紅外熱成像法在碳纖維粘貼質量檢測中的應用

李國慶 夏輝華 厲 興

(1 浙江省建設工程質量檢驗站；浙江 杭州 310012 2 浙江省建筑科學設計研究院，浙江 杭州 310012)

外粘碳纖維復合材對既有建筑物的結構加固是現階段運用較為常見的一種手段，加固效果怎么樣，主要取決于兩個方面。一方面是準確、合理的加固方案，另一個方面是合格、有效的施工質量。沒有好的加固方案，碳纖維織物粘貼上去后不能準確的發揮加固效果；不合格的施工質量，如粘結強度未達到規范要求、甚至大面積的空鼓，貼上去的碳纖維不是加固材料，而是成了“裝飾材料”。因此對于施工質量的合格與否，相應的驗收規范有著嚴格的要求。但現有的驗收規范，在檢測操作中存在著一定不足之處。本文針對碳纖維片材粘貼加固建筑物施工質量的檢測，提出了不同于現有規范的檢測方法。

1 應用思路

現行、有效的國家規范對碳纖維加固建筑物施工質量的檢測驗收主要有以下形式：

加固質量整體效果的定性評估:“碳纖維片材與混凝土之間的粘結質量，可用小錘輕輕敲擊或手壓碳纖維片材表面的方法檢查，總有效粘結面積不應低于95%”[1]，“纖維復合材與混凝土之間的粘結質量可用錘擊法或其他有效探測法進行檢查，根據檢查結果確認的總有效粘結面積不應小于總粘結面積的95%”[2]。

加固質量局部區域的定量檢測：該方法主要是現場正拉試驗，操作方法是根據加固面積，確定檢測數量，在設定的檢測區域內，布置檢測點。檢測數據包含試件的破壞形式和破壞強度值。最后綜合規范相應的指標作出評判。

在實際的檢測工作中，定性評估時，監理人員常見的是采用錘擊法。該方法簡單宜行，符合規范文字要求，但在實際的操作中存在以下問題。如果加固的檢測面積較小，加固的結構部位對于檢測者來說方便宜行，尚可正確操作。如果加固面積較大，而且操作部位較為困難，比如是混凝土樓板的板底，需要仰頭連續操作；再者是層高較高的板、梁，需要架設梯子，連續上下爬動移動作業。此種工況下，采用敲擊法費時費力。定量檢測時，檢測點往往是隨機布置的。檢測點的質量好壞，僅代表了該點及周邊局部范圍內施工質量，尚不能完全表征全部加固面積的施工質量。

紅外熱像檢測技術是采用紅外探測器、光學成像物鏡等接收被測目標的紅外輻射信號，經過紅外光學系統中電子掃描電路對被測物的紅外熱像進行掃描轉換成電信號，經放大處理，轉換成標準視頻信號通過監測器顯示紅外熱圖像。在建筑物粘結缺陷檢測方面具有傳統檢測方法（錘擊法、外觀檢測法等）無可比擬的優勢。它的工作原理如下：在建筑物外表面粘結施工過程中如果出現空鼓，在粘結層和基層間將產生一定的空氣層。當建筑物表面從外部有溫變的空氣中吸放熱量時，有空鼓部位的溫度變化比正常部位大。通常，當暴露升溫的空氣中時，建筑物表面的溫度升高，空鼓部位的溫度比正常部位的溫度低；相反，當氣溫降低，建筑物表面溫度下降時，空鼓部位的溫度比正常部位的溫度高。由于空氣的熱導（封閉狀態下，空氣的導熱系數為0.04W/m·k）[3]遠低于碳纖維、碳纖維膠粘劑、混凝土等建筑材料，因此當熱流從表面進入建筑物飾面層時，即會在“空鼓”缺陷部位受到空氣阻擋發生“熱堆積”，使該處的紅外熱像呈“熱斑”等特征。由紅外熱像“熱斑”出現的部位、持續時間等特征便可推知存在粘結質量的區域范圍。

2 試驗部分

本次實驗使用紅外熱像儀對混凝土表面粘貼碳纖維施工質量進行檢測，分析熱成像數據，綜合外觀檢測法、錘擊法等，將結果進行比較。最終評價熱像法在建筑物表面粘貼碳纖維材施工質量檢測中的意義。

2.1 實驗材料

混凝土構件：某廠房二層剪切柱；

纖維加固材：碳纖維布(300g/m2，Ⅰ級)，日本東麗產；

纖維膠粘材料：碳布底膠、碳布浸漬膠(XTL)，杭州固安科技公司產。

2.2 實驗用儀器

紅外熱像儀(TIR 32)，(FLUKE)美國福祿克產。

2.3 實驗步驟

選用兩根養護期相同的混凝土柱。一根編號為CRT-1，構件表面較為光滑，缺陷部位較少，經過打磨后，得到較為平整的表面。另一根編號為CRT-2，其構件表面有明顯坑洼，雖經過打磨，但未做補平處理。混凝土試件上的碳纖維粘結加固工作，按規范要求，打磨、除塵、清洗、烘干、一底兩面。CRT-1 構件的粘貼工作采用全粘作業。而CRT-2 混凝土試件上的粘貼工作在坑洼處未找平即粘附作業。

3 結果分析

以下為該次試驗的數據：圖1 和圖2 分別為CRT-1 和CRT-2 兩根混凝土柱粘貼碳纖維布施工完后的可見光圖片。從照片可以看出，二者在外觀上無太大差別，目測無法區分出施工質量的好壞。采用錘擊法測試，CRT-2 混凝土柱有明顯空鼓，但無法確定大致面積。圖3 和圖4 分別為CRT-1 和CRT-2 兩根混凝土柱在紅外熱像儀采集完數據后，將表層加固碳布材料剝離后的可見光照片。從該組圖片可以清楚的看出，CRT-1 混凝土柱表面較為平整，底膠施工后空鼓處較少，基本實現了全粘作業。而CRT-2 混凝土柱有兩處較為明顯的坑洼，且未經找平處理。該兩處在粘貼作業中，未能實現與碳布層有效粘結，呈現較為明顯的空鼓狀態。

圖5 和圖6 分別為CRT-1 和CRT-2 兩根混凝土柱粘貼碳纖維布后的紅外熱像圖。拍攝參數如下：日照時間為5 小時左右，拍攝鏡頭為FLKTI-LENS/TELE1/3441176 長焦紅外鏡頭，發射率ε=0.95。從圖5 看出，該柱表面的熱像圖顏色基本一致為綠色，即表層溫度大致相同。從圖中選取的兩個大的矩形分析框可以看出：該混凝土柱粘貼碳布加固表層的構件熱輻射溫度平均值一處為22.56℃，另一處2 為23.34℃，較為接近。從圖6 看出，該混凝土柱表面的熱像圖有兩處不規則的紅色“熱斑”。兩處紅色“熱斑”一處的平均溫度值為26.76℃，另一處的平均溫度值為26.86℃，明顯高于其它表層的表面溫度23.32℃（該圖最下方的橢圓分析框）。該圖準確的顯示出，柱體表面碳布加固層中存在兩處面積較大的空鼓位置。這一點與圖4的可見光圖片也是相吻合的。當該兩處空鼓處經過5個小時的熱照射后，由于空鼓位置積累了熱導較低的空氣層，形成了“熱堆積”，從而在紅外熱像圖上顯示出較為明顯的“熱斑”。

4 結論

1）紅外熱像法作為一種新型無損檢測技術，具有非接觸、遠距離、實時等優點。在碳纖維粘貼加固構件質量檢測中，配合標準、廣角、長焦各種鏡頭，擴大了單次檢測范圍，節省了人力、物力；

2）高精度的紅外熱像技術為碳纖維粘貼質量的評估，缺陷部位的查找、定位、修補提供了可靠的技術保障；

3）紅外熱像技術的測試基礎是溫度的變化在被測區域上形成熱累積。在碳纖維粘貼建筑構件的外表面施工質量檢測的應用中，目前還有一定的局限性。對于陽光熱源無法干預到的結構部位如陰角、板底等背陽面即無法采用該技術。針對這種情況，主動加熱技術[4]的進一步研發應用，將可以改善檢測的局限性。

[1]岳清瑞、葉列平等。《碳纖維片材加固混凝土結構技術規程》CECS146:2003[M]，北京：中國計劃出版社，2007：25-25

[2]孫前元、梁爽等。《建筑結構加固工程施工質量驗收規范》GB50550-2010[M]，北京：中國建筑工業出版社，2010：64-64

[3]付祥釗。《夏熱冬冷地區建筑節能技術》[M]，北京：中國建筑工業出版社，2002，131-131

[4]楊小林等。紅外熱成像檢測中的主動加熱方法研究[J]，《激光與紅外》，2007（11）：1-3