土木工程中的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)及其應(yīng)用

孫鵬 劉娟娟

摘要：土木工程中的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)很多，各自都有其優(yōu)缺點(diǎn)，在選擇時(shí)要根據(jù)場(chǎng)地、條件、材質(zhì)及施工工藝，并能對(duì)缺陷的種類(lèi)、性質(zhì)等有充分的估計(jì)后，才能選擇出合適的檢測(cè)技術(shù)。

關(guān)鍵詞：土木工程;無(wú)損檢測(cè)技術(shù);應(yīng)用

本文筆者對(duì)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)及其在土木工程中的應(yīng)用進(jìn)行了系統(tǒng)回顧與總結(jié)，以提高人們對(duì)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的認(rèn)識(shí)，充分發(fā)揮無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的作用，進(jìn)而促進(jìn)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展。

一、概述

無(wú)損檢測(cè)技術(shù)是一種在不損傷成品或材料的前提下進(jìn)行內(nèi)部缺陷評(píng)價(jià)的技術(shù)。無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用原理是當(dāng)材料或者建筑成品內(nèi)部結(jié)構(gòu)存在缺陷時(shí)，對(duì)聲、光、電以及磁的反應(yīng)是具有一定特點(diǎn)的，通過(guò)對(duì)這種特異的反應(yīng)可以科學(xué)的評(píng)價(jià)材料或成品內(nèi)部結(jié)構(gòu)的危害程度。近些年，我國(guó)土木工程無(wú)損檢測(cè)技術(shù)得到了快速發(fā)展，很多單項(xiàng)技術(shù)都達(dá)到了國(guó)際水平[1]。通過(guò)不斷地技術(shù)攻關(guān)和無(wú)損檢測(cè)技術(shù)體系逐漸完善，有效的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)越來(lái)越多，像激光技術(shù)、波動(dòng)分析技術(shù)、紅外成像技術(shù)、雷達(dá)技術(shù)等都得到了廣泛的應(yīng)用。

二、靜態(tài)檢測(cè)技術(shù)

2.1 射線法

是利用 x 射線或γ射線以及中子射線易于穿透物體，且在穿透過(guò)程中受到吸收和散射而衰減的性質(zhì)，在感光材料中獲取與材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)和缺陷相對(duì)應(yīng)的透射相片，從而檢測(cè)出物體內(nèi)部的缺陷情況。這種方法的缺點(diǎn)是所需的設(shè)備笨重，且對(duì)建筑物有一定程度的破壞（如需要鉆孔放置底片等）。而且，由于建筑物對(duì) x 射線或γ射線的吸收問(wèn)題，使得穿透深度很小而得不到廣泛應(yīng)用[2]。因此，這種方法對(duì)于大型建筑物或大型橫梁、橋墩、水庫(kù)堤壩的非破損檢測(cè)效果不理想。

2.2 聲發(fā)射檢測(cè)法

聲發(fā)射現(xiàn)象指的是物體因受外力或內(nèi)應(yīng)力的作用，在其內(nèi)部缺陷處將產(chǎn)生應(yīng)力集中而發(fā)生塑性變形，儲(chǔ)存大量的應(yīng)變能，一旦裂紋產(chǎn)生或裂紋擴(kuò)展，部分應(yīng)變能就會(huì)以瞬時(shí)彈性應(yīng)力波的形式向外釋放的現(xiàn)象。因物體內(nèi)部裂紋的產(chǎn)生或擴(kuò)展而產(chǎn)生的聲發(fā)射現(xiàn)象的彈性波頻率低，人們就做了大量的工作去研究如何能“聽(tīng)”到這些聲發(fā)射現(xiàn)象，不僅要能“聽(tīng)” 到，而且要能知道在哪個(gè)地方發(fā)生、原因是什么、什么時(shí)間發(fā)生、危害有多大，這就是聲發(fā)射檢測(cè)。聲發(fā)射技術(shù)不僅在聲發(fā)射理論及數(shù)據(jù)處理方面有了大的發(fā)展，而且聲發(fā)射儀也從早期的模擬式單通道聲發(fā)展到目前的全數(shù)字化、全波形的多通道聲發(fā)射儀。然而，由于混凝土材料自身的復(fù)雜性，依然還有很多問(wèn)題未能解決，如混凝土聲發(fā)射的機(jī)理、聲發(fā)射信號(hào)與混凝土力學(xué)參數(shù)間的相關(guān)性、混凝土的凱賽爾效應(yīng)等等。

2.3 雷達(dá)波法

工程探地雷達(dá)是用頻率介于 10～2000MHz 的寬頻脈沖電磁波來(lái)確定工程結(jié)構(gòu)或介質(zhì)分布的技術(shù)。雷達(dá)監(jiān)測(cè)的工作原理是利用發(fā)射天線向受檢體發(fā)射寬頻帶短脈沖形式的電磁波，該電磁波進(jìn)入介質(zhì)內(nèi)部后，經(jīng)內(nèi)部界面反射后回到表面，再由接收電線接收回波信號(hào)。由于電磁波在介質(zhì)中傳播時(shí)，其路徑、電磁場(chǎng)強(qiáng)度及波形隨所通過(guò)的介質(zhì)的電性性質(zhì)及幾何形態(tài)發(fā)生變化，因此反射回波攜帶有受檢體內(nèi)部結(jié)構(gòu)信息，就可依據(jù)接收到的反射回波的雙程走時(shí)、幅度、相位等信息對(duì)目標(biāo)介質(zhì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行準(zhǔn)確描述。探地雷達(dá)無(wú)損探測(cè)技術(shù)可用于混凝土內(nèi)部缺陷、鋼筋的分布檢測(cè)，公路工程中路面結(jié)構(gòu)層厚度檢測(cè)，裂縫和裂縫擴(kuò)展的識(shí)別。其優(yōu)點(diǎn)是：探地雷達(dá)法可迅速對(duì)被測(cè)結(jié)構(gòu)進(jìn)行掃描，適用于結(jié)構(gòu)物大面積快速掃測(cè)。

2.4 紅外熱成像檢測(cè)法

20 世紀(jì) 60 年代，美國(guó)就已經(jīng)開(kāi)始對(duì)紅外熱成像技術(shù)應(yīng)用進(jìn)行研究，20 世紀(jì) 70 年代末，紅外熱成像技術(shù)已被用于診斷建筑物的熱損耗、屋頂滲水、圍墻缺陷以及查找路面的次表面缺陷等。我國(guó)在這方面的研究起步較晚，到 90 年代初才有學(xué)者將紅外熱像診斷技術(shù)和土木工程結(jié)合起來(lái)，對(duì)建筑物的熱損耗、建筑材料缺陷的探測(cè)和建筑外墻施工質(zhì)量等進(jìn)行了初步的應(yīng)用研究。紅外線是介于可見(jiàn)紅光和微波間的電磁波，它的波長(zhǎng)范圍在 0.76～1000μm 之間，而其中只有 3～5μm 和 8～14μm 的波段能很好地透過(guò)，紅外探測(cè)儀正是利用這個(gè)波段來(lái)實(shí)現(xiàn)探測(cè)。任何高于絕對(duì)零度的物體都會(huì)輻射紅外線，而物體內(nèi)部存在的裂縫或缺陷會(huì)改變物體的熱傳導(dǎo)，使物體表面的溫度分布不均勻。紅外熱成像技術(shù)是借助紅外熱像儀探測(cè)物體各部分輻射的紅外線能量，由物體表面的溫度場(chǎng)分布情況形成熱像圖來(lái)直觀的顯示材料、結(jié)構(gòu)物等內(nèi)部缺陷的一種非接觸式的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，也被稱(chēng)為紅外掃描測(cè)試技術(shù)。它可以檢測(cè)出物體內(nèi)部缺陷的位置，并具有快速、非接觸、大面積地掃查檢測(cè)物表面，而不損傷檢測(cè)物，且結(jié)果直觀形象，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化和實(shí)時(shí)觀測(cè)的優(yōu)點(diǎn)。

三、動(dòng)態(tài)檢測(cè)技術(shù)

動(dòng)態(tài)檢測(cè)技術(shù)即基于結(jié)構(gòu)振動(dòng)的損傷識(shí)別方法。它是利用結(jié)構(gòu)的振動(dòng)響應(yīng)和系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性參數(shù)來(lái)進(jìn)行結(jié)構(gòu)損傷檢測(cè)。其基本原理是：結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)（如固有頻率、模態(tài)振型、模態(tài)阻尼等）是結(jié)構(gòu)物理特性（如質(zhì)量、剛度和阻尼）的函數(shù)，因而結(jié)構(gòu)物理特性的改變會(huì)引起結(jié)構(gòu)振動(dòng)響應(yīng)的改變。這種損傷探測(cè)方法屬于整體檢測(cè)方法，相對(duì)于前述的局部無(wú)損檢測(cè)方法而言，它能夠檢測(cè)一些較大形體的復(fù)雜結(jié)構(gòu)及其構(gòu)件。目前該方法已經(jīng)被廣泛應(yīng)用在航空、航天以及精密機(jī)械結(jié)構(gòu)等方面。除了整體檢測(cè)的優(yōu)點(diǎn)外，對(duì)于石油平臺(tái)、大型橋梁等大型土木工程結(jié)構(gòu)，可以利用環(huán)境激勵(lì)引起的結(jié)構(gòu)振動(dòng)來(lái)對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢測(cè)，從而實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，這是很吸引人的。

結(jié)束語(yǔ)

總之，無(wú)損檢測(cè)技術(shù)在土木工程材料和成品檢測(cè)中發(fā)揮了巨大的作用，由于無(wú)損檢測(cè)技術(shù)具有非破損、便捷、速度快的優(yōu)點(diǎn)，因此它不僅在土木工程中得到了廣泛的應(yīng)用，它也在工業(yè)與民用建筑工程、道路工程、隧道工程以及水利水電工程中發(fā)揮重大作用。并且越來(lái)越多的新無(wú)損檢測(cè)技術(shù)不斷的產(chǎn)生，這些技術(shù)的使用有效提高了土木工程的質(zhì)量。因此，我國(guó)土木工程相關(guān)單位應(yīng)該進(jìn)一步加強(qiáng)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的研究和應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

[1]蔣濟(jì)同，范曉義.紅外熱像技術(shù)在混凝土檢測(cè)中的應(yīng)用現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)[J].無(wú)損檢測(cè)，2011（2）：52-55.

[2]焦登文.混凝土無(wú)損檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用及其發(fā)展趨勢(shì)[J].商品混凝土，2009（2）：58-60.

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