件在不同混凝土保护层厚度的表面分别绘制出路径线R（a）、R（b），提取路径上点的温度值并绘制出曲线图，如图10所示。从图中可以看出每条曲线上正好存在2个极小值，分别对应未灌浆套筒和灌浆套筒，且极值d比极值e温度高，极值f比极值g温度高，与前面分析的一致，这是由于套筒导热系数远比空气和灌浆料大，套筒的热传导占主要原因，将混凝土表面的热量吸收，使得混凝土表面温度降低，呈现出较暗的颜色。当套筒不含灌浆料时，内部的空气阻碍热量的传导，使没有灌浆套筒比灌浆套筒混凝土表面的温度高。结合红外热成像图和路径温度分布曲线进行分析，可以识别出厚15 mm以内混凝土保护层的套筒未灌浆和灌浆区域。

图10 不同混凝土保护层厚度沿路径R（a）、R（b）温度分布曲线

4 结语

1）红外热成像技术可以定性识别出纯钢筋套筒试件脱空缺陷的位置，当套筒壁厚小于5 mm时，通过套筒表面温度差异可以有效识别脱空高度在50 mm以上的竖向垂直套筒缺陷，对于横向水平套筒，可识别出10 mm以上脱空高度的缺陷。目前该方法可以作为套筒内脱空缺陷辅助性判断，对施工现场套筒平行试件进行工艺检测。

2）采用主动热源激励的方式对具有一定混凝土保护层的套筒加热5 min，对于混凝土保护层厚度在10 mm以内的套筒，可判别出套筒未灌浆区域和灌浆区域；当混凝土保护层厚度在15 mm时，红外热成像图中未灌浆的套筒边界不明显，但利用路径温度分布曲线可以界定出未灌浆套筒与灌浆套筒；当混凝土保护层厚度在20 mm时，红外热成像技术无法检测出套筒灌浆情况。

3）针对不同套筒材质进行试验，发现套筒与灌浆料的导热系数相差越大，对温差的影响越显著，识别脱空缺陷的效果越明显。

4）由于红外仪器对检测环境要求比较严格，现场环境受周围物体温度及天气等因素影响较多，因此，还需要进行大量的现场试验，寻找不同因素下脱空和密实套筒成像效果。