混凝土无损检测技术应用及其发展趋势

·58· Beton Chinese Edition——Ready-mixed Concrete 2009年第2期商品混凝土混凝土是一种耐久性很好的结构材料，是目前建筑工程中最重要、用量最大的工程材料[1～5]。混凝土须经过配料、搅拌、浇注成型和养护等诸多工序。随着科技进步，混凝土的配料和搅拌已可完全自动化，但其浇注成型和养护等工序还必须依赖人工完成，因此混凝土质量与操作者的技能和素质有很大关系，所以必须加强混凝土质量的监测与控制，保证建（构）筑物的质量，以实现社会安全发展。混凝土无损检测（NDT：Nondestructive Testing）是指在不破坏混凝土内部结构和使用性能的情况下，利用声、光、热、电、磁和射线等方法，直接在构件或结构上测定混凝土某些适当的物理量，并通过这些物理量推定混凝土强度、均匀性、连续性、耐久性和存在的缺陷等的检测方法[6-9]。与无损检测相对应的是常规的破损检测，即对某一试件（块）进行一次测试并损坏试件。相比破损检测无损检测具有非破坏性、随机性、可进行连续重复测试及原位检测等优点[10～13]。1　混凝土主要无损检测技术特点及应用混凝土无损检测技术是多学科多领域紧密结合的产物，从20世纪30年代人们就开始研究混凝土无损检测方法。材料学和应用物理学的发展，为无损检测技术提供了理论基础；电子技术与计算机科学的迅速发展又为无损检测技术提供了现代化的测试手段[14～16]。目前在实际工程中广泛应用的混凝土无损检测方法有回弹法、声波法、探地雷达法、红外线法和综合法。1.1　回弹法回弹法是用弹簧驱动的弹击锤（见图1），通过弹击传力杆，弹击混凝土表面，并测出弹击锤被反弹回来的距离，以回弹值(反弹距离与弹簧初始长度之比)作为与强度相关的指标，来推定混凝土强度的一种方法。在各种无损检测方法中，回弹法具有操作简单、仪器携带方便、费用低廉、检测效率高、检测数量灵活、被测物的形状尺寸不受限制等优点。但回弹法精度相对较低，且是利用表层混凝土(1～3mm)的质量来推断混凝土的整体质量，不宜用于表层与内部的质量有明显差异或内部存在缺陷，如遭受化学腐蚀、火灾、冻伤的混凝土，同时不能用于钢筋密集区或预应力钢筋锚固区的混凝土等。1.2　声波法声波无损检测技术是以应力波为理论基础，主要包括超声波检测技术、声发散检测技术和冲击回波技术。1.2.1　超声检测（UT）混凝土超声检测是用超声波探头中的压电陶瓷或其他类型的压电晶体加载某频率的交流电压后激发出固定频率的弹性波（发射换能器），在材料或结构内部传播后再由超声波换能器接收(即压电逆效应)（见图2），通过对采集的超声波信号的声速、振幅、频率以及波形等声学参数进行分析，以此推断混凝土结构的力学特性、内部结构及其组成情况。超声波检测可用于混凝土结构的测厚、探伤、混凝土的弹性模量测定以及混凝土力学强度评定等方面。1.2.2　超声层析成像法层析成像（Computed tomography简称CT）技术是在不损伤研究“对象”内部结构的条件下，利用某种能量波和粒子束（如X射线、电子、质子、超声波等），从“对象”外部用检测设备所获得的投影数据，依照一定的物理和数学关系，利用计算机反映“对象”内部未知的某种物理量的分布，生成二维、三维图像，重现“对象”内部特征的过程。当CT应用的能量波为超声波时，就称为超声层析成像(UCT)。混凝土超声波层析成像检测方法是将待检测混凝土断面剖分为诸多矩形单元，然后从不同方向对每一单元进行多次超声波射线扫描，即由来自不同方向的多条射线穿过一个单元，用所测超声波走时数据进行计算成像，其成像结果可精确、直观地表示出整个测试断面上混凝土的缺陷及质量信息。混凝土无损检测技术应用及其发展趋势焦登文 （中冶成工东南公司，江苏 苏州 215126）［摘要］　混凝土是建筑工程中应用最广泛的材料，无损检测对于保证混凝土质量起到极其重要的作用。本文介绍了混凝土无损检测的主要方法及其特点，分析了混凝土无损检测发展趋势。［关键词］　混凝土；无损检测；发展趋势图1　回弹法检测原理图2　超声检测系统图传力杆弹击锤接收换能器混凝土发射换能器2009年第2期 Beton Chinese Edition——Ready-mixed Concrete ·59·商品混凝土1.2.3　冲击回波法冲击回波法是在结构表面施以瞬时冲击，产生应力（声）波，当遇到波阻抗有差异的界面（如混凝土板底面、缺陷等），一部分应力波就会产生反射波，接收反射波并进行快速傅里叶变换(FFT)可得到其频谱图，频谱图上突出的峰值就是应力波在混凝土内部缺陷或混凝土底面的反射形成的，根据其峰值频率可计算出混凝土缺陷的位置或混凝土的厚度（见图3）。冲击回波法适合于只有一个测试面如路面、护坡、底板、跑道等混凝土的检测，可检测出内部缺陷(如空洞、疏松、裂缝等)的存在及其位置。冲击回波对混凝土表面粗糙度和平整性要求不高，但检测灵敏度和分辨力都较低，检测速度也较慢。图3　冲击回波检测示意图1.2.4　表面波分析法表面波(亦称瑞利波)是沿介质表层传播的一种弹性波。表面波混凝土检测仪由激振器、信号采集、分析显示系统和传感器组成（见图4）。检测混凝土时将激振器和传感器安装在混凝土表面。用给定频率使激振器向结构物垂直激振时，产生的表面波在材料中按一定深度传播，传感器接收振动信号，由相关检测器检测出接收信号与参考信号的时间差，当激振器与信号接收传感器之间距离为L，调整参考信号初始相位与激振器同步时，则可计算得到表面波在距离为L范围内的传播速度。表面波传播速度与材料的弹性模量、剪切模量之间具有数学表达式，而通过试验还可确定表面波速度与材料干密度、抗压强度等的相关性。因此，可用它来检验结构混凝土材料的力学性能及存在的缺陷。表面波分析法较适合于有缺陷、低强度混凝土。图4　表面波检测示意图1.2.5　声发射材料在外界（应力或温度等）条件的作用下，能量从局域源快速释放而产生瞬态弹性波的现象称为声发射。各种材料声发射的频率范围很宽，从次声频、声频到超声频，所以声发射也称为应力波发射。利用仪器检测、记录、分析声发射信号和利用声发射信号推断声发射源的技术，称为声发射检测技术。声发射检测系统见图5，声发射源发出的弹性波经介质传播到被检体表而，引起表面的机械振动。声发射换能器将表面的瞬态位移转换成电信号，再经信号采集系统后，其波形或特性参数被记录与显示。声发射可用来测定混凝土的初裂应力，确定断裂参数，以及用声发射技术分析混凝土的破坏过程，以确定各种不同混凝土在整个受力过程中的力学行为。声发射技术非常适用于在役结构的安全性能的评价。声发射检测具有实时动态和对混凝土结构的影响小的优点。图5　声发射检测系统图1.3　探地雷达法探地雷达(Ground Penetrate Radar 简称GPR) 方法是一种利用电磁波确定地下介质分布的技术, 其工作原理是利用高频电磁波( 10～2000MHz) 以宽频带短脉冲的形式进入介质内部，经目标体反射后回到表面，由接收电线接收回波信号（见图6）。电磁波在介质中传播时，其路径、电磁场强度及波形随所通过的介质的电性性质及几何形态发生变化。根据接收的反射回波的双程走时、幅度、相位等信息对目标介质结构进行准确描述。探地雷达无损探测技术可用于混凝土内部缺陷、钢筋的分布检测，公路工程中路面结构层厚度检测，裂缝和裂缝扩展的识别。探地雷达法可迅速对被测结构进行扫描，适用于结构物大面积快速扫测。图6　探地雷达检测系统图1.4　红外线法自然界中任何高于绝对零度(-273℃)的物体都是红外线传感器表面波传播方向无载波脉冲源分析计算输出显示冲击接收缺陷换能器信号采集系统显示分析系统频谱分析采样放大发射电磁波接收电磁波时域接收机激振信号采集处理分析显示系统·60· Beton Chinese Edition——Ready-mixed Concrete 2009年第2期商品混凝土的辐射源，它们都向外界不断地辐射出红外线。红外线是介于可见光与微波之间的电磁波，其波长为0.76～1000μm，频率为4×104～3×1011 Hz。混凝土红外线无损检测是通过测量混凝土的热量及热流来判断其质量的方法。当混凝土内部存在某种缺陷时，将改变混凝土的热传导，使混凝土表面的温度场分布产生异常，用红外成像仪测出表示异常的热像图，由热像图中异常的特征可判断出混凝土缺陷的类型及位置特征等。红外线法属非接触无损检测方法，可对检测物进行上下、左右的连续扫测，白天、黑夜均可进行，可检测的温度为-50～20000℃，分辨率可达0.1～0.020℃。红外线法特点是无接触、遥感、可大面积测试，对多层材料的脱粘较为敏感，适用于检测建筑外墙饰面层的剥离、结构渗漏部位的检测、建筑外墙保温隔热效果的检测、加固材料粘贴质量的检测等方面，具有结果直观、检测快速等优点。图7　红外热成像检测系统图1.5　综合法混凝土综合法无损检测就是采用两种或两种以上的单一方法或参数(力学、物理、声学等)联合测试混凝土，获取多种物理参量，从不同角度综合评价混凝土。目前已被采用的综合法应用最广泛的是超声-回弹综合法。超声-回弹综合法是超声法检测和回弹仪测量的综合，是先利用超声仪测定超声波在混凝土构件中的传播时间并计算出超声波在混凝土中的声速值，然后利用回弹法测定混凝土表面硬度即回弹值，同时根据回弹值和声速值来推定混凝土强度。超声回弹综合法结合回弹法和超声波法各自的优点，能减少或抵消一些采用单一方法的影响因素，较为全面地反映混凝土质量，能提高无损检测混凝土的精度。2　混凝土无损检测技术发展趋势随着混凝土广泛应用新材料、新工艺，对无损检测技术提出新的更高的要求。为适应新技术的发展，应加强混凝土无损检测以下方面的研究。2.1　加强混凝土无损检测基本理论与工程应用联系混凝土无损检测技术是多学科交叉综合的应用技术，是建立在基础学科基本理论基础之上，因此要使该项技术得以快速发展，必须加强各相关基本理论的研究。目前混凝土无损检测基础理论需要在混凝土强度理论与无损检测常用物理量的关系及混凝土中波的传播机理上完善和发展。同时在无损检测技术的研究中，应把基础理论与工程实践结合起来，建立起理论研究与工程应用联系的桥梁，完善现有方法，开辟新的应用领域和检测内容。2.2　加强混凝土无损检测定量化研究，以提高检测结果精准度和可靠性目前混凝土无损检测方法仍处于定性或半定量水平，大多还只停留在确定缺陷的有无，对缺陷的大小、形状及性质难以给出定量的结果，从而给最终准确评价混凝土质量精准度和可靠性带来困难。定量化研究检测结果具有重要的实用使用价值和广阔的应用前景。2.3　提高混凝土无损检测数据分析处理能力混凝土无损检测数据处理和评价技术是无损检测技术的重要组成部分。在测试结果处理技术方面，已由数理统计方法进入信息处理技术的新阶段。前者是对大量测试数据分析处理，归纳有关规律主要运用数理统计的基本理论；而信息处理则是指信号的变换、分离、滤波、频谱分析、成像、存储、记录等方面的技术。例如CT成像技术、频谱分析技术、神经网络技术等已越来越多地被无损检测研究者运用。先进的数据分析手段将能进行快速的、大量信息的处理，使检测结果更加可靠、检测水平不断提高。2.4　混凝土无损检测应在建筑物健康评估方面起到重要作用既有建(构)筑物在进行维修、加固、拆除等决策时，或受灾害（如地震、火灾）后，需借助无损检测方法对混凝土进行健康评估，以便为改建、加固设计提供必要的信息和基本数据。如5·12汶川大地震后，房屋的抗震鉴定与加固需用无损检测手段对混凝土材料、结构性能进行全面的检测评估，为灾后建（构）筑物恢复重建提供科学依据。3　结语混凝土无损检测技术总体发展趋势是由人工检测向自动化检测，由破损检测向无损检测技术发展；由低速度、低精度向高速度、高精度发展。近年来，混凝土无损检测得到很大发展，但混凝土无损检测方法还未完善，检测精度和可靠度还需提高。需要建立更加完备的混凝土无损检测体系，开展对混凝土结构综合性能评定，进行过程监控和在役检测的研究。进