混凝土無損檢測方法發展及應用

張小瓊，王戰軍

(上海同濟檢測技術有限公司，上海 200092)

混凝土無損檢測方法發展及應用

張小瓊，王戰軍

(上海同濟檢測技術有限公司，上海 200092)

混凝土作為一種重要的結構材料，廣泛應用于現代土木工程中，其性能及施工質量對混凝土結構工程乃至建筑工程的安全有著直接的影響，故加強對混凝土質量的檢測與控制有著至關重大的意義。從混凝土結構工程的強度及缺陷檢測出發，闡述了各種混凝土無損檢測方法的基本原理及其適用范圍，對各種方法的應用現狀進行了簡要分析，并就今后混凝土無損檢測方法的發展趨勢進行了展望。

混凝土；無損檢測；強度；缺陷

混凝土是現代土木工程中重要的結構材料，具有用量大、耐久性好等特點,其施工質量對混凝土結構工程乃至建筑工程的安全有著直接的影響，故加強對混凝土質量的檢測與控制具有重大意義。

混凝土無損檢測是指混凝土宏觀力學及其他性能的非破損檢測，指在不破壞混凝土結構、使用性能的條件下，利用物理學方法(聲、光、電、磁、熱和射線等)測定混凝土的相關物理量，來確定或評價混凝土的非彈性性質、均勻性與密度、強度以及性能變化過程的檢測技術。自20世紀30年代以來，混凝土無損檢測技術得到了迅猛的發展。目前混凝土無損檢測已有二十多種可行的方法，且已逐步形成完整的技術體系。根據對結構構件的破壞程度，混凝土檢測方法分為破損檢測方法、半破損檢測方法、無破損檢測方法。因為半破損檢測方法所造成的局部損傷并不危害結構安全，故從宏觀角度來說，半破損檢測方法也可歸到非破損檢測范疇內[1]。而根據檢測目的，混凝土檢測方法又分為混凝土強度檢測方法、混凝土內部缺陷等強度以外的檢測方法。

筆者介紹了混凝土強度檢測、缺陷檢測方法的基本原理及其適用范圍，對各種方法的應用現狀進行了簡要分析，并就今后混凝土無損檢測方法的發展趨勢進行了展望。

1 混凝土強度無損檢測方法

混凝土強度的非破損法檢測方法是指通過檢測儀器測定混凝土的相關物理參數,然后根據這些物理參數與混凝土抗壓強度間的相關關系,推算出被測混凝土的強度的方法。其相關關系的強度方程是通過對相同混凝土標準試塊進行破壞試驗,而后對試驗數據進行回歸分析及數學處理得出的方程，也就是常說的測強曲線。非破損法檢測又分為非破損檢測方法和半破損檢測方法。常見的非破損法有回彈法、超聲法等方法，半破損法有鉆芯法、拔出法等。

1.1 非破損檢測方法

非破損檢測方法是：在不影響結構或構件混凝土性能的情況下,以混凝土抗壓強度與混凝土其他物理量間的相互關系為基礎測定相關物理量,然后根據測強曲線推算出混凝土的標準強度換算值,最后依照統計原理得出混凝土強度標準值的定值或特征強度。這類方法包括回彈法、超聲脈沖法、射線吸收與散射法、成熟度法等[2]。

(1) 回彈法

回彈法是指利用回彈儀檢測普通混凝土結構或構件抗壓強度的方法，其實施過程為：用一個彈簧驅動的重錘，通過彈擊桿(傳力桿)彈擊混凝土表面，測出重錘被反彈回來的距離(圖1中x)，以回彈值(反彈距離與彈簧初始長度之比)作為與強度相關的指標，再由已建立的回歸方程或校準曲線換算出構件混凝土的強度值。其檢測原理如圖1所示。

圖1 混凝土回彈法檢測示意

回彈法操作簡便、快速經濟且具有相當的精度，因此在混凝土檢測領域應用較廣泛。但影響回彈法測強精確度的因素有很多，如儀器標準狀態、操作方法、現場條件、構件選取、測區及測點布置以及計算方法等[3]。因此要提高檢測的精度，還需加強對這些影響因素的分析，合理制定及選擇公式。但要注意的是，目前我國回彈法研究成果基本只適用于普通混凝土，同時對現場結構或構件混凝土測強時，回彈測強值僅代表混凝土表層質量，因此使用回彈法必須保證混凝土構件的表面質量與內部質量基本一致。

20世紀60年代，我國就具備自行生產回彈儀的能力，經過幾十年的發展，數顯式回彈儀的研制技術也已比較成熟。

(2) 超聲法

超聲波的傳播速度與混凝土的彈性模量、強度間具有密切的相關關系。超聲法就是通過測量測距內超聲傳播的平均聲速來推定混凝土強度的方法，其檢測示意如圖2所示。工程上通常采用建立試件中超聲聲速與混凝土抗壓強度相關的統計測強曲線的方法，來實現對混凝土力學性能的檢測和評估。

圖2 混凝土超聲法檢測示意

影響混凝土中超聲聲速測量的因素較多，如試件斷面尺寸溫度和濕度、配筋、骨料、水灰比、齡期、澆搗方向以及內部缺陷等，因此超聲聲速是一個反映其組成情況的綜合性指標，這就要求建立校正曲線時的技術條件盡可能與實際檢測環境接近，以從混凝土材料組分上理解影響聲速測量的原因，從而在實測中加以排除。

目前超聲法中常用的儀器有：美國通用電氣USM-33、瑞士Proceq Pundit Lab+、奧林巴斯OMNISCAN-MX2、汕頭超聲電子股份有限公司CTS-2020、CTS 9006Plus等。

1.2 半破損檢測方法

半破損檢測方法是在結構或構件上直接進行局部破壞性試驗或鉆取芯樣進行破壞性試驗,然后根據試驗值與結構混凝土標準強度的相關關系進行換算，而得到標準強度換算值,并據此推算出結構混凝土強度標準值的推定值或特征強度的方法。半破損方法主要包括鉆芯法、拔出法、拉剝法、折斷法、射釘法等。

(1) 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，從結構混凝土中鉆取芯樣后，對芯樣進行檢測來得到混凝土強度和推測混凝土內部缺陷的方法。該方法的優點是直觀、準確、代表性強，缺點是對構件有局部破損，且價格昂貴。

(2) 拔出法

拔出法是先測定拔出混凝土中預埋錨固件時的極限拔出力，然后根據預先建立的拔出力和混凝土強度間的相關關系，來推定混凝土強度的方法。該方法于20世紀30年代問世，可分為預埋拔出法(以LOK試驗為代表)和后裝拔出法(以CAOP試驗為代表)。

我國在1985年前后開始了對該方法的研究，從最初引進儀器到拔出儀的自主研發成功，取得了不少科研成果，并逐步將其應用于工程質量檢測領域。

1.3 綜合法

混凝土強度是一個多要素的綜合指標，僅采用單一指標是難以全面反映這些要素的。再者混凝土的構造因素對單一指標的影響程度與對強度的影響程度不盡相同，所以可采用綜合法，也就是采用兩種或兩種以上的方法，對試件進行綜合分析以獲取多個物理參數,并建立混凝土強度與這些物理參量的綜合關系,來實現對混凝土強度的多角度綜合評定。現有的綜合法有超聲回彈綜合法、超聲鉆芯綜合法以及聲速衰減系數綜合法等。相較于單一物理量的檢測方法，它能起到取長補短、抵消誤差的作用，從而提高檢測精度與可靠性。

目前，超聲-回彈綜合法是應用得最為成功的綜合法。超聲法測強時，其聲速與混凝土的密實度、均質性及內部缺陷等因素均有密切關系，但其受水泥的品種、養護方法等因素的影響較大；而回彈法測強只能反映混凝土表面的質量情況，不能反映混凝土結構內部缺陷的情況。因此，如果采用超聲-回彈綜合法測強，則可以較全面地測定混凝土的質量。

近年來，超聲鉆芯綜合法、回彈鉆芯綜合法也開始發展起來。破損法檢測混凝土強度具有簡便、快速、經濟等優點，但因影響混凝土強度的因素較多，故推定出的混凝土強度具有一定的離散性，檢測結果的準確性受到影響。而鉆芯法則更直接，但試驗費用高、周期長，且會造成結構局部破損。因此，可將兩種方法結合起來使用，在混凝土結構上鉆取少量芯樣，將其檢測結果與非破損方法的結果進行對比并修正，則可大大提高非破損檢測的效率和精度。

2 混凝土缺陷無損檢測方法

混凝土內部缺陷的非破損檢測方法主要有：超聲法、沖擊回波法、雷達法、紅外成像法等。這些方法通過測定波、射線或熱發射等物質在混凝土介質中的變化規律,來達到判定混凝土內部缺陷的規模、缺陷位置、損傷程度及損傷歷史的目的。當前，這些技術方法發展迅速,己普遍應用于工程實際檢測中，例如檢測混凝土結構內部裂縫、孔洞等缺陷,測定鋼筋位置、直徑及銹蝕狀態,飾面剝離,受凍層深度及混凝土耐久性等。

2.1 超聲法

對結構內部缺陷的無破損探測，目前使用較多的是超聲法。超聲法是指采用帶波形顯示功能的超聲波檢測儀，測量超聲波在混凝土中的傳播速度、信號波幅、頻率等聲學參數，然后根據這些參數與混凝土內部結構的相關關系來測定混凝土中缺陷情況的方法。

超聲法目前主要用于檢測混凝土裂縫深度、不密實區和空洞、混凝土結合面質量、表面損傷層、灌注樁混凝土缺陷及鋼管混凝土缺陷等[4]。

2.2 沖擊回波法

沖擊回波法是20世紀80年代中期發展起來的一種聲波檢測技術，是基于彈性波和物體內部結構相互作用產生共振，由共振頻率來計算混凝土結構厚度、缺陷位置和表面開口裂紋深度的檢測方法。其通過鋼球敲擊混凝土表面，使其內部產生應力脈沖波，應力波在結構內部的傳播過程中遇到缺陷或不連續時，由于介質的聲阻抗率不同，將產生多重反射并引起結構表面微小的位移響應；測試系統接收這種響應并進行快速傅里葉變換即可獲得頻譜圖，通過對頻譜圖的分析，可獲得所測試件的缺陷信息。其檢測原理示意如圖3所示(圖中A為信號幅值，t為信號傳播時間，f為信號頻率) 。

圖3 沖擊回波法檢測原理示意

沖擊回波法可用于探測各類土建混凝土結構的內部缺陷及厚度測量，尤其適合于單面結構。其在國外已大量應用于工程實測，如：探測混凝土結構疏松區，路面、地板的剝離層，預應力張拉管道中灌漿的空洞區，裂縫深度，甚至用于探測耐火磚砌體及混凝土中鋼筋銹蝕產生的膨脹等。

國內1989年南京水利科學研究院成功研制出IES-A型沖擊反射測試系統，并先后通過電力工業部、水利部及交通部鑒定并逐步實現商品化。當今，國內沖擊回波測試儀的研制技術得到了較大的發展，與國際同類先進產品的差距也在不斷縮小。

2.3 雷達法

地質雷達技術是一種高精度、連續無損、經濟快速、圖像直觀的檢測方法。其以微波為傳遞信息的媒介，根據微波的傳播特性來對材料、結構和產品的性質、缺陷進行非破損檢測[5]。其檢測原理為：電磁波從天線發出傳入到混凝土中，電磁波在傳播過程中遇到與混凝土介電常數不同的材料(如混凝土、鋼筋、孔洞)的邊界時發生反射，反射波被混凝土表面的天線接收，根據發射電磁波與反射波返回的時間差與混凝土中微波傳播的速度來確定反射體距表面的距離，從而檢出混凝土內部的鋼筋、缺陷等位置。探地雷達檢測系統機構示意如圖4所示。

圖4 探地雷達檢測系統結構示意

目前，地質雷達已廣泛應用于市政管線檢測，水平及垂直結構(墻、隧道、地質)的完整檢測性，鋼筋、水管位置與走向檢測，孔洞、裂縫等缺陷檢測，結構中掩埋的金屬或非金屬物的探測，公路路面瀝青厚度檢測，隧道襯砌厚度檢測等。目前民用勘察及檢測市場上主流儀器一般包括美國地球物理探測設備公司(GSSI)的SIR系列、加拿大探頭及軟件公司(SSI)的Pulse EKKO系列、瑞典地質公司(SGAB)的RAMAC系列、意大利RIS系列、中國電波傳播研究所LTD系列等。

圖5 紅外成像檢測系統結構示意

2.4 紅外成像法

紅外成像技術的原理是：運用紅外熱像儀探測物體各部分輻射的紅外線能量，獲得根據物體表面溫度場的分布狀況所形成的熱像圖，這種熱像圖可直觀地顯示出材料、結構物及其結合上是否存在缺陷。該方法已成為無損檢測技術的重要分支，其具有的對不同溫度場、廣視域的快速掃測和遙感檢測的功能，是對已有無損檢測技術的極大補充。圖5為紅外成像檢測系統結構示意。

紅外成像法無損檢測技術發展于近十幾年，具有非接觸、效率高、快速、可遠程控制等優點，同時也存在著缺陷定量化解釋，自動化視覺檢測等亟待解決的問題[6]。目前該技術已廣泛應用于金屬、合金、塑料、陶瓷以及其他復合材料的無損檢測中，但在土木工程質量和功能的檢測評估上，尚處于起步階段，諸如：建筑物墻體剝離層檢測、飾面磚粘貼質量大面積安全掃測、玻璃幕墻保溫隔熱性檢測、墻面屋面滲漏檢查、結構混凝土火災受損檢測等。目前常用的紅外熱成像系統大都是通用設備，并非專為土木工程質量檢測而設計。檢測時，由于建材溫差較小，故通常要求儀器具有較高的溫度分辨率。

2.5 射線成像法 射線成像法的檢測原理是：X 射線透照混凝土后, 穿過混凝土中鋼筋或空洞后的強度與穿過混凝土的強度會不同,底片上的黑度也就不同，于是可根據底片上的黑度差來判斷混凝土的質量。以X射線檢測有空洞混凝土試件為例,有空洞的混凝土對應的底片比無空洞混凝土對應的底片要黑。這是因為含有空氣的空洞部位對射線的吸收能力低于不含空洞的部分, 透過空洞部位的射線強度高于無空洞部位,則對應于空洞部位的X 射線感光膠片上將接受較多的射線光粒子, 從而形成黑度較大的空洞影像。X射線檢測混凝土空洞示例如圖6所示。

圖6 X射線檢測混凝土空洞示例

射線成像法無損檢測技術發展于近十幾年，其具有直觀可靠等優點，同時也存在著輻射能量限制及成本較高等亟待解決的問題。目前該技術已經在金屬類材料的無損檢測中廣泛應用，在混凝土結構檢測領域尚處于探索階段，主要應用于預應力索灌漿質量檢測中[7](見圖7)。國內常用儀器設備有丹東華日理學電氣股份有限公司XXG系列等。

圖7 灌漿空洞X射線檢測方法

3 混凝土無損檢測技術應用現狀及存在的問題

近年來，經濟的高速發展為無損檢測技術的進步提供了前所未有的機遇，無損檢測呈現出應用領域廣、方法多樣的特點。工程應用中,混凝土非破損檢測技術主要應用于混凝土力學性能測試和缺陷檢測中，其都與結構安全直接相關。其應用目的包括: 評定結構混凝土質量，包括質量事故處理等；用于施工過程的質量控制；對已有混凝土建(構)筑物的承載力和耐久性進行評定等。同時，混凝土無損檢測技術也存在以下問題：

(1) 規范、規程的局限性。例如常規強度檢測方法對普通混凝土適用，有現成的檢驗參數換算對照表；而對高強混凝土、多組分混凝土等的檢測則不適用。

(2) 隨著現代土木工程新材料、新結構體系的出現，無損檢測技術勢必面臨許多新的挑戰；應用于結構構件的各種型鋼的存在，也必然使檢測參數發生改變。

(3) 規范、規程的缺失限制了很多檢測技術的應用。除了回彈法、超聲法等方法，其他很多檢測方法如單面超聲成像檢測法，還沒有相應的檢測規范。

(4) 射線法直觀可靠，但受輻射能量限制，對大型構件無法檢測，成本較高。

4 結論與展望

為了保障涉及安全、民生的重大工程項目的安全，混凝土無損檢測技術已融入國家總體經濟發展目標。它是一門跨學科綜合性應用技術，只有從理論創新、工程應用、人才培養、設備研制和生產等方面入手，才能確保混凝土無損檢測的持續發展。

(1) 混凝土的無損檢測具有檢測面積大、數據多等特點,一般的逐點檢測難于滿足工程要求，應積極拓展更快速、更可靠的新型檢測技術。

(2) 現場檢測過程中宜采用綜合法，達到多角度綜合評定混凝土質量的目的。同時宜在混凝土耐久性預測、已建混凝土結構損傷程度檢測等新的檢測內容上進行大力開拓和實踐，以對混凝土質量進行更全面的評價。

(3) 隨著信息技術、電子技術的發展，互聯網與新型檢測儀器和檢測技術的結合將更加緊密。傳感器技術、云計算和大數據的出現催生了諸如“綠色無損檢測”、“云檢測”等新概念，傳統的無損檢測方式和管理體系需要與時俱進，數字化、圖像化、實時化已成為混凝土結構工程質量檢測發展的必然趨勢。

[1] 候寶隆，蔣之峰.混凝土的非破損檢測[M].北京:地震出版社,1992.

[2] R.瓊斯(英)，I.弗格瓦洛(羅).混凝土非破損試驗法[M]. 季光澤，錢普殷，陳紀萱，譯.北京:中國建筑工業出版社,1982.

[3] 劉建勛.影響回彈法檢測混凝土強度精確度的主要因素的分析與探討[J].江西建材,2009(1):94-96.

[4] 吳新璇.混凝土無損檢測技術手冊[M].北京:人民交通出版社,2004.

[5] 李大心.探地雷達方法與應用[M].北京:地質出版社,1994.

[6] 梅林，陳自強，王裕文，等.脈沖加熱紅外熱成像無損檢測的有限元模擬及分析[J].西安交通大學學報,2000,34(1):66-70.

[7] 張小瓊，湯春飛，王彥周，等. 預應力索灌漿質量的X射線檢測[J].無損檢測,2011,33(5):63-64，68.

Development and Application of Nondestructive Testing Methods for Concrete

ZHANG Xiao-qiong, WANG Zhan-jun

(Shanghai Tongji Testing Technology Co., Ltd., Shanghai 200092, China)

The concrete is one of the most important materials of modern civil engineering, properties and construction quality of concrete structure are directly related to the safety of concrete structure and construction works. Therefore, strengthening the quality of concrete testing and control, is the essential part to ensure the quality of the building(structure).Based on the strength and defect detection of concrete, firstly the basic principles, and applicable scope of nondestructive testing methods for concrete were expounded. And then the application of various methods was analyzed briefly. At last，the development trend and emerging application of nondestructive testing methods for concrete in the future were prospected.

Concrete; Nondestructive testing; Strength; Defect

2017-03-02

張小瓊(1974-)，男，碩士，高級工程師，主要從事混凝土、鋼結構的無損檢測。

張小瓊，E-mail: 13042108350@163.com。

10.11973/wsjc201704001

TG115.28

A

1000-6656(2017)04-0001-05