混凝土損傷的無損檢測方法分析

陳劍 吳瑾炎

（1浙江同濟科技職業(yè)學院建筑工程系，浙江 杭州 311231；2杭州余杭新農(nóng)村建設有限公司，浙江 杭州 311108）

鋼筋混凝土結構是目前我國城市建筑工程中采用最多的建筑結構形式。已有研究表明[1-2]，混凝土在澆筑成型過程中因水化會造成內(nèi)部膨脹收縮，進而導致內(nèi)部的毛細孔逐步發(fā)展為微裂紋。當混凝土投入使用后，這些微裂紋會在載荷的作用下，加之徐變、腐蝕等因素而逐漸擴展，一旦控制不力，當混凝土內(nèi)部損傷達到一定程度，最終將會發(fā)生失效。因此，對混凝土的損傷進行無損檢測對確保結構安全有十分重要的作用。

1 混凝土損傷無損檢測方法分析

混凝土損傷無損檢測指在不破壞混凝土結構或構件的前提下，使用各種方法檢測得到混凝土材料相關的各物理量，進而根據(jù)物理量來評判混凝土損傷情況的一種檢測方法[3]。目前，業(yè)內(nèi)較公認的混凝土無損檢測方法主要有超聲波法、CT法、雷達法、數(shù)字近景攝影測量法等。

1.1 超聲波法

1949年，Leslie等[4]率先將超聲波法應用于混凝土損傷無損檢測，但由于當時技術和設備的限制，其靈敏度很低，此后該方法得以逐步完善。趙望達等[5]研究了利用檢測縱波分析混凝土內(nèi)部損傷發(fā)展情況。在此基礎上，王懷亮等[6]制備了混凝土試塊并使之處于受壓環(huán)境下，基于超聲波檢測技術實時測得混凝土試塊在不斷加載過程中超聲波的傳播速度，進而建立混凝土內(nèi)部損傷與波速之間的聯(lián)系。

超聲波法用于混凝土內(nèi)部損傷檢測的原理主要是當混凝土內(nèi)部出現(xiàn)細小孔洞、裂縫等損傷時，超聲波經(jīng)過損傷處時其傳播速度、振幅等物理量會出現(xiàn)變化。因此在實際工程中，通過檢測或監(jiān)測超聲波以上特征值的變化情況來推斷混凝土內(nèi)部損傷的發(fā)展情況。超聲波法作為目前應用最廣泛的無損檢測方法之一，其優(yōu)點主要是超聲波的穿透能力強，能檢測到距離表面較遠處的損傷情況，且能根據(jù)檢測數(shù)據(jù)大致定位損傷位置，此外，超聲波的物理特性受內(nèi)部損傷影響敏感，但幾乎不受被測材料種類的影響，因此超聲波法靈敏度高、應用廣。但是，也正是由于超聲波法靈敏度高的特點，使得該方法在混凝土中的傳播會因混凝土材料的不均勻而相應不均，且受鋼筋影響較明顯，后續(xù)有待進一步完善。而且，利用超聲波法檢測得到的結果可視化程度較低，尚需進一步改進。

1.2 CT法

計算機層析成像技術（Computerized Tomography, CT）是將混凝土內(nèi)部斷面分割為若干小的單元，每一單元均從各個方向施加超聲波射線，也就是一定數(shù)量的射線從各個方向經(jīng)過，通過采集各條射線經(jīng)過單元后物理特征值的變化并采用一定的算法最終將斷面情況進行成像。田威等[7]利用CT法對單軸受壓過程中的混凝土試塊進行掃描成像，獲得了損傷程度不斷增大下的CT圖像，進而對混凝土內(nèi)部裂紋的擴展、貫通及最后失穩(wěn)破壞的破壞機理進行了研究。安琳等[8]在使用CT法對后張預應力混凝土結構中的孔洞等損傷進行無損檢測研究的基礎上，將研究成果用于檢測某預應力混凝土T梁橋，順利測得混凝土內(nèi)部孔洞的體量及大致位置。

將CT法應用于混凝土內(nèi)部損傷的無損檢測時，能較直觀地通過成像圖片發(fā)現(xiàn)混凝土內(nèi)部損傷的種類、體量及位置，甚至能對損傷的程度進行定量，且靈敏度較高，不受材料種類的影響，能應用于各種材料的無損檢測中。但是，CT法的缺點在于受射線掃描的角度影響較大，尤其是如果射線以垂直角度進入時，部分損傷無法被掃描出。此外，CT法往往需要特定的設備，且耗時較長，成本較高，如果防護不佳，射線會對人體健康造成損傷。

1.3 雷達法

雷達法檢測設備通常包括主機、接收設備及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)等，其原理為當向混凝土發(fā)射一定頻率的電磁波（通常使用1MHz-1GHz）后，該電磁波在混凝土內(nèi)的傳播會因內(nèi)部介質及密實程度的變化而變化，利用接收設備收集反射波并通過特定的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)對接收到的信號進行處理，從而得到反映混凝土內(nèi)部損傷的雷達圖像。例如，當混凝土內(nèi)部某處不密實時，在雷達圖像上就會反映出同相軸不連續(xù)的情況；當混凝土內(nèi)部某處存在裂縫時，在雷達圖像上則會反映出同相軸局部錯斷的情況。謝慧才等[9]通過試驗模擬的方式，驗證了利用雷達法用于檢測混凝土結構內(nèi)部孔洞或裂縫等缺陷是有效的。

雷達法具有檢測速度快、能實時檢測的優(yōu)點，且通過數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)可快速處理反射波信號，并以信息化形式對檢測結果進行記錄、分析，用圖像的形式實現(xiàn)檢測結果的可視化，因此近年來發(fā)展迅速。但同時，雷達法使用的是電磁波，容易受強電場干擾，故使用場合受到限制；若混凝土內(nèi)鋼筋較為密集時，鋼筋對電磁波的干擾作用較為明顯，使得檢測結果分析存在困難，結果準確性無法保障。

1.4 數(shù)字近景攝影測量法

依托數(shù)字攝影技術以及圖像處理技術的發(fā)展而提出的數(shù)字近景攝影測量法是近年來出現(xiàn)的一種全新無損檢測方法。該方法的原理是利用高精度攝像機采集混凝土等材料表面圖像，借助計算機圖像處理技術自動識別圖像特征，定性或定量地分析統(tǒng)計混凝土表面裂縫等缺陷分布情況。1999年，王寶庭等[10]利用數(shù)字近景攝影測量技術，以破壞后的混凝土斷面作為分析統(tǒng)計對象，得到了斷面缺陷特性，進而研究分析了混凝土破壞機理。韓勇等[11]利用數(shù)字近景攝影測量法對某水口水電站樓板進行現(xiàn)場攝像、圖像采集校正等，獲得了該樓板的裂縫分布特征，為該技術應用于實際工程缺陷檢測提供了有益的參考。

數(shù)字近景攝影測量法具有檢測速度快、靈敏度高、信息化程度高等優(yōu)點，檢測結果通過可視化圖片輸出，便于觀測，近年來在二維或三維工程變形、損傷監(jiān)測等領域得到應用。其局限性在于只能檢測混凝土等結構表面的損傷，無法探測內(nèi)部損傷情況，且由于攝影的局限，監(jiān)測區(qū)域小，如需實現(xiàn)大面積監(jiān)測，則需增加多臺攝影設備，成本高昂。

2 總結

上述對目前常見的混凝土損傷檢測方法進行了簡單介紹，并針對每一種方法進行了優(yōu)缺點分析，得到如下結論：1）超聲波法目前應用最廣泛，但檢測結果可視化程度較低，且易受混凝土材料本身和鋼筋影響；2）CT法和雷達法檢測靈敏，可視化程度高，但容易受其他因素干擾；3）數(shù)字近景攝影測量法自動化、可視化程度高，但只能檢測或監(jiān)測混凝土表面損傷發(fā)展情況；4）在實際工程檢測中，應根據(jù)實際情況合理選擇無損檢測方法，揚長避短。

混凝土損傷發(fā)展直接關系到結構健康，因此混凝土損傷檢測一直是國內(nèi)外研究的一個重要內(nèi)容。經(jīng)多年發(fā)展，混凝土損傷檢測技術及設備不斷推陳出新，總體而言，朝著無損化、精細化、自動化、可視化、信息化的方向發(fā)展，不僅在于損傷的檢測，還關注損傷的實時監(jiān)測。