混凝土无损检测方法发展及应用

张小琼，王战军

(上海同济检测技术有限公司，上海 200092)

混凝土无损检测方法发展及应用

张小琼，王战军

(上海同济检测技术有限公司，上海 200092)

混凝土作为一种重要的结构材料，广泛应用于现代土木工程中，其性能及施工质量对混凝土结构工程乃至建筑工程的安全有着直接的影响，故加强对混凝土质量的检测与控制有着至关重大的意义。从混凝土结构工程的强度及缺陷检测出发，阐述了各种混凝土无损检测方法的基本原理及其适用范围，对各种方法的应用现状进行了简要分析，并就今后混凝土无损检测方法的发展趋势进行了展望。

混凝土；无损检测；强度；缺陷

混凝土是现代土木工程中重要的结构材料，具有用量大、耐久性好等特点,其施工质量对混凝土结构工程乃至建筑工程的安全有着直接的影响，故加强对混凝土质量的检测与控制具有重大意义。

混凝土无损检测是指混凝土宏观力学及其他性能的非破损检测，指在不破坏混凝土结构、使用性能的条件下，利用物理学方法(声、光、电、磁、热和射线等)测定混凝土的相关物理量，来确定或评价混凝土的非弹性性质、均匀性与密度、强度以及性能变化过程的检测技术。自20世纪30年代以来，混凝土无损检测技术得到了迅猛的发展。目前混凝土无损检测已有二十多种可行的方法，且已逐步形成完整的技术体系。根据对结构构件的破坏程度，混凝土检测方法分为破损检测方法、半破损检测方法、无破损检测方法。因为半破损检测方法所造成的局部损伤并不危害结构安全，故从宏观角度来说，半破损检测方法也可归到非破损检测范畴内[1]。而根据检测目的，混凝土检测方法又分为混凝土强度检测方法、混凝土内部缺陷等强度以外的检测方法。

笔者介绍了混凝土强度检测、缺陷检测方法的基本原理及其适用范围，对各种方法的应用现状进行了简要分析，并就今后混凝土无损检测方法的发展趋势进行了展望。

1 混凝土强度无损检测方法

混凝土强度的非破损法检测方法是指通过检测仪器测定混凝土的相关物理参数,然后根据这些物理参数与混凝土抗压强度间的相关关系,推算出被测混凝土的强度的方法。其相关关系的强度方程是通过对相同混凝土标准试块进行破坏试验,而后对试验数据进行回归分析及数学处理得出的方程，也就是常说的测强曲线。非破损法检测又分为非破损检测方法和半破损检测方法。常见的非破损法有回弹法、超声法等方法，半破损法有钻芯法、拔出法等。

1.1 非破损检测方法

非破损检测方法是：在不影响结构或构件混凝土性能的情况下,以混凝土抗压强度与混凝土其他物理量间的相互关系为基础测定相关物理量,然后根据测强曲线推算出混凝土的标准强度换算值,最后依照统计原理得出混凝土强度标准值的定值或特征强度。这类方法包括回弹法、超声脉冲法、射线吸收与散射法、成熟度法等[2]。

(1) 回弹法

回弹法是指利用回弹仪检测普通混凝土结构或构件抗压强度的方法，其实施过程为：用一个弹簧驱动的重锤，通过弹击杆(传力杆)弹击混凝土表面，测出重锤被反弹回来的距离(图1中x)，以回弹值(反弹距离与弹簧初始长度之比)作为与强度相关的指标，再由已建立的回归方程或校准曲线换算出构件混凝土的强度值。其检测原理如图1所示。

图1 混凝土回弹法检测示意

回弹法操作简便、快速经济且具有相当的精度，因此在混凝土检测领域应用较广泛。但影响回弹法测强精确度的因素有很多，如仪器标准状态、操作方法、现场条件、构件选取、测区及测点布置以及计算方法等[3]。因此要提高检测的精度，还需加强对这些影响因素的分析，合理制定及选择公式。但要注意的是，目前我国回弹法研究成果基本只适用于普通混凝土，同时对现场结构或构件混凝土测强时，回弹测强值仅代表混凝土表层质量，因此使用回弹法必须保证混凝土构件的表面质量与内部质量基本一致。

20世纪60年代，我国就具备自行生产回弹仪的能力，经过几十年的发展，数显式回弹仪的研制技术也已比较成熟。

(2) 超声法

超声波的传播速度与混凝土的弹性模量、强度间具有密切的相关关系。超声法就是通过测量测距内超声传播的平均声速来推定混凝土强度的方法，其检测示意如图2所示。工程上通常采用建立试件中超声声速与混凝土抗压强度相关的统计测强曲线的方法，来实现对混凝土力学性能的检测和评估。

图2 混凝土超声法检测示意

影响混凝土中超声声速测量的因素较多，如试件断面尺寸温度和湿度、配筋、骨料、水灰比、龄期、浇捣方向以及内部缺陷等，因此超声声速是一个反映其组成情况的综合性指标，这就要求建立校正曲线时的技术条件尽可能与实际检测环境接近，以从混凝土材料组分上理解影响声速测量的原因，从而在实测中加以排除。

目前超声法中常用的仪器有：美国通用电气USM-33、瑞士Proceq Pundit Lab+、奥林巴斯OMNISCAN-MX2、汕头超声电子股份有限公司CTS-2020、CTS 9006Plus等。

1.2 半破损检测方法

半破损检测方法是在结构或构件上直接进行局部破坏性试验或钻取芯样进行破坏性试验,然后根据试验值与结构混凝土标准强度的相关关系进行换算，而得到标准强度换算值,并据此推算出结构混凝土强度标准值的推定值或特征强度的方法。半破损方法主要包括钻芯法、拔出法、拉剥法、折断法、射钉法等。

(1) 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，从结构混凝土中钻取芯样后，对芯样进行检测来得到混凝土强度和推测混凝土内部缺陷的方法。该方法的优点是直观、准确、代表性强，缺点是对构件有局部破损，且价格昂贵。

(2) 拔出法

拔出法是先测定拔出混凝土中预埋锚固件时的极限拔出力，然后根据预先建立的拔出力和混凝土强度间的相关关系，来推定混凝土强度的方法。该方法于20世纪30年代问世，可分为预埋拔出法(以LOK试验为代表)和后装拔出法(以CAOP试验为代表)。

我国在1985年前后开始了对该方法的研究，从最初引进仪器到拔出仪的自主研发成功，取得了不少科研成果，并逐步将其应用于工程质量检测领域。

1.3 综合法

混凝土强度是一个多要素的综合指标，仅采用单一指标是难以全面反映这些要素的。再者混凝土的构造因素对单一指标的影响程度与对强度的影响程度不尽相同，所以可采用综合法，也就是采用两种或两种以上的方法，对试件进行综合分析以获取多个物理参数,并建立混凝土强度与这些物理参量的综合关系,来实现对混凝土强度的多角度综合评定。现有的综合法有超声回弹综合法、超声钻芯综合法以及声速衰减系数综合法等。相较于单一物理量的检测方法，它能起到取长补短、抵消误差的作用，从而提高检测精度与可靠性。

目前，超声-回弹综合法是应用得最为成功的综合法。超声法测强时，其声速与混凝土的密实度、均质性及内部缺陷等因素均有密切关系，但其受水泥的品种、养护方法等因素的影响较大；而回弹法测强只能反映混凝土表面的质量情况，不能反映混凝土结构内部缺陷的情况。因此，如果采用超声-回弹综合法测强，则可以较全面地测定混凝土的质量。

近年来，超声钻芯综合法、回弹钻芯综合法也开始发展起来。破损法检测混凝土强度具有简便、快速、经济等优点，但因影响混凝土强度的因素较多，故推定出的混凝土强度具有一定的离散性，检测结果的准确性受到影响。而钻芯法则更直接，但试验费用高、周期长，且会造成结构局部破损。因此，可将两种方法结合起来使用，在混凝土结构上钻取少量芯样，将其检测结果与非破损方法的结果进行对比并修正，则可大大提高非破损检测的效率和精度。

2 混凝土缺陷无损检测方法

混凝土内部缺陷的非破损检测方法主要有：超声法、冲击回波法、雷达法、红外成像法等。这些方法通过测定波、射线或热发射等物质在混凝土介质中的变化规律,来达到判定混凝土内部缺陷的规模、缺陷位置、损伤程度及损伤历史的目的。当前，这些技术方法发展迅速,己普遍应用于工程实际检测中，例如检测混凝土结构内部裂缝、孔洞等缺陷,测定钢筋位置、直径及锈蚀状态,饰面剥离,受冻层深度及混凝土耐久性等。

2.1 超声法

对结构内部缺陷的无破损探测，目前使用较多的是超声法。超声法是指采用带波形显示功能的超声波检测仪，测量超声波在混凝土中的传播速度、信号波幅、频率等声学参数，然后根据这些参数与混凝土内部结构的相关关系来测定混凝土中缺陷情况的方法。

超声法目前主要用于检测混凝土裂缝深度、不密实区和空洞、混凝土结合面质量、表面损伤层、灌注桩混凝土缺陷及钢管混凝土缺陷等[4]。

2.2 冲击回波法

冲击回波法是20世纪80年代中期发展起来的一种声波检测技术，是基于弹性波和物体内部结构相互作用产生共振，由共振频率来计算混凝土结构厚度、缺陷位置和表面开口裂纹深度的检测方法。其通过钢球敲击混凝土表面，使其内部产生应力脉冲波，应力波在结构内部的传播过程中遇到缺陷或不连续时，由于介质的声阻抗率不同，将产生多重反射并引起结构表面微小的位移响应；测试系统接收这种响应并进行快速傅里叶变换即可获得频谱图，通过对频谱图的分析，可获得所测试件的缺陷信息。其检测原理示意如图3所示(图中A为信号幅值，t为信号传播时间，f为信号频率) 。

图3 冲击回波法检测原理示意

冲击回波法可用于探测各类土建混凝土结构的内部缺陷及厚度测量，尤其适合于单面结构。其在国外已大量应用于工程实测，如：探测混凝土结构疏松区，路面、地板的剥离层，预应力张拉管道中灌浆的空洞区，裂缝深度，甚至用于探测耐火砖砌体及混凝土中钢筋锈蚀产生的膨胀等。

国内1989年南京水利科学研究院成功研制出IES-A型冲击反射测试系统，并先后通过电力工业部、水利部及交通部鉴定并逐步实现商品化。当今，国内冲击回波测试仪的研制技术得到了较大的发展，与国际同类先进产品的差距也在不断缩小。

2.3 雷达法

地质雷达技术是一种高精度、连续无损、经济快速、图像直观的检测方法。其以微波为传递信息的媒介，根据微波的传播特性来对材料、结构和产品的性质、缺陷进行非破损检测[5]。其检测原理为：电磁波从天线发出传入到混凝土中，电磁波在传播过程中遇到与混凝土介电常数不同的材料(如混凝土、钢筋、孔洞)的边界时发生反射，反射波被混凝土表面的天线接收，根据发射电磁波与反射波返回的时间差与混凝土中微波传播的速度来确定反射体距表面的距离，从而检出混凝土内部的钢筋、缺陷等位置。探地雷达检测系统机构示意如图4所示。

图4 探地雷达检测系统结构示意

目前，地质雷达已广泛应用于市政管线检测，水平及垂直结构(墙、隧道、地质)的完整检测性，钢筋、水管位置与走向检测，孔洞、裂缝等缺陷检测，结构中掩埋的金属或非金属物的探测，公路路面沥青厚度检测，隧道衬砌厚度检测等。目前民用勘察及检测市场上主流仪器一般包括美国地球物理探测设备公司(GSSI)的SIR系列、加拿大探头及软件公司(SSI)的Pulse EKKO系列、瑞典地质公司(SGAB)的RAMAC系列、意大利RIS系列、中国电波传播研究所LTD系列等。

图5 红外成像检测系统结构示意

2.4 红外成像法

红外成像技术的原理是：运用红外热像仪探测物体各部分辐射的红外线能量，获得根据物体表面温度场的分布状况所形成的热像图，这种热像图可直观地显示出材料、结构物及其结合上是否存在缺陷。该方法已成为无损检测技术的重要分支，其具有的对不同温度场、广视域的快速扫测和遥感检测的功能，是对已有无损检测技术的极大补充。图5为红外成像检测系统结构示意。

红外成像法无损检测技术发展于近十几年，具有非接触、效率高、快速、可远程控制等优点，同时也存在着缺陷定量化解释，自动化视觉检测等亟待解决的问题[6]。目前该技术已广泛应用于金属、合金、塑料、陶瓷以及其他复合材料的无损检测中，但在土木工程质量和功能的检测评估上，尚处于起步阶段，诸如：建筑物墙体剥离层检测、饰面砖粘贴质量大面积安全扫测、玻璃幕墙保温隔热性检测、墙面屋面渗漏检查、结构混凝土火灾受损检测等。目前常用的红外热成像系统大都是通用设备，并非专为土木工程质量检测而设计。检测时，由于建材温差较小，故通常要求仪器具有较高的温度分辨率。

2.5 射线成像法 射线成像法的检测原理是：X 射线透照混凝土后, 穿过混凝土中钢筋或空洞后的强度与穿过混凝土的强度会不同,底片上的黑度也就不同，于是可根据底片上的黑度差来判断混凝土的质量。以X射线检测有空洞混凝土试件为例,有空洞的混凝土对应的底片比无空洞混凝土对应的底片要黑。这是因为含有空气的空洞部位对射线的吸收能力低于不含空洞的部分, 透过空洞部位的射线强度高于无空洞部位,则对应于空洞部位的X 射线感光胶片上将接受较多的射线光粒子, 从而形成黑度较大的空洞影像。X射线检测混凝土空洞示例如图6所示。

图6 X射线检测混凝土空洞示例

射线成像法无损检测技术发展于近十几年，其具有直观可靠等优点，同时也存在着辐射能量限制及成本较高等亟待解决的问题。目前该技术已经在金属类材料的无损检测中广泛应用，在混凝土结构检测领域尚处于探索阶段，主要应用于预应力索灌浆质量检测中[7](见图7)。国内常用仪器设备有丹东华日理学电气股份有限公司XXG系列等。

图7 灌浆空洞X射线检测方法

3 混凝土无损检测技术应用现状及存在的问题

近年来，经济的高速发展为无损检测技术的进步提供了前所未有的机遇，无损检测呈现出应用领域广、方法多样的特点。工程应用中,混凝土非破损检测技术主要应用于混凝土力学性能测试和缺陷检测中，其都与结构安全直接相关。其应用目的包括: 评定结构混凝土质量，包括质量事故处理等；用于施工过程的质量控制；对已有混凝土建(构)筑物的承载力和耐久性进行评定等。同时，混凝土无损检测技术也存在以下问题：

(1) 规范、规程的局限性。例如常规强度检测方法对普通混凝土适用，有现成的检验参数换算对照表；而对高强混凝土、多组分混凝土等的检测则不适用。

(2) 随着现代土木工程新材料、新结构体系的出现，无损检测技术势必面临许多新的挑战；应用于结构构件的各种型钢的存在，也必然使检测参数发生改变。

(3) 规范、规程的缺失限制了很多检测技术的应用。除了回弹法、超声法等方法，其他很多检测方法如单面超声成像检测法，还没有相应的检测规范。

(4) 射线法直观可靠，但受辐射能量限制，对大型构件无法检测，成本较高。

4 结论与展望

为了保障涉及安全、民生的重大工程项目的安全，混凝土无损检测技术已融入国家总体经济发展目标。它是一门跨学科综合性应用技术，只有从理论创新、工程应用、人才培养、设备研制和生产等方面入手，才能确保混凝土无损检测的持续发展。

(1) 混凝土的无损检测具有检测面积大、数据多等特点,一般的逐点检测难于满足工程要求，应积极拓展更快速、更可靠的新型检测技术。

(2) 现场检测过程中宜采用综合法，达到多角度综合评定混凝土质量的目的。同时宜在混凝土耐久性预测、已建混凝土结构损伤程度检测等新的检测内容上进行大力开拓和实践，以对混凝土质量进行更全面的评价。

(3) 随着信息技术、电子技术的发展，互联网与新型检测仪器和检测技术的结合将更加紧密。传感器技术、云计算和大数据的出现催生了诸如“绿色无损检测”、“云检测”等新概念，传统的无损检测方式和管理体系需要与时俱进，数字化、图像化、实时化已成为混凝土结构工程质量检测发展的必然趋势。

[1] 候宝隆，蒋之峰.混凝土的非破损检测[M].北京:地震出版社,1992.

[2] R.琼斯(英)，I.弗格瓦洛(罗).混凝土非破损试验法[M]. 季光泽，钱普殷，陈纪萱，译.北京:中国建筑工业出版社,1982.

[3] 刘建勋.影响回弹法检测混凝土强度精确度的主要因素的分析与探讨[J].江西建材,2009(1):94-96.

[4] 吴新璇.混凝土无损检测技术手册[M].北京:人民交通出版社,2004.

[5] 李大心.探地雷达方法与应用[M].北京:地质出版社,1994.

[6] 梅林，陈自强，王裕文，等.脉冲加热红外热成像无损检测的有限元模拟及分析[J].西安交通大学学报,2000,34(1):66-70.

[7] 张小琼，汤春飞，王彦周，等. 预应力索灌浆质量的X射线检测[J].无损检测,2011,33(5):63-64，68.

Development and Application of Nondestructive Testing Methods for Concrete

ZHANG Xiao-qiong, WANG Zhan-jun

(Shanghai Tongji Testing Technology Co., Ltd., Shanghai 200092, China)

The concrete is one of the most important materials of modern civil engineering, properties and construction quality of concrete structure are directly related to the safety of concrete structure and construction works. Therefore, strengthening the quality of concrete testing and control, is the essential part to ensure the quality of the building(structure).Based on the strength and defect detection of concrete, firstly the basic principles, and applicable scope of nondestructive testing methods for concrete were expounded. And then the application of various methods was analyzed briefly. At last，the development trend and emerging application of nondestructive testing methods for concrete in the future were prospected.

Concrete; Nondestructive testing; Strength; Defect

2017-03-02

张小琼(1974-)，男，硕士，高级工程师，主要从事混凝土、钢结构的无损检测。

张小琼，E-mail: 13042108350@163.com。

10.11973/wsjc201704001

TG115.28

A

1000-6656(2017)04-0001-05