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王晓航 雅 菁 尚静媛 刘立平 岑丽丽 张 顼 袁啸天
(1.河南省第二建设集团有限公司，郑州 451464；
2.天津城建大学，天津市建筑绿色功能材料重点实验室，天津 300384；
3.天津津贝尔建筑工程试验检测技术有限公司，天津 300170；
4.北京市住宅产业化集团股份有限公司，北京 100161)
钢板组合剪力墙作为一种新型的建筑结构体系，具有施工快捷、节约模板、延性好、承载能力和抗震性能高等特点[1-3]。但考虑到钢板内局部区域异常复杂存在加劲肋、钢筋等连接构件，混凝土容易振捣不均匀，径向收缩等因素，易导致钢板与混凝土之间产生空洞和脱粘缺陷。由于混凝土的密实度是确保钢板组合剪力墙结构可靠性的重要前提，对结构起到至关重要的作用，否则就会存在严重的质量安全隐患[4]。目前，红外热成像技术在建筑无损检测领域应用也比较常见[5-6]，如对钢板组合剪力墙界面脱空进行检测[7]、粘钢加固脱空缺陷检测[8-9]、外墙饰面脱空缺陷检测[10]等，但是需要通过对被检测物体进行热源激励来改变检测物体热状态，而且检测出缺陷后需要先破损再修补，过程较为繁琐。因此，为了能在浇筑混凝土时及早检测脱空缺陷的存在，并在未凝固前通过振捣和及时补灌等方式修补混凝土脱空缺陷，避免因混凝土质量问题造成的返工，提高施工质量。所以本文在红外热成像技术和传热学的基础上，利用混凝土浇筑时与钢板之间的温差对钢板组合剪力墙界面脱空缺陷进行检测，通过热量交换使得缺陷处表面温度产生差异从而识别脱空缺陷，这种方式对工程检测更加方便快捷，具有一定的实际应用价值。
红外热成像检测技术的基本原理[11]：在自然界中，高于绝对零度(-273.15 ℃)的物体均可以辐射红外线，根据热力学第二定律：凡是有温差存在的地方，就有热能自发地从高温物体向低温物体传递。考虑到实际工程中在浇筑混凝土时混凝土水化会释放一定的热量，与钢板的温度可能会存在不同的情况，钢板、混凝土、水泥砂浆、空气材料热物理参数见表1[12]。
表1 材料的热物理参数Table 1 Thermophysical parameters of materials
根据热源的位置不同，热量传递过程如图1所示，可以分为混凝土提供热源和钢板提供热源，由于热量传递的推动力是温差，热量会从高温向低温区传递，当被测物体内部不连续存在脱空缺陷时，脱空缺陷处与正常位置的导热系数不同，正常混凝土和脱空缺陷处的传热速率不一致，使得物体表面的热量分布不同，当热源为混凝土时，脱空缺陷位置表面温度低于正常区域；
热源为钢板时，脱空缺陷表面温度高于正常区域，最后通过红外热成像图呈现出来的颜色差异来检测物体内部缺陷的情况[13-14]。
a—混凝土内热源；
b—钢板外热源。图1 不同热源热量传递示意Fig.1 Heat transfer diagrams of different heat sources
制备尺寸为300 mm×200 mm×150 mm且界面存在脱空缺陷的钢板组合剪力墙。本试验钢板壁厚5 mm，采用导热系数与空气导热系数接近的挤塑泡沫板代替空气，紧贴在钢板组合剪力墙内表面，缺陷的厚度分别为20 mm和30 mm，缺陷的面积分别为1，4，9，25 cm2，用下标1、2、3、5表示(例如Aa1是面积为1 cm2，厚度为20 mm的脱空缺陷)。缺陷位置的布置如图2所示。由于与钢板界面接触的主要是水泥砂浆，所以采用水泥砂浆来代替混凝土进行试验。考虑到冬天和夏天施工，环境温度会有一定的差别，为了能更好地控制混凝土入模时的温差，方便试验操作，研究不同入模温差下的界面脱空情况，设置两组试验：第一组取钢板温度为15 ℃作为基础温度，将水泥砂浆的入模温度控制在30，25，20 ℃，入模温差分别为15，10，5 ℃。第二组取钢板温度为30 ℃作为基础温度，将水泥砂浆的入模温度控制在15 ℃。
图2 入模温差脱空缺陷位置布置 mmFig.2 Arrangements of void defects caused by the temperature difference during molding
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，热灵敏度小于0.05 ℃。由于钢板表面的反光会使得周围环境的温度对红外仪器测得的温度准确性产生影响，为了降低钢板表面发射率低带来的误差，将钢板表面均匀喷上黑色的油漆，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。
图3～5是入模温差分别在15，10，5 ℃时钢板组合剪力墙表面温度场连续变化的红外热成像示意。以水泥砂浆为热源，环境温度通过空调、温湿度计及测温计进行控制，待房间内不同位置的环境温度与钢板表面初始温度相同为15 ℃时进行试验。由于本试验的水泥用量较少，水泥材料自身的温度对搅拌后的温度影响较小，自身的水泥水化热可忽略不计，仅需要控制水泥砂浆拌合后温度，通过拌合水及温度计进行温度控制。在加入不同温度的水泥砂浆后，即可以观察到不同大小的暗色区域，且与预先设置好的脱空缺陷尺寸大小和位置基本吻合，这是因为混凝土温度高，向钢板表面传递时，脱空缺陷阻碍了热量向钢板表面传递，使得缺陷位置处温度较低呈现暗色，提取红外热成像图中的温度数据，绘制不同入模温差时缺陷表面温差随时间变化曲线结果如图6～8所示。由图6可知，在相同入模温差和缺陷尺寸时，厚度为 30 mm的缺陷对应钢板表面位置处的温差高于20 mm厚的缺陷，但是两者之间温度差异相差很小，该差异在红外热成像图中出现的颜色没有差别，相对于缺陷的尺寸对钢板表面温度的影响，缺陷厚度的影响可以忽略。结合图7、8可以看出：钢板与混凝土温度差值越大，脱空缺陷在红外热成像图中可检测出的最佳时间范围越长，且会随着脱空缺陷尺寸的增大而延长。这是因为温差越大，热量传递的速率和温差呈正相关，传递到钢板表面的热量越多，使得钢板表面的正常区域和缺陷区域的差异更加明显，呈现出差异的时间范围增加。
a—0 s；
b—10 s；
c—20 s；
d—30 s；
e—40 s；
f—50 s；
g—60 s；
h—70 s。图3 入模温差在15 ℃时钢板组合剪力墙红外热成像示意Fig.3 Infrared thermal imaging of the composite steel plate shear wall when the molding temperature difference was 15 ℃
a—0 s；
b—10 s；
c—20 s；
d—30 s；
e—40 s；
f—50 s；
g—60 s；
h—70 s。图4 入模温差在10 ℃时钢板组合剪力墙红外热成像示意Fig.4 Infrared thermal imaging of the composite steel plate shear wall when the molding temperature difference was 10 ℃
a—0 s；
b—10 s；
c—20 s；
d—30 s；
e—40 s；
f—50 s；
g—60 s；
h—70 s。图5 入模温差在5 ℃时钢板组合剪力墙红外热成像示意Fig.5 Infrared thermal imaging of the composite steel plate shear wall when the molding temperature difference was 5 ℃
图6 入模温差15 ℃时不同缺陷厚度表面温差变化Fig.6 Changes of temperature difference on defect surface with different defect thicknesses when the temperature difference during molding was 15 ℃
图7 入模温差10 ℃时缺陷表面温差变化Fig.7 Changes of temperature different on defect surface when the temperature difference during molding was 10 ℃
图8 入模温差5 ℃时缺陷表面温差变化Fig.8 Changes of temperature difference on defect surface when the temperature difference during molding was 5 ℃
通过自身以及与环境进行热量交换的方式进行自然冷却，入模温差在15 ℃时可以识别出1 cm2以上的脱空缺陷(Aa1和Ab1)；
在自然冷却10 s时，Aa1脱空缺陷的轮廓开始变得模糊，自然冷却20 s后，轮廓消失不见从而无法辨别；
Aa2脱空缺陷在自然冷却40 s时边界开始模糊；
Aa3脱空缺陷在自然冷却70 s时边界开始模糊；
而25 cm2脱空缺陷由于尺寸较大显示的时间大约持续了400 s左右。
入模温差在10 ℃时可以识别出4 cm2以上的脱空缺陷(Aa1和Ab1)，在自然冷却20 s时，Aa2脱空缺陷的轮廓开始变得模糊，在自然冷却30 s后，轮廓消失不见从而无法辨别；
Aa3脱空缺陷在自然冷却50 s时边界开始模糊，自然冷却60 s后无法辨别，而25 cm2脱空缺陷由于尺寸较大显示的时间大约持续了300 s左右。
入模温差在5 ℃时的变化过程与入模温差为10 ℃时较为相似，均无法识别出1 cm2的脱空缺陷(Aa1)，Aa2脱空缺陷在自然冷却10 s后即看不出轮廓，Aa3和Aa5脱空缺陷持续显示的时间分别为20 s和60 s。
图9是以钢板为热源表面初始温度是30 ℃，水泥砂浆为15 ℃，入模温差在15 ℃时钢板组合剪力墙表面温度场的红外热成像示意，与混凝土为热源时红外热成像示意不同的是脱空缺陷处呈现出亮色区域。这是因为钢板表面的热量向混凝土进行传递，热量此时受到脱空缺陷的阻碍使得热量积聚在钢板表面，呈现出亮色。
图9 入模温差为15 ℃时钢板为热源的红外热成像示意Fig.9 Infrared thermal imaging of steel plate as heat source when the temperature difference during molding was 15 ℃
图10是入模温差为15 ℃时不同热源位置表面温差变化曲线，从图中可以看出脱空缺陷表面积越大阻碍热量的能力也就越大，两者呈现出的规律一致。不同的是钢板为热源时脱空缺陷处与正常区域的温差低于混凝土为热源时。这是因为试验时周围的环境为15 ℃，这使得钢板的热量不仅向混凝土内部传递，还会向周围环境进行交换，所以图10a的温差低于图10b。
a—钢板外热源；
b—混凝土内热源。图10 入模温差15 ℃时缺陷表面温差变化Fig.10 Changes of temperature difference on defect surface when the temperature difference during molding was 15 ℃
为了进一步验证该方法在实际工程中的应用效果，结合工程案例采用红外热成像法对钢板混凝土组合剪力墙混凝土脱空缺陷进行检测。本工程为天津市某装配式建筑三层样板房，建筑主体结构采用多腔体钢板组合剪力墙，截面厚度为160 mm，钢板厚度为8 mm，平面形状分为L、Z、T及一字形，钢板内浇筑C40自密实混凝土。
1)在浇筑混凝土前对钢板组合剪力墙进行测温，测得浇筑前钢板表面的平均温度为32 ℃且表面颜色均匀，图11为二层某钢板组合剪力墙浇筑混凝土后的实时红外热成像情况，从图11a可以看出，由于浇筑混凝土时是分腔体进行浇筑，所以在浇筑混凝土后具有明显的分界线，颜色发生了区域性的变化，最右侧区域呈现出的颜色较暗，且3号点较2号点温度低1.3 ℃。这是因为浇筑的混凝土平均温度为35 ℃，比钢板本身的温度高，且钢板内部是多腔体结构，此时左侧腔体内浇筑了混凝土，最右侧腔体内未浇筑混凝土，所以左侧钢板在吸收了混凝土内的热量使得钢板表面温度上升，所以左侧温度比右侧要高。
a—红外热成像示意；
b—可见光示意。图11 测试钢板组合剪力墙Fig.11 The composite steel plate shear wall for testing
a—上部；
b—中部；
c—下部。图12 测试钢板组合剪力墙红外热图像Fig.12 Infrared thermal images of the composite steel plate shear wall for testing
通过红外热成像检测技术对钢板组合剪力墙进行检测研究，得出以下结论：
1)红外热成像技术在不主动加热情况下仅依靠混凝土入模时与钢板的温差进行热量传递即可反映出脱空缺陷的位置及大小。钢板壁厚为5 mm且温度为15 ℃，入模温差在15 ℃时，可识别出面积为1 cm2以上的脱空缺陷，当入模温差在10 ℃和5 ℃时，可识别出面积为4 cm2以上的脱空缺陷。
2)该方法具有一定的局限性，需要在混凝土浇筑完成后尽快进行检测，且具有一定的温差，温差越小可供检测的时间越短。针对面积为1 cm2的脱空缺陷在入模温差为15 ℃时缺陷持续显示了10 s；
面积为4 cm2的脱空缺陷，入模温差在15，10，5 ℃的最佳检测时间分别为40，20，5 s以内；
面积为9 cm2的脱空缺陷，入模温差在15，10，5 ℃的最佳检测时间分别为70，50，10 s以内；
面积为25 cm2的脱空缺陷，入模温差在15，10，5 ℃的最佳检测时间分别为6.5，5，1 min以内。
3)利用入模温差可以在短时间内对界面脱空缺陷进行监测，并通过振捣和及时补灌等方式及时修补混凝土脱空缺陷，在一定程度上可以提高混凝土浇筑时的质量，从而避免因混凝土质量问题造成的返工，具有很高的实际应用价值。
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