混凝土無損檢測方法述評
2005-10-09 00:00
摘要：介紹了回彈法、超聲波法、雷達法等各種混凝土無損檢測方法的工作原理，分析了各自的特點及適用范圍。在實際工程中，宜使用兩種或兩種以上方法進行檢測，以互相驗證，提高檢測的效率及可靠性。
關(guān)鍵詞：混凝土；無損檢測；超聲波
A Review of Nondestructive Methods for Testing Concrete
DONG Qing-hua
(Dept. of Civil and Arch。, Wuyi Univ。, Jiangmen 529020, China)
Abstract: The principles of various nondestructive methods for testing concrete, including rebound testing, ultrasonic testing and radar testing are introduced, and the characteristics of each method are analyzed. In practical engineering testing, more than two methods should be used to do thetesting so that they can verify mutually and the reliability of the testing can be enhanced.
Key words: concrete; non-destructive testing; ultrasonic
無論是工業(yè)及民用建筑，還是公路、鐵路、水利及水電工程等都廣泛使用混凝土材料, 混凝土的質(zhì)量關(guān)系到整個工程的質(zhì)量。 傳統(tǒng)的混凝土強度檢驗方法是在澆筑地點隨機抽取試樣，對試樣進行抗壓強度試驗，由試驗結(jié)果來評定混凝土的強度。由于試樣的制作條件、養(yǎng)護環(huán)境及受力狀態(tài)與原位混凝土均存在著明顯的差異，試樣的實驗結(jié)果難以全面、準確地反映原位混凝土的質(zhì)量狀況，顯然無損檢測是獲得原位混凝土真實質(zhì)量的有效方法。早在20 世紀30 年代，人們就開始研究混凝土無損檢測技術(shù)[1]。 1948 年，瑞士科學家施密特（E. Schmidt）研制成回彈儀；1949 年
萊斯利（Leslie）等人用超聲脈沖成功檢測混凝土；60 年代費格瓦洛（I. Facaoaru）提出用聲速、回彈綜合法估算混凝土強度；80 年代中期，美國的Mary Sansalone 等用機械波反射法進行混凝土無損檢測；90 年代以來，隨著科學技術(shù)的快速發(fā)展，涌現(xiàn)出一批新的測試方法，如微波吸收、雷達掃描、紅外線譜、脈沖回波等方法[2]。 我國從50年代開始引進瑞士、英國、波蘭等國的超聲波儀器和回彈儀，并結(jié)合工程應用開展了一定的研究工作；60 年代初我國研制成功多種型號的超聲波儀器，隨后廣泛進行了混凝土無損檢測技術(shù)的研究和應用；80 年代混凝土無損檢測技術(shù)在我國得到快速發(fā)展，并取得了一定的研究成果，除了超聲、回彈等無損檢測方法外，還進行了鉆芯法、后裝拔出法的研究；90 年代以來，雷達技術(shù)、紅外成像技術(shù)、沖擊回波技術(shù)等進入實用階段，同時超聲波檢測儀器也由模擬式發(fā)展為數(shù)字式，可將測試數(shù)據(jù)傳入計算機進行各種數(shù)據(jù)處理，以進一步提高檢測的可靠性。
混凝土無損檢測的方法主要有回彈法[3]、超聲法[4]、超聲回彈綜合法[5]、雷達法[6,7]、沖擊回波法[8]、紅外成像法[8]、鉆芯法[9]、拔出法[10]及超聲波CT 法[11]等，其中鉆芯法和拔出法屬局部破損或半破損檢測方法。以下就各種方法的工作原理、特點及適用范圍作以述評。
1 各種無損檢測方法工作原理及其特點述評
1.1 回彈法
回彈法是以在混凝土結(jié)構(gòu)或構(gòu)件上測得的回彈值和碳化深度來評定混凝土結(jié)構(gòu)或構(gòu)件強度的一種方法，它不會對結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的力學性質(zhì)和承載能力產(chǎn)生不利影響，在工程上已得到廣泛應用。
回彈法使用的儀器為回彈儀，它是一種直射錘擊式儀器，是用一彈擊錘來沖擊與混凝土表面接觸的彈擊桿，然后彈擊錘向后彈回，并在回彈儀的刻度標尺上指示出回彈數(shù)值?；貜椫档拇笮∪Q于與沖擊能量有關(guān)的回彈能量，而回彈能量則反映了混凝土表層硬度與混凝土抗壓強度之間的函數(shù)關(guān)系，即可以在混凝土的抗壓強度與回彈值之間建立起一種函數(shù)關(guān)系，以回彈值來表示混凝土的抗壓強度?；貜椃ㄖ荒軠y得混凝土表層的質(zhì)量狀況，內(nèi)部情況卻無法得知，這便限制了回彈法的應用范圍，但由于回彈法操作簡便，價格低廉，在工程上還是得到了廣泛應用。
1.2 超聲波法
超聲波法檢測混凝土常用的頻率為20～250kHz，它既可用于檢測混凝土強度，也可用于檢測混凝土缺陷。
超聲波在混凝土中的傳播速度與混凝土的彈性性質(zhì)密切相關(guān)，而混凝土的彈性性質(zhì)又可以反映其強度大小，從而可以在混凝土超聲波傳播速度與其強度之間建立起一種相關(guān)關(guān)系，這種關(guān)系通常為非線性關(guān)系，可用經(jīng)驗公式或?qū)Ｓ脺y強曲線來表示。由于混凝土本身是一種復合材料，其內(nèi)部超聲波傳播速度受許多因素影響，如鋼筋的配置方向、不同骨料及粒徑的大小、各組分的比例變化、齡期、養(yǎng)護條件及混凝土的強度等級等，這些影響因素在建立測強關(guān)系時均應進行修正，顯然這種修正是一項很復雜而又煩瑣的工作。
超聲波法檢測混凝土缺陷是根據(jù)超聲波在混凝土中傳播的速度、振幅、相位及主頻的變化來判斷混凝土內(nèi)部的缺陷情況?；炷羶?nèi)部常見的缺陷有：蜂窩狀或松散狀的不密實區(qū)、空洞、雜物或受意外損傷而形成的酥松區(qū)等。 當超聲波遇到以上缺陷時，其速度、振幅等常會發(fā)生一定程度的異常變化，分析這種異常變化可推知混凝土內(nèi)部的缺陷狀況。超聲波法檢測混凝土內(nèi)部缺陷時常需要進行一定的數(shù)據(jù)處理及統(tǒng)計計算，且需要測試人員具有一定的檢測經(jīng)驗。
1.3 超聲回彈綜合法
回彈法只能測得混凝土表層的強度，內(nèi)部情況卻無法得知，當混凝土的強度較低時，其塑性變形較大，此時回彈值與混凝土表層強度之間的變化關(guān)系不太明顯；超聲波在混凝土中的傳播速度可以反映混凝土內(nèi)部的強度變化，但對強度較高的混凝土，波速隨強度的變化不太明顯。如將以上兩種方法結(jié)合，互相取長補短，通過實驗建立超聲波波速—回彈值—混凝土強度之間的相關(guān)關(guān)系，用雙參數(shù)來評定混凝土的強度，即為超聲回彈綜合法。 實踐表明該法是一種較為成熟、可靠的混凝土強度檢測方法。
1.4 雷達法
鋼筋混凝土雷達多采用1GHz 及以上的電磁波，可探測結(jié)構(gòu)及構(gòu)件混凝土中鋼筋的位置、保護層的厚度以及孔洞、酥松層、裂縫等缺陷。它首先向混凝土發(fā)射電磁波，當遇到電磁性質(zhì)不同的缺陷或鋼筋時，將產(chǎn)生反射電磁波，接收此反射電磁波可得到一波形圖，據(jù)此波形圖可得知混凝土內(nèi)部缺陷的狀況及鋼筋的位置等。雷達法主要是根據(jù)混凝土內(nèi)部介質(zhì)之間電磁性質(zhì)的差異來工作的，差異越大，反射波信號越強。 雷達法檢測混凝土其探測深度較淺，一般為20 cm 以內(nèi)，探地雷達使用較低頻率電磁波，探測深度可稍大些。此外，該法受鋼筋低阻屏蔽作用影響較大，且儀器本身價格昂貴，故實際工程上應用的并不多。
1.5 沖擊回波法
沖擊回波法是用一鋼珠沖擊結(jié)構(gòu)混凝土的表面，從而在混凝土內(nèi)產(chǎn)生一應力波，當該應力波在混凝土內(nèi)遇到波阻抗差異界面即混凝土內(nèi)部缺陷或混凝土底面時，將產(chǎn)生反射波，接收這種反射波并進行快速傅里葉變換（FFT）可得到其頻譜圖，頻譜圖上突出的峰值就是應力波在混凝土內(nèi)部缺陷或混凝土底面的反射形成的，根據(jù)其峰值頻率可計算出混凝土缺陷的位置或混凝土的厚度。由于該法采用單面測試，特別適合于只有一個測試面如路面、護坡、底板、跑道等混凝土的檢測。
1.6 紅外成像法
自然界中任何高于絕對零度（-273℃）的物體都是紅外線的輻射源，它們都向外界不斷地輻射出紅外線。紅外線是介于可見光與微波之間的電磁波， 其波長為0.76~1000 μm， 頻率為4×1014~3×1011 Hz。 混凝土紅外線無損檢測是通過測量混凝土的熱量及熱流來判斷其質(zhì)量的一種方法。當混凝土內(nèi)部存在某種缺陷時，將改變混凝土的熱傳導，使混凝土表面的溫度場分布產(chǎn)生異常，用紅外成像儀測出表示這種異常的熱像圖，由熱像圖中異常的特征可判斷出混凝土缺陷的類型及位置特征等。這種方法屬非接觸無損檢測方法，可對檢測物進行上下、左右的連續(xù)掃測，且白天、黑夜均可進行，可檢測的溫度為-50~2000℃，分辨率可達0.1~0.02℃，是一種檢測精度較高、使用較方便的無損檢測方法，并具有快速、直觀、適合大面積掃測的特點，可用于檢測混凝土遭受凍害或火災等損傷的程度以及建筑物墻體的剝離、滲漏等。
1.7 拔出法
拔出法用于檢測混凝土的強度，它是將安裝在混凝土體內(nèi)的錨固件拔出，測定其極限抗拔力，然后根據(jù)預先建立的混凝土極限拔出力與其抗壓強度之間的相關(guān)關(guān)系來測定混凝土強度的一種半破損（局部破損）檢測方法。大量實驗表明：極限拔出力與混凝土抗壓強度之間確實存在著某種近似線性的對應關(guān)系，這就為該方法的應用提供了堅實的基礎(chǔ)。 拔出法可分為預埋拔出法及后裝拔出法兩種，預埋拔出法是指預先將錨固件埋入混凝土內(nèi)的拔出法，后裝拔出法是指在已硬化的混凝土上鉆孔，然后在其上安裝錨固件的拔出法。前者主要適用于成批、連續(xù)生產(chǎn)的混凝土結(jié)構(gòu)
構(gòu)件的強度檢測，后者可用于新、舊混凝土各種構(gòu)件的強度檢測。 拔出法一般不宜直接用于遭受凍害、化學腐蝕、火災等損傷混凝土的檢測。
1.8 鉆芯法
鉆芯法是利用專用鉆機和人造金剛石空心薄壁鉆頭，在結(jié)構(gòu)混凝土上鉆取芯樣以檢測混凝土強度和缺陷的一種檢測方法。它可用于檢測混凝土的強度，結(jié)構(gòu)混凝土受凍、火災損傷的深度，混凝土接縫及分層處的質(zhì)量狀況，混凝土裂縫的深度、離析、孔洞等缺陷。 該方法直觀、準確、可靠，是其他無損檢測方法不可取代的一種有效方法。鉆芯法檢測混凝土費用較高，費時較長，且對混凝土造成局部損傷，因而大量的鉆芯取樣往往受到限制，可利用其他無損檢測方法如超聲法與鉆芯法結(jié)合使用，以減少鉆芯數(shù)量，另一方面鉆芯法的檢測結(jié)果又可驗證其他無損檢測方法如超聲法的檢測結(jié)果，以提高其檢測的可靠性。
1.9 超聲波CT 法
超聲波具有穿透能力強，檢測設(shè)備簡單，操作方便等優(yōu)點，特別適合于對混凝土的檢測，尤其適合對大體積混凝土如大壩、橋墩、承臺及混凝土灌注樁的檢測。常規(guī)的超聲波對測法及斜測法[4]可檢測混凝土內(nèi)部的缺陷，但這需要操作人員具有一定的工作經(jīng)驗，且檢測精度也不夠高，僅能得到某些測線上而非全斷面的混凝土質(zhì)量信息。 將計算機層析成像（ Computerized Tomography，簡稱CT）技術(shù)用于混凝土超聲波檢測，即為混凝土超聲波層析成像檢測方法。 該方法首先將待檢測混凝土斷面剖分為諸多矩形單元，如圖1 所示，然后從不同方向?qū)γ恳粏卧M行多次超聲波射線掃描，即由來自不同方向的多條射線穿過一個單元，用所測超聲波走時數(shù)據(jù)進行計算成像，其成像結(jié)果可精確、直觀表示出整個測試斷面上混凝土的缺陷及質(zhì)量信息，使檢測精度大為提高?；炷脸暡–T 檢測測線布置如圖2 所示。
圖1 混凝土超聲波層析成像網(wǎng)格剖分示意圖
圖2 為具有四個測試面的測線布置示意圖。
由于混凝土是一種非均勻各向異性復合材料，超聲波在其中傳播會發(fā)生復雜的散射、反射和透射等現(xiàn)象，這使得超聲波能量衰減很快，其傳播距離受到限制?；炷脸暡–T 中所用波長一般為幾厘米以上，與混凝土內(nèi)部缺陷的幾何尺度相差不大，因此應考慮超聲波的衍射，按最短走時路徑的Fermat 原理進行射線追蹤，據(jù)此來建立層析成像方程組[12]，以提高成像分辨率。
2 結(jié)論與建議
1）每一種無損檢測方法都是以混凝土介質(zhì)某一物理量的變化為前提的。 實際工程檢測中，宜使用兩種或兩種以上方法進行檢測，即以兩個或兩個以上物理量的變化為依據(jù)，這樣可使判斷更為準確，且可以互相驗證，提高檢測的可靠性。
2）本文所述的各種無損檢測方法中，超聲波CT 具有廣闊的應用前景，應大力開展這方面的研究工作。目前的混凝土超聲波層析成像僅限于走時成像，試驗表明：當超聲波穿過混凝土內(nèi)部某些缺陷時，其振幅的變化比速度的變化更為明顯，因此應盡快開展超聲波振幅成像方面的研究，與走時成像一起，用雙參數(shù)進行成像，對混凝土進行更全面的評價。目前的儀器均為一發(fā)一收或雙收，在儀器方面應盡快研制出一發(fā)多收的混凝土超聲波檢測儀器，以滿足成像觀測的需求。
3）以往的混凝土無損檢測主要集中在強度檢測及缺陷探測兩方面，應進一步開拓新的檢測內(nèi)容，如混凝土耐久性預測、已建混凝土結(jié)構(gòu)的損傷程度檢測等。
4)在相同頻率條件下，橫波的速度小于縱波，故橫波的分辨率要高于縱波[13]。 目前的混凝土超聲波檢測均用的是縱波，建議開展橫波檢測方面的研究，首先應盡快開發(fā)出用于橫波檢測的儀器，尤其是橫波換能器，以提高檢測的精度。
5）除本文所述無損檢測方法外，尚有檢測混凝土鋼筋位置及保護層厚度的磁測法，檢測混凝土強度的射針法及貫入法等。隨著科學技術(shù)的快速發(fā)展，尤其工業(yè)無損檢測[14]、醫(yī)學檢測[15]等領(lǐng)域的檢測方法向本學科的滲透，必將會有新的檢測方法出現(xiàn)，這將進一步推進混凝土無損檢測的快速發(fā)展。
6）混凝土無損檢測方法甚多，判斷一種方法的優(yōu)劣應主要看其檢測效果，其次應考慮是否容易實現(xiàn)。今后應著重于如何提高檢測精度方面的研究，開發(fā)出經(jīng)濟、實用、快速、精確的混凝土無損檢測方法，以滿足工程需要。
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