混凝土工程的无损检测技术

混凝土结构的无损检测技术是指以不损伤混凝土性能的方式, 对材料或构件进行宏观缺陷检测、几何形状测量、化学成分、组织结构和力学性能变化的评定, 进而就材料或构件对特定应用的适用性进行评价的一项科学技术。它是多种学科紧密结合的高技术产物。现代材料科学和应用物理学的发展为无损检测技术奠定了理论基础, 同时现代电子技术和计算机科学的发展又为无损检测技术提供了现代化的测试工具, 而土木工程中迅速发展的新技术、新材料、新工艺又对无损检测技术不断地提出新的更高的要求, 起着积极的促进作用。与常规标准试块破坏实验相比, 无损检测技术具有以下特点和优势:不破坏构件或建筑物的结构;可进行全面检测, 能较真实地反映混凝土的质量与强度;能对内部空洞、开裂、表层烧伤等进行检测;可用于既有建筑的检测;非接触检测, 简便快捷;可进行连续测试及重复测试。随着科学技术的发展, 无损检测技术也突破了原有的范畴, 除广为熟知的如回弹技术外, 一批新的测试方法也正在涌现和快速发展, 本文对几种主要的无损检测技术及其特点进行详细地介绍。

1 超声波测试技术

混凝土超声检测目前主要采用“穿透法”, 即用发射换能器重复发射超声脉冲波, 让超声波在所检测的混凝土中传播, 然后由接收换能器接收。被接收到的超声波转化为点信号后再经超声仪放大显示在示波屏上。当超声波经混凝土中传播后, 它将携带有关混凝土材料性能、内部结构及其组成的信息。准确测定这些声学参数的大小及变化, 可以推断混凝土的性能、内部结构及其组成状况。

声速、振幅、频率和波形虽然都可以反映混凝土材料结构质量, 但是其应用程度并不一样。振幅、频率和波形适用性相比于声速来说还不是很广, 具有以下特点: (1) 由于振幅值除了跟混凝土内部的缺陷和裂缝有关, 还取决于仪器设备性能、所处的状态、耦合状况以及测距大小, 很难有统一的度量标准, 目前只是作为同条件下相对比来使用; (2) 要准确测量和分析接收波各频率成分的变化, 必须采用频谱分析的途径对波形进行采样后送入计算机, 进行快速傅立叶变化获得频谱图; (3) 波形的研究更为复杂, 通常的波形分析与研究大多集中于波前部的纵波, 由于受各种因素的影响对波形的研究只能作一般的观察、记录。

2 脉冲回波技术

脉冲回波技术是用一钢球或力棒打击构件表面冲击混凝土作为声源, 通过被测混凝土传播, 有纵波、横波和表面波, 且这些波遇到分界面会产生反射和折射等。这些波被宽带换能器接收, 利用谱分析方法, 找出被接收信号与混凝土质量的关系。此方法特别适用于测定工程结构混凝土质量的完整性, 其主要用途包括: (1) 混凝土内部不连续性的检测; (2) 结构厚度测试; (3) 混凝土弹性模量测试; (4) 混凝土灌注桩检测等。

脉冲回波技术首先在混凝土基桩中应用, 根据所接收的信号可分析出断桩等缺陷的位置, 甚至可以从接收信号中算出桩土体系的动力刚度, 从而推算出桩的承载力。近年来, Nicholas J.Garion等已将脉冲回波技术用于检测板状构件的厚度、内部缺陷、混凝土凝结时间以及早期强度的增长情况等。这一方法的关键在于冲击方式和频域的选择, 以及接收波的信息分析技术, 以免杂波干扰分析。脉冲回波法冲击能量大、冲击源简单, 对测试环境要求不高, 因而是一种较有前途的方法, 在国内外受到重视。

3 光纤光栅传感技术

光纤作为新一代通讯技术的新材料, 带动了全球光通讯技术的蓬勃发展, 已形成全球的新产业。光纤本身具有许多优良特性, 它不仅可以作为光波的传播媒质, 而且光波在光纤中传播时表征的特性参量在外界位移、压力、温度等因素的作用下直接或间接发生变化, 从而可以将光纤作为传感元件来探测各种物理量, 由此诞生了新一代传感技术——光纤传感技术。它集材料、光电子、信息、光机电一体化、物理、化学、计算机等多学科交叉与多种技术于一体而形成的一种高新技术领域。主要包括光纤传感敏感材料与传感探头、光传感专用器件和光纤传感系统与网络等。光纤光栅传感器是近年来发展起来的新一代光纤传感器, 由于它具有无温漂、灵敏度高、本征安全、抗电磁干扰、抗腐蚀、耐高温、体积小、重量轻、灵活方便、易于成网和可远程监控等优点, 所以广泛应用于土木、水电、石化、电力等场合。

光纤沿轴径方向从里向外分为纤芯、包层、涂覆层三部分, 利用特殊的紫外光照射工艺, 对光纤纤芯进行照射, 使得光纤纤芯的一段区域折射率发生周期性变化, 从而制成光纤光栅。光纤光栅是光纤纤芯折射率受到永久的周期性微扰而形成的一种光纤无源器件, 它能将入射光中某一特定波长的光部分或全部反射。通过拉伸和压缩光纤光栅, 或者改变温度可以达到改变光纤光栅的周期和有效折射率从而达到改变光纤光栅的反射波长的目的。反射波长和应变、温度、压力物理量成线性关系。根据这些特性, 可将光纤光栅制作成应变、温度、压力、位移和加速度等多种传感器。

光纤光栅传感技术是处于世界领先地位的先进传感技术, 目前对光波长的检测精度能够达到皮米级, 对应于应变检测精度就是一个微应变, 因此利用光栅传感技术进行应变或者其他各项参数的监测将能够达到前所未有的灵敏度, 这是其他传统的传感技术无法比拟的。

光纤光栅传感器相对于传统的电阻应变片或者振弦式传感器具有以下优点: (1) 抗干扰能力强、无温漂; (2) 体积小、重量轻、灵活方便等; (3) 灵敏度高, 响应速度快; (4) 使用寿命长, 适于在恶劣环境中的应用; (5) 传感器可以串联, 容易构成传感监测网络; (6) 可定点测量, 可以精确定位; (7) 测量信号不受光源起伏、光纤弯曲损耗、连接损耗和探测器老化等因素的影响; (8) 可进行大范围、大容量、远程分布式测量; (9) 适合大型工程多种参数的长期安全监测。

4 声发射技术

材料或结构受外力或内力作用产生变形或断裂, 以弹性波形式释放出应变能的现象称为声发射或应力波。这种弹性波一边进行多重反射, 反复变换波形, 一边传播。作为表面振动可被声发射换能器接收。声发射是一种动态的检测方法, 可以动态地反映材料微观结构的变化。由于其信号来自缺陷本身, 故利用声发射可判断缺陷的严重性。大小和性质相同的缺陷, 当所处的位置和所受的应力状态不同时, 对结构的损伤程度也不同, 所以其声发射特性也有差异。明确了来自缺陷的声发射信号的特性, 就可以对材料的性能进行研究, 这便是应用声发射技术的关键。一般来说, 发生于材料内部的声发射是由于材料发生不可逆变化引起的。对于混凝土材料来说, 主要是由于裂纹的形成和扩展, 钢筋混凝土中, 钢筋与水泥基体间的滑移。声发射技术作为一种有效的混凝土无损实验手段, 在国内外得到广泛的重视。随着声发射测试系统的不断完善和改进, 声发射技术将会给混凝土研究提供一个新的途径。

摘要：混凝土工程的大量使用, 其耐久性问题、损伤问题造成了巨大经济损失, 混凝土工程的检测技术也正快速的发展, 本文介绍了几种主要的无损检测技术, 并分析了各自的优缺点。

关键词：混凝土,性能,无损检测