هل تختبئ الشقوق؟ استخدم التصوير بالأشعة تحت الحمراء لتحليل الإجهاد الحراري للجرانيت

في ZHHIMG®، نتخصص في تصنيع مكونات الجرانيت بدقة نانومترية. لكن الدقة الحقيقية تتجاوز حدود تحمل التصنيع الأولية؛ فهي تشمل سلامة هيكل المادة نفسها ومتانتها على المدى الطويل. الجرانيت، سواءً استُخدم في قواعد الآلات الدقيقة أو في الإنشاءات واسعة النطاق، عرضة للعيوب الداخلية كالتشققات الدقيقة والفجوات. هذه العيوب، بالإضافة إلى الإجهاد الحراري البيئي، تُحدد بشكل مباشر عمر المكونات وسلامتها.

يتطلب هذا تقييمًا متقدمًا وغير جراحي. وقد برز التصوير الحراري بالأشعة تحت الحمراء (IR) كطريقة أساسية للاختبار غير التدميري للجرانيت، إذ يوفر وسيلة سريعة وغير تلامسية لتقييم سلامته الداخلية. وبدمجه مع تحليل توزيع الإجهاد الحراري، يمكننا تجاوز مجرد اكتشاف العيب إلى فهم تأثيره الحقيقي على الاستقرار الهيكلي.

علم رؤية الحرارة: مبادئ التصوير بالأشعة تحت الحمراء

يعتمد التصوير الحراري بالأشعة تحت الحمراء على التقاط طاقة الأشعة تحت الحمراء المنبعثة من سطح الجرانيت، وتحويلها إلى خريطة لدرجة الحرارة. يكشف هذا التوزيع الحراري، بشكل غير مباشر، عن الخصائص الحرارية الفيزيائية الأساسية.

المبدأ واضح: العيوب الداخلية تعمل كتشوهات حرارية. على سبيل المثال، يعيق الشق أو الفراغ تدفق الحرارة، مما يُسبب فرقًا ملحوظًا في درجة الحرارة عن المادة الصوتية المحيطة. قد يظهر الشق كخط بارد (يمنع تدفق الحرارة)، بينما قد تُظهر المنطقة شديدة المسامية، بسبب اختلاف السعة الحرارية، بقعة ساخنة موضعية.

بالمقارنة مع تقنيات الفحص غير المدمر التقليدية مثل الفحص بالموجات فوق الصوتية أو الأشعة السينية، فإن التصوير بالأشعة تحت الحمراء يوفر مزايا واضحة:

• المسح السريع لمساحة كبيرة: يمكن لصورة واحدة أن تغطي عدة أمتار مربعة، مما يجعلها مثالية للفحص السريع لمكونات الجرانيت واسعة النطاق، مثل عوارض الجسور أو أسرّة الآلات.
• غير تلامسية وغير مدمرة: لا تتطلب الطريقة أي اقتران مادي أو وسط تلامس، مما يضمن عدم حدوث أي ضرر ثانوي للسطح البكر للمكون.
• المراقبة الديناميكية: تسمح بالتقاط عمليات تغير درجة الحرارة في الوقت الفعلي، وهو أمر ضروري لتحديد العيوب المحتملة الناجمة عن الحرارة أثناء تطورها.

فتح الآلية: نظرية الإجهاد الحراري

تتعرض مكونات الجرانيت حتمًا لإجهادات حرارية داخلية نتيجةً لتقلبات درجة الحرارة المحيطة أو الأحمال الخارجية. ويخضع ذلك لمبادئ المرونة الحرارية:

• عدم تطابق التمدد الحراري: الجرانيت صخر مركب. تختلف معاملات التمدد الحراري للأطوار المعدنية الداخلية (مثل الفلسبار والكوارتز). عند تغير درجات الحرارة، يؤدي هذا التباين إلى تمدد غير منتظم، مما يُكوّن مناطق مركزة من إجهاد الشد أو الضغط.
• تأثير تقييد العيوب: تُقيد العيوب، مثل الشقوق أو المسام، إطلاق الإجهاد الموضعي، مما يُسبب تركيزات عالية من الإجهاد في المادة المجاورة. وهذا يُسرّع انتشار الشقوق.

تُعدّ المحاكاة العددية، مثل تحليل العناصر المحدودة (FEA)، أساسيةً لتحديد هذا الخطر كميًا. على سبيل المثال، في ظل تقلبات دورية في درجة الحرارة قدرها 20 درجة مئوية (كما هو الحال في دورة الليل والنهار النموذجية)، قد تتعرض بلاطة جرانيتية تحتوي على شق عمودي لإجهادات شد سطحية تصل إلى 15 ميجا باسكال. ونظرًا لأن قوة شد الجرانيت غالبًا ما تكون أقل من 10 ميجا باسكال، فإن تركيز الإجهاد هذا قد يُسبب توسع الشق بمرور الوقت، مما يؤدي إلى تدهور هيكلي.

الهندسة في العمل: دراسة حالة في مجال الحفاظ

في مشروع ترميم حديث لعمود جرانيت قديم، نجح التصوير الحراري بالأشعة تحت الحمراء في تحديد شريط بارد حلقي غير متوقع في القسم الأوسط. وأكدت عمليات الحفر اللاحقة أن هذا الشذوذ كان شقًا أفقيًا داخليًا.

بدأ إجراء المزيد من نمذجة الإجهاد الحراري. وكشفت المحاكاة أن ذروة إجهاد الشد داخل الشق خلال حرارة الصيف وصلت إلى 12 ميجا باسكال، متجاوزةً بشكل خطير الحد الأقصى للمادة. تمثلت المعالجة المطلوبة في حقن دقيق لراتنج الإيبوكسي لتثبيت الهيكل. وأكد فحص الأشعة تحت الحمراء بعد الإصلاح وجود مجال حراري أكثر اتساقًا بشكل ملحوظ، وأكدت محاكاة الإجهاد أن الإجهاد الحراري قد انخفض إلى حد آمن (أقل من 5 ميجا باسكال).

أفق المراقبة الصحية المتقدمة

يوفر التصوير الحراري بالأشعة تحت الحمراء، جنبًا إلى جنب مع تحليل الإجهاد الدقيق، مسارًا تقنيًا فعالًا وموثوقًا به لمراقبة الصحة الهيكلية (SHM) للبنية التحتية الحيوية للجرانيت.

يشير مستقبل هذه المنهجية إلى تعزيز الموثوقية والأتمتة:

1. الاندماج متعدد الوسائط: الجمع بين بيانات الأشعة تحت الحمراء والاختبار بالموجات فوق الصوتية لتحسين الدقة الكمية لتقييم عمق العيب وحجمه.
2. التشخيص الذكي: تطوير خوارزميات التعلم العميق لربط مجالات درجة الحرارة مع مجالات الإجهاد المحاكاة، مما يتيح التصنيف التلقائي للعيوب وتقييم المخاطر التنبؤية.
3. أنظمة إنترنت الأشياء الديناميكية: دمج أجهزة استشعار الأشعة تحت الحمراء مع تقنية إنترنت الأشياء لمراقبة الحالات الحرارية والميكانيكية في الهياكل الجرانيتية واسعة النطاق في الوقت الفعلي.

من خلال التعرف غير الجراحي على العيوب الداخلية وقياس مخاطر الإجهاد الحراري المرتبطة بها، تعمل هذه المنهجية المتقدمة على إطالة عمر المكونات بشكل كبير، مما يوفر ضمانًا علميًا للحفاظ على التراث وسلامة البنية التحتية الرئيسية.