水工結(jié)構(gòu)混凝土質(zhì)量檢測沖擊彈性波技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用

王榮魯，呂小彬，李 萌

（中國水利水電科學(xué)研究院 流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100038）

1 引言

混凝土是目前水工建筑物的最主要原材料之一，相對于其它結(jié)構(gòu)，水工領(lǐng)域混凝土的工作條件更加嚴(yán)酷，它不但承受巨大的水荷載作用，而且還要受到眾多內(nèi)部和外部破壞因素的影響—如凍融循環(huán)、干濕交替、碳化、溫度變化、溶蝕、堿骨料反應(yīng)、侵蝕環(huán)境的物理化學(xué)作用（如硫酸鹽侵蝕和其它腐蝕性離子侵蝕）等，因此極易發(fā)生混凝土耐久性劣化［1-2］。

新中國成立以來，我國興建了數(shù)以萬計不同標(biāo)準(zhǔn)和類型的水庫大壩及水閘。這些水庫大壩和水閘在運(yùn)行一定年限后，大多存在一定程度的老化病害現(xiàn)象，已成為威脅人民生命財產(chǎn)安全的重大隱患［3］。在我國以往的水利工程修補(bǔ)加固實(shí)踐中，一些工程在未對混凝土耐久性劣化的范圍、程度和發(fā)展趨勢做出正確判斷的情況下就開始修補(bǔ)方案的制定和實(shí)施。由于修補(bǔ)措施針對性不強(qiáng)并缺乏對混凝土劣化現(xiàn)狀的準(zhǔn)確評估，經(jīng)常出現(xiàn)“壞了就修，哪壞哪修，修了還壞，壞了再修”的情況。已建成和新建的混凝土建筑物也將會陸續(xù)出現(xiàn)老化病害現(xiàn)象。因此，如何對它們的老化病害狀況進(jìn)行識別和診斷是一個重要的課題，但是長期以來一直都未得到很好的解決。

2 水工混凝土建筑物的常規(guī)檢測方法

在水工建筑物混凝土質(zhì)量與老化性狀的檢測方面，目前國內(nèi)廣泛開展的工作有混凝土的強(qiáng)度、內(nèi)部質(zhì)量均勻性、混凝土內(nèi)部缺陷、裂縫深度、混凝土碳化深度、鋼筋保護(hù)層厚度、鋼筋銹蝕及混凝土耐久性的檢測，特殊情況下，還進(jìn)行混凝土彈性模量、抗拉強(qiáng)度、極限拉伸等力學(xué)性能的檢測及混凝土結(jié)構(gòu)脫空的檢測等［4］。這些檢測的方法大多已列入規(guī)程規(guī)范，并在水利水電工程建設(shè)的質(zhì)量控制和混凝土建筑老化病害的檢測與評定方面發(fā)揮了重要作用。但這些檢測方法在應(yīng)用中存在著檢測范圍有限、檢測精度不高和檢測效率低等問題，不能滿足評估水工混凝土建筑物老化病害狀態(tài)和程度，從而評估結(jié)構(gòu)安全水平的需要。

2.1 混凝土強(qiáng)度的檢測我國在混凝土結(jié)構(gòu)無損檢測的研究工作始于1950年代中期，通過引進(jìn)瑞士、英國、波蘭等國的回彈儀和超聲儀，并結(jié)合工程應(yīng)用開展了許多研究工作，至今在檢測方法方面已取得了很大進(jìn)展。目前在水工行業(yè)已將回彈法和超聲回彈綜合法等無損測強(qiáng)方法納入規(guī)范。

其他還有射釘法、拔出試驗(yàn)法、拉撥試驗(yàn)法等，由于操作稍顯復(fù)雜，實(shí)際工程中應(yīng)用不多［5-7］。

目前，我國水利工程混凝土強(qiáng)度質(zhì)量檢測中，回彈法在使用的過程中，不僅擁有較小的技術(shù)難度，同時使用者在對其應(yīng)用的過程中只需要進(jìn)行簡單的操作即可。但是全國回彈曲線和個別地區(qū)的回彈曲線差異較大，需要根據(jù)實(shí)際情況選用合適的測強(qiáng)曲線，同時對澆筑面、碳化深度、回彈角度等都需要進(jìn)行修正。

超聲法也被稱之為超聲回彈綜合法，在對這一技術(shù)進(jìn)行應(yīng)用的過程中，需要對數(shù)字超聲儀進(jìn)行充分的利用，相關(guān)操作規(guī)程是超聲法充分發(fā)揮自身功能的關(guān)鍵。但是，在應(yīng)用這一方法展開混凝土強(qiáng)度質(zhì)量測試的過程中，工作人員需要面對復(fù)雜的操作流程，任何一個環(huán)節(jié)產(chǎn)生誤差，都將對檢測結(jié)果產(chǎn)生嚴(yán)重影響。

鉆芯法是典型的有損檢測，在水工混凝土結(jié)構(gòu)中鉆取一定數(shù)量的芯樣，進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)以實(shí)測混凝土的強(qiáng)度。但由于現(xiàn)場條件及結(jié)構(gòu)情況的限制取樣困難，加工出的芯樣和標(biāo)準(zhǔn)芯樣的要求相去甚遠(yuǎn)（如垂直度、平整度及高徑比等的差距），需要較嚴(yán)格的加工修補(bǔ)方可進(jìn)行抗壓試驗(yàn)。工程中經(jīng)常出現(xiàn)檢測各方（工地試驗(yàn)室、質(zhì)監(jiān)站、施工方和第三方檢測機(jī)構(gòu)）抗壓強(qiáng)度出現(xiàn)差異的情況就是芯樣加工和后期抗壓試驗(yàn)存在差異造成的。鉆芯法是最直接的反映現(xiàn)場混凝土的施工質(zhì)量，但是其對構(gòu)件有破損，不適宜工程的大量普查之用。還有一個更為嚴(yán)重的問題是芯樣的評定標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)在各個規(guī)范沒有明確的規(guī)定，如何評定是考驗(yàn)參建各方的難題之一。目前越來越多的工程采用高強(qiáng)混凝土，2013年頒布的高強(qiáng)混凝土強(qiáng)度檢測技術(shù)規(guī)程（JGJ/T 294-2013）針對高強(qiáng)混凝土強(qiáng)度檢測相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行了規(guī)定，要求使用專用的高強(qiáng)回彈儀進(jìn)行檢測，針對1000 d以上齡期的混凝土，需要取芯進(jìn)行修正，而水利水電行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)均未對高強(qiáng)混凝土的檢測進(jìn)行規(guī)定。

針對普通水工混凝土，目前行之有效的方式是綜合采用回彈法、超聲回彈綜合法之后，選擇少數(shù)部位取芯，建立專用的曲線進(jìn)行校核之用。

2.2 鋼筋銹蝕及碳化深度檢測目前國內(nèi)外廣泛采用的判斷混凝土中鋼筋銹蝕的電化學(xué)狀態(tài)的方法是自然電位法，也稱為半電池電位，水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程中規(guī)定了半電池電位的方法，通過測定混凝土中由于鋼筋銹蝕的電化學(xué)反應(yīng)而引起的電位變化來判定鋼筋銹蝕狀態(tài)。實(shí)際檢測中不適用混凝土已飽水和接近飽水狀態(tài)。但是，最新的國外檢測儀器不僅可以檢測當(dāng)前的銹蝕狀態(tài)，還可以對鋼筋腐蝕速率進(jìn)行分析，能定量預(yù)測鋼筋的剩余壽命，開發(fā)的新型傳感器設(shè)計可用于分析潮濕或浸沒在水中的結(jié)構(gòu)，還可用于分析正在運(yùn)行的陽極保護(hù)系統(tǒng)。相對國內(nèi)現(xiàn)有的設(shè)備和技術(shù)都具有極大的先進(jìn)性。

混凝土碳化是指空氣中的酸性氣體CO2與混凝土中的液相堿性物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，使得混凝土堿性下降和混凝土中化學(xué)成分改變的中性化反應(yīng)過程。碳化本身對混凝土沒有破壞作用，其危害是由于混凝土堿性的降低，使鋼筋表面在高堿環(huán)境下形成的對鋼筋起到保護(hù)作用的致密氧化膜遭到破壞，伴隨著水和空氣等因素的共同作用，使鋼筋產(chǎn)生銹蝕?，F(xiàn)有的規(guī)程規(guī)定碳化深度值測量采用濃度為1%的酚酞酒精溶液滴在孔洞內(nèi)壁的邊緣處，當(dāng)已碳化與未碳化界限清楚時，再測量已碳化與未碳化混凝土交界面到混凝土表面的垂直距離。檢測時碳化深度的檢測主要目的之一進(jìn)行混凝土強(qiáng)度的修正，其二是判斷碳化深度是否大于鋼筋保護(hù)層厚度，以確定鋼筋銹蝕的誘因和程度。

2.3 鋼筋保護(hù)層厚度及鋼筋直徑的檢測混凝土結(jié)構(gòu)及構(gòu)件中的鋼筋間距、保護(hù)層厚度及公稱直徑通過電磁感應(yīng)法和雷達(dá)法進(jìn)行檢測，前者通過電磁感應(yīng)原理檢測，后者通過發(fā)射和接收到的毫微秒級電磁波來探測。目前針對水工薄壁結(jié)構(gòu)中鋼筋的檢測，手持式鋼筋混凝土雷達(dá)技術(shù)已經(jīng)成熟，最大的特點(diǎn)是小型、輕便，探頭和天線一體化，可以實(shí)現(xiàn)單手操作，實(shí)時顯示鋼筋的位置，部分設(shè)備還可以實(shí)現(xiàn)三維圖像重現(xiàn)。完成以上測試以后，碳化深度檢測也需要進(jìn)行，其作用一是對回彈強(qiáng)度測試進(jìn)行碳化深度的修正，二是對比碳化深度和鋼筋實(shí)際保護(hù)層的厚度。如果碳化深度大于鋼筋保護(hù)層厚度，那么腐蝕現(xiàn)象很容易產(chǎn)生于構(gòu)件內(nèi)、鈍化膜中的鋼筋中，說明工程的安全性降低。反之，當(dāng)構(gòu)件混凝土碳化測量值小于鋼筋保護(hù)層的厚度值時，則說明銹蝕現(xiàn)象沒有發(fā)生。如果條件允許，還需要鑿開混凝土，用游標(biāo)卡尺測量保護(hù)層厚度和鋼筋直徑，肉眼觀察鋼筋銹蝕情況，以校核儀器測量的準(zhǔn)確性。

2.4 混凝土裂縫深度的檢測裂縫深度檢測目前國內(nèi)外主要采取鉆孔取芯結(jié)合無損檢測的方式進(jìn)行，鉆孔取芯是最直觀、最有效的方法，檢測時沿裂縫騎縫鉆孔取芯、壓風(fēng)、注水、孔內(nèi)電視錄像、物探，追蹤裂縫的發(fā)展。取芯法檢測裂縫深度及發(fā)展對結(jié)構(gòu)破壞較大，且費(fèi)時費(fèi)力，另外，需要在相鄰鉆孔之間對裂縫的性態(tài)進(jìn)行推斷?；炷亮芽p的無損檢測方法有超聲波法、表面波法、聲波、物探方法［4］等。無損檢測方法的特點(diǎn)是快速、方便、省事省力，對結(jié)構(gòu)不造成損傷，但無損檢測的結(jié)果受鋼筋、縫內(nèi)填充物、縫內(nèi)干濕狀況等的影響，規(guī)范中規(guī)定的超聲波平測法測縫深，探測深度小于50 cm。工程檢測中由于縫內(nèi)充填物、裂縫不規(guī)則等原因，實(shí)際深度往往大于探測深度。目前還無法完全依靠無損檢測的手段檢測混凝土壩的深層裂縫。在今后一段時間內(nèi)，國內(nèi)外仍將采取鉆孔取芯結(jié)合無損檢測的方式檢測混凝土大壩的深層裂縫，但隨著無損檢測技術(shù)和設(shè)備的發(fā)展，鉆孔取芯的數(shù)量將不斷減少。

2.5 超聲波檢測混凝土內(nèi)部缺陷目前在我國廣泛應(yīng)用于混凝土內(nèi)部缺陷檢測的方法是超聲波法，已被建筑、交通、港口、水利等行業(yè)列入規(guī)范。測量方法主要有直接傳遞法、半直接傳遞法和表面?zhèn)鬟f法。但是這種方法的缺點(diǎn)也十分明顯［8-9］：（1）超聲波的頻率一般在20 kHz以上，這么高頻率的波在混凝土中傳播能量衰減非常快，通常情況下在1～2 m厚度時透過波信號已經(jīng)十分微弱，不適合對大體積混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢測，而且易受介質(zhì)內(nèi)其它雜散波的影響，給接收波的分辨和處理帶來很大麻煩，極易產(chǎn)生較大誤差；（2）如果要增加超聲波的穿透深度，就必須增大激振能量，其代價就是激振端換能器尺寸和結(jié)構(gòu)的復(fù)雜化，帶來的結(jié)果就是操作麻煩，不適合大面積快速檢測的要求；（3）超聲法激振端和接收端換能器一般采用壓電陶瓷，對混凝土表面的平整度要求很高，處理難度大。

2.6 圖像學(xué)在混凝土缺陷檢測中的應(yīng)用近年來，基于圖像分析技術(shù)的混凝土裂縫檢測、識別方法不斷發(fā)展。主要采用圖像灰度化、棋盤格角點(diǎn)求解像素率、濾波除噪、邊緣檢測等圖像處理算法對裂縫長度、寬度及缺陷面積進(jìn)行檢測，采用Visual C++6.0語言和Matlab等編制程序進(jìn)行后處理。實(shí)際上，由于空間的限制以及其他環(huán)境干擾的客觀存在，使得裂縫圖像采集過程中難以保證得到嚴(yán)格的正拍圖像，因此通過圖像法準(zhǔn)確獲取裂縫寬度目前主要用于室內(nèi)和小面積試驗(yàn)階段，工程檢測中，由于拍攝距離、光線及角度等問題，該方法尚未廣泛應(yīng)用于工程中。

2.7 存在問題和不足通過對我國水工行業(yè)混凝土無損檢測技術(shù)的調(diào)研，目前存在的主要問題是雖然檢測方法眾多，但規(guī)范的制定與檢測水平不相適應(yīng)，具體如下：（1）目前被《水利水電工程物探規(guī)程》（SL326-2005）采納的檢測方法如電法勘探、探地雷達(dá)、地震勘探、彈性波測試、層析成像、水聲勘探、放射性測量等大部分都沒有在水工混凝土檢測相關(guān)規(guī)范中得到引用；（2）在我國目前的國家標(biāo)準(zhǔn)和各行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中涉及到混凝土結(jié)構(gòu)無損檢測的規(guī)范很多年都沒有更新，依然停留在回彈、射釘、超聲波、回彈超聲波綜合法的范疇內(nèi)；（3）目前水工行業(yè)新的混凝土檢測方法很多，典型的包括電磁波（地質(zhì)雷達(dá)）、紅外線、放射線等，但幾種方法檢測得出的結(jié)果和參數(shù)并不能與混凝土最重要的一些性能指標(biāo)（強(qiáng)度、耐久性等）建立明確、直接的物理關(guān)系，在特定項(xiàng)目中作為輔助檢測手段（比如檢測混凝土內(nèi)部嚴(yán)重缺陷、面板脫空、襯砌厚度、鋼筋定位、滲漏等）是可以的，但完全依靠它們在現(xiàn)階段是不可取的，因?yàn)檫@些方法從理論到實(shí)踐上還沒有達(dá)到相應(yīng)的技術(shù)水平。

3 基于沖擊彈性波的水工結(jié)構(gòu)混凝土質(zhì)量檢測技術(shù)

中國水科院結(jié)構(gòu)材料所結(jié)合現(xiàn)場檢測和安全評估中存在的突出問題和難題，歷經(jīng)8年，結(jié)合水利部“948”項(xiàng)目、中國水科院重點(diǎn)研發(fā)等項(xiàng)目，通過新型檢測設(shè)備的自主研發(fā)和國外先進(jìn)設(shè)備、技術(shù)的引進(jìn)，結(jié)合無損檢測理論和技術(shù)的消化和吸收，形成一套完備的基于沖擊彈性波的水工混凝土結(jié)構(gòu)無損檢測技術(shù)體系，主要包括基于敲擊振源的沖擊彈性波CT技術(shù)、大壩CT（混凝土壩內(nèi)部缺陷診斷系統(tǒng)）、基于沖擊彈性波卓越波長的瞬態(tài)表面波技術(shù)，穩(wěn)態(tài)和變幅穩(wěn)態(tài)表面波技術(shù)等的應(yīng)用［8-9］。

3.1 沖擊彈性波的特點(diǎn)［9-12］根據(jù)沖擊彈性波激發(fā)信號的特點(diǎn)，采用不同的信號接收和處理方式，可以實(shí)現(xiàn)不同的混凝土無損檢測方法，包括P波測試、R波測試、沖擊回波測試、S波測試等。適用于水工混凝土結(jié)構(gòu)的主要還是前三種。與傳統(tǒng)的超聲波相比，沖擊彈性波主要具有如下特點(diǎn)：（1）沖擊彈性波由沖擊錘激發(fā)，能量大且集中，測試深度明顯提高，能夠穿透10 m以上的混凝土；（2）沖擊彈性波的卓越頻率一般在幾百到幾千赫茲左右，波長較長，受混凝土骨料顆粒散射影響小，受外界雜散波影響??；（3）現(xiàn)場適用性強(qiáng)，操作方便，適合對大體積混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行快速、全面檢測；（4）頻譜特性好，適合于IE、SASW等有限元數(shù)值模擬分析。

3.2 沖擊彈性波層析成像（CT）技術(shù)當(dāng)被測結(jié)構(gòu)具有兩個（或以上）相對的可測臨空面時，可以采用彈性波CT技術(shù)對其內(nèi)部混凝土質(zhì)量分布狀況進(jìn)行檢測。根據(jù)結(jié)構(gòu)尺寸以及信號激振和接收方式的不同，可以分為大體積混凝土結(jié)構(gòu)（如混凝土壩）彈性波CT和大尺寸混凝土構(gòu)件（如墻、墩、基礎(chǔ)等）彈性波 CT［13-15］。

彈性波CT技術(shù)應(yīng)用于混凝土結(jié)構(gòu)的缺陷檢測在西方國家如美國、日本、意大利等開展的比較普遍，但在我國尤其是在水工混凝土缺陷檢測領(lǐng)域還處在一個比較初始的階段，目前見諸報道的只有如豐滿等極少數(shù)幾個工程，而且應(yīng)用情況不甚理想，效果并未得到工程實(shí)踐的檢驗(yàn)［16-18］。彈性波CT技術(shù)在檢測數(shù)據(jù)后處理方面基本上大同小異，采用的大多是基于彈性波走時反演的數(shù)值分析算法，不同之處主要在于激發(fā)振源的類型和激振信號的采集方式。用于大體積混凝土檢測的有采用爆炸振源（意大利）、電磁線圈振源（美國）和敲擊振源（美國、日本）等，其中尤以敲擊振源最為簡便、靈活、適應(yīng)性好，在美國和日本等西方國家應(yīng)用很廣泛。但敲擊振源的最大難點(diǎn)是對激發(fā)信號的控制，即如何同步、準(zhǔn)確地?fù)渥胶头治銮脫舢a(chǎn)生的振動信號。大體積混凝土結(jié)構(gòu)（如混凝土壩）彈性波CT技術(shù)已經(jīng)在云南漫灣大壩、遼寧白石重力壩及遼寧觀音巖重力壩得到了現(xiàn)場應(yīng)用，效果良好，項(xiàng)目組還研究改進(jìn)了算法，自主開發(fā)圖形后處理軟件，最大檢測深度可達(dá)50 m，解決了不降低庫水大壩內(nèi)部大體積、大斷面的無損檢測技術(shù)難題［19］。某大壩彈性波CT檢測斷面及CT圖像見圖1、圖2。

圖1 某大壩CT檢測斷面（單位：m）

圖2 某大壩典型檢測斷面CT圖像

大尺寸混凝土構(gòu)件（如墻、墩、基礎(chǔ)等）彈性波CT在山西西龍池抽水蓄能電站廠房機(jī)組混凝土基礎(chǔ)檢測、南水北調(diào)大型渡槽混凝土缺陷檢測中得到應(yīng)用。

3.3 表面波方法當(dāng)被測結(jié)構(gòu)只有一個可測臨空面時，可以采用瞬態(tài)表面波的頻散特性對表面下內(nèi)部混凝土的質(zhì)量進(jìn)行檢測。此類結(jié)構(gòu)在工程中非常普遍，如面板、底板、襯砌、溢洪道、邊墻以及大壩上、下游面等。瞬態(tài)表面波法中應(yīng)用最多的是表面波譜分析即SASW方法。在北京市海子水庫溢洪道底板實(shí)現(xiàn)了成功檢測。在此基礎(chǔ)上，研發(fā)了穩(wěn)態(tài)和變幅穩(wěn)態(tài)表面波技術(shù)，主要是通過電磁式或壓電式穩(wěn)態(tài)激振源激發(fā)固定頻率的穩(wěn)態(tài)表面波，能夠最大程度地避免因同相位點(diǎn)判讀錯誤而造成的R波速度測試誤差，圖3為為兩道傳感器接收到的SW-50A激振器激發(fā)的變幅穩(wěn)態(tài)表面波信號，同相位點(diǎn)清晰、明確，此項(xiàng)技術(shù)獲得了國家發(fā)明專利授權(quán)，在新安江大壩溢流面檢測中得到良好應(yīng)用。

圖3 SW-50A激振器產(chǎn)生的穩(wěn)態(tài)變幅R波信號

3.4 沖擊回波（IE）方法對于面板、樓板、墻、襯砌和渡槽槽壁等板狀薄壁混凝土結(jié)構(gòu)，可以采用沖擊回波的方法檢測整個板厚度范圍內(nèi)混凝土的質(zhì)量以及判斷結(jié)構(gòu)內(nèi)部可能存在的缺陷。沖擊回波法是基于瞬態(tài)應(yīng)力波的一種無損檢測技術(shù)，自從1980年代興起以來，已成功的運(yùn)用到許多不同類型混凝土建筑物的缺陷檢測和質(zhì)量評價中［20-23］。我國自2000年以來逐漸引進(jìn)了該技術(shù)和相關(guān)的國外檢測設(shè)備，在橋梁、鐵路路基等領(lǐng)域進(jìn)行了檢測，2017年5月，JGJ/T411-2017《沖擊回波法檢測混凝土缺陷技術(shù)規(guī)程》首次頒布。該法通過一次短暫-持續(xù)的力學(xué)沖擊（通常為小鋼球敲擊，接觸時間為15～80μs）用來產(chǎn)生低頻應(yīng)力波并傳播到內(nèi)部結(jié)構(gòu)，在缺陷處和外部邊界中來回反射而引起瞬態(tài)共振響應(yīng)。這些波反射引起的表面位移將會被靠近沖擊位置的一個傳感器所記錄，位移隨時間變化的結(jié)果會轉(zhuǎn)化為振幅隨頻率變化的結(jié)果，即時域分析轉(zhuǎn)化為頻域分析。瞬態(tài)共振響應(yīng)和振幅頻譜圖是由結(jié)構(gòu)的幾何尺寸和應(yīng)力波波速所決定的。因此，可以通過頻域分析確定實(shí)體結(jié)構(gòu)的彈性波波速或厚度，進(jìn)而確定結(jié)構(gòu)的完整性及缺陷的位置［24-25］。規(guī)范中對混凝土構(gòu)件厚度及內(nèi)部缺陷、有粘結(jié)后張法預(yù)應(yīng)力孔道灌漿缺陷、隧道襯砌背后注漿缺陷及混凝土結(jié)合面質(zhì)量等4類不同的建筑物進(jìn)行了規(guī)范。根據(jù)沖擊回波的原理還可以衍生出基樁、錨桿和錨索等檢測方法。南水北調(diào)某暗涵混凝土質(zhì)量評估、風(fēng)電混凝土基礎(chǔ)缺陷項(xiàng)目都利用該技術(shù)進(jìn)行了缺陷檢測。

3.5 沖擊彈性波測試混凝土動彈性模量技術(shù)雖然我國水利水電工程建設(shè)一直以來對水工混凝土的耐久性問題非常重視，國家、行業(yè)、地方也都制定了相應(yīng)的技術(shù)規(guī)范來保證混凝土材料的這一重要性能，但是，對于水工混凝土耐久性劣化的評價長期以來都沒有得到很好的解決，水工混凝土材料耐久性的研究仍主要局限于試驗(yàn)室內(nèi)。最主要的原因是缺乏準(zhǔn)確、有效的在現(xiàn)場檢測混凝土耐久性的方法。目前我國水工界比較通用的方法是通過標(biāo)準(zhǔn)棱柱體試件在快速凍融條件下動彈性模量的變化來測試混凝土的抗凍性，抗凍性指標(biāo)已經(jīng)不僅僅局限于反映混凝土抵抗凍融破壞的能力，更主要的是用來評價混凝土的耐久性。很多工程后期通過鉆芯取樣得到圓柱體抗凍芯樣，抗凍標(biāo)號F300的混凝土在試驗(yàn)室達(dá)不到50個凍融循環(huán)就產(chǎn)生破壞，這顯然是不合理的。

利用沖擊彈性波檢測方法獲得的都是結(jié)構(gòu)內(nèi)部混凝土彈性波（P波或R波）速度的數(shù)值大小及分布狀況的信息［20，23］。彈性波速度（VP和VR）與混凝土的動彈性模量Ed之間具有直接的理論相關(guān)關(guān)系，因此采用相同檢測方法對結(jié)構(gòu)混凝土彈性波速度的變化情況進(jìn)行長期監(jiān)測，就能夠跟蹤混凝土動彈性模量的變化趨勢，實(shí)現(xiàn)對混凝土耐久性劣化的監(jiān)測。本技術(shù)通過室內(nèi)試驗(yàn)和數(shù)值模擬分析計算得到了成功驗(yàn)證，得出了沖擊回波法和常規(guī)橫向自振頻率法測試3組混凝土的相對動彈性模量隨凍融循環(huán)次數(shù)變化規(guī)律［24-25］，兩種方法相關(guān)性良好，具體見圖4。在結(jié)構(gòu)使用過程中對其混凝土的彈性波速度進(jìn)行定期的現(xiàn)場檢測從理論上講就能夠?qū)崿F(xiàn)混凝土耐久性劣化的監(jiān)測。

圖4 沖擊彈性波法與常規(guī)自振頻率法測試動彈性模量比較

4 結(jié)論

本文針對我國水工建筑物的老化病害狀況和耐久性問題，重點(diǎn)介紹了當(dāng)前水工混凝土建筑物混凝土質(zhì)量與老化性狀的常規(guī)檢測方法和手段，并分析了其優(yōu)缺點(diǎn)和研究應(yīng)用進(jìn)展。針對現(xiàn)場檢測和安全評估中存在的突出問題和難題，研發(fā)了基于沖擊彈性波的水工混凝土結(jié)構(gòu)無損檢測技術(shù)體系。其中，彈性波CT技術(shù)可對大體積建筑物乃至幾十米厚的大壩的內(nèi)部混凝土質(zhì)量分布狀況進(jìn)行檢測；采用表面波的頻散特性對單一可測臨空面下內(nèi)部混凝土的質(zhì)量進(jìn)行檢測；采用沖擊回波法對堆石壩面板、水電站樓板、隧洞襯砌和渡槽槽壁等板狀薄壁結(jié)構(gòu)檢測內(nèi)部質(zhì)量、結(jié)構(gòu)厚度和結(jié)合面情況等；通過大量室內(nèi)試驗(yàn)和數(shù)值模擬分析計算，得出了沖擊回波法和常規(guī)橫向自振頻率法測試多組混凝土的相對動彈性模量隨凍融循環(huán)次數(shù)變化規(guī)律，兩種方法相關(guān)性良好。上述檢測評估技術(shù)都經(jīng)過室內(nèi)試驗(yàn)、數(shù)值模擬和幾十個項(xiàng)目現(xiàn)場應(yīng)用，效果良好，推廣應(yīng)用前景廣闊。

目前，眾多大壩業(yè)主和運(yùn)行管理單位對混凝土耐久性問題缺乏應(yīng)有的重視，現(xiàn)有的檢測評估都是出現(xiàn)險情或運(yùn)行問題后才被動實(shí)施的。因此應(yīng)充分意識到對水工混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行定期“體檢”的重要性，摒棄以往“應(yīng)急”式質(zhì)量檢測的管理模式。通過定期檢測，及時掌握水工混凝土材料真實(shí)性能及演變規(guī)律、定量確定混凝土耐久性狀態(tài)，評估混凝土結(jié)構(gòu)的運(yùn)行狀況，使水工結(jié)構(gòu)健康運(yùn)行。