無損檢測技術(shù)在混凝土檢測中的應(yīng)用研究

董佳昕 王正君 時廷俊 劉中坤 葉昆河

(黑龍江大學(xué) 寒區(qū)水利工程重點實驗室；黑龍江大學(xué) 水利電力學(xué)院)

0 引言

常見混凝土抗壓強(qiáng)度檢測方法是以實驗室試件破損檢測為主，而無損檢測技術(shù)可以在不破壞混凝土結(jié)構(gòu)的前提下，得到其近似抗壓強(qiáng)度，并且可以在工程施工過程中或者維護(hù)階段檢測構(gòu)件內(nèi)部是否存在混凝土缺陷、微裂紋等，在實際應(yīng)用中優(yōu)勢明顯?；炷翢o損檢測方法眾多，比如表面硬度力學(xué)法（回彈法、貫入阻力法、拔出法）、共振法、超聲法、紅外技術(shù)、沖擊回波法、綜合法、聲發(fā)射等[1]。本文通過對聲發(fā)射技術(shù)、回彈法、超聲脈沖速度技術(shù)三種無損檢測技術(shù)在混凝土中的應(yīng)用進(jìn)行綜述，為檢測技術(shù)的進(jìn)一步應(yīng)用開拓思路。

1 研究背景

1.1 無損檢測技術(shù)介紹

我國現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)《混凝土強(qiáng)度檢測評定》（GBJ107-87）中規(guī)定：“當(dāng)對混凝土試驗強(qiáng)度的代表性有懷疑時，可采用從結(jié)構(gòu)中鉆取試樣的方法或者采用無損的方法，按有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定對結(jié)構(gòu)或構(gòu)件中混凝土的強(qiáng)度進(jìn)行推定。”此處的無損方法是指使用基于電子學(xué)和物理學(xué)為基礎(chǔ)的測試儀器，在不影響結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的力學(xué)性能或其他使用功能的前提下，直接測量試件材料或結(jié)構(gòu)物得到某些適當(dāng)?shù)奈锢砹?，并通過這些物理量與混凝土強(qiáng)度建立相關(guān)性，進(jìn)而推定混凝土的強(qiáng)度、均勻性、連續(xù)性、密實度、缺陷、裂縫或者其他物理力學(xué)性能的一種新型測試方法[2]。

在混凝土結(jié)構(gòu)、路面和金屬檢測等許多工業(yè)應(yīng)用中，無損檢測在識別、檢測內(nèi)部缺陷和裂縫方面發(fā)揮著重要作用。為了判斷外界環(huán)境或施工階段對建筑物造成的影響，混凝土的檢測與評定、推測強(qiáng)度在實際應(yīng)用中至關(guān)重要。在確定結(jié)構(gòu)中混凝土的實際抗壓強(qiáng)度時，取芯部試驗更為常用，但會造成很大的損害，因此推廣無損檢測技術(shù)勢在必行。

混凝土的無損檢測技術(shù)成本比取芯低，檢查面積更大，并且提供比目視檢查更多的信息，可以檢測視線范圍外的隱藏缺陷，如果忽略這些缺陷會危及整體結(jié)構(gòu)的完整性。這種測試不僅提供結(jié)構(gòu)中混凝土的強(qiáng)度和質(zhì)量的估計，而且在測試場所的選擇上也沒有繁瑣要求。近年來，用于評估混凝土強(qiáng)度的無損檢測技術(shù)和方法已日益成熟并在土木工程中廣泛應(yīng)用。

1.2 無損檢測技術(shù)與破損檢測技術(shù)的比較

⑴破壞性測試方法[3]

①破壞性測試通常不方便在現(xiàn)場執(zhí)行；

②無法重新測試相同的材料；

③單個破壞性測試只能測量一種在使用條件下的性能；

④不允許重復(fù)檢查。

⑵無損檢測方法[3]

①原位測試在傳統(tǒng)上被稱為無損測試，執(zhí)行起來簡單快捷，并且節(jié)省人工和材料；

②無損測試的重要特征是允許在相同或幾乎相同的位置重新測試相同的材料，以便可以監(jiān)視材料內(nèi)部性能隨時間變化的情況；

③可以同時或依次應(yīng)用幾種非破壞性測試，每種測試都能精確地針對材料的不同性能；

④非破壞性測試允許在一段時間內(nèi)重復(fù)檢查，從而可以精確地確定構(gòu)件和問題之間的關(guān)系。

破損檢測方法還存在速度慢、費(fèi)用高、材料損害大、方法相對繁瑣的缺點，無損檢測方法較之成本低、速度快、儀器攜帶方便，并且可以提供有關(guān)材料狀況的基本信息。因此，無損檢測技術(shù)不論是從檢測方法的便捷性還是檢測技術(shù)靈敏角度來說，較破損性檢測都更有利。

2 不同無損檢測技術(shù)在混凝土中的應(yīng)用研究

2.1 聲發(fā)射技術(shù)

聲發(fā)射技術(shù)是一種對于多種復(fù)合材料進(jìn)行健康監(jiān)測的技術(shù),利用聲發(fā)射傳感器，可以記錄出現(xiàn)損傷時發(fā)出的所有瞬變波。主要優(yōu)點是在微裂化過程中對釋放的能量高度敏感，可以通過測量聲波到不同位置的傳輸時間來定位損傷的位置。另一個重要優(yōu)點是，有助于描述損傷類型或主要斷裂模式[4]。

宿輝等[5]研究表明聲發(fā)射信號與混凝土內(nèi)部材料結(jié)構(gòu)的破壞程度、抗壓強(qiáng)度隨齡期的變化表現(xiàn)一致。同一等級的混凝土,早齡期的聲發(fā)射參數(shù)信號峰值隨著齡期的增加而后移，峰值后移代表信號幅度上升時間較長，傳輸時間長。

Li等[6]和Bhosale等[7]研究了不同纖維類型和纖維體積分?jǐn)?shù)的纖維混凝土在彎曲試驗中的聲發(fā)射特性，發(fā)現(xiàn)隨著纖維體積分?jǐn)?shù)的增加，纖維混凝土斷裂中的剪切裂縫比例增加。

Xargay等[8]發(fā)現(xiàn)隨著溫度損傷的增加，自密實鋼纖維混凝土的AF（閾值跨越次數(shù)除以每個信號的持續(xù)時間)值減小，RA（波形初始上升部分超過其最大幅度的持續(xù)時間)值增大。大量研究表明，聲發(fā)射參數(shù)與混凝土的裂縫擴(kuò)展度和斷裂機(jī)理有關(guān)。

于江等[9]研究表明聲發(fā)射信號與再生混凝土梁的損傷存在緊密的聯(lián)系，聲發(fā)射參數(shù)具有有效表征材料損傷變化規(guī)律的能力，聲發(fā)射能量隨著應(yīng)力的增長，前期增長迅速，中期增長速度略降低，后期隨著構(gòu)件破壞發(fā)生突變。

2.2 回彈法

混凝土表面硬度力學(xué)法是一種由來已久的原位強(qiáng)度無損檢測方法?；貜椃y試作為混凝土表面硬度力學(xué)法中最常用的一種方法，于20世紀(jì)40年代開始發(fā)展，由于其廉價的測試設(shè)備和相對簡單的使用方法在材料原位測試中應(yīng)用廣泛。這種測試只需要施密特回彈錘，當(dāng)錘子朝柱塞移動時，柱塞先前已經(jīng)與混凝土表面接觸完好，以直角移動，連接在柱塞上的彈簧同時被拉緊。彈簧的能量在柱塞的末端被釋放，校準(zhǔn)的重量被向上推。這個質(zhì)量位移的距離取決于彈簧的反沖能量[10]。

Szilágyi[11]發(fā)現(xiàn)，回彈法的測試標(biāo)準(zhǔn)不允許在潮濕的表面上進(jìn)行測試，在空氣干燥表面上進(jìn)行的測試不確定度小于在潮濕表面上進(jìn)行的測試不確定度。因此需要檢查混凝土表面的不同水分含量，設(shè)定一個濕度上限，以免影響回彈指數(shù)。

Kolek[12]評估了施密特回彈錘試驗的可行性，建議將其用于兩種場合，即預(yù)制工程和現(xiàn)場建筑工地，會更好地發(fā)揮回彈法的作用。Victor[13]研究表明，摻粗石灰石骨料的混凝土的回彈次數(shù)比摻粗礫石骨料的混凝土低7個點，導(dǎo)致混凝土抗壓強(qiáng)度相差7MPa。

趙旭表明[14]回彈法所得強(qiáng)度值低于鉆芯法所得強(qiáng)度值，同時在混凝土強(qiáng)度等級逐步提高條件下，二者差異愈發(fā)明顯。隨齡期的延長，差異隨之縮小。總體來看，基于回彈法所得的強(qiáng)度實測值普遍低于混凝土實體實際強(qiáng)度。

2.3 超聲脈沖速度技術(shù)

超聲脈沖速度測試技術(shù)是一種原位無損探頭技術(shù)，通過穿過混凝土結(jié)構(gòu)的壓縮脈沖速度來得到混凝土的強(qiáng)度和質(zhì)量。其原理是超聲波通過破損以最短距離傳遞，混凝土越密實，傳播速度越快。較高的速度表明混凝土的均勻性和相對質(zhì)量，而較低的速度可能表示混凝土有裂縫或空洞[15]。

Naniz O A等[16]研究混凝土中摻入不同材料的影響，對不同摻量的膠體納米硅和微硅的混合物進(jìn)行超聲波脈沖速度測試，在第28天測試結(jié)果表明，脈沖速度越高，檢測標(biāo)本的孔隙性就越低。

熊奧運(yùn)等[17]研究超聲檢測時被測物表面干擾的影響因素得出，超聲法在混凝土面上進(jìn)行檢測時，由于其表面浮漿多，顆粒比表面積大小不一，上面砂漿較多，石子含量較少，測得聲速較低。

Valluzzi等[18]評估了超聲波脈沖速度檢測不均勻砌體面板的可靠性。結(jié)果表明，聲波測試在檢測內(nèi)墻材料的大密度變化方面非常有效。高小宇等人[19]對聲波衰減幅度進(jìn)行研究得出，衰減對不同的損傷水平相當(dāng)敏感，隨著荷載的增加，損傷明顯增加。

Acebes等[20]考察了鋼纖維對纖維混凝土超聲脈沖速度的影響，將微觀力學(xué)與聲速概念相結(jié)合，考慮了毛細(xì)氣孔率、孔隙率的影響，發(fā)現(xiàn)聲速隨鋼材體積分?jǐn)?shù)的增加而減小，聲速與強(qiáng)度之間的關(guān)系需要進(jìn)一步試驗測得。

3 結(jié)論

綜合論述了聲發(fā)射技術(shù)、回彈法、超聲脈沖技術(shù)等無損檢測技術(shù)在混凝土檢測中的應(yīng)用，得出如下結(jié)論：

⑴聲發(fā)射技術(shù)可以透過混凝土進(jìn)行無損檢測，檢測內(nèi)部損傷位置和裂縫變化等特征。

⑵回彈法可以通過回彈次數(shù)表示抗壓強(qiáng)度的大小，回彈指數(shù)受周圍環(huán)境影響依據(jù)現(xiàn)場情況而定。

⑶超聲脈沖技術(shù)可以推定混凝土內(nèi)部孔隙大小、聲速快慢的特性，通過聲速的快慢和聲波的幅度來檢測混凝土的性能。

相比破損檢測方法，無損檢測方法在檢測混凝土性能方面更具優(yōu)勢，具有速度快、成本低等特點。但是超聲波較為敏感，檢測時需要注意，在檢測試件表面涂抹耦合劑時要均勻涂抹，避免超聲儀器與試件之間出現(xiàn)孔隙而影響結(jié)果。但利大于弊，未來無損檢測技術(shù)將在建筑材料檢測與評定方面占據(jù)主導(dǎo)地位。