土木工程中的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)及其應(yīng)用探析

楊 慶 葉子明 張 健

（柳州工學(xué)院 廣西·柳州 545000）

0 引言

無(wú)損檢測(cè)技術(shù)作為土木工程必不可少的應(yīng)用手段在施工的各個(gè)環(huán)節(jié)都具有用武之地，對(duì)提高建筑施工質(zhì)量有積極的幫助作用，有利于規(guī)避施工過(guò)程中的風(fēng)險(xiǎn)，避免安全事故發(fā)生。同時(shí)有利于提高施工材料的利用率，減少不必要的浪費(fèi)，為施工單位帶來(lái)更多的經(jīng)濟(jì)效益。

1 土木工程中常見(jiàn)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)

1.1 直接測(cè)量技術(shù)

直接測(cè)量技術(shù)顧名思義是對(duì)物理量進(jìn)行直接測(cè)量，是最早的傳統(tǒng)測(cè)量技術(shù)，具有簡(jiǎn)單有效的特點(diǎn)，能夠利用測(cè)量結(jié)果推算確定的情況。直接測(cè)量技術(shù)不能應(yīng)用在所有檢測(cè)方面，但有些情況利用該技術(shù)卻是最高效的。例如：含水率的檢測(cè)，可以對(duì)取土木工程中的混凝土進(jìn)行稱重，烘干水分后進(jìn)行二次稱重，利用二者之間的差量可以通過(guò)計(jì)算得出含水率。該項(xiàng)技術(shù)雖然從可行性來(lái)看不拘泥于實(shí)驗(yàn)室，所取用的混凝土樣本對(duì)建筑物本身而言的損壞微乎其微，可以應(yīng)用在土木工程中。利用直接測(cè)量技術(shù)得到的含水率雖然在精度上相較于其他技術(shù)有一定差距，但簡(jiǎn)單、便捷、易操作，且成本低。其次，電化學(xué)檢測(cè)也是直接檢測(cè)技術(shù)的一部分，可以用來(lái)檢測(cè)鋼筋腐蝕的速度。具體方式是在被檢測(cè)物上安裝電極，進(jìn)而測(cè)量電流經(jīng)過(guò)該物體時(shí)的大小，通過(guò)公式計(jì)算得出相應(yīng)結(jié)果。電化學(xué)檢測(cè)技術(shù)的缺點(diǎn)在于干擾因素較多，檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確率較低。

1.2 負(fù)荷響應(yīng)技術(shù)

負(fù)荷響應(yīng)技術(shù)指的是被檢測(cè)物受到載荷作用后的響應(yīng)。在應(yīng)用的過(guò)程中需要注意負(fù)荷不應(yīng)過(guò)大，以免使被檢測(cè)物遭到破壞。負(fù)荷響應(yīng)技術(shù)在振動(dòng)分析方面應(yīng)用最常見(jiàn)。建筑物的振動(dòng)頻率是衡量建筑質(zhì)量的關(guān)鍵，多重因素共同作用下形成了建筑物的振動(dòng)，主要由材料、結(jié)構(gòu)、剛度等決定，同時(shí)受風(fēng)力的影響。干擾因素作用在建筑物上通常是持續(xù)、不規(guī)律的，能夠造成幾乎所有的本征振動(dòng)。檢測(cè)建筑物的固有振動(dòng)可以通過(guò)測(cè)量建筑物的振動(dòng)情況，進(jìn)而進(jìn)行計(jì)算與分析。將實(shí)際測(cè)得的振動(dòng)率與設(shè)計(jì)中的預(yù)期值相比較，能夠分析出建筑物是否符合宏觀預(yù)期以及找出存在的缺陷。負(fù)荷響應(yīng)技術(shù)普遍用于固有振動(dòng)頻率檢測(cè)，其中激光干涉遙測(cè)本征振動(dòng)是目前應(yīng)用最為廣泛的技術(shù)之一。在土木工程實(shí)際施工中，建筑物情況各不相同，體積或大或小、結(jié)構(gòu)復(fù)雜多變、施工材料不同，又或者振動(dòng)頻率較小，頻譜比較復(fù)雜，從而影響到實(shí)際檢測(cè)結(jié)果。由此可以看出負(fù)荷響應(yīng)技術(shù)在應(yīng)用的過(guò)程中易受到外界因素的干擾，提取振動(dòng)頻率時(shí)有一定難度。因此，相關(guān)技術(shù)人員在檢測(cè)時(shí)可以使用計(jì)算機(jī)和數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)，提高數(shù)值的準(zhǔn)確率，利用計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)處理技術(shù)提高振動(dòng)分析效率。

1.3 應(yīng)用探測(cè)媒介技術(shù)

1.3.1 沖擊回波技術(shù)

沖擊回波技術(shù)用于測(cè)量結(jié)構(gòu)在沖擊荷載作用下的響應(yīng)。具體實(shí)施方式是選取建筑物樣品，使用小錘子等工具進(jìn)行敲打，使其產(chǎn)生聲音，利用相應(yīng)的聲音傳感器接受信號(hào)，通過(guò)儀器對(duì)聲波頻率改變情況進(jìn)行分析可以檢測(cè)出樣品是否存在異常與缺陷。為有效提高數(shù)字信號(hào)的處理能力，技術(shù)人員可以利用基于FFT技術(shù)的分析儀，分析回波頻率增強(qiáng)準(zhǔn)確性。沖擊回波技術(shù)主要應(yīng)用與孔、裂紋和分層的檢測(cè)和定位。該項(xiàng)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于將空氣作為聲波傳遞的介質(zhì)，對(duì)被測(cè)建筑物體本身要求較低，及時(shí)被測(cè)物表面粗糙，不整齊也可以應(yīng)用。但同時(shí)存在缺點(diǎn)，該項(xiàng)技術(shù)的靈敏度不甚理想，分辨效果也較差，在檢測(cè)速度上也落后于其他技術(shù)，需要相關(guān)技術(shù)開(kāi)發(fā)人員不斷對(duì)檢測(cè)裝置進(jìn)行改善以滿足更高的檢測(cè)需求。

1.3.2 超聲脈沖回波技術(shù)

超聲脈沖回波技術(shù)利用壓電換能器PZT產(chǎn)生和接收超聲波的形式對(duì)土木工程建筑進(jìn)行檢測(cè)。分析聲學(xué)規(guī)律可以得出聲量受物體的機(jī)械量影響。由于建筑物體的體積大小、施工材料不同導(dǎo)致的不同密度、硬度等，超聲波聲速大小不一，其傳播時(shí)間與聲速、距離等因素又直接影響到聲波的傳播時(shí)間，其衰減程度取決于，而頻譜、介質(zhì)主要成分的變化決定了聲波的衰減程度。因此超聲脈沖回波技術(shù)被廣泛用于缺陷檢測(cè)和定位工程中。雖然該技術(shù)的優(yōu)勢(shì)作用明顯，但也存在一些問(wèn)題，例如建筑物中的混凝土超聲吸收與散射超聲波聚合的問(wèn)題尚未解決，對(duì)應(yīng)用造成了一定的影響。在分析大量數(shù)據(jù)與實(shí)踐中可以得出，將超聲功率進(jìn)行提高能有效緩解存在的問(wèn)題，利用超高功率超聲束經(jīng)過(guò)空氣后穿透磚塊上方，這種解決方式對(duì)功率要求較高，必須使用超大功率的換能器才能夠?qū)崿F(xiàn)，此外，高效的信號(hào)處理技術(shù)和準(zhǔn)確的顯示技術(shù)也是解決這類問(wèn)題必不可少的方式。

2 土木工程中的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用

2.1 檢測(cè)裂縫和材料強(qiáng)度

2.1.1 檢測(cè)裂縫

針對(duì)建筑的裂縫檢測(cè)主要分為裂縫的走向、裂縫的穩(wěn)定性、裂縫的數(shù)量、裂縫的長(zhǎng)與寬、以及裂縫的位置。其中裂縫的數(shù)量、走向和位置在一般情況下能夠通過(guò)目測(cè)直接分析出，也可以利用圖像處理技術(shù)，如照相機(jī)、攝像機(jī)等進(jìn)行拍攝，方便進(jìn)行記錄和后期查看。同時(shí)對(duì)建筑裂縫需要進(jìn)行長(zhǎng)期的跟蹤監(jiān)測(cè)，注意活動(dòng)性裂縫的變化程度。可以利用石膏低抗拉力的特性，選取一塊大約10毫米的石膏餅粘貼在裂縫處，需要緊密粘貼，當(dāng)裂縫產(chǎn)生細(xì)微變化使通過(guò)觀察石膏便可以分析出變化情況。此外，還可以使用弓形引伸儀和接觸式引伸儀，將其放在裂縫處進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)合千分表和百分表進(jìn)行相關(guān)檢測(cè)與記錄。為更好掌握建筑物裂縫情況，在檢測(cè)過(guò)程中應(yīng)將不同時(shí)間段內(nèi)裂縫長(zhǎng)度與寬度加以標(biāo)志，根據(jù)裂縫端頭的變化和時(shí)間分析裂縫變化情況并采取相應(yīng)措施。

檢測(cè)混凝土表面裂縫時(shí)主要檢測(cè)裂縫的數(shù)量、分布狀態(tài)和位置，以及裂縫的深度、長(zhǎng)度和寬度，還包括縫隙的形狀。裂縫的形狀包括兩頭窄中間寬、八字形、網(wǎng)形、集中寬縫形、上窄下寬形、下窄上寬形等。此外，還應(yīng)檢測(cè)裂縫的基本走向，如沿鋼筋方向、斜向和縱向等，觀察分析發(fā)展的現(xiàn)象。同時(shí)檢測(cè)有無(wú)貫通的裂縫，析出物質(zhì)有無(wú)脫落與混凝土中。使用的檢測(cè)工具及技術(shù)主要包括測(cè)量長(zhǎng)度的直尺、鋼尺，測(cè)量寬度的放大鏡、檢驗(yàn)卡、塞尺等，測(cè)量深度的超聲脈沖法，需具體情況具體分析，根據(jù)實(shí)情靈活選用不同檢測(cè)手段。

2.1.2 檢測(cè)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)是建筑物的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，對(duì)其進(jìn)行的檢測(cè)主要包含鋼筋的位置、混凝土的強(qiáng)度、混凝土內(nèi)部缺陷和裂縫等缺陷。該檢測(cè)以現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)為檢測(cè)對(duì)象，大多數(shù)情況是在施工現(xiàn)場(chǎng)完成，這也在一定程度上增加了檢測(cè)的難度。現(xiàn)階段的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)檢測(cè)技術(shù)正在不斷完善與進(jìn)步，檢測(cè)設(shè)備與方式更加多樣化，能夠滿足不同的檢測(cè)需求。對(duì)鋼筋混凝土進(jìn)行檢測(cè)可以得到鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)質(zhì)量的有效結(jié)果，進(jìn)而保障施工質(zhì)量。

2.2 檢測(cè)混凝土非破損強(qiáng)度

檢測(cè)混凝土非破損強(qiáng)度可以應(yīng)用回彈法。回彈法在混凝土非破損強(qiáng)度檢測(cè)中多有應(yīng)用，由于混凝土抗壓強(qiáng)度和混凝土表面的硬度存在一定的關(guān)系，因此借助這一原理實(shí)施檢測(cè)。檢測(cè)中需要使用到回彈儀，目前在檢測(cè)建筑物結(jié)構(gòu)的過(guò)程中，中型回彈儀的應(yīng)用較為廣泛，根據(jù)混凝土表面的回彈度可以得知其表面硬度，進(jìn)而得出混凝土的抗壓強(qiáng)度。需要注意的是在使用過(guò)程中應(yīng)嚴(yán)格遵循相關(guān)技術(shù)規(guī)定，規(guī)范操作，以提高檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確性。

其次可以應(yīng)用超聲波脈沖技術(shù)。超聲波脈沖技術(shù)可以應(yīng)用于大量相同混凝土的建筑物檢測(cè)中，進(jìn)行混凝土的強(qiáng)度測(cè)試。超聲波在混凝土中的傳播速度快，可以有效反應(yīng)混凝土的性質(zhì)，具有高效、快速的優(yōu)勢(shì)。從理論上來(lái)看聲音傳播速度和混凝土強(qiáng)度之間的關(guān)系可以通過(guò)強(qiáng)度和應(yīng)變性質(zhì)的關(guān)系理論進(jìn)行推論，但在現(xiàn)實(shí)中這一推論的準(zhǔn)確性是存在偏差的。究其原因是不同施工材料的干擾因素所造成的，在一定程度上影響了二者之間的關(guān)系，影響到推論結(jié)果。因此在檢測(cè)過(guò)程中，應(yīng)將這些因素考慮在內(nèi)，可以建立混凝土抗壓強(qiáng)度和聲速之間的曲線關(guān)系圖，從而更加直觀的進(jìn)行分析推論，對(duì)混凝土強(qiáng)度進(jìn)行等級(jí)劃分。針對(duì)一些特殊情況，如自然災(zāi)害、施工不當(dāng)、應(yīng)用環(huán)境等影響了鋼筋混凝土與混凝土的結(jié)構(gòu)，甚至出現(xiàn)裂縫、空洞、蜂窩麻面等問(wèn)題，嚴(yán)重影響建筑物的耐久性與承載力。需要相關(guān)技術(shù)人員及時(shí)采取科學(xué)合理的檢測(cè)方法進(jìn)行評(píng)估，有針對(duì)性的采取補(bǔ)救措施。

2.3 檢測(cè)鋼筋布置及銹蝕

混凝土中鋼筋分布、保護(hù)層厚度，以及銹蝕情況對(duì)結(jié)構(gòu)的承載力以及耐久性有很大影響。受施工質(zhì)量及環(huán)境條件的影響，工程中鋼筋保護(hù)層厚度不夠、直徑不足及鋼筋過(guò)早銹蝕都會(huì)影響工程質(zhì)量及壽命。

鋼筋位置的檢測(cè)一般是在構(gòu)件上進(jìn)行，包括對(duì)鋼筋的數(shù)量、保護(hù)層厚度、鋼筋的位置、銹蝕程度等。其中，淺層鋼筋的位置、直徑和保護(hù)層厚度可用電磁感應(yīng)法，深層鋼筋的位置、分布可用雷達(dá)法，而鋼筋銹蝕程度的檢測(cè)可用半電池電位法。

用電磁感應(yīng)法檢測(cè)鋼筋布置時(shí)，儀器探頭產(chǎn)生一個(gè)電磁場(chǎng)。當(dāng)某條鋼筋或其他金屬物位于這個(gè)電磁場(chǎng)內(nèi)時(shí)，會(huì)引起這個(gè)電磁場(chǎng)磁力線的改變，造成局部電磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化。電磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化和金屬物大小與探頭距離存在一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系。如果把特定尺寸的鋼筋和所要調(diào)查的材料進(jìn)行適當(dāng)標(biāo)定，通過(guò)探頭測(cè)量并由儀表主機(jī)進(jìn)行技術(shù)處理顯示岀來(lái)這種對(duì)應(yīng)關(guān)系，即可估測(cè)混凝土中鋼筋位置、深度、尺寸，明確鋼筋位置。測(cè)試方法對(duì)比見(jiàn)下表。

表1：混凝土鋼筋布置及銹蝕測(cè)試方法對(duì)比

3 總結(jié)

隨著生產(chǎn)力的提高與科技進(jìn)步，土木工程中的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)有了新的提高與補(bǔ)充，對(duì)建筑物的質(zhì)量與安全有了更好的保障。目前在土木工程中常見(jiàn)的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)主要有直接測(cè)量技術(shù)、負(fù)荷響應(yīng)技術(shù)、沖擊回波技術(shù)、超聲脈沖回波技術(shù)，被廣泛應(yīng)用與各項(xiàng)檢測(cè)工作中，如檢測(cè)裂縫、檢測(cè)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、檢測(cè)混凝土非破損強(qiáng)度、檢測(cè)鋼筋位置等，有效提高了無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的效率與準(zhǔn)確性。