瑞雷波在混凝土無損檢測中的應用研究

【摘 要】針對混凝土構件質量檢測常用方法的不足，文中采用瑞雷波法檢測混凝土強度與內部缺陷。分析瑞雷波法應用于混凝土無損檢測中的優勢和存在的問題，并提出研究展望。

【關鍵詞】瑞雷波；混凝土；無損檢測

Abstract：To the disadvantages of common methods that test the quality of concrete component， this paper applies the Rayleigh-Wave to test the strong and inside bug of concrete. Analyzing the advantages and disadvantages of the application of Rayleigh-Wave in concrete nondestructive testing， putting future research.

Key words： Rayleigh-wave; Concrete; Nondestructive Testing

混凝土是現代建筑工程中應用最廣泛的建筑材料之一，其質量的好壞直接關系到結構物的安全。因此，加強結構混凝土的質量監測與控制，確保結構的安全，成為當今建筑工程的重要研究課題之一。

檢測混凝土構件質量的傳統方法，是在拌和機前取樣，制作與混凝土構件同條件的標準試塊，對試塊進行強度試驗，據此了解混凝土構件的強度[1]。但這只是混凝土構件強度的間接測定值。由于試件的成型條件、養護條件及受力狀態都不可能和結構物上的混凝土完全一致，因此，試件測量值只能被認為是混凝土在特定條件下的性能反映，而并不一定是結構混凝土的真實狀態。

另外，由于試塊與構件是不同的個體，對試塊強度的測試并不能了解混凝土構件不同部位的實際強度值（強度分布），更不能確定混凝土構件內部缺陷的位置與大小，也不能判斷出結構物遭受破壞的程度等。因此，直接在結構物中檢測混凝土質量的現場檢測技術，已成為混凝土工程質量管理的重要手段，越來越受到重視。

一、混凝土無損檢測技術概述

我國《混凝土強度檢測評定標準》和《混凝土結構工程施工及驗收規范》中規定：“當對混凝土試件強度的代表性有懷疑時，可用從結構中鉆取式樣的方法或采用非破損驗收方法，按有關標準規定對結構或構件中混凝土的強度進行推定”。對于混凝土無損檢測技術，是指在不破壞結構構件的前提下，直接從結構物進行測試，通過無損檢測技術的基本理論和已經建立的一些經驗標準曲線，推定混凝土的強度和缺陷，它既適用于工程過程的質量檢測，也適用于工程的竣工驗收和建筑物使用期間混凝土質量的檢定，同時還能評定舊老建筑物的完整性和安全性[2]。

目前用于無損檢測的方法很多。按照檢測目的，混凝土無損檢測方法可分為強度檢測、缺陷檢測、受力歷史及受力損傷程度檢測和其他檢測這四大類[3]，這四類的發展水平有很大的不同。混凝土強度的檢測由于長期理論上的研究和工程上的實際應用，已經日趨完善。對于混凝土其他方面的檢測與強度檢測相比，起步較晚，還處于發展階段，但日益受到重視[4]。

針對混凝土構件的強度與缺陷檢測，國內主要使用的無損檢測方法有鉆芯法、回彈法、拔出法、射釘法、超聲法、超聲回彈綜合法等（見表1）。其中，鉆芯取樣法對混凝土質量可進行準確、直觀的判斷，但勢必造成結構物的局部破壞，需要進行修補，因而不宜用于大面積的全面檢測[5]。而回彈法、拔出法、射釘法等方法只能測定表層1～3cm深度的強度，反映的是混凝土構件的表面強度，因此這幾種方法都有一個共同應用前提，就是要求混凝土表層強度與內部一致。這一條件，對于較薄的墻、板尚可滿足，但對于較厚的大體積混凝土結構，實難滿足表里如一要求，尤其是混凝土底板結構，表層往往存在一層砂漿，限制了這些方法的應用。而用表面質量推定其內部質量特性顯然存在一定的誤差[6]。超聲法和超聲回彈綜合法對混凝土的強度和缺陷均能測量[7][8]，但它們要求被測物有兩個相對可測面[9]，在實際測試中，許多情況下混凝土構件無法滿足這一條件。基于這一現實，有必要采用新的方法進行檢測。

瑞雷面波法也是一種常見的無損檢測方法，它通過分析瑞雷波在介質里的傳播過程，來反演計算出介質的各種工程參數。和上述方法相比，瑞雷波法只需利用被測結構物的一個可測表面，就可以對其內部質量狀況進行檢測，而且測試深度可人為控制，即可由淺向深逐層檢測，也可以控制對某一深度范圍進行檢測，避免了上述幾種方法在檢測中所存在的缺點。瑞雷波法檢測結果直觀，檢測速度快，省時省力，有可能在現場給出檢測結果。

二、瑞雷波混凝土無損檢測的應用概況

近年來，瑞雷波在混凝土無損檢測應用中也得到了長足的發展。1998年，徐建華應用瑞雷面波法對混凝土的強度進行檢測得到了很好的效果，但在該技術上仍有許多方面的問題還有待進一步地研究[9]。同年，呂小杉等人，對水工混凝土質量進行檢測的一般性方法的利弊進行了分析，并在文中提到“近年來開始研究應用的表面波法是比較有前途的無損檢測方法，已列入國家‘九五’科技攻關項目” [10，11]。同時，李平、姚成林等人將瑞雷面波法應用于潘家口水庫混凝土重力壩，避免了在水工建筑物上鉆孔探測[12]。1999年，王文中、俞麗婭等人介紹了表面波檢測混凝土裂縫深度的可能性及檢測方法的可行性，闡述了利用有限單元法研究平面瑞利表面波檢測混凝土裂縫深度的原理[13]，以及測試分析方法。2000年，林水珍也在文中探討了表面波檢測混凝土裂縫的可能性及檢測方法的可行性[14]。同年，楊成林等人在“SM瑞雷波儀測試原理及應用效果分析”一文中，也介紹了用該儀器在測定混凝土結構強度中取得了很好的應用效果，但是他們僅僅分析了瑞雷波測混凝土的強度與厚度，并沒有建立各種情況下混凝土試件與頻散曲線的對應關系[6]。同年，洪維元、劉敦高根據珊溪水庫工程混凝土面板堆石壩填筑實踐，在分析研究有關壩體填筑碾壓質量控制及干密度檢測操作等問題的基礎上，提出了應以控制碾壓參數為主，以挖坑取樣為輔；施工中應改進使用快速而又不取樣的壓實計、面波儀等原位檢測方法，以作為質量控制輔助措施。可大大減少挖坑取樣數量，有利于保證工程施工質量，加快施工進度[15]。2004年，在芹山水電站混凝土面板堆石壩填筑質量檢查實施過程中，采用在挖坑抽檢的基礎上輔以面波儀，即可解決及時抽檢所必須的時間，實現在極短時間內完成抽檢，在更短時間內作出有效反應，進而在確保填筑質量的前提下，有效調整抽檢對正常筑壩的空間影響，最終實現筑壩的高強度[16]。

三、瑞雷波無損檢測中存在的問題

盡管基于瑞雷波本身的特性，瑞雷波檢測法在工程無損檢測中已經取得了一些成績，但是仍然存在著一些值得改進之處。

1. 瑞雷波檢測方法本身的不足

在以往的研究中，瑞雷波法檢測作為工程質量控制的輔助手段，并沒有對某些問題給出滿意答案。從檢測方法上來說，穩態瑞雷波勘探法已經比較成熟。但是對于瞬態瑞雷波勘探法，雖然國內外學者已經做了大量工作，并取得了豐碩成果，但是瞬態瑞雷波法還談不上是成熟的方法。

對于瞬態瑞雷波檢測方法，從理論上來說：

(1) 瑞雷波正演方面：

現存的正演計算多是基于均勻層狀介質的，但實際中難以滿足這一條件。為了使正演結果盡可能的接近實際情況，應對復雜介質中瑞雷波的傳播規律進行研究。特別是裂縫介質中瑞雷波傳播特性的理論正演研究，例如：混凝土表面裂縫延伸深度探測，目前還沒有很好的探測方法來解決此問題。

(2) 瑞雷面波的提純問題

瑞雷波頻散曲線的提取方法雖然很多，例如表面波譜法、互相關法、τ-p變換法、Prony法、極化濾波法和f-k域分析法。這些方法都有它們各自的優缺點。但如果考慮到高模式瑞雷面波的提取，則需要對上述方法做一些完善和補充。具體表現在：

①提取實測頻散曲線相位差計算中2nπ導致的多解問題

參考《瞬態瑞雷波勘探方法的一點改進》一文，對瑞雷波震相的提取方法進行了改進，從而利用改進的相位差法進行計算，可以避免2nπ導致的多解問題。

② 速度——深度剖面“之”字型曲線的形成及其解釋沒有令人信服的答案。

(3) 反演問題

反演問題的核心問題是，如何利用瑞雷波頻散曲線求取介質的力學參數。但是這一問題始終沒有得到很好的解決，雖然有多種方法，但都不很盡如人意。從根本上來講，瑞雷面波法反映出的是瑞雷波穿透深度范圍內介質的物性，所以瑞雷波速度所表征的是穿透深度范圍內介質的平均速度（見圖1）。因而，瑞雷波速并不能真實反映出介質的真實性狀，而是多層介質疊加的綜合體現。

從實踐上來說，雖然有許多成功的實例，但也有生產科研單位采用的軟件對同一個記錄的不同次解釋，往往會給出相差很大的實測頻散曲線，瞬態瑞雷波勘探結果與實際介質很大背離等。還有，現有的儀器并不能做到在檢測現場直接給出結果，也不能在現場分析出介質的分層情況和內部實際質量。

2. 瑞雷面波法檢測混凝土質量存在的問題

(1) 瑞雷波速與混凝土構件介質并非逐點對應

從根本上來講，瑞雷面波法反映出的是瑞雷波穿透深度范圍內介質的物性，所以瑞雷波速度VR所表征的是穿透深度范圍內介質的平均速度（見圖1）。因而，瑞雷波速并不能真實反映出介質的真實性狀，而是多層介質疊加的綜合體現。

因此，用VR來判斷介質內部某一點的性狀是失真的，如果再用此速度的空間變化推定混凝土內部的缺陷位置，同樣會得到不正確的結論。

解決辦法是利用瑞雷波相速度VR反演介質的橫波波速VS，橫波波速是介質的體波波速，可以同介質建立起逐點對應的分布關系。只要掌握了混凝土橫波波速與混凝土強度之間的對應關系，就可以將混凝土構件內的橫波波速分布轉換為混凝土構件內的強度分布。

(2) 對混凝土試件橫波波速測試精度不夠

混凝土橫波波速與混凝土強度之間的對應關系需要通過對具有不同強度的混凝土試塊的力學試驗和橫波波速測試獲得。在混凝土試塊的橫波波速測試中，目前尚存在橫波震相的識別和到時判讀的困難。這會導致混凝土橫波波速與強度之間對應關系的不確定性。

解決這一問題的關鍵在于實驗室橫波測試技術的研究和改進。

四、 結 論

總之，瑞雷波法對于僅有一個測試工作面的混凝土構件質量檢測相對其他常規的檢測方法具備較大的優勢。但是，由于瑞雷波法自身存在的問題和對混凝土檢測質量的要求，將其應用于混凝土構件的質量檢測仍然有一些技術問題需要研究解決。通過對瑞雷波正、反演理論和面波提純技術進一步研究，結合建立橫波波速與混凝土強度之間的對應關系和提高試驗室橫波測試技術，瑞雷波法將會在混凝土無損檢測中充分發揮作用。

參考文獻

[1]朱永濤， 徐陽. 混凝土強度無損檢測技術[J]. 南水北調與水利科技，2002，90(23): 37~39.

[2]龐超明， 秦鴻根. 試驗設計與混凝土無損檢測技術[M]. 北京.中國建材工業出版社， 2006.

[3]林維正. 第十一專題 混凝土的超生檢測（上）[J]. 無損檢測， 1994， 16(9): 253~257.

[4]管平.混凝土結構的無損檢測技術[J]. 中國科技信息， 2005， 12: 155，175.

[5]國家建筑工程質量監督檢驗中心主編. 混凝土無損檢測技術[M]. 北京: 中國建材工業出版社， 1996.

[6]楊成林，葛寶來， 王炎. SM98瑞雷波儀測試原理及應用效果分析[J]. 物探與化探， 2000，24(5): 332~339.

[7]沈國偉， 吳瑞潛. 提高超聲法檢測混凝土缺陷準確度的探討[J]. 傳感器技術， 2000，19(5): 39~41.

[8]佟曉君， 馬群， 陳建偉， 等. 混凝土強度無損檢測方法精度對比分析[J]. 河北理工學院學報， 2005， 27(1)，: 136～139.

[9]徐建華. 瑞雷波在建筑工程質量檢測中的應用探討[J]. 山西水利， 1999(3): 24～25.

[10]呂小彬， 王國秉， 魯一暉. 水工混凝土建筑物的混凝土質量檢測[J]. 水利水電技術， 1998， 29(12): 24～26.

[11]王國秉， 呂小彬. 水工建筑物的混凝土質量檢測[J]. 山西水利科技， 1998， 124(增刊): 37～41.

[12]李平， 姚成林， 趙素橋， 等. 無損檢測技術在混凝土重力壩中的應用[J].海河水利， 1998，(3): 3536.

[13]王文中， 俞麗婭， 黃金安. 表面波檢測水工混凝土裂縫深度的理論探討[J].浙江水利科技， 1999， (增刊): 43～44.

[14]林水珍. 表面波檢測混凝土裂縫的探討[J]. 西部探礦工程， 2000， 66(5): 5~6.

[15]洪維元， 劉敦高. 面板堆石壩填筑干密度檢測探討[J]. 人民長江，2000， 31(10): 21～22，31.

[16]劉風云， 楊成. 關于混凝土面板堆石壩填筑質量檢查方法的探討[J]. 湖南水利水電， 2004，(2): 16～17.