混凝土梁无损检测新技术及其进展

徐长志　朱续

【摘要】混凝土梁无损检测技术这几年的发展大致有三个方向：一是冲击回波法、超声脉冲法、声发射技术和表面波频谱分析法等一些以应力波为基础的检测手段：二是利用电磁波技术的探地雷达等：第三类是计算机断层x射线扫描技术和红外热像法等采用射线进行检测的方法。实践和经验表明混凝土梁无损检测的精度和效率因为这些新技术的使用得到了很大的提高，本文根据国内外当前混凝土梁无损检测技术的应用做出一些推测和建议。

【关键词】混凝土梁 无损检测 应力波 探地雷达 红外热像 透析成像

【中图分类号】U446 【文献标识码】A 【文章编号】1672-5158（2013）04-0298-01

如今建筑行业内，混凝土梁已经得到了广泛的应用，所以摆在土木工程界面前的一个急待解决的问题就是对混凝土梁的质量检测及性能评估。而无损检测技术在对混凝土梁进行结构性质与力学性能的评估以及测量和定位混凝土梁的内部缺陷方面，方便快捷，具有很好的适用性，无损检测技术在桥梁结构的保养、诊断和维修上已拥有无可替代的作用。

一、以应力波理论为基础的混凝土梁无损检测技术

1、混凝土中的应力波

混凝土梁的某一块受到表面上的荷载作用时，起先只是表面上的介质质点受到直接荷载，因而该部分质点脱离平衡位置，不过它们的移动就和相邻的介质质点之间有了相对运动，所以这部分表面质点会有相邻介质施加的作用力，而作用力反作用力的影响下，相邻介质质点也会因为挤压运动脱离平衡位置。

2、冲击回波技术

混凝土梁钢筋保护层的厚度、内部缺陷的位置和开放性表面裂缝深度等混凝土梁内部的问题能够用冲击回波技术进行检测，该方法是先用小钢球撞击混凝土梁，撞击过程中会产生P波和s波，撞击产生的波以球形波阵形式传播往混凝土的内部，而在缺陷界面或密度变化的界面（内置钢筋表面等）及外部成界的地方会反射应力波，反射波传到表面就再次反射。撞击产生的波中，P波能够使表面质点在垂直方向上产生相比s波更大的位移，所以，传感器接收到的更多是P波信号，而这些传感器接收到的时域信号由于快速Fourier变换（FFT）为频域信号，即P波反射波信号的频率谱，能够得到混凝土梁的问题缺陷。

3、表面波频谱分析法

该检测是基于应力波层状弹性介质的传播理论。表面波频谱分析研究的是R波，它是以圆柱体形的波阵面进行的深度为一个波长的传播，所以混凝土梁内水平方向的缺陷和变化可以由同一波长瑞利波的传播特征来显示。层状弹性介质中，波速cR由波的频率决定，激振信号中有丰富的频率成分，因此可以利用频率域内两信号的相差来计算相应频率的R波传播的时间差，进一步计算两个测量点之间波的平均相速度，这是表面波频谱分析法的基本原理。

4、声发射技术

材料内部分区域受外部环境应力或温度等的影响，产生的能量快速释放同时生成瞬态弹性波现象即为声发射，而声发射技术是指对声发射信号用仪器记录分析来推断声发射源的技术。

5、超声脉冲检测方法

《超声法检测混凝土缺陷技术规程》中规定超声脉冲检测方法是利用超声波传感器测量超声波的声速进而分析判断混凝土缺陷的技术。在这一技术领域，我国很早就有了探索研究，上世纪六十年代初期，中国科学院水电研究所就尝试用超声脉冲波检测混凝土表面裂缝，1982年至1983年，水电部和建设部都进行了超声脉冲检测混凝土缺陷科研成果的鉴定，如今这项技术更是在我国进入实用阶段，并被广泛应用。

二、利用电磁波对混凝土梁的无损检测技术

探地雷达是采用微波频段的电磁波当做探测媒介的无损检测新技术，使用的微波频段为90～1000 MHz，电磁波的传播时间、反射系数和折射率等数据可以测量得到，然后通过对这些信息的分析计算，能够推出测量物的性质和形状等。非金属材料的含水量差别会被电磁微波分辨出，因而混凝土梁的内部结构能够被探地雷达检测得到比较准确的像，比如钢筋的分布就能够清晰显现，然后可以分析混凝土梁内部的缺陷问题，检测混凝土梁的质量并评估其性能。近些年来，探地雷达已经逐渐兴起，在国外探地雷达的后期技术支持因为它的广泛应用也比较成熟，我国上世纪八十年代就引入了相关设备用来寻找水源和地下矿床等资源，而探地雷达的技术优势逐渐展现，也得到了岩土工程界及检测部门的关注。

在实际应用中，混凝土梁的探地雷达检测内容包含了梁体翼板钢筋和梁体腹板钢筋骨架的分布及其保护层厚度，预应力钢束的分布和位置，预应力管道灌浆密实度。而探地雷达的质量检测过程为以下几个环节：①刷白被测面，布置横纵两个方向的测线，探测天线的频率和测试参数的选择要结合实际混凝土材料的组成和结构特点；②将探头沿测线扫描并存储测试数据，这一步要由专业测试人员进行；③对收集到的数据转换为图像，处理诊断，以判定突出异常的相关参数；④联系梁的实际情况和图像处理结果来评估混凝土梁的质量和性能。探地雷达重量轻操作简便测试准确，利用探地雷达对混凝土梁做无损检测是新的研究方向，也是提高混凝土梁无损检测的精确度和准确性重要措施。

三、利用射线的混凝土梁无损检测技术

1、红外热像检测技术。根据物体的红外辐射、表面温度和材料特性三个方面的内在联系，可以凭借红外热像仪把所测物体的红外辐射转换为热图像，能够直接观测，然后分析热图像的特征，通过物体表面的温度分布可以判断出混凝土梁内部结构和表面状态。

2、计算机断层x射线扫描技术。即透析成像技术，这是一张从数据到图像的重建技术，通过得到的所测物断面的投影数据，利用计算机处理，能够获取所测物断面的图像。

信号源和探测器是x射线CT扫描仪最重要的两个组件，它的工作流程是先由x射线穿透所测物断面，旋转扫描，采集x射线在经过某层面的不同物质后x射线衰减的信息，然后用计算机处理数据，得出与CT探测空间内任意点x射线吸收系数L直接相关联的CT数H，进而得到所测物的断层数字图像，最后在分析判断。

工业CT中最基础的图像重建技术就是计算机断层x射线扫描技术，因为x射线经过所测物体后会衰减，所以要得到足够的x射线经某层面不同物质的衰减信息，有时候不得不增加x射线的发射剂量，所以这种检测的操作安全需要关注。利用超声波信息来分析物体内部构造的超声波CT技术相对比较经济、方便和安全，而声波在混凝土梁中传播时容易发生折射、反射和散射等，进行图像重建是非几何光学图像重建，这其中还有很多急待研究解决的技术难题。

四、展望

1、高速检测技术。对现在的桥梁结构进行检测，因为待测面积大、数据多，使得逐点检测已经不能适应检测的需要，需要提高检测速度。近来发展了一种特殊的混凝土梁超声脉冲扫描装置，UPV结构扫描系统，该系统使用了可以在测试面上移动的特殊超声脉冲信号发送和接收设备，极大的提高了扫描检测的速度。

2、信号分析处理。信号分析包含密切关联的信号处理技术和信号分析结果的正确解释两者。英国Edinburgh大学利用有限元数值分析结果得出了冲击回波法的缺陷分辨率是K/2，K在回波中占有主要成分。不过，混凝土作为一种衰减材料，其介质容易照成模式转换等问题，使得其难以分辨回波，严重时还会造成误判等问题。与此同时，形变特征和材料性能等也会对声判特征影响，而且这些因素之间又有牵连，给信号分析处理技术带来了很多困难。