混凝土无损检测方法述评

摘要：介绍了回弹法、超声波法、雷达法等各种混凝土无损检测方法的工作原理，分析了各自的特点及适用范围。在实际工程中，宜使用两种或两种以上方法进行检测，以互相验证，提高检测的效率及可靠性。

 

关键词：混凝土；无损检测；超声波

 

DONG Qing-hua

(Dept. of Civil and Arch。, Wuyi Univ。, Jiangmen 529020, China)

Abstract: The principles of various nondestructive methods for testing concrete, including rebound testing, ultrasonic testing and radar testing are introduced, and the characteristics of each method are analyzed. In practical engineering testing, more than two methods should be used to do thetesting so that they can verify mutually and the reliability of the testing can be enhanced.

Key words: concrete; non-destructive testing; ultrasonic

 

     无论是工业及民用建筑，还是公路、铁路、水利及水电工程等都广泛使用混凝土材料, 混凝土的质量关系到整个工程的质量。 传统的混凝土强度检验方法是在浇筑地点随机抽取试样，对试样进行抗压强度试验，由试验结果来评定混凝土的强度。由于试样的制作条件、养护环境及受力状态与原位混凝土均存在着明显的差异，试样的实验结果难以全面、准确地反映原位混凝土的质量状况，显然无损检测是获得原位混凝土真实质量的有效方法。早在20 世纪30 年代，人们就开始研究混凝土无损检测技术^[1]。 1948 年，瑞士科学家施密特（E. Schmidt）研制成回弹仪；1949 年

莱斯利（Leslie）等人用超声脉冲成功检测混凝土；60 年代费格瓦洛（I. Facaoaru）提出用声速、回弹综合法估算混凝土强度；80 年代中期，美国的Mary Sansalone 等用机械波反射法进行混凝土无损检测；90 年代以来，随着科学技术的快速发展，涌现出一批新的测试方法，如微波吸收、雷达扫描、红外线谱、脉冲回波等方法^[2]。 我国从50年代开始引进瑞士、英国、波兰等国的超声波仪器和回弹仪，并结合工程应用开展了一定的研究工作；60 年代初我国研制成功多种型号的超声波仪器，随后广泛进行了混凝土无损检测技术的研究和应用；80 年代混凝土无损检测技术在我国得到快速发展，并取得了一定的研究成果，除了超声、回弹等无损检测方法外，还进行了钻芯法、后装拔出法的研究；90 年代以来，雷达技术、红外成像技术、冲击回波技术等进入实用阶段，同时超声波检测仪器也由模拟式发展为数字式，可将测试数据传入计算机进行各种数据处理，以进一步提高检测的可靠性。

 

     混凝土无损检测的方法主要有回弹法^[3]、超声法^[4]、超声回弹综合法^[5]、雷达法^[6,7]、冲击回波法^[8]、红外成像法^[8]、钻芯法^[9]、拔出法^[10]及超声波CT 法^[11]等，其中钻芯法和拔出法属局部破损或半破损检测方法。以下就各种方法的工作原理、特点及适用范围作以述评。

 

1 各种无损检测方法工作原理及其特点述评

1.1 回弹法

     回弹法是以在混凝土结构或构件上测得的回弹值和碳化深度来评定混凝土结构或构件强度的一种方法，它不会对结构或构件的力学性质和承载能力产生不利影响，在工程上已得到广泛应用。

 

     回弹法使用的仪器为回弹仪，它是一种直射锤击式仪器，是用一弹击锤来冲击与混凝土表面接触的弹击杆，然后弹击锤向后弹回，并在回弹仪的刻度标尺上指示出回弹数值。回弹值的大小取决于与冲击能量有关的回弹能量，而回弹能量则反映了混凝土表层硬度与混凝土抗压强度之间的函数关系，即可以在混凝土的抗压强度与回弹值之间建立起一种函数关系，以回弹值来表示混凝土的抗压强度。回弹法只能测得混凝土表层的质量状况，内部情况却无法得知，这便限制了回弹法的应用范围，但由于回弹法操作简便，价格低廉，在工程上还是得到了广泛应用。

 

1.2 超声波法

     超声波法检测混凝土常用的频率为20～250kHz，它既可用于检测混凝土强度，也可用于检测混凝土缺陷。

 

     超声波在混凝土中的传播速度与混凝土的弹性性质密切相关，而混凝土的弹性性质又可以反映其强度大小，从而可以在混凝土超声波传播速度与其强度之间建立起一种相关关系，这种关系通常为非线性关系，可用经验公式或专用测强曲线来表示。由于混凝土本身是一种复合材料，其内部超声波传播速度受许多因素影响，如钢筋的配置方向、不同骨料及粒径的大小、各组分的比例变化、龄期、养护条件及混凝土的强度等级等，这些影响因素在建立测强关系时均应进行修正，显然这种修正是一项很复杂而又烦琐的工作。

 

     超声波法检测混凝土缺陷是根据超声波在混凝土中传播的速度、振幅、相位及主频的变化来判断混凝土内部的缺陷情况。混凝土内部常见的缺陷有：蜂窝状或松散状的不密实区、空洞、杂物或受意外损伤而形成的酥松区等。 当超声波遇到以上缺陷时，其速度、振幅等常会发生一定程度的异常变化，分析这种异常变化可推知混凝土内部的缺陷状况。超声波法检测混凝土内部缺陷时常需要进行一定的数据处理及统计计算，且需要测试人员具有一定的检测经验。

 

1.3 超声回弹综合法

     回弹法只能测得混凝土表层的强度，内部情况却无法得知，当混凝土的强度较低时，其塑性变形较大，此时回弹值与混凝土表层强度之间的变化关系不太明显；超声波在混凝土中的传播速度可以反映混凝土内部的强度变化，但对强度较高的混凝土，波速随强度的变化不太明显。如将以上两种方法结合，互相取长补短，通过实验建立超声波波速—回弹值—混凝土强度之间的相关关系，用双参数来评定混凝土的强度，即为超声回弹综合法。 实践表明该法是一种较为成熟、可靠的混凝土强度检测方法。

 

1.4 雷达法

     钢筋混凝土雷达多采用1GHz 及以上的电磁波，可探测结构及构件混凝土中钢筋的位置、保护层的厚度以及孔洞、酥松层、裂缝等缺陷。它首先向混凝土发射电磁波，当遇到电磁性质不同的缺陷或钢筋时，将产生反射电磁波，接收此反射电磁波可得到一波形图，据此波形图可得知混凝土内部缺陷的状况及钢筋的位置等。雷达法主要是根据混凝土内部介质之间电磁性质的差异来工作的，差异越大，反射波信号越强。 雷达法检测混凝土其探测深度较浅，一般为20 cm 以内，探地雷达使用较低频率电磁波，探测深度可稍大些。此外，该法受钢筋低阻屏蔽作用影响较大，且仪器本身价格昂贵，故实际工程上应用的并不多。

 

1.5 冲击回波法

     冲击回波法是用一钢珠冲击结构混凝土的表面，从而在混凝土内产生一应力波，当该应力波在混凝土内遇到波阻抗差异界面即混凝土内部缺陷或混凝土底面时，将产生反射波，接收这种反射波并进行快速傅里叶变换（FFT）可得到其频谱图，频谱图上突出的峰值就是应力波在混凝土内部缺陷或混凝土底面的反射形成的，根据其峰值频率可计算出混凝土缺陷的位置或混凝土的厚度。由于该法采用单面测试，特别适合于只有一个测试面如路面、护坡、底板、跑道等混凝土的检测。

 

1.6 红外成像法

     自然界中任何高于绝对零度（-273℃）的物体都是红外线的辐射源，它们都向外界不断地辐射出红外线。红外线是介于可见光与微波之间的电磁波， 其波长为0.76~1000 μm， 频率为4×1014~3×1011 Hz。 混凝土红外线无损检测是通过测量混凝土的热量及热流来判断其质量的一种方法。当混凝土内部存在某种缺陷时，将改变混凝土的热传导，使混凝土表面的温度场分布产生异常，用红外成像仪测出表示这种异常的热像图，由热像图中异常的特征可判断出混凝土缺陷的类型及位置特征等。这种方法属非接触无损检测方法，可对检测物进行上下、左右的连续扫测，且白天、黑夜均可进行，可检测的温度为-50~2000℃，分辨率可达0.1~0.02℃，是一种检测精度较高、使用较方便的无损检测方法，并具有快速、直观、适合大面积扫测的特点，可用于检测混凝土遭受冻害或火灾等损伤的程度以及建筑物墙体的剥离、渗漏等。

 

1.7 拔出法

     拔出法用于检测混凝土的强度，它是将安装在混凝土体内的锚固件拔出，测定其极限抗拔力，然后根据预先建立的混凝土极限拔出力与其抗压强度之间的相关关系来测定混凝土强度的一种半破损（局部破损）检测方法。大量实验表明：极限拔出力与混凝土抗压强度之间确实存在着某种近似线性的对应关系，这就为该方法的应用提供了坚实的基础。 拔出法可分为预埋拔出法及后装拔出法两种，预埋拔出法是指预先将锚固件埋入混凝土内的拔出法，后装拔出法是指在已硬化的混凝土上钻孔，然后在其上安装锚固件的拔出法。前者主要适用于成批、连续生产的混凝土结构

构件的强度检测，后者可用于新、旧混凝土各种构件的强度检测。 拔出法一般不宜直接用于遭受冻害、化学腐蚀、火灾等损伤混凝土的检测。

 

1.8 钻芯法

     钻芯法是利用专用钻机和人造金刚石空心薄壁钻头，在结构混凝土上钻取芯样以检测混凝土强度和缺陷的一种检测方法。它可用于检测混凝土的强度，结构混凝土受冻、火灾损伤的深度，混凝土接缝及分层处的质量状况，混凝土裂缝的深度、离析、孔洞等缺陷。 该方法直观、准确、可靠，是其他无损检测方法不可取代的一种有效方法。钻芯法检测混凝土费用较高，费时较长，且对混凝土造成局部损伤，因而大量的钻芯取样往往受到限制，可利用其他无损检测方法如超声法与钻芯法结合使用，以减少钻芯数量，另一方面钻芯法的检测结果又可验证其他无损检测方法如超声法的检测结果，以提高其检测的可靠性。

 

1.9 超声波CT 法

     超声波具有穿透能力强，检测设备简单，操作方便等优点，特别适合于对混凝土的检测，尤其适合对大体积混凝土如大坝、桥墩、承台及混凝土灌注桩的检测。常规的超声波对测法及斜测法^[4]可检测混凝土内部的缺陷，但这需要操作人员具有一定的工作经验，且检测精度也不够高，仅能得到某些测线上而非全断面的混凝土质量信息。 将计算机层析成像（ Computerized Tomography，简称CT）技术用于混凝土超声波检测，即为混凝土超声波层析成像检测方法。 该方法首先将待检测混凝土断面剖分为诸多矩形单元，如图1 所示，然后从不同方向对每一单元进行多次超声波射线扫描，即由来自不同方向的多条射线穿过一个单元，用所测超声波走时数据进行计算成像，其成像结果可精确、直观表示出整个测试断面上混凝土的缺陷及质量信息，使检测精度大为提高。混凝土超声波CT 检测测线布置如图2 所示。

图1 混凝土超声波层析成像网格剖分示意图

图2 为具有四个测试面的测线布置示意图。

 

     由于混凝土是一种非均匀各向异性复合材料，超声波在其中传播会发生复杂的散射、反射和透射等现象，这使得超声波能量衰减很快，其传播距离受到限制。混凝土超声波CT 中所用波长一般为几厘米以上，与混凝土内部缺陷的几何尺度相差不大，因此应考虑超声波的衍射，按最短走时路径的Fermat 原理进行射线追踪，据此来建立层析成像方程组^[12]，以提高成像分辨率。

 

2 结论与建议

     1）每一种无损检测方法都是以混凝土介质某一物理量的变化为前提的。 实际工程检测中，宜使用两种或两种以上方法进行检测，即以两个或两个以上物理量的变化为依据，这样可使判断更为准确，且可以互相验证，提高检测的可靠性。

 

     2）本文所述的各种无损检测方法中，超声波CT 具有广阔的应用前景，应大力开展这方面的研究工作。目前的混凝土超声波层析成像仅限于走时成像，试验表明：当超声波穿过混凝土内部某些缺陷时，其振幅的变化比速度的变化更为明显，因此应尽快开展超声波振幅成像方面的研究，与走时成像一起，用双参数进行成像，对混凝土进行更全面的评价。目前的仪器均为一发一收或双收，在仪器方面应尽快研制出一发多收的混凝土超声波检测仪器，以满足成像观测的需求。

 

     3）以往的混凝土无损检测主要集中在强度检测及缺陷探测两方面，应进一步开拓新的检测内容，如混凝土耐久性预测、已建混凝土结构的损伤程度检测等。

 

     4)在相同频率条件下，横波的速度小于纵波，故横波的分辨率要高于纵波^[13]。 目前的混凝土超声波检测均用的是纵波，建议开展横波检测方面的研究，首先应尽快开发出用于横波检测的仪器，尤其是横波换能器，以提高检测的精度。

 

     5）除本文所述无损检测方法外，尚有检测混凝土钢筋位置及保护层厚度的磁测法，检测混凝土强度的射针法及贯入法等。随着科学技术的快速发展，尤其工业无损检测^[14]、医学检测^[15]等领域的检测方法向本学科的渗透，必将会有新的检测方法出现，这将进一步推进混凝土无损检测的快速发展。

 

     6）混凝土无损检测方法甚多，判断一种方法的优劣应主要看其检测效果，其次应考虑是否容易实现。今后应着重于如何提高检测精度方面的研究，开发出经济、实用、快速、精确的混凝土无损检测方法，以满足工程需要。

 

参考文献：

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