雒加巖 王曉航 趙 杰

1. 河南省第二建設(shè)集團(tuán)有限公司 河南 鄭州 451464；

2. 陜西省建筑設(shè)計(jì)研究院集團(tuán)有限公司 陜西 西安 710018

隨著國(guó)家和地方政府大力發(fā)展住宅產(chǎn)業(yè)化，在政策導(dǎo)向的背景下裝配式建筑已經(jīng)進(jìn)入快速發(fā)展時(shí)期，裝配式混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)作為一種新型的建筑結(jié)構(gòu)形式正在全國(guó)大規(guī)模推廣。裝配式剪力墻和預(yù)制梁結(jié)構(gòu)中存在大量的水平接縫、豎向接縫及節(jié)點(diǎn)，這些接縫和關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的連接質(zhì)量一直是建筑行業(yè)關(guān)注的核心問(wèn)題之一[1]。鋼筋套筒灌漿連接是國(guó)內(nèi)外裝配式混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)預(yù)制構(gòu)件鋼筋連接的主要方式，套筒灌漿的飽滿程度將直接影響結(jié)構(gòu)的抗震性能和承載能力，對(duì)裝配式結(jié)構(gòu)的耐久性和安全性起到關(guān)鍵作用。但目前在實(shí)際工程中，針對(duì)鋼筋套筒灌漿飽滿度檢測(cè)還沒(méi)有相關(guān)的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，主要是通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)督和對(duì)平行試件進(jìn)行拉伸試驗(yàn)來(lái)對(duì)套筒連接質(zhì)量進(jìn)行控制。國(guó)內(nèi)學(xué)者采用超聲波、X射線、阻尼振動(dòng)法等無(wú)損檢測(cè)方法，針對(duì)鋼筋套筒灌漿飽滿度的檢測(cè)進(jìn)行了相關(guān)的技術(shù)研究[2]，結(jié)果表明：超聲波檢測(cè)能夠定性地分析出套筒脫空缺陷，對(duì)于預(yù)埋在混凝土內(nèi)的套筒需要借助幅值進(jìn)行判斷[3-4]；采用X射線，對(duì)套筒居中或梅花形布置在200 mm厚的預(yù)制剪力墻，可界定鋼筋套筒灌漿飽滿區(qū)域和未灌漿區(qū)域[5-6]；采用阻尼振動(dòng)法可以通過(guò)傳感器反饋的波形信號(hào)定性地判斷套筒內(nèi)灌漿料的飽滿度[7]。近年來(lái)，紅外熱成像技術(shù)作為一種簡(jiǎn)單、快捷、安全的無(wú)損檢測(cè)手段在不斷地發(fā)展和完善，紅外熱成像技術(shù)雖然只能夠識(shí)別物體表面的溫度分布情況，但通過(guò)提前對(duì)被檢測(cè)物體進(jìn)行熱源激勵(lì)，也可以實(shí)現(xiàn)一定深度內(nèi)的脫空缺陷檢測(cè)，在建筑無(wú)損檢測(cè)領(lǐng)域應(yīng)用也比較廣泛[8]，如外墻飾面脫空缺陷檢測(cè)[9]、粘鋼加固脫空缺陷檢測(cè)[10-11]、鋼-混凝土脫空缺陷檢測(cè)[12-13]等。所以本文將在傳熱學(xué)和熱輻射理論的基礎(chǔ)上，通過(guò)理論與試驗(yàn)相結(jié)合的方式對(duì)純鋼筋套筒和具有一定混凝土保護(hù)層厚度的鋼筋套筒表面溫度場(chǎng)進(jìn)行研究。

1 套筒灌漿缺陷紅外檢測(cè)理論基礎(chǔ)

在自然界中，高于絕對(duì)零度（－273.15 ℃）的物體均可以輻射紅外線，根據(jù)玻爾茲曼定律可知，物體表面的發(fā)射率保持一致時(shí)，紅外輻射總功率和物體表面溫度的四次方成正比，紅外輻射總功率與溫度的關(guān)系可表示為[14]：

式中：P——紅外熱輻射總功率，W/m2；

ε——被測(cè)物表面紅外輻射率；

σ——玻爾茲曼常數(shù)，σ=5.67×10-8W/（m2·K4）；

T——熱力學(xué)溫度，K。

根據(jù)傳熱學(xué)中熱量守恒定律、傅里葉熱傳導(dǎo)定律，熱傳導(dǎo)方程可表示為[15]：

式中：ρ——密度，kg/m3；

c——比熱容，J/（kg·K）；

λ——導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m·K）。

導(dǎo)熱系數(shù)是熱量傳遞的重要參數(shù)，套筒、灌漿料、混凝土以及空氣的導(dǎo)熱系數(shù)[15]見(jiàn)表1。在鋼筋套筒內(nèi)部灌漿料存在脫空時(shí)，給鋼筋套筒均勻地施加熱量，由于空氣的導(dǎo)熱系數(shù)非常小且灌漿料和空氣的導(dǎo)熱系數(shù)相差較大，脫空處空氣阻礙了熱量向內(nèi)部傳遞，使得套筒脫空區(qū)域表面的溫度比正常區(qū)域的要高，可通過(guò)紅外熱圖像來(lái)識(shí)別出灌漿套筒內(nèi)部缺陷的情況。

表1 材料的導(dǎo)熱系數(shù)

2 試驗(yàn)與數(shù)值模擬

2.1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮O(shè)計(jì)與制作

由于紅外熱成像是檢測(cè)物體表面的溫度，考慮到熱量穿透混凝土和金屬的能力，本試驗(yàn)設(shè)計(jì)了A類純套筒模型和B類具有一定混凝土保護(hù)層厚度的套筒模型。

A類試驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦x取Q345鋼和球墨鑄鐵2種不同材質(zhì)的鋼筋套筒，套筒的長(zhǎng)度為150 mm，內(nèi)部填充CGM高強(qiáng)灌漿料。在灌漿壓力不夠或者套筒漏漿等不確定因素下會(huì)產(chǎn)生脫空缺陷，灌漿料具有較強(qiáng)的流動(dòng)性且在自重的作用下會(huì)使得脫空缺陷存在于套筒的上端部，其中，灌漿料脫空的高度和其他參數(shù)見(jiàn)表2，根據(jù)設(shè)計(jì)的試件模型脫空缺陷的高度計(jì)算出脫空的體積和灌漿料的體積，以保證實(shí)際灌漿時(shí)脫空缺陷的高度。套筒脫空缺陷位置如圖1所示。B類試驗(yàn)?zāi)Ｐ凸苍O(shè)計(jì)3個(gè)具有混凝土保護(hù)層的套筒連接試件，混凝土保護(hù)層厚度分別為10、15、20 mm，C40混凝土配合比見(jiàn)表3，具有混凝土保護(hù)層的套筒脫空缺陷示意見(jiàn)圖2。

表2 A類試件模型基本信息

圖1 純套筒垂直和水平脫空缺陷示意

表3 C40混凝土配合比單位：kg/m3

圖2 具有混凝土保護(hù)層的套筒脫空缺陷示意

2.2 紅外熱成像檢測(cè)

本試驗(yàn)采用主動(dòng)熱源激勵(lì)的方式進(jìn)行加熱，使用功率為1 500 W的光波遠(yuǎn)紅外線加熱燈裝置，它具有熱慣性小、升溫速度快、加熱溫度均勻等優(yōu)點(diǎn)。熱源距套筒為0.5 m，分別對(duì)鋼筋套筒照射一定的時(shí)間，去掉熱源后用紅外熱成像儀器拍攝，紅外熱成像儀型號(hào)為美國(guó)FILR T610，該儀器的紅外圖像分辨率為640×480像素，熱靈敏度＜0.05 K。將鋼筋套筒表面均勻噴上黑色的油漆，以減小金屬表面發(fā)射率低帶來(lái)的誤差，將經(jīng)接觸式測(cè)溫儀測(cè)得的溫度與紅外熱成像儀測(cè)得的溫度進(jìn)行對(duì)比修正，校核了紅外熱成像儀的輻射率為0.83。

3 結(jié)果與討論

3.1 套筒壁厚對(duì)套筒表面溫度場(chǎng)的影響

圖3是1號(hào)、2號(hào)鑄鐵套筒在熱激勵(lì)180 s撤掉熱源后的紅外熱成像圖，可以看出套筒上端有一個(gè)很亮的區(qū)域，且與預(yù)先設(shè)置好的脫空缺陷位置一致。

圖3 不同套筒壁厚180 s熱激勵(lì)的紅外熱成像

通過(guò)FILR Tools軟件提取出套筒脫空缺陷處和飽滿處不同加熱時(shí)間下的溫度數(shù)據(jù)，得出兩者間的溫差，結(jié)果見(jiàn)圖4，可以看出在加熱180 s時(shí)，4 mm和5 mm套筒壁厚脫空缺陷處和飽滿處的溫差可達(dá)2 K以上，結(jié)合紅外熱成像圖可以識(shí)別出脫空高度為50 mm的缺陷。隨著熱激勵(lì)時(shí)間的變化，脫空缺陷處和飽滿處的溫差逐漸增大，套筒壁厚為4 mm的溫差曲線總在5 mm的上方，這是因?yàn)樘淄驳膶?dǎo)熱系數(shù)較大，套筒壁厚的增加會(huì)使熱量傳導(dǎo)的路徑變長(zhǎng)，在傳導(dǎo)過(guò)程中會(huì)損失一部分熱量，使得壁厚越大溫度升高就越慢，相應(yīng)地溫差也會(huì)減小。

圖4 套筒壁厚隨加熱時(shí)間對(duì)豎向套筒表面溫差的影響

3.2 脫空缺陷尺寸對(duì)套筒表面溫度場(chǎng)的影響

圖5、圖6是垂直和水平灌漿鋼套筒在熱激勵(lì)180 s時(shí)撤掉熱源后的紅外熱成像圖，可以明顯看出垂直灌漿套筒和水平灌漿套筒發(fā)亮的區(qū)域大小不一樣，發(fā)亮區(qū)域與預(yù)先設(shè)置好的脫空缺陷尺寸大小基本吻合，且缺陷尺寸越大中心溫度就越高。

圖5 垂直灌漿套筒不同脫空高度180 s熱激勵(lì)的紅外熱成像

圖6 水平灌漿套筒不同脫空高度180 s熱激勵(lì)的紅外熱成像

利用FILR Tools軟件提取出套筒不同熱激勵(lì)時(shí)間下脫空缺陷處和飽滿處的溫度數(shù)據(jù)，計(jì)算出兩者之間的溫差，繪制出脫空缺陷處與飽滿處套筒表面溫差隨熱激勵(lì)時(shí)間的變化曲線，結(jié)果見(jiàn)圖7、圖8，可以看出隨著熱激勵(lì)時(shí)間的增加，套筒飽滿處與缺陷處的溫差也在增大。結(jié)合紅外熱成像圖和溫差數(shù)據(jù)對(duì)不同脫空缺陷尺寸檢測(cè)效果進(jìn)行對(duì)比分析，可以發(fā)現(xiàn)50 mm以上脫空高度的垂直灌漿套筒可以在熱激勵(lì)60 s時(shí)識(shí)別出，溫差在2 K以上，對(duì)于10 mm以上脫空高度的水平灌漿套筒在熱激勵(lì)120 s時(shí)，最大溫差可達(dá)2 K以上。分析其原因，主要是由于空氣的導(dǎo)熱系數(shù)比灌漿料小，脫空缺陷處套筒表面的熱量向內(nèi)部傳遞熱量受阻，熱量積聚在套筒表面，且缺陷尺寸越大熱量堆積在套筒表面的熱量越多，所形成的溫差就越大，而小脫空缺陷表面堆積的熱量較少，則需要更長(zhǎng)的加熱時(shí)間才能產(chǎn)生溫差。

圖7 脫空缺陷尺寸隨加熱時(shí)間對(duì)垂直套筒表面溫差的影響

圖8 脫空缺陷尺寸隨加熱時(shí)間對(duì)水平套筒表面溫差的影響

通過(guò)對(duì)比脫空高度為50 mm的鑄鐵套筒和鋼套筒在熱激勵(lì)180 s時(shí)紅外熱成像圖和溫度數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)鋼筋套筒與灌漿料的導(dǎo)熱系數(shù)相差越大，對(duì)套筒脫空區(qū)域與正常區(qū)域表面溫差的影響就越顯著。

3.3 混凝土保護(hù)層厚度對(duì)混凝土表面溫度場(chǎng)的影響

圖9為不同混凝土保護(hù)層厚度的套筒在熱激勵(lì)300 s時(shí)撤掉熱源后的紅外熱成像圖。從圖中可以明顯看出當(dāng)保護(hù)層厚度為10 mm時(shí)，可判斷出套筒的輪廓，且灌漿套筒和未灌漿套筒顏色較暗，這是由于金屬導(dǎo)熱性好，傳遞熱量的能力比較快，套筒吸收了混凝土表面的熱量使得混凝土表面溫度低，而灌漿的顏色比未灌漿顏色深是因?yàn)樘淄矁?nèi)的灌漿料也吸收了一部分熱量，造成灌漿的套筒混凝土表面溫度低于未灌漿套筒的；當(dāng)保護(hù)層厚度為15 mm時(shí)，雖然可以識(shí)別出灌漿套筒的輪廓，但是未灌漿的套筒邊界不明顯；從圖中識(shí)別不出混凝土保護(hù)層在20 mm厚時(shí)套筒的輪廓及灌漿情況。分析其原因，主要是因?yàn)榛炷恋膶?dǎo)熱能力低，隨著混凝土保護(hù)層厚度的增加，熱量從混凝土表面到達(dá)套筒的路徑增加，熱量在沒(méi)有到達(dá)套筒表面前已經(jīng)橫向擴(kuò)散，使得混凝土表面最終無(wú)法產(chǎn)生溫度差異。

圖9 不同混凝土保護(hù)層厚度的套筒300 s熱激勵(lì)紅外熱成像

通過(guò)FILR Tools軟件在不同混凝土保護(hù)層厚度的表面分別繪制出路徑線R（a）、R（b），提取路徑上點(diǎn)的溫度值并繪制出曲線圖，如圖10所示。從圖中可以看出每條曲線上正好存在2個(gè)極小值，分別對(duì)應(yīng)未灌漿套筒和灌漿套筒，且極值d比極值e溫度高，極值f比極值g溫度高，與前面分析的一致，這是由于套筒導(dǎo)熱系數(shù)遠(yuǎn)比空氣和灌漿料大，套筒的熱傳導(dǎo)占主要原因，將混凝土表面的熱量吸收，使得混凝土表面溫度降低，呈現(xiàn)出較暗的顏色。當(dāng)套筒不含灌漿料時(shí)，內(nèi)部的空氣阻礙熱量的傳導(dǎo)，使沒(méi)有灌漿套筒比灌漿套筒混凝土表面的溫度高。結(jié)合紅外熱成像圖和路徑溫度分布曲線進(jìn)行分析，可以識(shí)別出厚15 mm以內(nèi)混凝土保護(hù)層的套筒未灌漿和灌漿區(qū)域。

圖10 不同混凝土保護(hù)層厚度沿路徑R（a）、R（b）溫度分布曲線

4 結(jié)語(yǔ)

1）紅外熱成像技術(shù)可以定性識(shí)別出純鋼筋套筒試件脫空缺陷的位置，當(dāng)套筒壁厚小于5 mm時(shí)，通過(guò)套筒表面溫度差異可以有效識(shí)別脫空高度在50 mm以上的豎向垂直套筒缺陷，對(duì)于橫向水平套筒，可識(shí)別出10 mm以上脫空高度的缺陷。目前該方法可以作為套筒內(nèi)脫空缺陷輔助性判斷，對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)套筒平行試件進(jìn)行工藝檢測(cè)。

2）采用主動(dòng)熱源激勵(lì)的方式對(duì)具有一定混凝土保護(hù)層的套筒加熱5 min，對(duì)于混凝土保護(hù)層厚度在10 mm以內(nèi)的套筒，可判別出套筒未灌漿區(qū)域和灌漿區(qū)域；當(dāng)混凝土保護(hù)層厚度在15 mm時(shí)，紅外熱成像圖中未灌漿的套筒邊界不明顯，但利用路徑溫度分布曲線可以界定出未灌漿套筒與灌漿套筒；當(dāng)混凝土保護(hù)層厚度在20 mm時(shí)，紅外熱成像技術(shù)無(wú)法檢測(cè)出套筒灌漿情況。

3）針對(duì)不同套筒材質(zhì)進(jìn)行試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)套筒與灌漿料的導(dǎo)熱系數(shù)相差越大，對(duì)溫差的影響越顯著，識(shí)別脫空缺陷的效果越明顯。

4）由于紅外儀器對(duì)檢測(cè)環(huán)境要求比較嚴(yán)格，現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境受周圍物體溫度及天氣等因素影響較多，因此，還需要進(jìn)行大量的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，尋找不同因素下脫空和密實(shí)套筒成像效果。