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

في شركة ZHHIMG®، نتخصص في تصنيع مكونات الجرانيت بدقة متناهية تصل إلى النانومتر. لكن الدقة الحقيقية تتجاوز حدود التفاوتات المسموح بها في التصنيع الأولي؛ فهي تشمل السلامة الهيكلية والمتانة طويلة الأمد للمادة نفسها. الجرانيت، سواء استُخدم في قواعد الآلات الدقيقة أو في الإنشاءات واسعة النطاق، عُرضة للعيوب الداخلية مثل الشقوق الدقيقة والفراغات. هذه العيوب، بالإضافة إلى الإجهاد الحراري البيئي، تُحدد بشكل مباشر عمر المكون وسلامته.

يتطلب هذا الأمر تقييمًا متقدمًا وغير جراحي. وقد برز التصوير الحراري بالأشعة تحت الحمراء كطريقة أساسية للاختبار غير المتلف للجرانيت، إذ يوفر وسيلة سريعة وغير تلامسية لتقييم سلامته الداخلية. وبالاقتران مع تحليل توزيع الإجهاد الحراري، يمكننا تجاوز مجرد اكتشاف العيوب إلى فهم تأثيرها الحقيقي على الاستقرار الهيكلي.

علم رؤية الحرارة: مبادئ التصوير بالأشعة تحت الحمراء

يعمل التصوير الحراري بالأشعة تحت الحمراء عن طريق التقاط طاقة الأشعة تحت الحمراء المنبعثة من سطح الجرانيت وتحويلها إلى خريطة حرارية. ويكشف توزيع درجة الحرارة هذا بشكل غير مباشر عن الخصائص الفيزيائية الحرارية الكامنة.

المبدأ بسيط: تعمل العيوب الداخلية كشذوذ حراري. فالشق أو الفراغ، على سبيل المثال، يعيق تدفق الحرارة، مما يُسبب فرقًا ملحوظًا في درجة الحرارة عن المادة السليمة المحيطة. قد يظهر الشق على شكل خط بارد (يمنع تدفق الحرارة)، بينما قد تُظهر منطقة ذات مسامية عالية، نتيجةً لاختلافات في السعة الحرارية، بقعة ساخنة موضعية.

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

• المسح السريع واسع النطاق: يمكن لصورة واحدة أن تغطي عدة أمتار مربعة، مما يجعلها مثالية للفحص السريع لمكونات الجرانيت واسعة النطاق، مثل عوارض الجسور أو قواعد الآلات.
• غير تلامسي وغير مدمر: لا تتطلب هذه الطريقة أي اتصال مادي أو وسيط تلامس، مما يضمن عدم حدوث أي ضرر ثانوي للسطح الأصلي للمكون.
• المراقبة الديناميكية: تسمح بالتقاط عمليات تغير درجة الحرارة في الوقت الحقيقي، وهو أمر ضروري لتحديد العيوب المحتملة الناتجة عن الحرارة أثناء تطورها.

فك شفرة الآلية: نظرية الإجهاد الحراري

تتعرض مكونات الجرانيت حتماً لإجهادات حرارية داخلية نتيجة لتقلبات درجة الحرارة المحيطة أو الأحمال الخارجية. ويخضع هذا الأمر لمبادئ المرونة الحرارية.

• عدم تطابق التمدد الحراري: الجرانيت صخر مركب. تتميز المعادن الداخلية (مثل الفلسبار والكوارتز) بمعاملات تمدد حراري مختلفة. عند تغير درجات الحرارة، يؤدي هذا التباين إلى تمدد غير منتظم، مما يخلق مناطق مركزة من إجهاد الشد أو الضغط.
• تأثير تقييد العيوب: تعمل العيوب مثل الشقوق أو المسامات بطبيعتها على تقييد إطلاق الإجهاد الموضعي، مما يتسبب في تركيزات عالية للإجهاد في المادة المجاورة. وهذا بدوره يُسرّع من انتشار الشقوق.

تُعدّ المحاكاة العددية، مثل تحليل العناصر المحدودة (FEA)، ضرورية لتقييم هذا الخطر. فعلى سبيل المثال، في ظل تذبذب دوري في درجة الحرارة بمقدار 20 درجة مئوية (كما هو الحال في دورة الليل والنهار النموذجية)، قد تتعرض صفيحة من الجرانيت تحتوي على شق رأسي لإجهادات شد سطحية تصل إلى 15 ميجا باسكال. ونظرًا لأن مقاومة الشد للجرانيت غالبًا ما تكون أقل من 10 ميجا باسكال، فإن تركيز هذا الإجهاد قد يتسبب في اتساع الشق بمرور الوقت، مما يؤدي إلى تدهور البنية.

الهندسة في الممارسة: دراسة حالة في مجال الحفظ

في مشروع ترميم حديث يتعلق بعمود جرانيتي قديم، نجح التصوير الحراري بالأشعة تحت الحمراء في تحديد نطاق بارد حلقي غير متوقع في الجزء المركزي. وأكدت عمليات الحفر اللاحقة أن هذا الشذوذ كان عبارة عن صدع أفقي داخلي.

تم إجراء المزيد من عمليات نمذجة الإجهاد الحراري. وكشفت المحاكاة أن ذروة إجهاد الشد داخل الشق أثناء حرارة الصيف بلغت 12 ميجا باسكال، متجاوزةً بذلك حد تحمل المادة بشكل خطير. وكان الحل المطلوب هو حقن راتنج إيبوكسي دقيق لتثبيت البنية. وأكد فحص الأشعة تحت الحمراء بعد الإصلاح تجانسًا أكبر بكثير في مجال درجة الحرارة، كما أكدت محاكاة الإجهاد انخفاض الإجهاد الحراري إلى مستوى آمن (أقل من 5 ميجا باسكال).

آفاق المراقبة الصحية المتقدمة

يوفر التصوير الحراري بالأشعة تحت الحمراء، بالإضافة إلى تحليل الإجهاد الدقيق، مسارًا تقنيًا فعالًا وموثوقًا لمراقبة الصحة الهيكلية (SHM) للبنية التحتية الجرانيتية الحيوية.

يشير مستقبل هذه المنهجية إلى تعزيز الموثوقية والأتمتة:

1. الدمج متعدد الوسائط: الجمع بين بيانات الأشعة تحت الحمراء والاختبار بالموجات فوق الصوتية لتحسين الدقة الكمية لتقييم عمق وحجم العيوب.
2. التشخيص الذكي: تطوير خوارزميات التعلم العميق لربط مجالات درجة الحرارة بمجالات الإجهاد المحاكاة، مما يتيح التصنيف التلقائي للعيوب وتقييم المخاطر التنبؤي.
3. أنظمة إنترنت الأشياء الديناميكية: دمج أجهزة استشعار الأشعة تحت الحمراء مع تقنية إنترنت الأشياء للمراقبة في الوقت الحقيقي للحالات الحرارية والميكانيكية في الهياكل الجرانيتية واسعة النطاق.

من خلال تحديد العيوب الداخلية بطريقة غير جراحية وتحديد 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.