混凝土裂縫檢測文獻綜述

■陳雁群 ■江西省建筑材料工業(yè)科學研究設計院，江西 南昌 330000

1 引言

混凝土是當今世界建筑結構中使用最廣泛的建筑材料，普通鋼筋混凝土結構在一般情況下是允許帶裂縫工作的［1］。近代科學關于混凝土強度的細觀研究以及大量工程實踐所提供的經(jīng)驗都說明：混凝土結構的裂縫是不可避免的，裂縫是一種人們可以接受的材料特征［2］。在混凝土結構中，裂縫是破壞混凝土結構安全的首要因素。當混凝土結構裂縫發(fā)展過大時就會影響結構可靠性，給建筑的使用帶來潛在的安全隱患，甚至使整個結構垮塌而帶來重大的人員傷亡和巨大的財產(chǎn)損失。很多工程結構事故就是由于裂縫的不穩(wěn)定發(fā)展所造成的［3］。例如，1986年3月15日，新加波的六層新世界酒店在60秒時間內轟然倒塌造成50人遇難;2001年3月4日，葡萄牙北部的Hintze-Ribeiro大橋坍塌，造成59人死亡;2012年1月26日，巴西里約日內盧一座20層辦公樓突然倒塌，造成17人死亡;2013年4月24日，孟加拉國一座名為“拉納大廈”的八層樓建筑垮塌，造成149人死亡，屬重大建筑事故。為了保證建筑結構的安全性，混凝土裂縫的檢測和監(jiān)測成為關鍵工作之一?；炷亮芽p檢測與監(jiān)測技術的發(fā)展不斷前進，這使得這些技術逐漸成熟。Rossi和Le Maou［4］將多模光纖埋入混凝土來測裂縫;Christopher K．Y．Leung等［5］利用新型分布式光纖傳感器測量裂縫;Pietro Giovanni Bocca［6］等利用紅外熱像對混凝土檢測得出了混凝土裂縫與溫度之間的關系;Dennis等將掃描技術用于混凝土超聲波檢測。層析技術也被用在混凝土裂縫檢測上，我國雖然對層析成像技術理論研究和實際應用起步比較晚，但在借鑒國外先進的理論和儀器同時，經(jīng)過數(shù)十年的不懈努力和研究，也取得了豐碩的成果。此外，我國探地雷達(GPR)還處于初步研究階段，很多技術還不夠成熟和完善，還需要完善其研究［7］。

2 常用混凝土裂縫檢測技術

目前，混凝土裂縫檢測主要工作分別為裂縫的粗檢測(也即判斷裂縫是否存在)、裂縫寬度的檢測以及裂縫深度的檢測(定量的檢測裂縫)，這些工作所采用的技術手段也不盡相同。現(xiàn)在對混凝土裂縫判斷檢測的技術有：目測法、雷達法、云紋法、紅外熱像法、聲發(fā)射法以及全息干涉法等;對混凝土裂縫寬度檢測的技術有：脆漆涂層法、裂紋擴展片法、光纖裂縫傳感器法等;對混凝土裂縫深度檢測的技術有：沖擊回波法、超聲波法等。

2．1 裂縫粗檢方法

判斷檢測裂縫的存在，就是定性的檢測裂縫是否已經(jīng)存在，并不是定量化的去檢測混凝土裂縫。目測法是用純石灰水溶液均勻地刷在結構表面并等待干燥，當試件受外荷載作用后，白色涂層將在高應變下開裂并脫落。目測法有時也可利用裂縫放大設備觀察。

雷達法是利用高頻率寬帶脈沖電磁波，根據(jù)電磁波的傳播特性來檢測混凝土中的孔洞、裂縫及缺陷的技術。其原理是根據(jù)波在傳播的過程中不同介質的分界面反射和折射的規(guī)律，再由接收器接收到的波行程的時間、波幅及形狀，來判斷混凝土裂縫是否存在。雷達法波動方程可以選用由麥克斯韋方程推導出的方程如下式(1)。

由上式得出波速和相位系數(shù)的關系，從而可以測出混凝土內部結構的缺陷。但是雷達法不宜在有強電場的場合使用，檢測的結構誤差較大。

云紋法(也稱莫爾紋法)屬于變形分析的一種模擬方法，分為面內和面外兩種方法。云紋法是用黑線柵(等節(jié)柵或異節(jié)柵)作為元件，結構表面存在損傷或裂縫時，明暗相間重疊的柵線會產(chǎn)生變動的干涉條紋，根據(jù)這些不同的云紋來檢測混凝土裂縫，此方法檢測局域較小只適合在實驗室使用。

紅外熱像法是借助紅外線進行探測的，在紅外線波長中只有3～5和8～14mm的波段有很好的穿透性，紅外探測器就是利用這個波段進行探測的［8］。當混凝土內部存在裂縫和缺陷時，在連續(xù)區(qū)和非連續(xù)區(qū)的熱擴散系數(shù)不一樣，使混凝土表面產(chǎn)生溫度差降，再利用紅外熱成像儀測量它的不同熱輻射，經(jīng)信號處理系統(tǒng)將熱像顯示出來，得到混凝土的裂縫或缺陷的位置。紅外熱像技術的重要特點是可以快速、非接觸、大面積地掃查檢測表面，并且不損傷檢測物，但由于對象是混凝土，混凝土內部材料分布不均勻性、表面發(fā)射不均勻性以及背景輻射的影響會影響檢測結果。

聲能也是在這過程中產(chǎn)生的一種能量，聲能是以彈性波在混凝土內部進行傳播的。聲測法通過測試位置上應力波到達的時間差，可確定損傷、斷裂的位置。但是，用AE檢測裂縫和其他方法最大的不同是只能檢測正在發(fā)生的裂縫，不能檢測已經(jīng)發(fā)生的舊裂縫。

全息干涉法是在同一張底片上進行雙曝光，物體在變形前后分別曝光照相一次，兩個光波波陣重疊，固定在一張全息圖中。如果物體的變形很微小，則由于這兩個波陣面相互干涉的結果，將產(chǎn)生一組干涉條紋圖。通過觀察干涉條紋的變化，從而可觀察到物體出現(xiàn)任何微小的變化。

2．2 裂縫寬度的檢測方法

混凝土裂縫寬度的檢測就是采取定量的檢測手段，得到具體的數(shù)值。

脆漆涂層法是用特殊的涂漆涂在混凝土表面形成脆性層，受荷載作用后根據(jù)裂紋確定主應力方向和主應力大小的方法，此方法各異用于各種形式的結構構件表面。1932年，德國Dietrich等［9］首次提出脆性涂層法，用于測彈性應變。1937年Ellis制成一種用來指示彈性應力分布的脆性涂料，這種方法得到廣泛應用?；炷烈蚴芾a(chǎn)生裂縫，當混凝土裂縫寬度達到0．001-0．004mm時，隨混凝土一起拉長的導電漆膜會出現(xiàn)火花直至燒斷，這樣的方法可以粗略測出裂縫的寬度大小。

裂紋擴展片就是一種根據(jù)要求設計出的具有特殊形狀的電阻應變片，由柵體和基底組成。當裂紋到達某處時，與柵體鏈接的儀器就能測出該處柵條斷裂情況，從而得出裂縫的位置。裂紋擴展片法(也稱間接直流電位法)常用于斷裂力學試驗中。從八十年代初，國外開始采用一種裂紋擴展片法進行裂紋長度測試［10］。

光纖傳感器法是利用埋在混凝土內部的光纖傳感器作為元件，來測得混凝土內部缺陷和裂縫的。其原理是：結構的損傷將引起埋設在損傷部位的光纖損傷、微彎或裂斷，導致光纖能力下降，布置在光纖網(wǎng)絡出口處的光探測器將檢測出光纖輸出光強變化，從而得到結構的損傷信息。1989年，Mendez等人［11］將光纖傳感技術應用在土木工程領域，應用包括檢測鋼筋混凝土結構的內部損傷如混凝土開裂、鋼筋銹蝕、鋼筋與混凝土的分離等。

2．3 裂縫深度的檢測方法

混凝土裂縫深度檢測是對混凝土裂縫進行定量檢測，得出具體的數(shù)值，憑借檢測所獲得的數(shù)據(jù)可知混凝土結構損害的程度。

沖擊波回波法是一種檢測裂縫深度的方法，也屬于聲波反射波法之一，其原理是利用小鋼球或小錘輕擊一下混凝土表面產(chǎn)生低頻應力脈沖，脈沖傳播到結構內部，在缺陷和構件底部反射回來，到達表面后又反射回去，這樣就會產(chǎn)生多次反射形成瞬態(tài)共振，根據(jù)數(shù)據(jù)采集器及信號處理器進行幅值譜分析，就可以識別混凝土缺陷的位置及深度。Sansalone等［12］在混凝土無損檢測中采用了沖擊回波法，在這以后沖擊回波法的發(fā)展很快。80年代末，我國研制成沖擊回波法儀器IES系統(tǒng)，并在工程檢測中成功應用。目前，已經(jīng)有IES掃描式?jīng)_擊回波系統(tǒng)、帶表面波的沖擊回波系統(tǒng)、超薄沖擊回波系統(tǒng)等。由同濟大學自制USonic型超聲檢測儀也可用于沖擊回波試驗。

超聲波法是現(xiàn)在應用最為廣泛的無損檢測技術，分為平測法(即將發(fā)射探頭和接受探頭安裝在構件同一側)和斜測法(即將發(fā)射探頭和接受探頭對稱的安裝在裂縫兩側)。超聲波法的原理是利用高頻超聲波(10-250kHz)作為信息的載體，對混凝土構件進行探測，測量超聲脈沖縱波在混凝土中的傳播速度、首波波幅變化和接受信號頻率等參數(shù)，并根據(jù)這些參數(shù)的相對變化，判定混凝土中的缺陷情況。Leslie等人率先將超聲波用用于混凝土檢測。該檢測技術得到快速發(fā)展。由于混凝土是一種混合非勻質材料，超聲波不會按著理想直線在其內部傳播，使得發(fā)射器與接收器之間關系不穩(wěn)定，檢測精度有待提高。超聲波法也有一定的局限性，其采用逐點徑向檢測，檢測速度慢而且容易漏檢［13］。

3 目前混凝土檢測存在的問題

3．1 檢測環(huán)境適用性

目前混凝土檢測技術很難同時實現(xiàn)在線實時檢測和檢測精度的要求，另外檢測設備受所處環(huán)境的影響很大，實驗室檢測設備和實地檢測設備的精度相差很大，而且不能很好地建立數(shù)據(jù)連接平臺，進行全天候檢測。傳統(tǒng)檢測方法的工作量大，效率很低，而且結果的精準度不高。精度好、效率高、能實現(xiàn)各種結構樣式、各種場地環(huán)境的檢測儀器及方法是很有必要的。

3．2 檢測儀器可靠性

建筑結構檢測采用的設備也相對陳舊老化，以至于不能很好地滿足現(xiàn)代結構檢測的需求。質量好、精度高、性能穩(wěn)定、操作方便的儀器是高質量檢測工作的保證。在這方面，我們國家與一些發(fā)達國家有著明顯的差距，特別是在數(shù)字化檢測儀器設備方面。加大對建筑結構檢測的投入顯得很有必要。

3．3 檢測體系完備性

我國混凝土檢測系統(tǒng)還不夠完善，裂縫檢測的理論基礎較為薄弱。隨著建筑業(yè)的飛速發(fā)展，大型結構、大跨度結構、超高層結構等一些新型結構的出現(xiàn)，傳統(tǒng)的檢測方法不能很好地接合新規(guī)范、新標準，會出現(xiàn)一些檢測盲區(qū)，給現(xiàn)代結構檢測帶來很大的不便，傳統(tǒng)建筑結構檢測的標準與規(guī)范亟待修訂。建筑結構檢測與加固相關的資料很缺乏。在結構檢測與加固技術相關的資料文獻相對較少，沒有明確的領域劃分。現(xiàn)在可查的一些資料也相對較為陳舊，技術在不斷地更新，建立該領域完善的資料庫以及結構檢測數(shù)據(jù)庫是一個值得探討的問題。

3．4 檢測結果一般性

混凝土結構一種非線性材料，缺陷的位置是隨機性的，土木工程結構檢測技術中非線性診斷技術的應用尚不成熟，相較于線性診斷而言，這種技術更加需要復雜的計算算法和技術操作，但是非線性診斷技術更加貼近實際，非線性結構檢測技術在發(fā)展中應該不斷針對土木工程的建筑結構作出調整和優(yōu)化，改進和完善整個非線性結構診斷技術的應用。非線性技術的研究和應用在未來的結構檢測技術發(fā)展中，應該成為一個研究重點。遺傳算法、小波分析和神經(jīng)網(wǎng)絡在非線性分析和數(shù)據(jù)處理上所具有的優(yōu)勢，這使得非線性結構檢測在結構損傷的辨識上有著很大發(fā)展空間和前景。

4 混凝土檢測技術的發(fā)展與展望

隨著建筑使用年齡的增長，建筑結構所呈現(xiàn)的各種病態(tài)問題。這引起我國建筑相關部門的廣泛關注，并加大對舊建筑檢測加固力度，其中混凝土裂縫檢測在建筑工程質量管理中起到了重要的作用。隨著科學技術的不斷發(fā)展，混凝土檢測技術及相關的檢測設備在不斷地更新完善，測試儀器由模擬儀器發(fā)展為數(shù)字儀器，如我國巖海公司研制的RS-UTO-IC型、同濟大學自制的U-Sonic型、巖土領域采用的SYZ型。目前超聲層析技術雖然已經(jīng)應用在混凝土檢測中，但是目前只能實現(xiàn)二維波走時成像，與混凝土內部三維形體缺陷有很大區(qū)別，會給檢測帶來很大誤差甚至錯誤判斷，所以在三維波成像方面還有很大的發(fā)展空間。前面所講述大多技術很難實現(xiàn)實時、在線檢測，處理數(shù)據(jù)也是逐點化，使得的工作量大、效率低。透射技術可以實行全構件檢測，免去了以往逐點一一檢測，大大提高了工作效率。

但是，我國在透射技術領域開展的研究較少，起步也相對較晚，不能很好的在工程上應用透射技術，因此應積極開展這方面的研究工作。水工類建筑結構中混凝土的檢測比普通建筑結構混凝土的檢測有困難些，隨著一些軟件的研制開發(fā)，如Rayleigh面波處理軟件、多次波壓制與非線性反演軟件等，使得水工類建筑混凝土檢測一些難題得到了一定的解決。目前所用的技術多為單一使用技術，如果將超聲波技術和CT技術結合、探底雷達技術和紅外熱像技術結合等，將會使各種技術避免短處利用長處，在這些領域的研究很少，還有待研究探討。

［1］黃敏．工程結構裂縫檢測方法及試驗研究［D］．湖北：湖北工業(yè)大學，2010．

［2］王鐵夢．工程結構裂縫控制［M］．北京：中國建筑工業(yè)出版社，1997．

［3］歐進萍．重大工程結構的累計損傷與安全度評定［R］．中國科協(xié)第九次青年科學家論壇報告會．北京：清華大學出版社，1996．

［4］Pierre Rossi，F(xiàn)abrice Le Maou．New method for detecting cracks in concrete using fiber optics［J］．Materials and Structures，1989(6)：437-442．

［5］江毅，Christopher K．Y．Leung．分布式光纖裂縫傳感器［J］．壓電與聲光．2004，26(1)：10-12．

［6］Pietro Giovanni Bocca，Paola Antonaci．Experimental study for the evaluation of creep in concrete through thermal measurements［J］．Cement and Concrete Research，2005，35(9)：1776-1783．

［7］牛一雄，苑守成，武建章．地質雷達在公路建設中的應用［J］．物探與化探．1996，20(20)：116-123．

［8］張榮成．紅外熱像法檢測建筑物外墻飾面施工質量的試驗研究［J］．建筑科學．2002，18(1)：40-44．

［9］陳加仁．國外脆性涂料的發(fā)展及運用［J］．今日科技，1985(2)：9-10．

［10］張燕明，張開達，樊英民．新穎裂紋長度測試技術——裂紋擴展片的研制和應用［J］．測控技術．1989(3)：16-19．

［11］Mendez A．Application of Embedded Optical Fiber Sensors in Reinforced Concrete Building and Structures［C］．SPIE，1989，1170．

［12］Sansalone M，Carino N J．Impact—echo∶A method for flaw detection in concrete using transient stresswaves［R］．National Bureau of standards Report NBSR，Gait hersburg，Maryland，1986：222．

［13］于世海，陳國良，楊緒普．超聲檢測在土木工程中的應用研究［J］．西部探礦工程，2005(8)：1-2．