建筑工程結(jié)構(gòu)混凝土檢測方法的選擇與分析

王 曉 堂

(中國水利水電第五工程局有限公司,四川 成都 610066)

1 概 述

結(jié)構(gòu)混凝土又稱混凝土結(jié)構(gòu),是以混凝土為主體,與鋼筋、預(yù)應(yīng)力鋼絞線、鋼管等一種或多種材料共同形成的一個結(jié)構(gòu)物,其各自發(fā)揮著自身材料具有的優(yōu)點,形成一個集多種材料優(yōu)點于一身的結(jié)合體。 結(jié)構(gòu)混凝土雖然能夠發(fā)揮各自材料具有的優(yōu)點,但各種材料畢竟存在自身的特點和性能,在結(jié)構(gòu)混凝土形成過程中難免會出現(xiàn)一些質(zhì)量缺陷或問題。對于這些質(zhì)量缺陷或問題,如何通過檢測技術(shù)去發(fā)現(xiàn),就需要從事檢測技術(shù)的專業(yè)人員進(jìn)行專業(yè)檢測和數(shù)據(jù)分析,從而為工程建設(shè)處置方案的制定提出寶貴的意見。

由我公司承建的成都市XX教育培訓(xùn)基地項目規(guī)劃總建筑面積為240 822.82 m2,一期總建筑面積為96 723.62 m2,地上面積為75 174.35 m2,地下面積為21 549.27 m2,共規(guī)劃有教育科研樓、培訓(xùn)及會議中心、學(xué)員公寓、試驗實訓(xùn)檢測樓、學(xué)生公寓、活動中心和看臺、學(xué)員公寓、教育科研樓和會議中心,整體設(shè)置1層地下室,埋深約6.1 m,作為機(jī)動車庫、設(shè)備用房及人防工程使用。

在工程主體即將完工時,項目部受業(yè)主管理部門要求對該項目已完成的結(jié)構(gòu)混凝土進(jìn)行了一次全面排查,按照結(jié)構(gòu)混凝土的特點選擇了合適的檢測方法,開展了結(jié)構(gòu)混凝土的質(zhì)量檢測工作。

2 常用的結(jié)構(gòu)混凝土無損檢測方法和原理

2.1 采用回彈法檢測結(jié)構(gòu)混凝土的抗壓強度

回彈法是利用回彈儀測量混凝土表面被彈擊后的反彈程度來間接評估結(jié)構(gòu)混凝土抗壓強度的一種方法。其原理是根據(jù)混凝土表面的反彈程度推算出混凝土的抗壓強度。采用回彈儀在混凝土表面施加標(biāo)準(zhǔn)沖擊力,并用一個彈性指針或傳感器測量混凝土的反彈程度,根據(jù)其反彈程度與混凝土強度的經(jīng)驗關(guān)系推算出混凝土的抗壓強度。

2.2 采用超聲波法檢測結(jié)構(gòu)混凝土的抗壓強度

超聲波法是利用超聲波的傳播特性來評估混凝土結(jié)構(gòu)強度的一種方法。其原理是通過將超聲波傳入混凝土中,根據(jù)超聲波在混凝土內(nèi)部的傳播速度和衰減情況推斷混凝土的強度?；炷翉姸扰c超聲波的傳播速度和衰減情況之間存在一定的經(jīng)驗關(guān)系,通過測量超聲波的傳播時間和衰減程度可以推算出混凝土的抗壓強度。

2.3 采用超聲波法測定結(jié)構(gòu)混凝土的內(nèi)部缺陷

超聲波法通過向混凝土結(jié)構(gòu)發(fā)送超聲波信號并接收反射回來的信號用以評估混凝土內(nèi)部的缺陷情況。其原理是利用超聲波在不同介質(zhì)中傳播速度不同的特性。超聲波在混凝土中的傳播速度會受到混凝土密實度、裂縫、空洞等缺陷的影響,當(dāng)超聲波遇到某種缺陷時,一部分能量會被反射回來,通過測量反射信號的傳播時間、幅度和頻率等參數(shù),可以確定混凝土內(nèi)部的缺陷位置和性質(zhì)。進(jìn)行裂縫深度測試時,其換能器探頭應(yīng)與混凝土表面接觸良好[1]。

2.4 采用地質(zhì)雷達(dá)法測定結(jié)構(gòu)混凝土的內(nèi)部缺陷

地質(zhì)雷達(dá)法利用電磁波在地下傳播的特性,通過發(fā)送和接收電磁波信號用以檢測混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部的缺陷。其原理是利用電磁波在不同介質(zhì)中傳播速度和衰減情況的差異。當(dāng)電磁波遇到混凝土內(nèi)部缺陷時,一部分能量會被反射回來或被吸收,通過測量反射信號和傳播路徑的特征,分析信號的時間、幅度和頻率等參數(shù),即可獲取混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部的信息,進(jìn)而確定出混凝土內(nèi)部缺陷的位置和形態(tài)。

2.5 采用電磁感應(yīng)法檢測結(jié)構(gòu)混凝土內(nèi)的鋼筋

電磁感應(yīng)法系利用電磁場與金屬導(dǎo)體(鋼筋)之間的相互作用用以檢測鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋是否存在。其原理是當(dāng)電磁場施加在混凝土結(jié)構(gòu)上時,如果其存在鋼筋,鋼筋將會引起電磁場的擾動,進(jìn)而產(chǎn)生感應(yīng)電流。通過測量這些感應(yīng)電流的大小或變化,即可以推斷出鋼筋的數(shù)量、直徑、位置等信息。

2.6 采用電化學(xué)法檢測結(jié)構(gòu)混凝土內(nèi)鋼筋的銹蝕情況

電化學(xué)法是利用電化學(xué)原理測量鋼筋的銹蝕情況和鋼筋保護(hù)層的厚度。因為混凝土中鋼筋的銹蝕是一個電化學(xué)過程,而電化學(xué)測量是反映其本質(zhì)過程的有力手段[2]。其原理是在混凝土表面插入電極,通過測量電極電位或電流變化用以評估鋼筋銹蝕的狀態(tài);鋼筋銹蝕時會引起電化學(xué)反應(yīng)而產(chǎn)生特定的電流和電位變化,技術(shù)人員可以通過變化的電流和電位推算出鋼筋目前的銹蝕狀況,以便對被檢測結(jié)構(gòu)物進(jìn)行維護(hù)與保養(yǎng)。

3 無損檢測方法的選擇與分析

3.1 結(jié)構(gòu)混凝土的抗壓強度

混凝土抗壓強度是指在混凝土單位面積上所能承受的最大壓力。通常是在混凝土施工過程中通過抽取標(biāo)準(zhǔn)立方體試件的方式進(jìn)行混凝土抗壓強度測試。而結(jié)構(gòu)混凝土成型后難以通過采用普通混凝土的抽樣方式進(jìn)行抗壓強度試驗。如果必須采取現(xiàn)場取樣的方法則可能會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)混凝土的完整性、受力狀態(tài)、耐久性等方面受到影響。針對這種情況,無損檢測方法的出現(xiàn)就能夠很好地解決這個問題。

結(jié)構(gòu)混凝土的抗壓強度可以通過回彈法和超聲波法進(jìn)行測試。目前最常用的方法是回彈法,其具有的所采用的設(shè)備體積小、檢測方法簡單、成本較低、適用范圍廣等特點深受行業(yè)青睞。但隨著回彈法的普及與推廣使用,在一些結(jié)構(gòu)混凝土檢測中存在爭議,業(yè)界普遍認(rèn)為:回彈法檢測的主要是混凝土結(jié)構(gòu)的表層抗壓強度,其系根據(jù)混凝土表層 (1～3 mm) 的質(zhì)量對混凝土的整體質(zhì)量進(jìn)行評估[3],其不能夠代表結(jié)構(gòu)內(nèi)部的混凝土抗壓強度值;同時,在混凝土類型、檢測位置的選擇、結(jié)構(gòu)面是否被處理等方面也存在爭議,導(dǎo)致采用回彈法檢測結(jié)構(gòu)混凝土的抗壓強度不被認(rèn)可的情況愈發(fā)突出。

采用超聲波法能夠較好地穿過整個結(jié)構(gòu)物檢測結(jié)構(gòu)混凝土的抗壓強度,其檢測結(jié)果能夠代表整個結(jié)構(gòu)物的抗壓強度,適用范圍較廣、被認(rèn)可度較高。超聲波發(fā)射后在混凝土結(jié)構(gòu)或材料內(nèi)部傳播后被換能器接收,可以通過專業(yè)設(shè)備或軟件分析所采集到的超聲波信號的振幅、頻率、波形以及聲時等推斷混凝土結(jié)構(gòu)的抗壓強度及內(nèi)部缺陷;但其存在設(shè)備操作復(fù)雜、檢測過程影響因素多、專業(yè)性強等因素在實際應(yīng)用中沒有獲得普及應(yīng)用;只有在一些嚴(yán)要求或具有較大爭議的情況下才會選擇采用超聲波法進(jìn)行結(jié)構(gòu)混凝土抗壓強度的檢測。

項目部技術(shù)人員通過分析現(xiàn)場結(jié)構(gòu)混凝土的實際施工情況,結(jié)合結(jié)構(gòu)混凝土澆筑成型時間較短以及對兩種方法的理論及應(yīng)用進(jìn)行對比后,該項目最終決定采用回彈法測試結(jié)構(gòu)混凝土的抗壓強度并進(jìn)行質(zhì)量評定,在有爭議時采用超聲波法進(jìn)行補測評定。

3.2 混凝土內(nèi)部缺陷

混凝土內(nèi)部缺陷的種類較多,如裂縫、夾渣、空洞、不密實等,而在混凝土澆筑完成后最容易形成的缺限是裂縫。由于裂縫的深度、寬度不同,所采取的檢測方法也不盡相同。鑒于夾渣、空洞、不密實直接影響到混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性和安全性,故在其質(zhì)量檢測過程中也需要重點關(guān)注。

超聲波法適用于毫米級的裂縫檢測。超聲波在穿透混凝土結(jié)構(gòu)裂縫過程中由于反射時間的不同可以分析出裂縫的深度,同時配合一些簡單的寬度測量工具,如裂縫卡尺、塞尺、放大鏡等可以直接測量出毫米級的裂縫在結(jié)構(gòu)混凝土中的分布情況,其檢測結(jié)果直觀,可以生成圖像或剖面圖,便于分析和評估;由于超聲波的衰減速度較快,其測量深度一般在100 cm以內(nèi)。鑒于檢測結(jié)果受混凝土密實度、含水量等因素的影響其可能會導(dǎo)致測量結(jié)果出現(xiàn)波動,因此需要采用專用的超聲波設(shè)備和專業(yè)技術(shù)人員進(jìn)行操作和數(shù)據(jù)解讀,然后具體判斷缺陷的分布、數(shù)量和缺陷的類型,因此其在小構(gòu)件混凝土裂縫檢測中的應(yīng)用較為廣泛。

地質(zhì)雷達(dá)法適用于厘米級的裂縫檢測。地質(zhì)雷達(dá)發(fā)射的高頻電磁波能夠有效穿透較厚的混凝土結(jié)構(gòu),通過電磁波在不同介質(zhì)中的反射判斷裂縫所處的位置及寬度,同時,電磁波在檢測混凝土結(jié)構(gòu)質(zhì)量過程中,通過不同介質(zhì)中反射的電磁波波形推斷出混凝土結(jié)構(gòu)中的空洞、夾渣、不密實等情況,經(jīng)過專業(yè)分析軟件進(jìn)行分析即可達(dá)到一次檢測得到多種檢測成果的作用;采用地質(zhì)雷達(dá)法檢測混凝土結(jié)構(gòu)的速度快、效率高,探測深度可以達(dá)到2 m以上,是目前對混凝土結(jié)構(gòu)質(zhì)量較為常用的無損檢測手段。由于受地質(zhì)雷達(dá)設(shè)備成本高、檢測專業(yè)性強、金屬構(gòu)件對電磁波信號的屏蔽影響等因素,其在一些較小的工程及混凝土結(jié)構(gòu)中金屬構(gòu)件較為密集的地方很難得到應(yīng)用。

鑒于該項目地下室底板混凝土厚度達(dá)到0.8 m以上,項目部最終決定采用地質(zhì)雷達(dá)進(jìn)行底板缺陷檢測;而對于其他厚度較小的板、墻、柱、梁等結(jié)構(gòu)則采用超聲波法進(jìn)行缺陷檢測。

3.3 結(jié)構(gòu)混凝土鋼筋的布局

對于結(jié)構(gòu)混凝土,目前采用最多的形式是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。鋼筋在該結(jié)構(gòu)中主要承受拉應(yīng)力,混凝土承受壓應(yīng)力,通過鋼筋混凝土共同發(fā)揮其各自的長處形成良好的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。因此,鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋分布就顯得尤為重要。在工程施工過程中,由于不良承包單位對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋采取間距加大、少用鋼筋等方式降低了結(jié)構(gòu)質(zhì)量,若要驗證這些鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋分布情況、降低檢測過程對結(jié)構(gòu)的影響,一般采用無損檢測方法。

采用電磁感應(yīng)法檢測結(jié)構(gòu)混凝土中鋼筋的分布情況是目前最常用的方法。通過鋼筋會對電磁波產(chǎn)生屏蔽作用的特性,可以快速、大范圍地檢測鋼筋數(shù)量,提供鋼筋分布的圖像或剖面圖,能夠直接、清晰地了解鋼筋的混凝土保護(hù)層厚度。采用電磁感應(yīng)法檢測鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋,由于電磁波的功率小,穿透力有限,其檢測深度一般小于50 cm,故其難以對較深的結(jié)構(gòu)進(jìn)行鋼筋分布質(zhì)量檢測,且因受混凝土密實度、鋼筋直徑和間距、混凝土含水量等因素的影響,可能會引起一定的誤差。電磁感應(yīng)法用于檢測鋼筋數(shù)量僅為一種估測方法,其不同于精確測量方法(如鉆孔取芯)。該方法適用于快速的初步評估和結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測,而對于精確計算鋼筋數(shù)量的需要,可能需要結(jié)合其他精確測量方法進(jìn)行驗證。在實際應(yīng)用中,應(yīng)當(dāng)根據(jù)具體情況和需求綜合多種方法進(jìn)行鋼筋數(shù)量的評估。

地質(zhì)雷達(dá)法也是檢測結(jié)構(gòu)混凝土中鋼筋分布情況的方法之一。由于鋼筋會對電磁波產(chǎn)生低阻屏蔽作用[4],在其應(yīng)用過程中能夠定位混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋并獲取其深度、直徑、排列方式等信息,幫助技術(shù)人員進(jìn)行結(jié)構(gòu)安全評估和維護(hù);鑒于地質(zhì)雷達(dá)產(chǎn)生的高頻率電磁波穿透結(jié)構(gòu)混凝土的能力較強,適用于對深度50 cm以上的鋼筋分布情況進(jìn)行檢測,隨著檢測深度的增加,鋼筋間距、直徑的大小也直接影響到探測效果。另外,鋼筋混凝土可能存在多層鋼筋結(jié)構(gòu),當(dāng)電磁波穿透兩層及以上鋼筋網(wǎng)結(jié)構(gòu)時,容易在鋼筋網(wǎng)間引起電磁波多次反射,這種反射有可能在界面與鋼筋網(wǎng)中產(chǎn)生[5],對鋼筋的數(shù)量及分布更加難以判別。

鑒于該項目結(jié)構(gòu)混凝土的鋼筋保護(hù)層厚度均在100 mm以內(nèi),因此最終決定采用電磁感應(yīng)法進(jìn)行鋼筋布局及混凝土保護(hù)層厚度的檢測;對于有爭議的地方,輔以局部或小面積破損進(jìn)行驗證檢測。

3.4 結(jié)構(gòu)混凝土鋼筋的銹蝕情況

結(jié)構(gòu)混凝土由于長期受氣候、工作環(huán)境等因素影響,其內(nèi)部的鋼筋可能產(chǎn)生銹蝕情況,需要對鋼筋的銹蝕情況進(jìn)行充分評估,以供對整體結(jié)構(gòu)的使用年限進(jìn)行分析。

電化學(xué)法是檢測結(jié)構(gòu)混凝土中鋼筋銹蝕狀況的重要方法之一,具有現(xiàn)場檢測速度快、靈敏度高、可在原位連續(xù)跟蹤測量、經(jīng)濟(jì)環(huán)保等優(yōu)點,可以在不損壞混凝土結(jié)構(gòu)的前提下進(jìn)行檢測,其測試精度相對較高,能夠檢測到較淺的銹蝕,結(jié)合工況狀態(tài)能夠定量評估鋼筋的腐蝕程度和混凝土保護(hù)層的厚度。但其受環(huán)境溫度、濕度、鹽度等因素的影響可能會引起一定的誤差,對于較深層的銹蝕和保護(hù)層厚度其檢測能力有限,檢測過程相對復(fù)雜,需要由掌握專業(yè)技術(shù)的人員進(jìn)行操作和數(shù)據(jù)解讀。

鑒于該項目結(jié)構(gòu)混凝土的施工時間不足1 a,考慮實際工況,暫不需要開展鋼筋銹蝕情況檢測。

4 結(jié) 語

綜上所述,用于結(jié)構(gòu)混凝土無損檢測的方法較多,但其適用范圍不同,因此在明確檢測需求后應(yīng)及時匹配檢測方法。選擇檢測方法的原則:綜合考慮檢測設(shè)備、檢測成本、對檢測人員的要求、檢測效率等因素,以便用低廉的成本快速、準(zhǔn)確地檢測出結(jié)果。當(dāng)檢測結(jié)果不明確或不清晰時,可以采用多種方法檢測后進(jìn)行結(jié)果比對并經(jīng)專業(yè)分析后確定檢測結(jié)果。若該結(jié)果還不夠準(zhǔn)確或存有爭議,應(yīng)采用破損檢測的方法進(jìn)行驗證,以確定哪種無損檢測方法的結(jié)果更接近于真實情況,以便后續(xù)采用該方法開展相應(yīng)的質(zhì)量檢測工作。

該項目從事檢測的技術(shù)人員按照上述要求選擇的無損檢測方法開展了結(jié)構(gòu)混凝土的質(zhì)量檢測工作,經(jīng)過為期一周的檢測,順利完成了該項目的結(jié)構(gòu)混凝土質(zhì)量檢測,經(jīng)對混凝土結(jié)構(gòu)的抗壓強度、內(nèi)部缺陷、鋼筋分布檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析后認(rèn)為:本次無損檢測方法的選擇適宜,過程檢測效率高,其檢測數(shù)據(jù)與設(shè)計值相比,能夠滿足設(shè)計要求。