无损检测技术在混凝土检测中的应用研究

董佳昕 王正君 时廷俊 刘中坤 叶昆河

(黑龙江大学 寒区水利工程重点实验室；黑龙江大学 水利电力学院)

0 引言

常见混凝土抗压强度检测方法是以实验室试件破损检测为主，而无损检测技术可以在不破坏混凝土结构的前提下，得到其近似抗压强度，并且可以在工程施工过程中或者维护阶段检测构件内部是否存在混凝土缺陷、微裂纹等，在实际应用中优势明显。混凝土无损检测方法众多，比如表面硬度力学法（回弹法、贯入阻力法、拔出法）、共振法、超声法、红外技术、冲击回波法、综合法、声发射等[1]。本文通过对声发射技术、回弹法、超声脉冲速度技术三种无损检测技术在混凝土中的应用进行综述，为检测技术的进一步应用开拓思路。

1 研究背景

1.1 无损检测技术介绍

我国现行标准《混凝土强度检测评定》（GBJ107-87）中规定：“当对混凝土试验强度的代表性有怀疑时，可采用从结构中钻取试样的方法或者采用无损的方法，按有关标准的规定对结构或构件中混凝土的强度进行推定。”此处的无损方法是指使用基于电子学和物理学为基础的测试仪器，在不影响结构或构件的力学性能或其他使用功能的前提下，直接测量试件材料或结构物得到某些适当的物理量，并通过这些物理量与混凝土强度建立相关性，进而推定混凝土的强度、均匀性、连续性、密实度、缺陷、裂缝或者其他物理力学性能的一种新型测试方法[2]。

在混凝土结构、路面和金属检测等许多工业应用中，无损检测在识别、检测内部缺陷和裂缝方面发挥着重要作用。为了判断外界环境或施工阶段对建筑物造成的影响，混凝土的检测与评定、推测强度在实际应用中至关重要。在确定结构中混凝土的实际抗压强度时，取芯部试验更为常用，但会造成很大的损害，因此推广无损检测技术势在必行。

混凝土的无损检测技术成本比取芯低，检查面积更大，并且提供比目视检查更多的信息，可以检测视线范围外的隐藏缺陷，如果忽略这些缺陷会危及整体结构的完整性。这种测试不仅提供结构中混凝土的强度和质量的估计，而且在测试场所的选择上也没有繁琐要求。近年来，用于评估混凝土强度的无损检测技术和方法已日益成熟并在土木工程中广泛应用。

1.2 无损检测技术与破损检测技术的比较

⑴破坏性测试方法[3]

①破坏性测试通常不方便在现场执行；

②无法重新测试相同的材料；

③单个破坏性测试只能测量一种在使用条件下的性能；

④不允许重复检查。

⑵无损检测方法[3]

①原位测试在传统上被称为无损测试，执行起来简单快捷，并且节省人工和材料；

②无损测试的重要特征是允许在相同或几乎相同的位置重新测试相同的材料，以便可以监视材料内部性能随时间变化的情况；

③可以同时或依次应用几种非破坏性测试，每种测试都能精确地针对材料的不同性能；

④非破坏性测试允许在一段时间内重复检查，从而可以精确地确定构件和问题之间的关系。

破损检测方法还存在速度慢、费用高、材料损害大、方法相对繁琐的缺点，无损检测方法较之成本低、速度快、仪器携带方便，并且可以提供有关材料状况的基本信息。因此，无损检测技术不论是从检测方法的便捷性还是检测技术灵敏角度来说，较破损性检测都更有利。

2 不同无损检测技术在混凝土中的应用研究

2.1 声发射技术

声发射技术是一种对于多种复合材料进行健康监测的技术,利用声发射传感器，可以记录出现损伤时发出的所有瞬变波。主要优点是在微裂化过程中对释放的能量高度敏感，可以通过测量声波到不同位置的传输时间来定位损伤的位置。另一个重要优点是，有助于描述损伤类型或主要断裂模式[4]。

宿辉等[5]研究表明声发射信号与混凝土内部材料结构的破坏程度、抗压强度随龄期的变化表现一致。同一等级的混凝土,早龄期的声发射参数信号峰值随着龄期的增加而后移，峰值后移代表信号幅度上升时间较长，传输时间长。

Li等[6]和Bhosale等[7]研究了不同纤维类型和纤维体积分数的纤维混凝土在弯曲试验中的声发射特性，发现随着纤维体积分数的增加，纤维混凝土断裂中的剪切裂缝比例增加。

Xargay等[8]发现随着温度损伤的增加，自密实钢纤维混凝土的AF（阈值跨越次数除以每个信号的持续时间)值减小，RA（波形初始上升部分超过其最大幅度的持续时间)值增大。大量研究表明，声发射参数与混凝土的裂缝扩展度和断裂机理有关。

于江等[9]研究表明声发射信号与再生混凝土梁的损伤存在紧密的联系，声发射参数具有有效表征材料损伤变化规律的能力，声发射能量随着应力的增长，前期增长迅速，中期增长速度略降低，后期随着构件破坏发生突变。

2.2 回弹法

混凝土表面硬度力学法是一种由来已久的原位强度无损检测方法。回弹法测试作为混凝土表面硬度力学法中最常用的一种方法，于20世纪40年代开始发展，由于其廉价的测试设备和相对简单的使用方法在材料原位测试中应用广泛。这种测试只需要施密特回弹锤，当锤子朝柱塞移动时，柱塞先前已经与混凝土表面接触完好，以直角移动，连接在柱塞上的弹簧同时被拉紧。弹簧的能量在柱塞的末端被释放，校准的重量被向上推。这个质量位移的距离取决于弹簧的反冲能量[10]。

Szilágyi[11]发现，回弹法的测试标准不允许在潮湿的表面上进行测试，在空气干燥表面上进行的测试不确定度小于在潮湿表面上进行的测试不确定度。因此需要检查混凝土表面的不同水分含量，设定一个湿度上限，以免影响回弹指数。

Kolek[12]评估了施密特回弹锤试验的可行性，建议将其用于两种场合，即预制工程和现场建筑工地，会更好地发挥回弹法的作用。Victor[13]研究表明，掺粗石灰石骨料的混凝土的回弹次数比掺粗砾石骨料的混凝土低7个点，导致混凝土抗压强度相差7MPa。

赵旭表明[14]回弹法所得强度值低于钻芯法所得强度值，同时在混凝土强度等级逐步提高条件下，二者差异愈发明显。随龄期的延长，差异随之缩小。总体来看，基于回弹法所得的强度实测值普遍低于混凝土实体实际强度。

2.3 超声脉冲速度技术

超声脉冲速度测试技术是一种原位无损探头技术，通过穿过混凝土结构的压缩脉冲速度来得到混凝土的强度和质量。其原理是超声波通过破损以最短距离传递，混凝土越密实，传播速度越快。较高的速度表明混凝土的均匀性和相对质量，而较低的速度可能表示混凝土有裂缝或空洞[15]。

Naniz O A等[16]研究混凝土中掺入不同材料的影响，对不同掺量的胶体纳米硅和微硅的混合物进行超声波脉冲速度测试，在第28天测试结果表明，脉冲速度越高，检测标本的孔隙性就越低。

熊奥运等[17]研究超声检测时被测物表面干扰的影响因素得出，超声法在混凝土面上进行检测时，由于其表面浮浆多，颗粒比表面积大小不一，上面砂浆较多，石子含量较少，测得声速较低。

Valluzzi等[18]评估了超声波脉冲速度检测不均匀砌体面板的可靠性。结果表明，声波测试在检测内墙材料的大密度变化方面非常有效。高小宇等人[19]对声波衰减幅度进行研究得出，衰减对不同的损伤水平相当敏感，随着荷载的增加，损伤明显增加。

Acebes等[20]考察了钢纤维对纤维混凝土超声脉冲速度的影响，将微观力学与声速概念相结合，考虑了毛细气孔率、孔隙率的影响，发现声速随钢材体积分数的增加而减小，声速与强度之间的关系需要进一步试验测得。

3 结论

综合论述了声发射技术、回弹法、超声脉冲技术等无损检测技术在混凝土检测中的应用，得出如下结论：

⑴声发射技术可以透过混凝土进行无损检测，检测内部损伤位置和裂缝变化等特征。

⑵回弹法可以通过回弹次数表示抗压强度的大小，回弹指数受周围环境影响依据现场情况而定。

⑶超声脉冲技术可以推定混凝土内部孔隙大小、声速快慢的特性，通过声速的快慢和声波的幅度来检测混凝土的性能。

相比破损检测方法，无损检测方法在检测混凝土性能方面更具优势，具有速度快、成本低等特点。但是超声波较为敏感，检测时需要注意，在检测试件表面涂抹耦合剂时要均匀涂抹，避免超声仪器与试件之间出现孔隙而影响结果。但利大于弊，未来无损检测技术将在建筑材料检测与评定方面占据主导地位。