談建筑土木工程試驗(yàn)檢測措施
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摘要:結(jié)合土木工程的基本情況，對當(dāng)前土木工程試驗(yàn)檢測中較為主流的無損檢測技術(shù)進(jìn)行分析，指出了直接測量技術(shù)、負(fù)荷響應(yīng)技術(shù)、應(yīng)用探測媒介技術(shù)三大類，并就其中發(fā)展迅猛的應(yīng)用探測媒介技術(shù)進(jìn)行具體分析，最后對無損檢測技術(shù)的未來發(fā)展提出展望。
前言
近年來，我國經(jīng)濟(jì)社會持續(xù)發(fā)展，建筑工程的規(guī)模也不斷擴(kuò)大，土木工程作為其中的主要形式，其施工質(zhì)量也愈發(fā)得到社會的廣泛關(guān)注。土木工程是否穩(wěn)定、是否符合質(zhì)量控制要求，直接影響到后續(xù)使用環(huán)節(jié)的安全性。同時，由于建筑工程結(jié)構(gòu)處于一定的外部環(huán)境之中，因此，降雨、降雪甚至臺風(fēng)、地震等自然因素均可能會對其整體環(huán)境造成威脅，其結(jié)構(gòu)難免會受到不同程度的損傷，這就凸顯了土木工程試驗(yàn)檢測的重要性。當(dāng)前，無損檢測技術(shù)得到了較快的發(fā)展，成為土木工程試驗(yàn)檢測領(lǐng)域的主流模式。無損檢測本身不會對建筑工程的整體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，且其試驗(yàn)檢測效果具有較高的可靠性。因此，加強(qiáng)對無損試驗(yàn)檢測技術(shù)的研究，是當(dāng)前土木工程行業(yè)必須關(guān)注的重點(diǎn)命題。由于無損檢測技術(shù)較為多樣，且隨著先進(jìn)電子技術(shù)的持續(xù)發(fā)展，這一技術(shù)的種類也不斷擴(kuò)充，本文主要就當(dāng)前應(yīng)用較為廣泛的技術(shù)進(jìn)行探討，對其進(jìn)行比較分析。
1常用無損檢測技術(shù)及其分類
不同的無損檢測技術(shù)在工作原理、配套工藝、硬件設(shè)備以及獲取結(jié)論的信號處理方法等方面都存在著差異，這些差異也是試驗(yàn)檢測過程中具體選擇技術(shù)的主要選擇依據(jù)。選取工作原理這一分類標(biāo)準(zhǔn)，可以將當(dāng)前土木工程的無損試驗(yàn)檢測技術(shù)劃分為直接測量、負(fù)荷響應(yīng)與應(yīng)用探測媒介技術(shù)三種，由于應(yīng)用探測媒介技術(shù)近年來發(fā)展較為迅猛，且其借助的設(shè)備也呈現(xiàn)出科技化、精密化的特點(diǎn)，已經(jīng)得到了業(yè)界的廣泛關(guān)注，因而在本文中也會重點(diǎn)對應(yīng)用探測媒介技術(shù)進(jìn)行具體分析，以契合試驗(yàn)檢測行業(yè)的發(fā)展趨勢。
1．1直接測量技術(shù)
直接測量技術(shù)是一種較為傳統(tǒng)的無損檢測技術(shù)，其操作相對來說較為便捷，因此，一直以來應(yīng)用較為廣泛。其應(yīng)用的對象主要是土木工程中某一個可以被直接測量的物理量，或是通過某些可以直接測量的量能夠推斷出來的情形。例如，混凝土的含水量直接影響到混凝土材料的強(qiáng)度，這一參數(shù)無法被直接測量，但是卻可以通過其他物理量的測量而加以推斷。試驗(yàn)檢測中，可以通過對含水混凝土進(jìn)行稱重、再對烘干后的同一檢測對象進(jìn)行稱重、最后得出相減結(jié)果的方式，判斷混凝土材料的含水量。在實(shí)踐中，通常以輕微損傷為代價，對待檢測的建筑土木工程含水量進(jìn)行判斷，如在墻體取出少量樣品作為研究對象等。再例如，電化學(xué)檢測技術(shù)的應(yīng)用同樣也屬于直接測量的范疇，該技術(shù)主要是通過在待檢測的混凝土試樣上安裝電極，得出通過試樣的電流并依照標(biāo)準(zhǔn)方法計(jì)算出腐蝕電流的數(shù)值，對土木工程混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋腐蝕速率進(jìn)行判斷。但必須注意的是，受多種難以把控因素的影響，這種檢測的最終精度無法得到有效保證。
1．2負(fù)荷響應(yīng)技術(shù)
負(fù)荷響應(yīng)技術(shù)，顧名思義，是指通過測量待檢測物體在負(fù)荷作用下的響應(yīng)情況，對其質(zhì)量進(jìn)行判斷的方法。考慮到建筑土木工程的整體穩(wěn)定性，如果需要產(chǎn)生的負(fù)荷量過大，那么顯然不適宜運(yùn)用該種方式。負(fù)荷響應(yīng)技術(shù)中最具代表性的是振動分析技術(shù)。土木工程施工中選用的材料、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案及整體剛度決定了工程的本征振動頻率，而在投入使用后，其面臨著風(fēng)力等各種擾動力的共同作用，因而其事實(shí)上處于一個一直振動的狀態(tài)。通常來說，這些擾動力并沒有特定的規(guī)則，屬于廣譜的范疇，其可以實(shí)現(xiàn)對建筑物本征振動頻率的激發(fā)。振動分析技術(shù)主要是通過對頻率測量值與建筑物本征頻率的設(shè)計(jì)值或計(jì)算值的比較，以此推斷出建筑物的線度、剛度、完整性、穩(wěn)定性是否存在較大的宏觀缺陷。該技術(shù)具有高效、操作簡單的特點(diǎn)，尤其是隨著土木工程體量的擴(kuò)大，該技術(shù)的應(yīng)用價值也日益凸顯。
1．3應(yīng)用探測媒介技術(shù)
當(dāng)前，越來越多的無損檢測技術(shù)需要應(yīng)用探測媒介，這一媒介主要包括波與場兩種形式。依照測量具體形式的不同，可以將該技術(shù)劃分為主動檢測技術(shù)與被動檢測技術(shù)兩大板塊，前者的探測媒介由檢測設(shè)備產(chǎn)生與發(fā)送，后者的探測媒介則來自于探測對象本身。在后文中會選取常見的應(yīng)用探測媒介技術(shù)加以具體探討。
2應(yīng)用探測媒介的無損檢測技術(shù)
2．1利用機(jī)械波的技術(shù)
依照不同機(jī)械波的差異，可以分為沖擊回波技術(shù)、超聲脈沖回?fù)芗夹g(shù)、聲發(fā)射技術(shù)。1)沖擊回波技術(shù)。這一技術(shù)在土木工程試驗(yàn)檢測中應(yīng)用較為廣泛，其主要操作流程如下:由專業(yè)試驗(yàn)檢測人員運(yùn)用錘子敲打試樣，或是運(yùn)用下墜的小球?qū)ζ溥M(jìn)行沖擊，從而使其產(chǎn)生一定的聲波，這一聲波被試樣附近的傳感器接受。如果試樣確實(shí)出現(xiàn)了損傷問題，那么傳感器所接收到的聲波頻率會與標(biāo)準(zhǔn)化情況出現(xiàn)較大的差異，以此判斷建筑土木工程的損傷情況。當(dāng)前，數(shù)字信號處理(DSP)FFT技術(shù)是沖擊回波試驗(yàn)檢測中的主要傳感技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)對土木工程混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)在的裂縫、分層與空穴問題的反映。同時，在應(yīng)用沖擊回波技術(shù)的過程中，主要利用空氣作為聲的耦合介質(zhì)，因此，試樣的表面無需進(jìn)行特別的平整處理。但必須注意的是，隨著土木工程質(zhì)量要求的提高，沖擊回波技術(shù)在靈敏度、分辨力等方面已經(jīng)略顯乏力，且雖然檢測流程相對簡單，但是卻需要耗費(fèi)較長的時間，不利于試驗(yàn)檢測效率的提升。2)超聲脈沖回?fù)芗夹g(shù)。該技術(shù)應(yīng)用于土木工程試驗(yàn)檢測時，所產(chǎn)生的超聲波主要依托PZT壓電換能器來接收。其工作原理主要是利用了聲學(xué)的基本物理規(guī)律，即脈沖回聲學(xué)量會因待測物體的力學(xué)性能、幾何形態(tài)而有所差異。土木工程所使用材料的剛度與密度決定了超聲聲速，超聲衰減以及頻譜變化又與待測物體中所含顆粒的大小密切相關(guān)。這也就意味著利用該技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)對土木工程中混凝土缺陷狀態(tài)、墻壁完整性、鋼筋強(qiáng)度等多樣化內(nèi)容的把控。但是同樣需要注意的是，超聲脈沖回?fù)芗夹g(shù)在土木工程試驗(yàn)檢測中的應(yīng)用也存在著一定的局限性。如混凝土本身對于聲波就具有一定的吸收作用，再例如骨料可能會導(dǎo)致超聲的散射，這都可能影響該技術(shù)的試驗(yàn)檢測精確度。當(dāng)前，這些局限性的解決主要有兩種方案，其一是直接加大超聲功率，其二是引入先進(jìn)的信號處理與顯示方法，這也是業(yè)內(nèi)一直在探索的重要內(nèi)容。3)聲發(fā)射技術(shù)。聲發(fā)射是物理學(xué)中的一種現(xiàn)象，其主要是指某一物體受到來源于物體之外的載荷作用之后，其會在短時間內(nèi)以應(yīng)力波形式完成內(nèi)部彈性能量的釋放。一般情況下，這些能量的來源是物體內(nèi)部存在的位錯、裂紋等異常情況?？梢钥闯?，將這一技術(shù)應(yīng)用于土木工程的試驗(yàn)檢測過程，可以通過所獲取到的信號對于待檢測物體的內(nèi)部性質(zhì)進(jìn)行判斷。在實(shí)際操作過程中，試樣的幾何形狀、品質(zhì)形態(tài)、外來載荷的方向等均可能對聲發(fā)射的信號產(chǎn)生影響，同時，土木工程所使用的水泥的型號、骨料大小以及建筑整體的使用時長都可能影響聲發(fā)射。這也就意味著，通過聲發(fā)射信號，可以獲取到內(nèi)容極為多元化的檢測信息，但是與此同時其中存在的信息又過于復(fù)雜，如何提煉出有價值的核心信息、為試驗(yàn)檢測提供結(jié)果參考具有較大的難度。
2．2利用電磁波的技術(shù)
利用電磁波的技術(shù)也被稱為NDT－CE－EMT技術(shù)，是無損檢測技術(shù)的重要分支，其探測媒介為微波頻段的電磁波，頻率多處于90～1000MHz，依照實(shí)際的檢測情況加以確定。通過對電磁波的傳播時間、反射技術(shù)、折射率等參數(shù)進(jìn)行測量，對待測物體的性質(zhì)進(jìn)行判斷。當(dāng)前，土木工程試驗(yàn)檢測中主要采用了地面穿透雷達(dá)這一利用電磁波的檢測技術(shù)。在實(shí)踐中可以發(fā)現(xiàn)，該技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢較為突出，其可以實(shí)現(xiàn)非接觸甚至遙感檢測，操作精度較高;該技術(shù)對于非金屬材料的檢測尤為適用，這也契合了土木工程結(jié)構(gòu)中混凝土、磚等非金屬材料占比較大的現(xiàn)實(shí)情況;同時，在應(yīng)用該技術(shù)的過程中，無需對試樣的表面狀態(tài)進(jìn)行特別的處理。但是值得注意的是，由于固有的屏蔽效應(yīng)影響，地面穿透雷達(dá)技術(shù)無法檢測金屬內(nèi)部以及金屬平板后面的物體，在土木工程試驗(yàn)檢測中的范圍具有一定的局限性。
2．3利用光波、紅外線的技術(shù)
1)電子散斑干涉技術(shù)。該技術(shù)分為ESPI與SPSI兩種。ESPI基于全息原理，將從物體反射回來的激光與參考光相干涉，干涉圖樣由CCD相機(jī)接收。將物體變形前后的干涉圖相減，得到的條紋圖反映了照明區(qū)域表面的位移場。利用相移技術(shù)，ESPI的分辨力能達(dá)到20nm數(shù)量級。ESPI是一種非接觸的全場檢測技術(shù)，用于監(jiān)測漫反射表面的三維位移場。與ESPI不同，SPSI直接測量物體表面的應(yīng)變而不是位移。物體表面的反射光被分成兩束，并且在橫向錯開一個微小距離，然后再互相干涉。它對物體的剛體運(yùn)動沒有反應(yīng)。2)熱圖成像技術(shù)。該技術(shù)又稱IRT技術(shù)，其主要是利用了物質(zhì)所具有的熱傳導(dǎo)性這一物理屬性加以試驗(yàn)檢測。通過熱源對試樣給予一定的熱能，從而使得試樣表面形成一定的溫度分布，從而反映物體表層以及表層下面材料或結(jié)構(gòu)的熱傳導(dǎo)性差異?？梢钥闯觯摲N技術(shù)在應(yīng)用到土木工程試驗(yàn)檢測過程中時，無法獲得土木結(jié)構(gòu)深度即厚度的有關(guān)信息，但是在對建筑墻體保溫功能的判定、探測墻體內(nèi)部金屬件的分布情況等方面具有較高的適用價值。
3總結(jié)與展望
當(dāng)前，無損試驗(yàn)檢測技術(shù)已經(jīng)成為土木工程試驗(yàn)檢測中的主流技術(shù)，這些技術(shù)對于人力操作的要求相對較低，可以減少不必要的人為誤差，同時可以避免對建筑物結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的大范圍影響?？梢灶A(yù)見的是，未來無損檢測技術(shù)在土木工程中的應(yīng)用必然會更加廣泛?？傮w來看，多數(shù)無損檢測技術(shù)的本質(zhì)都屬于信息技術(shù)，其應(yīng)用過程是一個獲取信息、提取信息、導(dǎo)出結(jié)論的過程，因此，為了繼續(xù)推動無損檢測技術(shù)的發(fā)展，加強(qiáng)對于新型高性能的發(fā)射或接收轉(zhuǎn)能器的研究、推動信號處理技術(shù)水平的提高是業(yè)界發(fā)展的整體方向。當(dāng)前，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、人工智能技術(shù)、模式識別技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)的發(fā)展，也將為無損檢測技術(shù)的進(jìn)一步深化提供動力。
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作者：曹甫臣 李青 單位：河套學(xué)院
