無損檢測土木工程論文
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1無損檢測
無損檢測結果的評價具有對比性或相關性，即先對受檢對象進行無損檢測，然后對其進行破壞性檢測，再建立兩種檢測結果之間的相關關系，才有可能對無損檢測結果做出較為正確的評價。這一點必須引起足夠的重視，否則，如果不做這樣的檢測對比，則不管檢測的靈敏度有多高，所作的評價將沒有任何意義。即便如此，由于無損檢測受諸多因素的影響，其檢測結果仍不一定十分可靠。所幸的是，無損檢測方法具有互容性，即對同一受檢對象可以采用不同的檢測方法。因此，還要采用不同的方法進行檢測并綜合比較，以提高檢測結果的可靠性。鑒于此，每個國家都相應的編制了各種結構或檢測方法的檢測鑒定標準與規(guī)范。
2常用的無損檢測技術
2．1回彈法
回彈法是表面硬度法的一種應用，主要通過測定混凝土表面硬度來推定抗壓強度?；貜梼x由瑞士的E．Schmidt于1948年發(fā)明，其原理是用一個彈簧驅動的重錘，通過傳力桿彈擊混凝土表面，測出重錘的回彈值來推定混凝土強度。英國的Kolek論證了混凝土強度與壓痕直徑的關系，并用試驗驗證了回彈值與壓痕直徑的關系。而現(xiàn)在主要是通過試驗歸納直接建立混凝土強度與回彈值之間的經(jīng)驗關系曲線?；貜椃ㄔ谖覈膽檬加?0世紀50年代，后經(jīng)大量的研究與實踐應用，提出了適合我國實情的測強曲線及技術規(guī)程。該方法儀器構造簡單、測試方法易于掌握、攜帶便利、費用低廉、檢測效率較高。因而廣泛應用于檢驗混凝土的均勻性、對比混凝土質量是否達到特定要求、初步判斷混凝土質量出現(xiàn)問題的區(qū)域、推定混凝土的強度。
2．2超聲波檢測法
超聲波是以波的形式在彈性介質中傳播的機械波，其頻率高于20kHz，具有指向性好、對各種材料的穿透力強等特點，因此能應用于絕大部分材料。Sokolov于20世紀30年代開始了超聲波檢測的研究，40年代脈沖回波探傷儀器的問世，標志著超聲波檢測技術的應用成為現(xiàn)實。我國超聲波檢測技術應用于土木工程領域，始于20世紀50年代從英國引進UCT－2型混凝土超聲檢測儀。超聲波在傳播過程中，隨著傳播距離的增加，其能量將逐漸減弱，即超聲波衰減，其衰減程度與材料性質有關，如晶粒大小、缺陷密集程度等等。此外，在兩種介質界面超聲波將發(fā)生反射、透射和散射。因此，這些反射、透射或散射波在一定程度上攜帶有受檢對象厚度、內部缺陷及其所在位置等等信息。再有，超聲波在介質中的傳播速度(聲速)與介質的密度、配比(混凝土材料)等強度因素有關，所以聲速又與材料的強度聯(lián)系在一起。超聲波檢測技術應用于土木工程，必須解決兩個關鍵問題:超聲波的發(fā)射和接收(超聲換能器);尋找接收信號與檢測項目的相關性(數(shù)據(jù)處理)。國內外學者和工程技術人員為此做了大量研究工作，取得了豐富的研究成果，形成了比較成熟的測試技術，編制了相應的檢測鑒定標準與規(guī)范?？傮w上可以概括為以下三個方面:
(1)超聲波
的類型和產(chǎn)生超聲波技術的發(fā)展。目前可以根據(jù)需要發(fā)射不同類型的超聲波如縱波、橫波、瑞利波或蘭姆波(導波)，而超聲波產(chǎn)生技術也由壓電陶瓷發(fā)展到電磁超聲、激光超聲、相控陣列、磁致伸縮超聲技術［5］。Wardany等用超聲瑞利波檢測了建成于1959年位于加拿大東部的兩個水工混凝土結構近表面的損傷情況，兩者使用了不同的混凝土粗骨料材質。李東生等則用超聲蘭姆波檢測了鋼筋混凝土結構界面脫粘分層情況，并分析了界面分層長度與蘭姆波能量衰減之間的關系。
(2)數(shù)據(jù)處理與儲存方法的發(fā)展
早期只是對聲速參量進行相關性分析，檢測數(shù)據(jù)也不易存儲，隨著數(shù)字技術、計算機技術的發(fā)展，信息數(shù)據(jù)的存儲極為方便，超聲成像技術也有了快速發(fā)展，并把振幅、頻率或波形逐漸納入相關性數(shù)據(jù)分析的行列。
(3)檢測技術的綜合應用
結合其它檢測方法對材料、構件或結構厚度、強度、缺陷等進行檢測。Kheder等利用縱波超聲回彈綜合法對混凝土構件強度進行了現(xiàn)場檢測。Beatrice等綜合超聲檢測、硬度計、濕度計等方法對那不勒斯的一座建于19世紀初的古老建筑的木屋架構件的剛度、強度、內部缺陷等進行了檢測。Machado等則用超聲波間接法實現(xiàn)了對營運中的海上木結構構件彎曲剛度和強度的檢測。沈先華利用超聲波檢測技術結合斜率法對某混凝土孔灌注樁缺陷進行了定性與定量評價。周茗如等聯(lián)合應用超聲檢測、人工敲擊和應變分析法對大型鋼管混凝土結構中混凝土與鋼管壁粘結情況的檢測評價。
2．3聲發(fā)射法
聲發(fā)射現(xiàn)象指的是物體因受外力或內應力的作用，在其內部缺陷處將產(chǎn)生應力集中而發(fā)生塑性變形，儲存大量的應變能，一旦裂紋產(chǎn)生或裂紋擴展，部分應變能就會以瞬時彈性應力波的形式向外釋放的現(xiàn)象。因物體內部裂紋的產(chǎn)生或擴展而產(chǎn)生的聲發(fā)射現(xiàn)象的彈性波頻率低，人們就做了大量的工作去研究如何能“聽”到這些聲發(fā)射現(xiàn)象，不僅要能“聽”到，而且要能知道在哪個地方發(fā)生、原因是什么、什么時間發(fā)生、危害有多大?這就是聲發(fā)射檢測。聲發(fā)射檢測起源于20世紀50年代德國凱賽爾的研究，他首先發(fā)現(xiàn)金屬材料在變形中會產(chǎn)生聲發(fā)射現(xiàn)象，提出了聲發(fā)射不可逆效應即凱賽爾效應。隨后，其他國家的研究人員進一步探明了塑性變形的聲發(fā)射機制———位錯。1964年，美國率先將聲發(fā)射檢測技術應用于北極星導彈艙的檢測并獲得成功，此后該項技術得到快速發(fā)展。我國于1973年建成第一套聲發(fā)射試驗裝置，并先后研制了多種型號的聲發(fā)射檢測儀。直到80年代，隨著其它基礎性研究和計算機技術的發(fā)展，基于小波分析和神經(jīng)網(wǎng)絡的聲發(fā)射檢測技術才得以迅速發(fā)展。Rusch于1959年開啟了對混凝土聲發(fā)射信號研究的大門，并指出了混凝土材料凱賽爾效應的極限應力范圍。1970年Green對混凝土的彈性模量、泊松比和劈裂抗壓強度等進行了聲發(fā)射實時監(jiān)測，并提出了可以應用聲發(fā)射技術對混凝土破壞的全過程實施監(jiān)測。我國的董毓利等對混凝土受壓全過程聲發(fā)射特性進行了研究，并分析了聲發(fā)射信號首次產(chǎn)生及其后的強弱與試件應力變化之間的關系。陳兵等依據(jù)聲發(fā)射信號振幅分布特性，將聲發(fā)射信號劃分為不同區(qū)段，建立了聲發(fā)射信號與混凝土內部不同破壞機理之間的關系。如今，聲發(fā)射已應用于建筑、橋梁等混凝土結構的動態(tài)檢測和完整性評價，并在市政工程、橋梁、房屋建筑等工程中，聲發(fā)射技術也已成功地應用于混凝土框架、板的檢測。聲發(fā)射技術不僅在聲發(fā)射理論及數(shù)據(jù)處理方面有了大的發(fā)展，而且聲發(fā)射儀也從早期的模擬式單通道聲發(fā)展到目前的全數(shù)字化、全波形的多通道聲發(fā)射儀。然而，由于混凝土材料自身的復雜性，依然還有很多問題未能解決，如混凝土聲發(fā)射的機理、聲發(fā)射信號與混凝土力學參數(shù)間的相關性、混凝土的凱賽爾效應等等。
2．4聲振檢測法
聲振檢測法是指在外激勵作用下受檢對象產(chǎn)生機械振動，通過對振動特性參數(shù)的分析來評價其力學特性的檢測技術。在實際工程應用中，又分化出兩種方法:聲波反射法(低應變法)和沖擊回波法。聲波反射法根據(jù)檢測測量方法的不同也存在不同的應用，但在土木工程中應用較多的是單點激振單點測量的整體響應檢測。這種檢測方法的檢測原理是一維桿應力波理論，因而適用于對棒狀結構如梁柱等的檢測，土木工程中則多用于對基樁的完整性檢測。單點激振單點測量的整體響應檢測方法的優(yōu)點是既經(jīng)濟又簡便易行，缺點是:
(1)不能檢測出基樁的水平缺陷。
(2)只能對缺陷做出定性的評價，很難做到定量評價。
(3)只能檢測等直樁，對變截面樁、擴底樁易引起誤判。
(4)數(shù)據(jù)處理難度大，如降噪和反演分析。另外，這種檢測方法應用于對基樁的完整性檢測還有幾個問題亟需解答:
(1)彌散效應和橫向慣性效應
一維應力波理論的邊界條件要求彈性應力波波長要大于兩倍的桿徑及桿的長徑比大于5，否則會由于彌散和橫向慣性效應而產(chǎn)生三維問題。
(2)樁土相互作用對檢測結果影響
一維應力波理論要求桿是自由的，而實際工程中，樁是處于半無限的土體介質中，如果依然用一維應力波理論進行數(shù)據(jù)分析，檢測結果是否可靠。
(3)多處縮徑樁的檢測
截面的變化，就會引起廣義波阻抗的變化，彈性波會在該截面發(fā)生反射，所以對多處縮徑樁，彈性波就會在縮徑截面間來回反射，聲振檢測技術的另一種應用形式是沖擊回波法。1983年美國Cornell大學的Sansalone與美國國家標準局(NIST)的Carino首次提出沖擊回波法應用于對混凝土結構的缺陷檢測。在1984年的國際混凝土無損檢測會議上，加拿大的馬爾霍察認為沖擊回波法是“最有發(fā)展前途的現(xiàn)場檢測方法之一”。此后，Sansalone等利用FFT方法進一步將沖擊回波法由時域分析轉換到頻域分析，推進了沖擊回波法的應用與發(fā)展。如今，沖擊回波法已廣泛的應用于混凝土和瀝青混凝土結構的內部缺陷和厚度探測，特別是掃描式?jīng)_擊回波測試系統(tǒng)的問世。沖擊回波法是一種單面反射檢測技術，具有方便、快捷和直觀的優(yōu)點。其檢測原理為:在受檢結構的表面施加沖擊力，以產(chǎn)生瞬態(tài)低頻應力波(含有縱波、橫波和面波)，應力波向結構內部傳播，遇到缺陷和外部邊界時來回反射，引起結構表面產(chǎn)生相應的微小位移響應，并由安裝在表面的拾振器來采集這種響應數(shù)據(jù)，最后通過對信號的頻譜分析(主要是縱波)來測定受檢結構的彈性波速或結構厚度。沖擊回波法能精確檢測厚度在2m以內的混凝土厚度及其內部缺陷(如空洞、蜂窩、離析等)。此外，它還可以檢測鋼筋混凝土結構保護層厚度、內部缺陷的位置、開放性表面裂縫深度及混凝土強度等。我國對沖擊回波法也做了大量的應用研究。如周先雁等用沖擊回波法對橋梁箱梁孔道灌漿質量進行了檢測，根據(jù)P波在鋼絞線和空洞處的不同反射特性判斷孔道內部是否存在缺陷。傅翔等對隧洞混凝土襯砌厚度進行了沖擊回波法測量，并對混凝土的固結灌漿效果和分層澆注黏結質量進行了檢測。
2．5紅外熱成像檢測法
20世紀60年代，美國就已經(jīng)開始對紅外熱成像技術應用進行研究，20世紀70年代末，紅外熱成像技術已被用于診斷建筑物的熱損耗、屋頂滲水、圍墻缺陷以及查找路面的次表面缺陷等。我國在這方面的研究起步較晚，到90年代初才有學者將紅外熱像診斷技術和土木工程結合起來，對建筑物的熱損耗、建筑材料缺陷的探測和建筑外墻施工質量等進行了初步的應用研究［24］。紅外線是介于可見紅光和微波間的電磁波，它的波長范圍在0．76～1000μm之間，而其中只有3～5μm和8～14μm的波段能很好地透過，紅外探測儀正是利用這個波段來實現(xiàn)探測。任何高于絕對零度的物體都會輻射紅外線，而物體內部存在的裂縫或缺陷會改變物體的熱傳導，使物體表面的溫度分布不均勻。紅外熱成像技術是借助紅外熱像儀探測物體各部分輻射的紅外線能量，由物體表面的溫度場分布情況形成熱像圖來直觀的顯示材料、結構物等內部缺陷的一種非接觸式的無損檢測技術，也被稱為紅外掃描測試技術。它可以檢測出物體內部缺陷的位置，并具有快速、非接觸、大面積地掃查檢測物表面，而不損傷檢測物，且結果直觀形象，易于實現(xiàn)自動化和實時觀測的優(yōu)點。紅外熱像檢測應用于土木工程，前景十分廣泛，研究的熱點集中在對紅外熱像獲取的熱源的改進、缺陷深度、大小的定量化研究以及如何把研究成果運用到復雜的實際工程當中，并發(fā)展了一些新的技術，如鎖相熱成像和紅外斷層成像技術。
2．6雷達檢測法
工程探地雷達是用頻率介于10～2000MHz的寬頻脈沖電磁波來確定工程結構或介質分布的技術。雷達監(jiān)測的工作原理是利用發(fā)射天線向受檢體發(fā)射寬頻帶短脈沖形式的電磁波，該電磁波進入介質內部后，經(jīng)內部界面反射后回到表面，再由接收電線接收回波信號。由于電磁波在介質中傳播時，其路徑、電磁場強度及波形隨所通過的介質的電性性質及幾何形態(tài)發(fā)生變化，因此反射回波攜帶有受檢體內部結構信息，就可依據(jù)接收到的反射回波的雙程走時、幅度、相位等信息對目標介質結構進行準確描述。探地雷達無損探測技術可用于混凝土內部缺陷、鋼筋的分布檢測，公路工程中路面結構層厚度檢測，裂縫和裂縫擴展的識別。其優(yōu)點是:探地雷達法可迅速對被測結構進行掃描，適用于結構物大面積快速掃測。
2．7其它檢測技術
由麥克斯韋的電磁感應理論可知，鋼筋混凝土結構中的鋼筋能夠影響電磁場，因此可以利用磁測法來檢測鋼筋的位置或混凝土包覆層的厚度。文獻介紹了英國相關標準對磁測法的認識:磁測法對配筋少的混凝土構件，能得到滿意的結果;而對于配筋多的構件，其它鋼筋的影響不能忽略，而當溫度低于0℃時，效果相反。相應于磁測法，還有電測法。電測法主要是用來估計現(xiàn)場混凝土中鋼筋銹蝕程度和測量混凝土路面厚度的一種無損檢測方法。文獻還介紹了微波吸收技術。微波是一種電磁波，具有電磁波的反射、衍射和吸收等性質，而水對微波有吸收性，因此被用于測定混凝土的濕度。
3總結與展望
應用于土木工程中的無損檢測方法很多，各自都有其優(yōu)缺點，在選擇時要根據(jù)場地、條件、材質及施工工藝，并能對缺陷的種類、性質等有充分的估計后，才能選擇出合適的檢測方法。同樣的。對檢測結果的評價，要盡量綜合更多的信息，要清晰無損檢測結果只能作為評定質量或剩余抗力的依據(jù)之一，不能僅憑檢測結果做出片面的結論。伴隨著建筑業(yè)的發(fā)展，土木工程領域不斷面對新結構、新材料和新施工工藝，這給無損檢測技術在土木工程中的應用提出新的挑戰(zhàn)，概括起來有四個方面:
(1)無損檢測理論的發(fā)展要適應實際的需要;
(2)綠色、環(huán)保、節(jié)能;
(3)檢測儀器的數(shù)字化、智能化;
(4)數(shù)據(jù)處理的自動化。
作者：劉傳雄 雍洪寶 單位：淮陰工學院 淮安市建筑工程檢測中心有限公司
