混凝土梁無損檢測新技術及其進展

徐長志　朱續

【摘要】混凝土梁無損檢測技術這幾年的發展大致有三個方向：一是沖擊回波法、超聲脈沖法、聲發射技術和表面波頻譜分析法等一些以應力波為基礎的檢測手段：二是利用電磁波技術的探地雷達等：第三類是計算機斷層x射線掃描技術和紅外熱像法等采用射線進行檢測的方法。實踐和經驗表明混凝土梁無損檢測的精度和效率因為這些新技術的使用得到了很大的提高，本文根據國內外當前混凝土梁無損檢測技術的應用做出一些推測和建議。

【關鍵詞】混凝土梁 無損檢測 應力波 探地雷達 紅外熱像 透析成像

【中圖分類號】U446 【文獻標識碼】A 【文章編號】1672-5158（2013）04-0298-01

如今建筑行業內，混凝土梁已經得到了廣泛的應用，所以擺在土木工程界面前的一個急待解決的問題就是對混凝土梁的質量檢測及性能評估。而無損檢測技術在對混凝土梁進行結構性質與力學性能的評估以及測量和定位混凝土梁的內部缺陷方面，方便快捷，具有很好的適用性，無損檢測技術在橋梁結構的保養、診斷和維修上已擁有無可替代的作用。

一、以應力波理論為基礎的混凝土梁無損檢測技術

1、混凝土中的應力波

混凝土梁的某一塊受到表面上的荷載作用時，起先只是表面上的介質質點受到直接荷載，因而該部分質點脫離平衡位置，不過它們的移動就和相鄰的介質質點之間有了相對運動，所以這部分表面質點會有相鄰介質施加的作用力，而作用力反作用力的影響下，相鄰介質質點也會因為擠壓運動脫離平衡位置。

2、沖擊回波技術

混凝土梁鋼筋保護層的厚度、內部缺陷的位置和開放性表面裂縫深度等混凝土梁內部的問題能夠用沖擊回波技術進行檢測，該方法是先用小鋼球撞擊混凝土梁，撞擊過程中會產生P波和s波，撞擊產生的波以球形波陣形式傳播往混凝土的內部，而在缺陷界面或密度變化的界面（內置鋼筋表面等）及外部成界的地方會反射應力波，反射波傳到表面就再次反射。撞擊產生的波中，P波能夠使表面質點在垂直方向上產生相比s波更大的位移，所以，傳感器接收到的更多是P波信號，而這些傳感器接收到的時域信號由于快速Fourier變換（FFT）為頻域信號，即P波反射波信號的頻率譜，能夠得到混凝土梁的問題缺陷。

3、表面波頻譜分析法

該檢測是基于應力波層狀彈性介質的傳播理論。表面波頻譜分析研究的是R波，它是以圓柱體形的波陣面進行的深度為一個波長的傳播，所以混凝土梁內水平方向的缺陷和變化可以由同一波長瑞利波的傳播特征來顯示。層狀彈性介質中，波速cR由波的頻率決定，激振信號中有豐富的頻率成分，因此可以利用頻率域內兩信號的相差來計算相應頻率的R波傳播的時間差，進一步計算兩個測量點之間波的平均相速度，這是表面波頻譜分析法的基本原理。

4、聲發射技術

材料內部分區域受外部環境應力或溫度等的影響，產生的能量快速釋放同時生成瞬態彈性波現象即為聲發射，而聲發射技術是指對聲發射信號用儀器記錄分析來推斷聲發射源的技術。

5、超聲脈沖檢測方法

《超聲法檢測混凝土缺陷技術規程》中規定超聲脈沖檢測方法是利用超聲波傳感器測量超聲波的聲速進而分析判斷混凝土缺陷的技術。在這一技術領域，我國很早就有了探索研究，上世紀六十年代初期，中國科學院水電研究所就嘗試用超聲脈沖波檢測混凝土表面裂縫，1982年至1983年，水電部和建設部都進行了超聲脈沖檢測混凝土缺陷科研成果的鑒定，如今這項技術更是在我國進入實用階段，并被廣泛應用。

二、利用電磁波對混凝土梁的無損檢測技術

探地雷達是采用微波頻段的電磁波當做探測媒介的無損檢測新技術，使用的微波頻段為90～1000 MHz，電磁波的傳播時間、反射系數和折射率等數據可以測量得到，然后通過對這些信息的分析計算，能夠推出測量物的性質和形狀等。非金屬材料的含水量差別會被電磁微波分辨出，因而混凝土梁的內部結構能夠被探地雷達檢測得到比較準確的像，比如鋼筋的分布就能夠清晰顯現，然后可以分析混凝土梁內部的缺陷問題，檢測混凝土梁的質量并評估其性能。近些年來，探地雷達已經逐漸興起，在國外探地雷達的后期技術支持因為它的廣泛應用也比較成熟，我國上世紀八十年代就引入了相關設備用來尋找水源和地下礦床等資源，而探地雷達的技術優勢逐漸展現，也得到了巖土工程界及檢測部門的關注。

在實際應用中，混凝土梁的探地雷達檢測內容包含了梁體翼板鋼筋和梁體腹板鋼筋骨架的分布及其保護層厚度，預應力鋼束的分布和位置，預應力管道灌漿密實度。而探地雷達的質量檢測過程為以下幾個環節：①刷白被測面，布置橫縱兩個方向的測線，探測天線的頻率和測試參數的選擇要結合實際混凝土材料的組成和結構特點；②將探頭沿測線掃描并存儲測試數據，這一步要由專業測試人員進行；③對收集到的數據轉換為圖像，處理診斷，以判定突出異常的相關參數；④聯系梁的實際情況和圖像處理結果來評估混凝土梁的質量和性能。探地雷達重量輕操作簡便測試準確，利用探地雷達對混凝土梁做無損檢測是新的研究方向，也是提高混凝土梁無損檢測的精確度和準確性重要措施。

三、利用射線的混凝土梁無損檢測技術

1、紅外熱像檢測技術。根據物體的紅外輻射、表面溫度和材料特性三個方面的內在聯系，可以憑借紅外熱像儀把所測物體的紅外輻射轉換為熱圖像，能夠直接觀測，然后分析熱圖像的特征，通過物體表面的溫度分布可以判斷出混凝土梁內部結構和表面狀態。

2、計算機斷層x射線掃描技術。即透析成像技術，這是一張從數據到圖像的重建技術，通過得到的所測物斷面的投影數據，利用計算機處理，能夠獲取所測物斷面的圖像。

信號源和探測器是x射線CT掃描儀最重要的兩個組件，它的工作流程是先由x射線穿透所測物斷面，旋轉掃描，采集x射線在經過某層面的不同物質后x射線衰減的信息，然后用計算機處理數據，得出與CT探測空間內任意點x射線吸收系數L直接相關聯的CT數H，進而得到所測物的斷層數字圖像，最后在分析判斷。

工業CT中最基礎的圖像重建技術就是計算機斷層x射線掃描技術，因為x射線經過所測物體后會衰減，所以要得到足夠的x射線經某層面不同物質的衰減信息，有時候不得不增加x射線的發射劑量，所以這種檢測的操作安全需要關注。利用超聲波信息來分析物體內部構造的超聲波CT技術相對比較經濟、方便和安全，而聲波在混凝土梁中傳播時容易發生折射、反射和散射等，進行圖像重建是非幾何光學圖像重建，這其中還有很多急待研究解決的技術難題。

四、展望

1、高速檢測技術。對現在的橋梁結構進行檢測，因為待測面積大、數據多，使得逐點檢測已經不能適應檢測的需要，需要提高檢測速度。近來發展了一種特殊的混凝土梁超聲脈沖掃描裝置，UPV結構掃描系統，該系統使用了可以在測試面上移動的特殊超聲脈沖信號發送和接收設備，極大的提高了掃描檢測的速度。

2、信號分析處理。信號分析包含密切關聯的信號處理技術和信號分析結果的正確解釋兩者。英國Edinburgh大學利用有限元數值分析結果得出了沖擊回波法的缺陷分辨率是K/2，K在回波中占有主要成分。不過，混凝土作為一種衰減材料，其介質容易照成模式轉換等問題，使得其難以分辨回波，嚴重時還會造成誤判等問題。與此同時，形變特征和材料性能等也會對聲判特征影響，而且這些因素之間又有牽連，給信號分析處理技術帶來了很多困難。