■陳雁群 ■江西省建筑材料工業(yè)科學(xué)研究設(shè)計(jì)院，江西 南昌 330000

1 引言

混凝土是當(dāng)今世界建筑結(jié)構(gòu)中使用最廣泛的建筑材料，普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在一般情況下是允許帶裂縫工作的［1］。近代科學(xué)關(guān)于混凝土強(qiáng)度的細(xì)觀研究以及大量工程實(shí)踐所提供的經(jīng)驗(yàn)都說明：混凝土結(jié)構(gòu)的裂縫是不可避免的，裂縫是一種人們可以接受的材料特征［2］。在混凝土結(jié)構(gòu)中，裂縫是破壞混凝土結(jié)構(gòu)安全的首要因素。當(dāng)混凝土結(jié)構(gòu)裂縫發(fā)展過大時(shí)就會(huì)影響結(jié)構(gòu)可靠性，給建筑的使用帶來潛在的安全隱患，甚至使整個(gè)結(jié)構(gòu)垮塌而帶來重大的人員傷亡和巨大的財(cái)產(chǎn)損失。很多工程結(jié)構(gòu)事故就是由于裂縫的不穩(wěn)定發(fā)展所造成的［3］。例如，1986年3月15日，新加波的六層新世界酒店在60秒時(shí)間內(nèi)轟然倒塌造成50人遇難;2001年3月4日，葡萄牙北部的Hintze-Ribeiro大橋坍塌，造成59人死亡;2012年1月26日，巴西里約日內(nèi)盧一座20層辦公樓突然倒塌，造成17人死亡;2013年4月24日，孟加拉國一座名為“拉納大廈”的八層樓建筑垮塌，造成149人死亡，屬重大建筑事故。為了保證建筑結(jié)構(gòu)的安全性，混凝土裂縫的檢測和監(jiān)測成為關(guān)鍵工作之一?；炷亮芽p檢測與監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展不斷前進(jìn)，這使得這些技術(shù)逐漸成熟。Rossi和Le Maou［4］將多模光纖埋入混凝土來測裂縫;Christopher K．Y．Leung等［5］利用新型分布式光纖傳感器測量裂縫;Pietro Giovanni Bocca［6］等利用紅外熱像對混凝土檢測得出了混凝土裂縫與溫度之間的關(guān)系;Dennis等將掃描技術(shù)用于混凝土超聲波檢測。層析技術(shù)也被用在混凝土裂縫檢測上，我國雖然對層析成像技術(shù)理論研究和實(shí)際應(yīng)用起步比較晚，但在借鑒國外先進(jìn)的理論和儀器同時(shí)，經(jīng)過數(shù)十年的不懈努力和研究，也取得了豐碩的成果。此外，我國探地雷達(dá)(GPR)還處于初步研究階段，很多技術(shù)還不夠成熟和完善，還需要完善其研究［7］。

2 常用混凝土裂縫檢測技術(shù)

目前，混凝土裂縫檢測主要工作分別為裂縫的粗檢測(也即判斷裂縫是否存在)、裂縫寬度的檢測以及裂縫深度的檢測(定量的檢測裂縫)，這些工作所采用的技術(shù)手段也不盡相同。現(xiàn)在對混凝土裂縫判斷檢測的技術(shù)有：目測法、雷達(dá)法、云紋法、紅外熱像法、聲發(fā)射法以及全息干涉法等;對混凝土裂縫寬度檢測的技術(shù)有：脆漆涂層法、裂紋擴(kuò)展片法、光纖裂縫傳感器法等;對混凝土裂縫深度檢測的技術(shù)有：沖擊回波法、超聲波法等。

2．1 裂縫粗檢方法

判斷檢測裂縫的存在，就是定性的檢測裂縫是否已經(jīng)存在，并不是定量化的去檢測混凝土裂縫。目測法是用純石灰水溶液均勻地刷在結(jié)構(gòu)表面并等待干燥，當(dāng)試件受外荷載作用后，白色涂層將在高應(yīng)變下開裂并脫落。目測法有時(shí)也可利用裂縫放大設(shè)備觀察。

雷達(dá)法是利用高頻率寬帶脈沖電磁波，根據(jù)電磁波的傳播特性來檢測混凝土中的孔洞、裂縫及缺陷的技術(shù)。其原理是根據(jù)波在傳播的過程中不同介質(zhì)的分界面反射和折射的規(guī)律，再由接收器接收到的波行程的時(shí)間、波幅及形狀，來判斷混凝土裂縫是否存在。雷達(dá)法波動(dòng)方程可以選用由麥克斯韋方程推導(dǎo)出的方程如下式(1)。

由上式得出波速和相位系數(shù)的關(guān)系，從而可以測出混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)的缺陷。但是雷達(dá)法不宜在有強(qiáng)電場的場合使用，檢測的結(jié)構(gòu)誤差較大。

云紋法(也稱莫爾紋法)屬于變形分析的一種模擬方法，分為面內(nèi)和面外兩種方法。云紋法是用黑線柵(等節(jié)柵或異節(jié)柵)作為元件，結(jié)構(gòu)表面存在損傷或裂縫時(shí)，明暗相間重疊的柵線會(huì)產(chǎn)生變動(dòng)的干涉條紋，根據(jù)這些不同的云紋來檢測混凝土裂縫，此方法檢測局域較小只適合在實(shí)驗(yàn)室使用。

紅外熱像法是借助紅外線進(jìn)行探測的，在紅外線波長中只有3～5和8～14mm的波段有很好的穿透性，紅外探測器就是利用這個(gè)波段進(jìn)行探測的［8］。當(dāng)混凝土內(nèi)部存在裂縫和缺陷時(shí)，在連續(xù)區(qū)和非連續(xù)區(qū)的熱擴(kuò)散系數(shù)不一樣，使混凝土表面產(chǎn)生溫度差降，再利用紅外熱成像儀測量它的不同熱輻射，經(jīng)信號處理系統(tǒng)將熱像顯示出來，得到混凝土的裂縫或缺陷的位置。紅外熱像技術(shù)的重要特點(diǎn)是可以快速、非接觸、大面積地掃查檢測表面，并且不損傷檢測物，但由于對象是混凝土，混凝土內(nèi)部材料分布不均勻性、表面發(fā)射不均勻性以及背景輻射的影響會(huì)影響檢測結(jié)果。

聲能也是在這過程中產(chǎn)生的一種能量，聲能是以彈性波在混凝土內(nèi)部進(jìn)行傳播的。聲測法通過測試位置上應(yīng)力波到達(dá)的時(shí)間差，可確定損傷、斷裂的位置。但是，用AE檢測裂縫和其他方法最大的不同是只能檢測正在發(fā)生的裂縫，不能檢測已經(jīng)發(fā)生的舊裂縫。

全息干涉法是在同一張底片上進(jìn)行雙曝光，物體在變形前后分別曝光照相一次，兩個(gè)光波波陣重疊，固定在一張全息圖中。如果物體的變形很微小，則由于這兩個(gè)波陣面相互干涉的結(jié)果，將產(chǎn)生一組干涉條紋圖。通過觀察干涉條紋的變化，從而可觀察到物體出現(xiàn)任何微小的變化。

2．2 裂縫寬度的檢測方法

混凝土裂縫寬度的檢測就是采取定量的檢測手段，得到具體的數(shù)值。

脆漆涂層法是用特殊的涂漆涂在混凝土表面形成脆性層，受荷載作用后根據(jù)裂紋確定主應(yīng)力方向和主應(yīng)力大小的方法，此方法各異用于各種形式的結(jié)構(gòu)構(gòu)件表面。1932年，德國Dietrich等［9］首次提出脆性涂層法，用于測彈性應(yīng)變。1937年Ellis制成一種用來指示彈性應(yīng)力分布的脆性涂料，這種方法得到廣泛應(yīng)用?；炷烈蚴芾a(chǎn)生裂縫，當(dāng)混凝土裂縫寬度達(dá)到0．001-0．004mm時(shí)，隨混凝土一起拉長的導(dǎo)電漆膜會(huì)出現(xiàn)火花直至燒斷，這樣的方法可以粗略測出裂縫的寬度大小。

裂紋擴(kuò)展片就是一種根據(jù)要求設(shè)計(jì)出的具有特殊形狀的電阻應(yīng)變片，由柵體和基底組成。當(dāng)裂紋到達(dá)某處時(shí)，與柵體鏈接的儀器就能測出該處柵條斷裂情況，從而得出裂縫的位置。裂紋擴(kuò)展片法(也稱間接直流電位法)常用于斷裂力學(xué)試驗(yàn)中。從八十年代初，國外開始采用一種裂紋擴(kuò)展片法進(jìn)行裂紋長度測試［10］。

光纖傳感器法是利用埋在混凝土內(nèi)部的光纖傳感器作為元件，來測得混凝土內(nèi)部缺陷和裂縫的。其原理是：結(jié)構(gòu)的損傷將引起埋設(shè)在損傷部位的光纖損傷、微彎或裂斷，導(dǎo)致光纖能力下降，布置在光纖網(wǎng)絡(luò)出口處的光探測器將檢測出光纖輸出光強(qiáng)變化，從而得到結(jié)構(gòu)的損傷信息。1989年，Mendez等人［11］將光纖傳感技術(shù)應(yīng)用在土木工程領(lǐng)域，應(yīng)用包括檢測鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的內(nèi)部損傷如混凝土開裂、鋼筋銹蝕、鋼筋與混凝土的分離等。

2．3 裂縫深度的檢測方法

混凝土裂縫深度檢測是對混凝土裂縫進(jìn)行定量檢測，得出具體的數(shù)值，憑借檢測所獲得的數(shù)據(jù)可知混凝土結(jié)構(gòu)損害的程度。

沖擊波回波法是一種檢測裂縫深度的方法，也屬于聲波反射波法之一，其原理是利用小鋼球或小錘輕擊一下混凝土表面產(chǎn)生低頻應(yīng)力脈沖，脈沖傳播到結(jié)構(gòu)內(nèi)部，在缺陷和構(gòu)件底部反射回來，到達(dá)表面后又反射回去，這樣就會(huì)產(chǎn)生多次反射形成瞬態(tài)共振，根據(jù)數(shù)據(jù)采集器及信號處理器進(jìn)行幅值譜分析，就可以識別混凝土缺陷的位置及深度。Sansalone等［12］在混凝土無損檢測中采用了沖擊回波法，在這以后沖擊回波法的發(fā)展很快。80年代末，我國研制成沖擊回波法儀器IES系統(tǒng)，并在工程檢測中成功應(yīng)用。目前，已經(jīng)有IES掃描式?jīng)_擊回波系統(tǒng)、帶表面波的沖擊回波系統(tǒng)、超薄沖擊回波系統(tǒng)等。由同濟(jì)大學(xué)自制USonic型超聲檢測儀也可用于沖擊回波試驗(yàn)。

超聲波法是現(xiàn)在應(yīng)用最為廣泛的無損檢測技術(shù)，分為平測法(即將發(fā)射探頭和接受探頭安裝在構(gòu)件同一側(cè))和斜測法(即將發(fā)射探頭和接受探頭對稱的安裝在裂縫兩側(cè))。超聲波法的原理是利用高頻超聲波(10-250kHz)作為信息的載體，對混凝土構(gòu)件進(jìn)行探測，測量超聲脈沖縱波在混凝土中的傳播速度、首波波幅變化和接受信號頻率等參數(shù)，并根據(jù)這些參數(shù)的相對變化，判定混凝土中的缺陷情況。Leslie等人率先將超聲波用用于混凝土檢測。該檢測技術(shù)得到快速發(fā)展。由于混凝土是一種混合非勻質(zhì)材料，超聲波不會(huì)按著理想直線在其內(nèi)部傳播，使得發(fā)射器與接收器之間關(guān)系不穩(wěn)定，檢測精度有待提高。超聲波法也有一定的局限性，其采用逐點(diǎn)徑向檢測，檢測速度慢而且容易漏檢［13］。

3 目前混凝土檢測存在的問題

3．1 檢測環(huán)境適用性

目前混凝土檢測技術(shù)很難同時(shí)實(shí)現(xiàn)在線實(shí)時(shí)檢測和檢測精度的要求，另外檢測設(shè)備受所處環(huán)境的影響很大，實(shí)驗(yàn)室檢測設(shè)備和實(shí)地檢測設(shè)備的精度相差很大，而且不能很好地建立數(shù)據(jù)連接平臺，進(jìn)行全天候檢測。傳統(tǒng)檢測方法的工作量大，效率很低，而且結(jié)果的精準(zhǔn)度不高。精度好、效率高、能實(shí)現(xiàn)各種結(jié)構(gòu)樣式、各種場地環(huán)境的檢測儀器及方法是很有必要的。

3．2 檢測儀器可靠性

建筑結(jié)構(gòu)檢測采用的設(shè)備也相對陳舊老化，以至于不能很好地滿足現(xiàn)代結(jié)構(gòu)檢測的需求。質(zhì)量好、精度高、性能穩(wěn)定、操作方便的儀器是高質(zhì)量檢測工作的保證。在這方面，我們國家與一些發(fā)達(dá)國家有著明顯的差距，特別是在數(shù)字化檢測儀器設(shè)備方面。加大對建筑結(jié)構(gòu)檢測的投入顯得很有必要。

3．3 檢測體系完備性

我國混凝土檢測系統(tǒng)還不夠完善，裂縫檢測的理論基礎(chǔ)較為薄弱。隨著建筑業(yè)的飛速發(fā)展，大型結(jié)構(gòu)、大跨度結(jié)構(gòu)、超高層結(jié)構(gòu)等一些新型結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)，傳統(tǒng)的檢測方法不能很好地接合新規(guī)范、新標(biāo)準(zhǔn)，會(huì)出現(xiàn)一些檢測盲區(qū)，給現(xiàn)代結(jié)構(gòu)檢測帶來很大的不便，傳統(tǒng)建筑結(jié)構(gòu)檢測的標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范亟待修訂。建筑結(jié)構(gòu)檢測與加固相關(guān)的資料很缺乏。在結(jié)構(gòu)檢測與加固技術(shù)相關(guān)的資料文獻(xiàn)相對較少，沒有明確的領(lǐng)域劃分?，F(xiàn)在可查的一些資料也相對較為陳舊，技術(shù)在不斷地更新，建立該領(lǐng)域完善的資料庫以及結(jié)構(gòu)檢測數(shù)據(jù)庫是一個(gè)值得探討的問題。

3．4 檢測結(jié)果一般性

混凝土結(jié)構(gòu)一種非線性材料，缺陷的位置是隨機(jī)性的，土木工程結(jié)構(gòu)檢測技術(shù)中非線性診斷技術(shù)的應(yīng)用尚不成熟，相較于線性診斷而言，這種技術(shù)更加需要復(fù)雜的計(jì)算算法和技術(shù)操作，但是非線性診斷技術(shù)更加貼近實(shí)際，非線性結(jié)構(gòu)檢測技術(shù)在發(fā)展中應(yīng)該不斷針對土木工程的建筑結(jié)構(gòu)作出調(diào)整和優(yōu)化，改進(jìn)和完善整個(gè)非線性結(jié)構(gòu)診斷技術(shù)的應(yīng)用。非線性技術(shù)的研究和應(yīng)用在未來的結(jié)構(gòu)檢測技術(shù)發(fā)展中，應(yīng)該成為一個(gè)研究重點(diǎn)。遺傳算法、小波分析和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在非線性分析和數(shù)據(jù)處理上所具有的優(yōu)勢，這使得非線性結(jié)構(gòu)檢測在結(jié)構(gòu)損傷的辨識上有著很大發(fā)展空間和前景。

4 混凝土檢測技術(shù)的發(fā)展與展望

隨著建筑使用年齡的增長，建筑結(jié)構(gòu)所呈現(xiàn)的各種病態(tài)問題。這引起我國建筑相關(guān)部門的廣泛關(guān)注，并加大對舊建筑檢測加固力度，其中混凝土裂縫檢測在建筑工程質(zhì)量管理中起到了重要的作用。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，混凝土檢測技術(shù)及相關(guān)的檢測設(shè)備在不斷地更新完善，測試儀器由模擬儀器發(fā)展為數(shù)字儀器，如我國巖海公司研制的RS-UTO-IC型、同濟(jì)大學(xué)自制的U-Sonic型、巖土領(lǐng)域采用的SYZ型。目前超聲層析技術(shù)雖然已經(jīng)應(yīng)用在混凝土檢測中，但是目前只能實(shí)現(xiàn)二維波走時(shí)成像，與混凝土內(nèi)部三維形體缺陷有很大區(qū)別，會(huì)給檢測帶來很大誤差甚至錯(cuò)誤判斷，所以在三維波成像方面還有很大的發(fā)展空間。前面所講述大多技術(shù)很難實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)、在線檢測，處理數(shù)據(jù)也是逐點(diǎn)化，使得的工作量大、效率低。透射技術(shù)可以實(shí)行全構(gòu)件檢測，免去了以往逐點(diǎn)一一檢測，大大提高了工作效率。

但是，我國在透射技術(shù)領(lǐng)域開展的研究較少，起步也相對較晚，不能很好的在工程上應(yīng)用透射技術(shù)，因此應(yīng)積極開展這方面的研究工作。水工類建筑結(jié)構(gòu)中混凝土的檢測比普通建筑結(jié)構(gòu)混凝土的檢測有困難些，隨著一些軟件的研制開發(fā)，如Rayleigh面波處理軟件、多次波壓制與非線性反演軟件等，使得水工類建筑混凝土檢測一些難題得到了一定的解決。目前所用的技術(shù)多為單一使用技術(shù)，如果將超聲波技術(shù)和CT技術(shù)結(jié)合、探底雷達(dá)技術(shù)和紅外熱像技術(shù)結(jié)合等，將會(huì)使各種技術(shù)避免短處利用長處，在這些領(lǐng)域的研究很少，還有待研究探討。

［1］黃敏．工程結(jié)構(gòu)裂縫檢測方法及試驗(yàn)研究［D］．湖北：湖北工業(yè)大學(xué)，2010．

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