無損檢測在混凝土結(jié)構(gòu)檢測中的應(yīng)用

周曉金

（廣東裕恒工程檢測技術(shù)有限責(zé)任公司）

0 引言

混凝土在土木工程中用量很大，是建筑工程中最主要的結(jié)構(gòu)材料之一?；炷两Y(jié)構(gòu)乃至整個房屋建筑工程的安全性、適用性和經(jīng)濟(jì)性和混凝土施工質(zhì)量的好壞分不開，因此，為了保證混凝土的質(zhì)量，就必須做好混凝土的質(zhì)量監(jiān)控和檢測，這是建筑工程管理中的非常重要的一個環(huán)節(jié)。150×150×150mm 的標(biāo)準(zhǔn)試件的抗壓強(qiáng)度歷來作為混凝土的主要質(zhì)量強(qiáng)度指標(biāo)。早在1911 年英國皇家建筑學(xué)院的混凝土強(qiáng)度研究報告中，150mm 的立方體抗壓強(qiáng)度試驗是推薦方法，直到今天，這種方法在工程檢測領(lǐng)域仍然被廣泛使用。我國的GB/T 50081-2019《普通混凝土力學(xué)性能試驗方法》和GB/T 50107-2010《混凝土強(qiáng)度檢驗評定標(biāo)準(zhǔn)》，對混凝土標(biāo)準(zhǔn)試件的檢測方法進(jìn)行明確規(guī)定，為實現(xiàn)混凝土強(qiáng)度質(zhì)量監(jiān)督奠定了基礎(chǔ)。然而混凝土標(biāo)準(zhǔn)試件的抗壓試驗是以試件破壞時的實測值代表混凝土的性能指標(biāo)，對于混凝土結(jié)構(gòu)而言，該方法只是一種間接方法，標(biāo)準(zhǔn)試塊成型的條件、養(yǎng)護(hù)條件及養(yǎng)護(hù)過程中受力情況都無法與實際建筑環(huán)境一致，檢測所得出的結(jié)果只是標(biāo)準(zhǔn)條件下混凝土的力學(xué)性能，無法完全代表實體結(jié)構(gòu)真實的力學(xué)性能。因此檢測人員在努力尋找能在建筑結(jié)構(gòu)上直接檢測混凝土各項指標(biāo)的方法。

從1930 年開始，人們開始嘗試使用無損的方法檢測實體結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能。無損檢測技術(shù)是在不破壞混凝土使用性能和完整性的前提下，利用彈性波、電磁波、紅外線譜、放射性等物理性能檢測混凝土性能方法。1935年，共振法用于測試混凝土的彈性模量；1948 年回彈儀成功設(shè)計；1949 年超聲脈沖開始使用在混凝土檢測中；60 年代聲速、回彈綜合法估算混凝土強(qiáng)度被提出；80 年代中期開始嘗試用彈性波反射法進(jìn)行混凝土無損檢測。隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，無損檢測在混凝土結(jié)構(gòu)檢測中逐步形成完整的技術(shù)體系。以下將介紹幾種常用混凝土無損檢測方法及其適用領(lǐng)域和特點。

1 常用混凝土無損檢測方法

混凝土結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的無損檢測方法是通過建立混凝土的彈性波、電磁波、紅外線譜、放射性等物理性與抗壓強(qiáng)度之間相關(guān)性，推算混凝土結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的方法。通過對相同混凝土的標(biāo)準(zhǔn)試塊的強(qiáng)度與無損試驗的數(shù)據(jù)對照，進(jìn)行回歸分析和數(shù)學(xué)處理，最終得出測強(qiáng)曲線。常見的無損檢測方法有回彈檢測法、超聲檢測法和超聲回彈綜合法。

1.1 回彈檢測法

回彈檢測法是使用回彈儀檢測混凝土實體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的方法。在回彈儀內(nèi)安裝一個彈簧、彈擊桿和重錘，回彈儀被激發(fā)時，彈簧驅(qū)動重錘沿著彈擊桿，撞擊到混凝土表面，通過測試重錘被彈回的距離作為回彈值。根據(jù)回彈值的測強(qiáng)曲線來推定混凝土強(qiáng)度。由于測試在混凝土的表面，重錘反彈的作用力只在混凝土表面一定厚度范圍內(nèi)，因此該方法屬于表面硬度法?；貜椃z測混凝土強(qiáng)度的原理圖如圖1。

圖1 回彈法示意圖

撞擊前的回彈儀的初始狀態(tài)時，彈簧被拉伸長度為，假設(shè)重錘的質(zhì)量為1，則此時重錘所有e 的勢能。

式中，Es——拉力彈簧的剛度系數(shù)。

當(dāng)回彈儀被激發(fā)，重錘沖擊混凝土，混凝土瞬間發(fā)生彈性形變，反作用力作用在重錘上，重錘被反彈回來，重錘回到某一個位置x，此時重錘剩余的勢能ex為：

因此，在彈擊過程中，重錘損耗的能量是Δe。

總之，德育就好比是一根“魔法棒”，能夠讓學(xué)生原本像狗尾巴一樣沒用的學(xué)問變成像牛尾巴、魚尾巴、鳥尾巴一樣有用的學(xué)問。因此，在小學(xué)數(shù)學(xué)教學(xué)過程中，教師要見縫插針、小題大做、恰如其分地滲透德育，據(jù)此將智育和德育彼此交融、同生共長，進(jìn)而達(dá)到“兩全其美”美麗結(jié)果。

式中，

ex——當(dāng)重錘撞擊彈回某一位置（x）時的勢能；

Δe——重錘在檢測過程中損失的能力；

e——撞擊前彈簧錘的初始能力。

根據(jù)上述分析可以得出，回彈值是用重錘在混凝土表面彈擊前后的能量差，反映混凝土的彈性性能和塑性性能。因此采用實驗室歸納法，可以建立回歸方程或校準(zhǔn)曲線，將混凝土強(qiáng)度與回彈值關(guān)聯(lián)起來。

回彈法在混凝土檢測領(lǐng)域應(yīng)用比較廣泛，是因為該方法操作便捷、經(jīng)濟(jì)。但有很多影響因素如回彈儀的標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)、現(xiàn)場的條件，檢測構(gòu)件的選取、測區(qū)及布點和計算方法等。因此應(yīng)不斷加強(qiáng)對各影響因素的分析，努力提高檢測精度。

1.2 超聲法

混凝土超聲法又叫做“穿透法”，是利用超聲波在混凝土傳播，聲速和波形受混凝土彈性性質(zhì)和內(nèi)部結(jié)構(gòu)影響，從而檢測混凝土強(qiáng)度的方法。在被測混凝土結(jié)構(gòu)的兩側(cè)分別貼上兩換能器并保持在同一條軸線上，發(fā)射換能器從一端向另一端重復(fù)發(fā)射超聲脈沖波，頻率一般在50～100kHz 之間，然后在另外一端換能器接收聲波信號。再將接收到的信號轉(zhuǎn)換為電信號并經(jīng)超聲儀放大到顯示屏上。接收到的超聲波型號，攜帶了被測混凝土結(jié)構(gòu)的相關(guān)信息。一般來說，聲波速度越高，混凝土的組成材料強(qiáng)度越高、內(nèi)部越密實、彈性模量越高，混凝土的強(qiáng)度也越大。聲波速度與混凝土的內(nèi)部傳遞及力學(xué)性能有相關(guān)性。目前認(rèn)為超聲波聲速與彈性模量如式⑸關(guān)系。

式中，

ρ——重錘在檢測過程中損失的能力；

E——撞擊前彈簧錘的初始能力；

μ——撞擊前彈簧錘的初始能力。

圖2 混凝土超聲法檢測示意圖

混凝土強(qiáng)度f 與超聲波在混凝土結(jié)構(gòu)中穿透聲速v存在相關(guān)性。超聲檢測法之所以能檢測混凝土的強(qiáng)度就是要預(yù)先建立f-v 相關(guān)曲線，然后用實際測量的聲速值v 來推算出混凝土強(qiáng)度值。

1.3 超聲回彈綜合法

超聲回彈綜合法是將超聲法和回彈法結(jié)合使用的綜合檢測方法。只使用一種方法檢測混凝土?xí)幸欢ǖ木窒扌?。兩種方法的綜合使用不但發(fā)揮各自的優(yōu)勢，還能減弱單獨使用的缺陷，既能夠檢測混凝土實體結(jié)構(gòu)彈性和塑性性能，又能夠了解混凝土內(nèi)部的缺陷，因此能夠更加準(zhǔn)確檢測出混凝土實體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度。

超聲回彈綜合法是先采用超聲波法測試混凝土性能，測量超聲波在被檢混凝土構(gòu)件中傳播的波速，然后再用回彈儀檢測混凝土的表面強(qiáng)度，建立f-v-R 關(guān)系。再根據(jù)混凝土強(qiáng)度、聲速值和回彈值的測強(qiáng)曲線，推定出該混凝土構(gòu)件的強(qiáng)度。

超聲檢測法和回彈法綜合運用減少原來對回彈值和聲速的影響，擴(kuò)大該方法的適用范圍，提高測試精度。超聲回彈綜合法具有以下優(yōu)勢：

⑴混凝土含水率和齡期的影響削減。

聲波在混凝土構(gòu)件中傳播，影響聲速的不但有骨料，還有齡期和含水率。同樣的，回彈值也會被齡期和含水率影響。但是，兩者的影響情況是不同的。一般情況下，含水率越大，回彈值越低，而聲速也大。這是因為聲波在水中的傳播速度比空氣中快。因此在f-V-R 中，兩種方法部分抵消含水率對強(qiáng)度的影響。

⑵彌補(bǔ)兩種方法的缺陷。

超聲法或回彈法只能在某一個方面和一定范圍反映混凝土實體結(jié)構(gòu)的性能。例如回彈檢測法，只能對混凝土結(jié)構(gòu)表面一定深度范圍內(nèi)的強(qiáng)度進(jìn)行推測。當(dāng)需要檢測大尺寸構(gòu)件時，回彈法很難反映混凝土內(nèi)部的實際強(qiáng)度。而超聲法則是通過檢測斷面的動彈性能來推測混凝土強(qiáng)度，但是對較高強(qiáng)度混凝土檢測時，動彈性指標(biāo)敏感性下降，許多微小的變化容易被檢測誤差掩蓋，因此會限制使用范圍。

使用超聲回彈綜合法檢測混凝土結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，不僅僅能檢測到混凝土結(jié)構(gòu)的內(nèi)部和外部的性能，而且能擴(kuò)大檢測強(qiáng)度的范圍，相互彌補(bǔ)缺陷。

⑶提高精度。

超聲回彈綜合法將兩種檢測方法的優(yōu)點結(jié)合在一起，減小了許多因素的影響，能更好地反映出混凝土構(gòu)件的整體力學(xué)性能，對提高檢測精度有明顯的效果。

2 混凝土無損檢測的優(yōu)點

⑴無損檢測是在不破壞建筑構(gòu)件的前提下進(jìn)行檢測，避免影響建筑的使用和壽命。

⑵無損檢測是直接在混凝土構(gòu)件上進(jìn)行檢測，能夠直接反映混凝土結(jié)構(gòu)的質(zhì)量和強(qiáng)度，避免了間接推斷。

⑶無損檢測是一種連續(xù)性可重復(fù)的檢測，檢測結(jié)果具有很好的可比性。

⑷無損檢測不僅可以對舊建筑進(jìn)行檢測、評價，還廣泛應(yīng)用于新建的建筑物上，適用性很好。

3 總結(jié)

混凝土無損檢測技術(shù)應(yīng)用時間長，但又是年輕的技術(shù)。混凝土無損檢測技術(shù)具有突出的優(yōu)點的同時也有比較明顯的缺點。因此，在實際工程檢測中，往往會使用兩種以上的方法相結(jié)合，達(dá)到提高精度和檢測可靠性的目的?；蛘咴谑褂脗鹘y(tǒng)的檢測方法的時候加入無損檢測方法，兩種方法起到相互驗證的作用。隨著科學(xué)技術(shù)的日新月異，建筑工程檢測是實際需要，我們有理由相信和期待無損檢測技術(shù)水平的提高和更新的技術(shù)得以應(yīng)用。