無損檢測在混凝土結構檢測中的應用

周曉金

（廣東裕恒工程檢測技術有限責任公司）

0 引言

混凝土在土木工程中用量很大，是建筑工程中最主要的結構材料之一。混凝土結構乃至整個房屋建筑工程的安全性、適用性和經濟性和混凝土施工質量的好壞分不開，因此，為了保證混凝土的質量，就必須做好混凝土的質量監控和檢測，這是建筑工程管理中的非常重要的一個環節。150×150×150mm 的標準試件的抗壓強度歷來作為混凝土的主要質量強度指標。早在1911 年英國皇家建筑學院的混凝土強度研究報告中，150mm 的立方體抗壓強度試驗是推薦方法，直到今天，這種方法在工程檢測領域仍然被廣泛使用。我國的GB/T 50081-2019《普通混凝土力學性能試驗方法》和GB/T 50107-2010《混凝土強度檢驗評定標準》，對混凝土標準試件的檢測方法進行明確規定，為實現混凝土強度質量監督奠定了基礎。然而混凝土標準試件的抗壓試驗是以試件破壞時的實測值代表混凝土的性能指標，對于混凝土結構而言，該方法只是一種間接方法，標準試塊成型的條件、養護條件及養護過程中受力情況都無法與實際建筑環境一致，檢測所得出的結果只是標準條件下混凝土的力學性能，無法完全代表實體結構真實的力學性能。因此檢測人員在努力尋找能在建筑結構上直接檢測混凝土各項指標的方法。

從1930 年開始，人們開始嘗試使用無損的方法檢測實體結構的力學性能。無損檢測技術是在不破壞混凝土使用性能和完整性的前提下，利用彈性波、電磁波、紅外線譜、放射性等物理性能檢測混凝土性能方法。1935年，共振法用于測試混凝土的彈性模量；1948 年回彈儀成功設計；1949 年超聲脈沖開始使用在混凝土檢測中；60 年代聲速、回彈綜合法估算混凝土強度被提出；80 年代中期開始嘗試用彈性波反射法進行混凝土無損檢測。隨著科學技術的飛速發展，無損檢測在混凝土結構檢測中逐步形成完整的技術體系。以下將介紹幾種常用混凝土無損檢測方法及其適用領域和特點。

1 常用混凝土無損檢測方法

混凝土結構強度的無損檢測方法是通過建立混凝土的彈性波、電磁波、紅外線譜、放射性等物理性與抗壓強度之間相關性，推算混凝土結構強度的方法。通過對相同混凝土的標準試塊的強度與無損試驗的數據對照，進行回歸分析和數學處理，最終得出測強曲線。常見的無損檢測方法有回彈檢測法、超聲檢測法和超聲回彈綜合法。

1.1 回彈檢測法

回彈檢測法是使用回彈儀檢測混凝土實體結構強度的方法。在回彈儀內安裝一個彈簧、彈擊桿和重錘，回彈儀被激發時，彈簧驅動重錘沿著彈擊桿，撞擊到混凝土表面，通過測試重錘被彈回的距離作為回彈值。根據回彈值的測強曲線來推定混凝土強度。由于測試在混凝土的表面，重錘反彈的作用力只在混凝土表面一定厚度范圍內，因此該方法屬于表面硬度法。回彈法檢測混凝土強度的原理圖如圖1。

圖1 回彈法示意圖

撞擊前的回彈儀的初始狀態時，彈簧被拉伸長度為，假設重錘的質量為1，則此時重錘所有e 的勢能。

式中，Es——拉力彈簧的剛度系數。

當回彈儀被激發，重錘沖擊混凝土，混凝土瞬間發生彈性形變，反作用力作用在重錘上，重錘被反彈回來，重錘回到某一個位置x，此時重錘剩余的勢能ex為：

因此，在彈擊過程中，重錘損耗的能量是Δe。

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式中，

ex——當重錘撞擊彈回某一位置（x）時的勢能；

Δe——重錘在檢測過程中損失的能力；

e——撞擊前彈簧錘的初始能力。

根據上述分析可以得出，回彈值是用重錘在混凝土表面彈擊前后的能量差，反映混凝土的彈性性能和塑性性能。因此采用實驗室歸納法，可以建立回歸方程或校準曲線，將混凝土強度與回彈值關聯起來。

回彈法在混凝土檢測領域應用比較廣泛，是因為該方法操作便捷、經濟。但有很多影響因素如回彈儀的標準狀態、現場的條件，檢測構件的選取、測區及布點和計算方法等。因此應不斷加強對各影響因素的分析，努力提高檢測精度。

1.2 超聲法

混凝土超聲法又叫做“穿透法”，是利用超聲波在混凝土傳播，聲速和波形受混凝土彈性性質和內部結構影響，從而檢測混凝土強度的方法。在被測混凝土結構的兩側分別貼上兩換能器并保持在同一條軸線上，發射換能器從一端向另一端重復發射超聲脈沖波，頻率一般在50～100kHz 之間，然后在另外一端換能器接收聲波信號。再將接收到的信號轉換為電信號并經超聲儀放大到顯示屏上。接收到的超聲波型號，攜帶了被測混凝土結構的相關信息。一般來說，聲波速度越高，混凝土的組成材料強度越高、內部越密實、彈性模量越高，混凝土的強度也越大。聲波速度與混凝土的內部傳遞及力學性能有相關性。目前認為超聲波聲速與彈性模量如式⑸關系。

式中，

ρ——重錘在檢測過程中損失的能力；

E——撞擊前彈簧錘的初始能力；

μ——撞擊前彈簧錘的初始能力。

圖2 混凝土超聲法檢測示意圖

混凝土強度f 與超聲波在混凝土結構中穿透聲速v存在相關性。超聲檢測法之所以能檢測混凝土的強度就是要預先建立f-v 相關曲線，然后用實際測量的聲速值v 來推算出混凝土強度值。

1.3 超聲回彈綜合法

超聲回彈綜合法是將超聲法和回彈法結合使用的綜合檢測方法。只使用一種方法檢測混凝土會有一定的局限性。兩種方法的綜合使用不但發揮各自的優勢，還能減弱單獨使用的缺陷，既能夠檢測混凝土實體結構彈性和塑性性能，又能夠了解混凝土內部的缺陷，因此能夠更加準確檢測出混凝土實體結構的強度。

超聲回彈綜合法是先采用超聲波法測試混凝土性能，測量超聲波在被檢混凝土構件中傳播的波速，然后再用回彈儀檢測混凝土的表面強度，建立f-v-R 關系。再根據混凝土強度、聲速值和回彈值的測強曲線，推定出該混凝土構件的強度。

超聲檢測法和回彈法綜合運用減少原來對回彈值和聲速的影響，擴大該方法的適用范圍，提高測試精度。超聲回彈綜合法具有以下優勢：

⑴混凝土含水率和齡期的影響削減。

聲波在混凝土構件中傳播，影響聲速的不但有骨料，還有齡期和含水率。同樣的，回彈值也會被齡期和含水率影響。但是，兩者的影響情況是不同的。一般情況下，含水率越大，回彈值越低，而聲速也大。這是因為聲波在水中的傳播速度比空氣中快。因此在f-V-R 中，兩種方法部分抵消含水率對強度的影響。

⑵彌補兩種方法的缺陷。

超聲法或回彈法只能在某一個方面和一定范圍反映混凝土實體結構的性能。例如回彈檢測法，只能對混凝土結構表面一定深度范圍內的強度進行推測。當需要檢測大尺寸構件時，回彈法很難反映混凝土內部的實際強度。而超聲法則是通過檢測斷面的動彈性能來推測混凝土強度，但是對較高強度混凝土檢測時，動彈性指標敏感性下降，許多微小的變化容易被檢測誤差掩蓋，因此會限制使用范圍。

使用超聲回彈綜合法檢測混凝土結構強度，不僅僅能檢測到混凝土結構的內部和外部的性能，而且能擴大檢測強度的范圍，相互彌補缺陷。

⑶提高精度。

超聲回彈綜合法將兩種檢測方法的優點結合在一起，減小了許多因素的影響，能更好地反映出混凝土構件的整體力學性能，對提高檢測精度有明顯的效果。

2 混凝土無損檢測的優點

⑴無損檢測是在不破壞建筑構件的前提下進行檢測，避免影響建筑的使用和壽命。

⑵無損檢測是直接在混凝土構件上進行檢測，能夠直接反映混凝土結構的質量和強度，避免了間接推斷。

⑶無損檢測是一種連續性可重復的檢測，檢測結果具有很好的可比性。

⑷無損檢測不僅可以對舊建筑進行檢測、評價，還廣泛應用于新建的建筑物上，適用性很好。

3 總結

混凝土無損檢測技術應用時間長，但又是年輕的技術。混凝土無損檢測技術具有突出的優點的同時也有比較明顯的缺點。因此，在實際工程檢測中，往往會使用兩種以上的方法相結合，達到提高精度和檢測可靠性的目的。或者在使用傳統的檢測方法的時候加入無損檢測方法，兩種方法起到相互驗證的作用。隨著科學技術的日新月異，建筑工程檢測是實際需要，我們有理由相信和期待無損檢測技術水平的提高和更新的技術得以應用。