无损检测在土木工程中的应用

刘传雄 ,雍洪宝

(1. 淮阴工学院 建筑工程学院，江苏 淮安 223001； 2.淮安市建筑工程检测中心有限公司， 江苏 淮安 223001)

0 引言

近几十年，随着国民经济的发展、科学技术的进步、生活水平的提高，建筑结构逐渐向高层、超高层、大跨度及大型地下空间结构方向发展，新材料、新结构和新的工艺不断涌现，为提高工程质量，保障人民的生命财产安全，需对结构的设计、材料构件的质量以及施工质量进行验证与鉴定。同时，既有建筑在使用中也存在结构老化或遭受各种偶遇荷载而损伤等问题，因而有必要对既有建筑特别是重点保护建筑作检测普查、鉴定剩余寿命，以便为已有建筑的维护、加固、改建、扩建提供合理方案。为此，作为现场检测主要技术方法的无损检测技术，引起了越来越多工程技术人员的关注与重视，并进而在土木工程中得到广泛应用。本文对无损检测技术及其在土木工程中的应用进行了系统回顾与总结，以提高人们对无损检测技术的认识，充分发挥无损检测技术的作用，进而促进无损检测技术的应用与发展。

1 无损检测

无损检测是在不破坏或损伤原结构、构件或材料等受检对象的前提下，检测结构或构件的材料力学性能、缺陷、损伤、微结构的退化和耐久性等参数，进而对结构及构件的性能和质量状况做出定性和定量评定的综合性应用技术。

无损检测方法很多，各种方法的基本原理涉及物理学、材料学、化学、微电子学及、计算机技术、通讯技术等多门学科。因此，无损检测技术的发展与这些学科的发展密不可分。但从应用的角度来说，无损检测的发展可分为三个阶段[1]：早期为满足工程设计强度要求而进行的无损探伤；始于20世纪70年代，关注材料、产品及工艺参数的无损检测；第三阶段就是在检测的同时注重对产品质量的评价。

无损检测结果的评价具有对比性或相关性，即先对受检对象进行无损检测，然后对其进行破坏性检测，再建立两种检测结果之间的相关关系，才有可能对无损检测结果做出较为正确的评价。这一点必须引起足够的重视，否则，如果不做这样的检测对比，则不管检测的灵敏度有多高，所作的评价将没有任何意义[2]。即便如此，由于无损检测受诸多因素的影响，其检测结果仍不一定十分可靠。所幸的是，无损检测方法具有互容性，即对同一受检对象可以采用不同的检测方法。因此，还要采用不同的方法进行检测并综合比较，以提高检测结果的可靠性[3]。鉴于此，每个国家都相应的编制了各种结构或检测方法的检测鉴定标准与规范。

2 常用的无损检测技术

2.1 回弹法

回弹法是表面硬度法的一种应用，主要通过测定混凝土表面硬度来推定抗压强度。回弹仪由瑞士的E.Schmidt于1948年发明，其原理是用一个弹簧驱动的重锤，通过传力杆弹击混凝土表面，测出重锤的回弹值来推定混凝土强度。英国的Kolek论证了混凝土强度与压痕直径的关系，并用试验验证了回弹值与压痕直径的关系。而现在主要是通过试验归纳直接建立混凝土强度与回弹值之间的经验关系曲线。回弹法在我国的应用始于20世纪50年代，后经大量的研究与实践应用，提出了适合我国实情的测强曲线及技术规程。

该方法仪器构造简单、测试方法易于掌握、携带便利、费用低廉、检测效率较高。因而广泛应用于检验混凝土的均匀性、对比混凝土质量是否达到特定要求、初步判断混凝土质量出现问题的区域、推定混凝土的强度[4]。

2.2 超声波检测法

超声波是以波的形式在弹性介质中传播的机械波，其频率高于20kHz，具有指向性好、对各种材料的穿透力强等特点，因此能应用于绝大部分材料。Sokolov于20世纪30年代开始了超声波检测的研究，40年代脉冲回波探伤仪器的问世，标志着超声波检测技术的应用成为现实。我国超声波检测技术应用于土木工程领域，始于20世纪50年代从英国引进UCT-2型混凝土超声检测仪。

超声波在传播过程中，随着传播距离的增加，其能量将逐渐减弱，即超声波衰减，其衰减程度与材料性质有关，如晶粒大小、缺陷密集程度等等。此外，在两种介质界面超声波将发生反射、透射和散射。因此，这些反射、透射或散射波在一定程度上携带有受检对象厚度、内部缺陷及其所在位置等等信息。再有，超声波在介质中的传播速度(声速)与介质的密度、配比(混凝土材料)等强度因素有关，所以声速又与材料的强度联系在一起。

超声波检测技术应用于土木工程，必须解决两个关键问题：超声波的发射和接收(超声换能器)；寻找接收信号与检测项目的相关性(数据处理)。国内外学者和工程技术人员为此做了大量研究工作，取得了丰富的研究成果，形成了比较成熟的测试技术，编制了相应的检测鉴定标准与规范。总体上可以概括为以下三个方面：(1)超声波的类型和产生超声波技术的发展。目前可以根据需要发射不同类型的超声波如纵波、横波、瑞利波或兰姆波(导波)，而超声波产生技术也由压电陶瓷发展到电磁超声、激光超声、相控阵列、磁致伸缩超声技术[5]。Wardany等用超声瑞利波检测了建成于1959年位于加拿大东部的两个水工混凝土结构近表面的损伤情况，两者使用了不同的混凝土粗骨料材质[6]。李东生等则用超声兰姆波检测了钢筋混凝土结构界面脱粘分层情况，并分析了界面分层长度与兰姆波能量衰减之间的关系[7]。(2)数据处理与储存方法的发展。早期只是对声速参量进行相关性分析，检测数据也不易存储，随着数字技术、计算机技术的发展，信息数据的存储极为方便，超声成像技术也有了快速发展[8]，并把振幅、频率或波形逐渐纳入相关性数据分析的行列。(3)检测技术的综合应用。结合其它检测方法对材料、构件或结构厚度、强度、缺陷等进行检测。Kheder等利用纵波超声回弹综合法对混凝土构件强度进行了现场检测。Beatrice等综合超声检测、硬度计、湿度计等方法对那不勒斯的一座建于19世纪初的古老建筑的木屋架构件的刚度、强度、内部缺陷等进行了检测[9]。Machado等则用超声波间接法实现了对营运中的海上木结构构件弯曲刚度和强度的检测[10]。沈先华利用超声波检测技术结合斜率法对某混凝土孔灌注桩缺陷进行了定性与定量评价[11]。周茗如等联合应用超声检测、人工敲击和应变分析法对大型钢管混凝土结构中混凝土与钢管壁粘结情况的检测评价[12]。

2.3 声发射法

声发射现象指的是物体因受外力或内应力的作用，在其内部缺陷处将产生应力集中而发生塑性变形，储存大量的应变能，一旦裂纹产生或裂纹扩展，部分应变能就会以瞬时弹性应力波的形式向外释放的现象。因物体内部裂纹的产生或扩展而产生的声发射现象的弹性波频率低，人们就做了大量的工作去研究如何能“听”到这些声发射现象，不仅要能“听”到，而且要能知道在哪个地方发生、原因是什么、什么时间发生、危害有多大？这就是声发射检测。

声发射检测起源于20世纪50年代德国凯赛尔的研究，他首先发现金属材料在变形中会产生声发射现象，提出了声发射不可逆效应即凯赛尔效应[13]。随后，其他国家的研究人员进一步探明了塑性变形的声发射机制——位错。1964年，美国率先将声发射检测技术应用于北极星导弹舱的检测并获得成功，此后该项技术得到快速发展。我国于1973年建成第一套声发射试验装置，并先后研制了多种型号的声发射检测仪。直到80年代，随着其它基础性研究和计算机技术的发展，基于小波分析和神经网络的声发射检测技术才得以迅速发展。

Rusch于1959年开启了对混凝土声发射信号研究的大门，并指出了混凝土材料凯赛尔效应的极限应力范围[14]。1970年Green对混凝土的弹性模量、泊松比和劈裂抗压强度等进行了声发射实时监测，并提出了可以应用声发射技术对混凝土破坏的全过程实施监测[15]。我国的董毓利等对混凝土受压全过程声发射特性进行了研究，并分析了声发射信号首次产生及其后的强弱与试件应力变化之间的关系[16]。陈兵等依据声发射信号振幅分布特性，将声发射信号划分为不同区段，建立了声发射信号与混凝土内部不同破坏机理之间的关系[17]。如今，声发射已应用于建筑、桥梁等混凝土结构的动态检测和完整性评价，并在市政工程、桥梁、房屋建筑等工程中，声发射技术也已成功地应用于混凝土框架、板的检测[18]。

声发射技术不仅在声发射理论及数据处理方面有了大的发展，而且声发射仪也从早期的模拟式单通道声发展到目前的全数字化、全波形的多通道声发射仪。然而，由于混凝土材料自身的复杂性，依然还有很多问题未能解决，如混凝土声发射的机理、声发射信号与混凝土力学参数间的相关性、混凝土的凯赛尔效应等等。

2.4 声振检测法

声振检测法是指在外激励作用下受检对象产生机械振动，通过对振动特性参数的分析来评价其力学特性的检测技术。在实际工程应用中，又分化出两种方法：声波反射法(低应变法)和冲击回波法。

声波反射法根据检测测量方法的不同也存在不同的应用，但在土木工程中应用较多的是单点激振单点测量的整体响应检测。这种检测方法的检测原理是一维杆应力波理论，因而适用于对棒状结构如梁柱等的检测，土木工程中则多用于对基桩的完整性检测。

单点激振单点测量的整体响应检测方法的优点是既经济又简便易行，缺点是：(1)不能检测出基桩的水平缺陷。(2)只能对缺陷做出定性的评价，很难做到定量评价。(3)只能检测等直桩，对变截面桩、扩底桩易引起误判。(4)数据处理难度大，如降噪和反演分析。

另外，这种检测方法应用于对基桩的完整性检测还有几个问题亟需解答：(1)弥散效应和横向惯性效应。一维应力波理论的边界条件要求弹性应力波波长要大于两倍的杆径及杆的长径比大于5，否则会由于弥散和横向惯性效应而产生三维问题。(2)桩土相互作用对检测结果影响。一维应力波理论要求杆是自由的，而实际工程中，桩是处于半无限的土体介质中，如果依然用一维应力波理论进行数据分析，检测结果是否可靠。(3)多处缩径桩的检测。截面的变化，就会引起广义波阻抗的变化，弹性波会在该截面发生反射，所以对多处缩径桩，弹性波就会在缩径截面间来回反射，声振检测技术的另一种应用形式是冲击回波法。1983年美国Cornell大学的Sansalone与美国国家标准局(NIST)的Carino首次提出冲击回波法应用于对混凝土结构的缺陷检测[19]。在1984年的国际混凝土无损检测会议上，加拿大的马尔霍察认为冲击回波法是“最有发展前途的现场检测方法之一”[20]。此后，Sansalone等利用FFT方法进一步将冲击回波法由时域分析转换到频域分析，推进了冲击回波法的应用与发展[21]。如今，冲击回波法已广泛的应用于混凝土和沥青混凝土结构的内部缺陷和厚度探测，特别是扫描式冲击回波测试系统的问世。

冲击回波法是一种单面反射检测技术，具有方便、快捷和直观的优点。其检测原理为：在受检结构的表面施加冲击力，以产生瞬态低频应力波(含有纵波、横波和面波)，应力波向结构内部传播，遇到缺陷和外部边界时来回反射，引起结构表面产生相应的微小位移响应，并由安装在表面的拾振器来采集这种响应数据，最后通过对信号的频谱分析(主要是纵波)来测定受检结构的弹性波速或结构厚度。冲击回波法能精确检测厚度在2m以内的混凝土厚度及其内部缺陷(如空洞、蜂窝、离析等)。此外，它还可以检测钢筋混凝土结构保护层厚度、内部缺陷的位置、开放性表面裂缝深度及混凝土强度等。

我国对冲击回波法也做了大量的应用研究。如周先雁等用冲击回波法对桥梁箱梁孔道灌浆质量进行了检测，根据P波在钢绞线和空洞处的不同反射特性判断孔道内部是否存在缺陷[22]。傅翔等对隧洞混凝土衬砌厚度进行了冲击回波法测量，并对混凝土的固结灌浆效果和分层浇注黏结质量进行了检测[23]。

2.5 红外热成像检测法

20世纪60年代，美国就已经开始对红外热成像技术应用进行研究，20世纪70年代末,红外热成像技术已被用于诊断建筑物的热损耗、屋顶渗水、围墙缺陷以及查找路面的次表面缺陷等。我国在这方面的研究起步较晚，到90年代初才有学者将红外热像诊断技术和土木工程结合起来，对建筑物的热损耗、建筑材料缺陷的探测和建筑外墙施工质量等进行了初步的应用研究[24]。

红外线是介于可见红光和微波间的电磁波，它的波长范围在0.76～1000μm之间，而其中只有3～5μm和8～14μm的波段能很好地透过，红外探测仪正是利用这个波段来实现探测。

任何高于绝对零度的物体都会辐射红外线，而物体内部存在的裂缝或缺陷会改变物体的热传导，使物体表面的温度分布不均匀。红外热成像技术是借助红外热像仪探测物体各部分辐射的红外线能量，由物体表面的温度场分布情况形成热像图来直观的显示材料、结构物等内部缺陷的一种非接触式的无损检测技术，也被称为红外扫描测试技术。它可以检测出物体内部缺陷的位置，并具有快速、非接触、大面积地扫查检测物表面，而不损伤检测物，且结果直观形象，易于实现自动化和实时观测的优点。

红外热像检测应用于土木工程，前景十分广泛，研究的热点集中在对红外热像获取的热源的改进、缺陷深度、大小的定量化研究以及如何把研究成果运用到复杂的实际工程当中，并发展了一些新的技术，如锁相热成像和红外断层成像技术。

2.6 雷达检测法

工程探地雷达是用频率介于10～2000MHz的宽频脉冲电磁波来确定工程结构或介质分布的技术。雷达监测的工作原理是利用发射天线向受检体发射宽频带短脉冲形式的电磁波，该电磁波进入介质内部后, 经内部界面反射后回到表面, 再由接收电线接收回波信号。由于电磁波在介质中传播时, 其路径、电磁场强度及波形随所通过的介质的电性性质及几何形态发生变化，因此反射回波携带有受检体内部结构信息，就可依据接收到的反射回波的双程走时、幅度、相位等信息对目标介质结构进行准确描述。

探地雷达无损探测技术可用于混凝土内部缺陷、钢筋的分布检测, 公路工程中路面结构层厚度检测, 裂缝和裂缝扩展的识别。其优点是：探地雷达法可迅速对被测结构进行扫描, 适用于结构物大面积快速扫测[25]。

2.7 其它检测技术

由麦克斯韦的电磁感应理论可知，钢筋混凝土结构中的钢筋能够影响电磁场，因此可以利用磁测法来检测钢筋的位置或混凝土包覆层的厚度。文献介绍了英国相关标准对磁测法的认识：磁测法对配筋少的混凝土构件，能得到满意的结果；而对于配筋多的构件，其它钢筋的影响不能忽略，而当温度低于0℃时，效果相反[26]。

相应于磁测法，还有电测法。电测法主要是用来估计现场混凝土中钢筋锈蚀程度和测量混凝土路面厚度的一种无损检测方法。

文献还介绍了微波吸收技术。微波是一种电磁波，具有电磁波的反射、衍射和吸收等性质，而水对微波有吸收性，因此被用于测定混凝土的湿度。

3 总结与展望

应用于土木工程中的无损检测方法很多，各自都有其优缺点，在选择时要根据场地、条件、材质及施工工艺，并能对缺陷的种类、性质等有充分的估计后，才能选择出合适的检测方法。同样的。对检测结果的评价，要尽量综合更多的信息，要清晰无损检测结果只能作为评定质量或剩余抗力的依据之一，不能仅凭检测结果做出片面的结论。

伴随着建筑业的发展，土木工程领域不断面对新结构、新材料和新施工工艺，这给无损检测技术在土木工程中的应用提出新的挑战，概括起来有四个方面：(1)无损检测理论的发展要适应实际的需要；(2)绿色、环保、节能；(3)检测仪器的数字化、智能化；(4)数据处理的自动化。

参考文献：

[1] 王雪山.无损检测新技术分析[J].科技创新导报, 2012(3): 31-32.

[2] G. F. Kheder. A two stage procedure for assessment of in situ concrete strength using combined non-destructive testing[J].Materials and Structures/Matériaux et Constructions, 1999(32):410-417.

[3] F. Meneghetti, T. Meneghetti. Non-destructive testing to evaluate in situ maturity on prestressed reinforced concrete members[J].Matériaux et Constructions, 1985(3):171-180.

[4] D. MIKULI,PAUE,V. UKRAINIK. Determination of concrete quality in a structure by combination of destructive and non-destructive methods[J].Materials and Structures.1992, 25, 65-69.

[5] 石小何.新型无损检测技术在焊缝缺陷检验中的应用[J]. 广东化工, 2013, 40(16):152-153.

[6] Riad Al Wardany, Gerard Ballivy, Patrice Rivard. Condition assessment of concrete in hydraulic structures by surface wave non-destructive testing[J].Materials and Structures, 2009, 42:251-261.

[7] Li Dongsheng, Ruan Tao, Yuan JunHui. Inspection of reinforced concrete interface delamination using ultrasonic guided wave non-destructive test technique[J].Sci. China Tech. Sci., 2012,55 (10): 2893-2901.

[8] 李小娟.超声无损检测成像技术[J].现代电子技术, 2010(21):120-122..

[9] Beatrice Faggiano, Maria Rosaria Grippa. Experimental study for non-destructive mechanical evaluation of ancient chestnut timber[J].J. Civil Struct. Health Monit., 2011(1):103-112.

[10] ose Saporiti Machado, edro Palma. Non-destructive evaluation of the bending behavior of in-service pine timber structural elements[J].Materials and Structures, 2011(44):901-910.

[11] 沈先华.无损检测在混凝土检测技术中的应用[J]. 四川建材,2010, 36(6):19-21.

[12] 周茗如.大型钢管混凝土模拟试验无损检测技术研究[J].检验与认证, 2013(1):5-10.

[13] 胡锦和.施工过程控制对建筑工程造价的影响研究[J].淮阴工学院学报,2014，23(1)：39-42.

[14] Rusch H. Physical Problems in Testing of Concrete[M].Wiesbaden:Zement-Kalk-Gips,1959.

[15] A.T.Green, Stress Wave Emission and Fracture of Pro-stressed Concrete Reactor Vessel Material[C].Second International Conference on Materials Technology, American Society of Mechanical Engineers,1970,1(8):635-649.

[16] 董毓利, 谢和平, 李玉寿. 砼受压全过程声发射特性及其损伤本构模型[J].力学与实践,1995,17(4):25-28..

[17] 陈兵, 姚武, 吴科如.声发射技术在混凝土研究中的应用[J].无损检测, 2000,22(9):387-396..

[18] 陈洋. 声发射技术在混凝土结构检测中的应用[J].中国水运,2007,7(8):74-75.

[19] Sansalone. M., Carino,N.J. Impact-Echo: A Method for Flaw Detection in Concrete Using Transient Stress Waves[M]. NBSIR86-3452, National Bureau of Standards ,Sept.,1986.

[20] Lin, Y., Lion, T., Siao, C. M. Recent developments in the impact-echo technique for nondestructive evaluation of concrete structures[C].1996, 14th WC.NDT.

[21] Sansalone, M., and Carino, N.J., Detecting Delaminations in Concrete Slabs with and without Overlays Using the Impact-Echo Method[J].Journal of the American Concrete Institute, 1989,86(2):175-184.

[22] 周现雁,栾键, 王智丰.桥梁箱梁孔道灌浆质量检测中冲击回波法的应用[J].中南林业科技大学学报, 2010,30(10):78-82.

[23] 傅翔,罗骐先, 宋人心.冲击回波法检测隧洞混凝土衬砌厚度[J].水力发电, 2006,32(1):48-49.

[24] 蒋济同, 范晓义.红外热像技术在混凝土检测中的应用现状和发展趋势[J].无损检测, 2011(2):52-55.

[25] 焦登文. 混凝土无损检测技术应用及其发展趋势[J].商品混凝土,2009(2):58-60.

[26] 吴新璇. 结构混凝土无损检测技术发展综述[J].施工技术, 1991(3):2-7.