土木工程領(lǐng)域中的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)

郝勇 殷徐 雷龍堅(jiān)

（長(zhǎng)江大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院）

改革開(kāi)放以來(lái)，我國(guó)基礎(chǔ)建設(shè)穩(wěn)步推進(jìn)。但隨著時(shí)間的推移，由于大氣條件、過(guò)度負(fù)荷和自然老化過(guò)程等因素的影響，工程結(jié)構(gòu)逐漸被破壞，后果不堪設(shè)想。因此，一項(xiàng)工程建設(shè)中和完工后，對(duì)結(jié)構(gòu)中重要的混凝土構(gòu)件進(jìn)行損傷檢測(cè)是防止災(zāi)難發(fā)生的十分必要的環(huán)節(jié)。無(wú)損檢測(cè)技術(shù)是指在不破壞或改變結(jié)構(gòu)的前提下利用聲、光或電磁等手段，來(lái)探尋物體內(nèi)部是否有能夠威脅到整個(gè)結(jié)構(gòu)安全的缺陷的技術(shù)，是工程建設(shè)過(guò)程中以及完工后檢驗(yàn)工程質(zhì)量和保障結(jié)構(gòu)安全的重要手段。

1 光學(xué)檢測(cè)技術(shù)

1.1 激光掃描儀

激光掃描儀是近年來(lái)在土木工程應(yīng)用中廣泛探索的遙感技術(shù)的一部分，用于詳細(xì)記錄和檢查大型結(jié)構(gòu)。相較于傳統(tǒng)檢測(cè)方法的優(yōu)勢(shì)在于其能夠收集大量精確的數(shù)據(jù)，包括幾何形狀以及不同的輻射屬性[1]。其原理是使用聚焦的相干光脈沖，系統(tǒng)計(jì)算光在傳輸過(guò)程中以及從被測(cè)物體返回時(shí)的飛行時(shí)間，將其轉(zhuǎn)換為距離然后生成毫米級(jí)三維地圖。該技術(shù)的局限性是只能測(cè)量和生成被掃描物體可見(jiàn)表面的變形，并且需要充足的光照和較慢的掃描速度來(lái)提高圖像的質(zhì)量[2]。其二是激光掃描儀會(huì)產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)，需要人工處理大量的數(shù)據(jù)。另外使用需要對(duì)激光對(duì)準(zhǔn)算法進(jìn)行修正調(diào)平以提高裂縫檢測(cè)的精度。嚴(yán)承峻[3]研究了激光掃描技術(shù)在橋梁工程中的應(yīng)用，結(jié)果表明該技術(shù)可以有效監(jiān)控施工全程，降低了成本，提高了施工效率。

1.2 光纖檢測(cè)技術(shù)

利用外界因素使光在光纖中傳播時(shí)光強(qiáng)、相位、偏振態(tài)以及波長(zhǎng)（或頻率）等特征參量發(fā)生變化，從而對(duì)外界因素進(jìn)行檢測(cè)和信號(hào)傳輸?shù)募夹g(shù)稱為光纖檢測(cè)技術(shù)。因其具有低損耗、輕重量、可繞性好、可檢測(cè)信息量大等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用，檢測(cè)主要是通過(guò)光源加線束構(gòu)成的光纖傳感器(FOSs)進(jìn)行。目前光纖檢測(cè)技術(shù)傳感器主要有三種，即光纖布拉格（bragg）光柵傳感器、分布式光纖傳感器和光纖干涉?zhèn)鞲衅鱗4]。

bragg 光柵傳感器的應(yīng)變測(cè)量精確度可達(dá)納米級(jí)，并且測(cè)試結(jié)果十分可靠。主要缺陷是同一光纖上的光柵數(shù)目受光源譜線寬度的限制，并且成本較高，制作光柵時(shí)需在不影響光纖精度的同時(shí)保護(hù)好光纖也是一個(gè)挑戰(zhàn)。目前該傳感器已廣泛應(yīng)用于土木工程各個(gè)領(lǐng)域中。 Zhang, C等[5]采用光纖光柵傳感器對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的地震損傷響應(yīng)進(jìn)行了監(jiān)測(cè)。研究結(jié)論得出，光纖光柵傳感器非常準(zhǔn)確地檢測(cè)到裂紋的萌生和梁中發(fā)生的損傷。

分布式光纖傳感器(DOFS)由連續(xù)分布等長(zhǎng)度的光纖傳感單元組成，相鄰的傳感單元之間沒(méi)有間距，它們能以真正分布式的方式監(jiān)測(cè)整個(gè)光纖的一維結(jié)構(gòu)物理場(chǎng)的變化，有很好的經(jīng)濟(jì)性。Zhao等[6]采用一種基于分布式光纖布里淵技術(shù)的新方法。通過(guò)在鋼筋混凝土試件中埋設(shè)DOFSs 來(lái)測(cè)量鋼筋腐蝕引起的膨脹應(yīng)變并驗(yàn)證了該方法的有效性。

干涉光纖傳感器的工作原理簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是利用光波的干涉將包含在光波相位中的被測(cè)信息實(shí)現(xiàn)相位調(diào)解，從而獲得所需要的參數(shù)與信息。該傳感器使用的單模光纖直徑更小，可以在不影響材料連續(xù)性的情況下嵌入材料中。但是在現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境中的安裝需非常小心。單模光纖應(yīng)成功切割并耦合在一起，以確保耦合損耗最小。Leng 等人[7]使用FP 和FBG 傳感器來(lái)監(jiān)測(cè)碳纖維增強(qiáng)塑料應(yīng)用的固化過(guò)程。結(jié)果表明，嵌入式FP 干涉?zhèn)鞲衅骱虵BG 傳感器都可以用于監(jiān)測(cè)復(fù)合材料的固化過(guò)程和過(guò)程中發(fā)生的損傷。

2 聲波檢測(cè)技術(shù)

2.1 超聲脈沖技術(shù)

超聲波是一種頻率高于20KHZ 并且超過(guò)人類(lèi)聽(tīng)覺(jué)極限的機(jī)械波。超聲脈沖技術(shù)的原理是通過(guò)反彈聲波來(lái)確定內(nèi)部缺陷的尺寸和位置[8]。其缺點(diǎn)是在混凝土疏松層中，缺陷范圍達(dá)到一定程度才能檢驗(yàn)出來(lái)。土木工程領(lǐng)域通常會(huì)應(yīng)用該技術(shù)在檢驗(yàn)混凝土質(zhì)量、混凝土構(gòu)件完整性和纖維增強(qiáng)材料等方面。Messaouda Bel‐ouadah 等[9]利用超聲脈沖技術(shù)評(píng)價(jià)用大理石廢料和粉末作為水泥部分替代品的物理力學(xué)性能。他們將六種不同重量百分比大理石粉替代水泥，并加入超級(jí)增塑劑。采取超聲脈沖技術(shù)和回彈錘法對(duì)四段養(yǎng)護(hù)齡期的試件進(jìn)行了測(cè)試和分析。研究發(fā)現(xiàn)各試件的抗壓強(qiáng)度與超聲脈沖速度呈現(xiàn)良好的線性相關(guān)性。

2.2 相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)

相控陣超聲檢測(cè)起源于先進(jìn)的相控陣?yán)走_(dá)技術(shù)，也稱相控陣超聲顯像法，其基本原理實(shí)際上是相位控制，通過(guò)電子系統(tǒng)控制探頭陣列中的晶片按照一定的延時(shí)法則發(fā)射和接收超聲波，實(shí)現(xiàn)聲束的掃描、偏轉(zhuǎn)、聚焦等功能，可以在探頭不前后移動(dòng)的情況下將聲束覆蓋到檢測(cè)區(qū)域，并在接收聲波回波后按一定的延遲法則進(jìn)行信號(hào)處理并以需要的圖像的方式來(lái)顯示被檢測(cè)對(duì)象內(nèi)部缺陷狀態(tài)，可實(shí)現(xiàn)各種結(jié)構(gòu)復(fù)雜工件的檢測(cè)[10]。由于其檢測(cè)自由度高，檢測(cè)快速、全面準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)，在醫(yī)學(xué)和工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用較廣，近些年開(kāi)始在土木工程領(lǐng)域有所應(yīng)用。但其也存在一些缺點(diǎn)，如只適用于形狀規(guī)則的部件，缺陷定量困難，裝置規(guī)模大，判讀困難，對(duì)操作人員技術(shù)有比較高的要求等，還需學(xué)者們更加深入的去研究解決這些問(wèn)題。

王康等[11]等采用干耦合相控陣超聲斷層掃描、連續(xù)掃描二維擬合圖像法檢測(cè)4套不同類(lèi)型灌漿孔道的裝配式漿錨連接剪力墻試件的灌漿質(zhì)量，結(jié)果表明相控陣超聲檢測(cè)法能準(zhǔn)確識(shí)別混凝土通孔、聚氯乙烯（PVC）管和鋼管灌漿脫空的位置和尺寸，并且可以準(zhǔn)確識(shí)別異物缺陷位置和尺寸。目前相控陣超聲檢測(cè)法在土木工程領(lǐng)域的應(yīng)用不多，但這兩項(xiàng)研究可以充分說(shuō)明相控陣超聲檢測(cè)法在土木工程行業(yè)有著巨大的應(yīng)用潛力。

3 電磁波檢測(cè)技術(shù)

3.1 探地雷達(dá)

探地雷達(dá)(GPR)是一種利用脈沖電磁輻射掃描混凝土以評(píng)估混凝土結(jié)構(gòu)完整性的無(wú)損檢測(cè)方法。其具有非侵入性、低成本和快速監(jiān)測(cè)的特點(diǎn)，是土木工程中應(yīng)用最廣泛的電磁波技術(shù)之一，它的工作原理是利用電磁光譜的微波區(qū)域，產(chǎn)生高頻電磁能量的輻射短脈沖通過(guò)發(fā)射天線穿透物體，然后由接收器探測(cè)到。系統(tǒng)測(cè)量的工作頻率越高，分辨率越高，系統(tǒng)的穿透深度越低。測(cè)量信號(hào)根據(jù)變化后的信號(hào)進(jìn)行放大、處理和分析，以此來(lái)檢測(cè)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的腐蝕或缺陷。其缺點(diǎn)是必須使用測(cè)試材料提前進(jìn)行校準(zhǔn)以保持系統(tǒng)準(zhǔn)確性并且要高技能的專(zhuān)家來(lái)解釋從系統(tǒng)中捕獲的數(shù)據(jù)。

近年來(lái)，研究人員主要關(guān)注各種GPR 數(shù)據(jù)分析方法，希望通過(guò)人工智能分析數(shù)據(jù)以克服技術(shù)的局限性。吳文秀等[12]為檢測(cè)瀝青路面的實(shí)際厚度并實(shí)現(xiàn)瀝青路面厚度的自動(dòng)提取。分別采用Canny 算法、連通區(qū)域檢測(cè)算法對(duì)探地雷達(dá)圖像進(jìn)行處理，并結(jié)合gprMax 軟件正演模擬數(shù)據(jù)對(duì)比分析。結(jié)果表明，Canny 算法具有更好的效果，與實(shí)際相比誤差約為4.13%，可以較好地實(shí)現(xiàn)探地雷達(dá)圖像中瀝青路面厚度的快速智能提取。

3.2 頻率掃描法

頻率掃描法是一種基于電磁波的方法，其基礎(chǔ)理論為交變磁場(chǎng)測(cè)量法。主要原理是利用一個(gè)固定磁場(chǎng)，使射頻或磁場(chǎng)的頻率緩慢變化，通過(guò)共振范圍，獲得我們所需要的共振譜。一般頻率掃描系統(tǒng)由發(fā)射機(jī)、接收機(jī)、矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀和圖形用戶界面的計(jì)算機(jī)組成。天線與分析儀相連，通過(guò)用戶界面進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，可以調(diào)節(jié)并控制系統(tǒng)與被測(cè)物之間的距離。系統(tǒng)工作在頻域中的掃描頻率設(shè)置為從2 GHz到13 GHz，入射波由分析儀產(chǎn)生并發(fā)送到發(fā)射機(jī)天線。通過(guò)接收天線捕獲反射信號(hào)，依據(jù)波長(zhǎng)、頻率、時(shí)間等數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。Kot 等[13]首次將頻率掃描法應(yīng)用于檢測(cè)混凝土平屋面滲漏情況。結(jié)果表明，防水膜失效對(duì)微波信號(hào)有影響。反射微波信號(hào)的振幅和頻率都發(fā)生了變化。

4 結(jié)論與展望

本文對(duì)工程建設(shè)中一些無(wú)損檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行了基本介紹，目前無(wú)損檢測(cè)在土木工程領(lǐng)域中所使用的場(chǎng)景更多的是在實(shí)驗(yàn)室或現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)等陸上建筑，對(duì)于大型結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)以及水下及其他惡劣環(huán)境結(jié)構(gòu)檢測(cè)仍然是一個(gè)丞待解決的問(wèn)題，在目前我國(guó)基礎(chǔ)設(shè)施基本完善的現(xiàn)狀下，對(duì)于建（構(gòu)）筑物的安全保證是關(guān)鍵問(wèn)題，因此，未來(lái)可以更多的向大型結(jié)構(gòu)或惡劣環(huán)境下的整體長(zhǎng)期實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)以及預(yù)警進(jìn)行更加深入的研究。