混凝土结构常用无损检测方法

混凝土结构常用无损检

测方法

IMB standardization office【IMB 5AB- IMBK 08- IMB 2C】

混凝土结构常用无损检测方法摘要:介绍了回弹法、超声波法、雷达法等各种混凝土无损检测方法的工作原理，分析了各自的特点及适用范围。在实际工程中，宜使用两种或两种以上方法进行检测，以互相验证，提高检测的效率及可靠性。

无论是工业及民用建筑，还是公路、铁路、水利及水电工程等都广泛使用混凝土材料，混凝土的质量关系到整个工程的质量。传统的混凝土强度检验方法是在浇筑地点随机抽取试样，对试样进行抗压强度试验，由试验结果来评定混凝土的强度。由于试样的制作条件、养护环境及受力状态与原位混凝土均存在着明显的差异，试样的实验结果难以全面、准确地反映原位混凝土的质量状况，显然无损检测是获得原位混凝土真实质量的有效方法。早在20 世纪30 年代，人们就开始研究混凝土无损检测技术。1948 年，瑞士科学家施密特（E. Schmidt）研制成回弹仪；1949 年莱斯利（Leslie）等人用超声脉冲成功检测混凝土；60 年代费格瓦洛（I. Facaoaru）提出用声速、回弹综合法估算混凝土强度；80 年代中期，美国的Mary Sansalone 等用机械波反射法进行混凝土无损检测；90 年代以来，随着科学技术的快速发展，涌现出一批新的测试方法，如微波吸收、雷达扫描、红外线谱、脉冲回波等方法。我国从50年代开始引进瑞士、英国、波兰等国的超声波仪器和回弹仪，并结合工程应用开展了一定的研究工作；60 年代初我国研制成功多种型号的超声波仪器，随后广泛进行了混凝土无损检测技术的研究和应用；80 年代混凝土无损检测技术在我国得到快速发展，并取得了一定的研究成果，除了超声、回弹等无损检测方法外，还进行了钻芯法、后装拔出法的研究；90 年代以来，雷达技术、红外成像技术、冲击回波技术等进入实用阶段，

同时超声波检测仪器也由模拟式发展为数字式，可将测试数据传入计算机进行各种数据处理，以进一步提高检测的可靠性。

混凝土无损检测的方法主要有回弹法、超声法、超声回弹综合法、雷达法、冲击回波法、红外成像法、钻芯法、拔出法及超声波CT 法等，其中钻芯法和拔出法属局部破损或半破损检测方法。以下就各种方法的工作原理、特点及适用范围作以述评。

各种无损检测方法工作原理及其特点述评

回弹法

回弹法是以在混凝土结构或构件上测得的回弹值和碳化深度来评定混凝土结构或构件强度的一种方法，它不会对结构或构件的力学性质和承载能力产生不利影响，在工程上已得到广泛应用。

回弹法使用的仪器为回弹仪，它是一种直射锤击式仪器，是用一弹击锤来冲击与混凝土表面接触的弹击杆，然后弹击锤向后弹回，并在回弹仪的刻度标尺上指示出回弹数值。回弹值的大小取决于与冲击能量有关的回弹能量，而回弹能量则反映了混凝土表层硬度与混凝土抗压强度之间的函数关系，即可以在混凝土的抗压强度与回弹值之间建立起一种函数关系，以回弹值来表示混凝土的抗压强度。回弹法只能测得混凝土表层的质量状况，内部情况却无法得知，这便限制了回弹法的应用范围，但由于回弹法操作简便，价格低廉，在工程上还是得到了广泛应用。

回弹法的基本原理是利用混凝土强度与表面硬度之间的关系，通过一定动能的钢杆件弹击混凝土表面，并测得杆件回弹的距离（回弹值），利用回弹值与强度之间的相关关系来推定混凝土强度。

通常采用试验的方法得到回弹值与强度之间的相关关系，即建立混凝土强度cu c f

与回弹值R之间的一元回归公式，或混凝土强度与回弹值R及主要影响因素（如碳化

深度）之间的二元回归公式。回归的公式可采用各种不同的函数方程形式，根据大量试验数据进行回归拟合，择其相关系数较大者作为实用经验公式。目常常用的形式主要有以下几种：

直线方程 BR A f cu c +=

幂函数方程 B cu c AR f =

抛物线方程 2CR BR A f cu c ++=

二元方程 cl B cu c AR f 10?=

各式中： cu c f ---混凝土测区的推算强度；

R---测区平均回弹值；

l ---测区平均碳化深度值；

A 、

B 、C---常数项，视原材料条件等因素不同而不同。

回弹法适用于工程结构普通混凝土抗压强度（以下简称混凝土强度）的检测，检测结果可作为处理混凝土质量问题的依据之一。回弹法不适用于表层与内部质量有明显差异或内部存在缺陷的混凝土结构或构件的检测。

超声波法

超声波法检测混凝土常用的频率为20～250kHz ，它既可用于检测混凝土强度，也可用于检测混凝土缺陷。

超声波在混凝土中的传播速度与混凝土的弹性性质密切相关，而混凝土的弹性性质又可以反映其强度大小，从而可以在混凝土超声波传播速度与其强度之间建立起一种相关关系，这种关系通常为非线性关系，可用经验公式或专用测强曲线来表示。由于混凝土本身是一种复合材料，其内部超声波传播速度受许多因素影响，如钢筋的配置方向、不同骨料及粒径的大小、各组分的比例变化、龄期、养护条件及混凝土的强

度等级等，这些影响因素在建立测强关系时均应进行修正，显然这种修正是一项很复杂而又烦琐的工作。

超声波法检测混凝土缺陷是根据超声波在混凝土中传播的速度、振幅、相位及主频的变化来判断混凝土内部的缺陷情况。混凝土内部常见的缺陷有：蜂窝状或松散状的不密实区、空洞、杂物或受意外损伤而形成的酥松区等。当超声波遇到以上缺陷时，其速度、振幅等常会发生一定程度的异常变化，分析这种异常变化可推知混凝土内部的缺陷状况。超声波法检测混凝土内部缺陷时常需要进行一定的数据处理及统计计算，且需要测试人员具有一定的检测经验。

超声回弹综合法

超声-回弹综合法是利用测试混凝土的回弹值和超声声速值这两个参数确定混凝土强度，所得的混凝土强度换算值（cu c f ）是根据用综合法取得的测值换算成相当于被测结构物所处条件及龄期下、边长150mm 立方体试块的抗压强度值。

混凝土超声检测目前主要是采用“穿透法”，即用一发射换能器重复发射超声脉冲，让超声波在所检测的混凝土中传播，然后由接收换能器接收。被接收到的超声波转化为电信号后再经超声仪放大显示在示波屏上，用超声仪测量直接收到的超声信号的声学参数。当超声波经混凝土中传播后，它将携带有关混凝土材料性能、内部结构及其组成的信息。准确测定这些声学参数的大小及变化，可以推断混凝土的性能、内部结构及其组成情况。目前在混凝土检测中所常用的声学参数为声速、振幅、频率以及波形。

1）声速

声速即超声波在混凝土中传播的速度，它是混凝土超声检测中一个主要参数。混凝土的声速与混凝土的弹性性质有关，也与混凝土内部结构（孔隙、材料组成）有关，不

同组成的混凝土，其声速各不相同。一般说来，弹性模量越高，内部越是致密，其声速也超高。而混凝土的强度也与它的弹性模量、与它的孔隙率（密实性）有密切关系。因此对于同种材料与配合比的混凝土，强度越高，其声速也越高。若混凝土内部有缺陷（孔洞、蜂窝体），则该处混凝土的声速将比正常部位低。当超声波穿过裂缝而传播时，所测得的声速也将比无裂缝处声速有所降低。因此，混凝土声速值能反映混凝土的性能及其内部情况。

声速v按下式计算：

式中：l—超声测距，即发、收换能器幅射面间被测体的尺寸；

t—超声波在l距离内的传播时间。

2）振幅

接收波振幅通常指首波，即第一个波前半周的幅值，接收波的振幅与接收换能器处被测介质超声声压成正比，所以接收波振幅值反映了接收到的声波的强弱。在发射出的超声波强度一定的情况下，振幅值的大小反映了超声波在混凝土中的衰减情况。而超声波的衰减情况又反映了混凝土粘塑性能。混凝土是弹—粘—塑性体，其强度不仅和弹性性能有关，也和其粘塑性能有关，因此，衰减大小，即振幅高低也能在一定程度反映混凝土的强度。对于内部有缺陷或裂缝的混凝土，由于缺陷、裂缝使超声波反射或绕射，振幅也将明显减小，振幅值也是判断缺陷与裂缝的重要指标。

由于振幅值的大小还取决于仪器设备性能、所处的状态，耦合状况以及测距的大小，所以很难有统一的度量标准，目前，只是作为同条件（同一仪器、同一状态、同一测距）下相对比较用。

3）频率

在超声检测中，由电冲激发出的声脉冲信号是复频超声冲波。它包含了一系列不同频率成分的余弦波分量。这种含有各种频率成分的超声波在传播过程中，高频成分首先衰减（被吸收、散射），因此，可以把混凝土看作是一种类似高频滤波器的介质。超声波愈往前传播，其所包含的高频分量愈少，则主频率也逐渐下降。主频率下降的多少除与传播距离有关外，主要取决于混凝土本身的性质（质量、强度）和内部是否存在缺陷、裂缝等。因而，测量超声波通过混凝土后频率的变化可以判断混凝土质量和内部缺陷、裂缝等情况。

和振幅一样，接收波主频率的绝对值大小不仅取决于被测混凝土的性质的内部情况，也和所用仪器设备、传播距离有关，目前也只能用于同条件下的相对比较用。

4）波形

这里指的波形系指在示波屏上显示的接收波波形。当超声波在传播过程中碰到混凝土内部缺陷、裂缝或异物时，由于超声波的绕射、反射和传播路径的复杂发化，直达波、反射波、绕射波等各类波相继到达接收换能器，它们的频率和相位各不相同。这些波的叠加有时会使波形畸变。因此，对接收波波形的分析、研究有助于对混凝土内部质量及缺陷的判断。鉴于波形的变化受各种因素的影响，目前对波形的研究只能作一般的观察、记录。

超声-回弹综合法适用于以中型回弹仪、低频超声仪按综合法检测建筑结构和构筑物中的普通混凝土抗压强度值。在正常情况下，混凝土强度的验收与评定应按现行国家标准《混凝土结构工程施工质量验收规范》及《混凝土强度检验评定标准》执行。当对结构的混凝土强度有怀疑时，可按本方法进行检测，以推定混凝土强度，并作为处理混凝土质量问题的主要依据。

该方法不适用于下列情况的结构混凝土：

（1）遭受冻害、化学侵蚀、火灾、高温损伤；

（2）被测构件厚度小于100mm；

（3）结构表面温度低于-4℃或高于60℃。

雷达法

钢筋混凝土雷达多采用1GHz 及以上的电磁波，可探测结构及构件混凝土中钢筋的位置、保护层的厚度以及孔洞、酥松层、裂缝等缺陷。它首先向混凝土发射电磁波，当遇到电磁性质不同的缺陷或钢筋时，将产生反射电磁波，接收此反射电磁波可得到一波形图，据此波形图可得知混凝土内部缺陷的状况及钢筋的位置等。雷达法主要是根据混凝土内部介质之间电磁性质的差异来工作的，差异越大，反射波信号越强。雷达法检测混凝土其探测深度较浅，一般为20 cm 以内，探地雷达使用较低频率电磁波，探测深度可稍大些。此外，该法受钢筋低阻屏蔽作用影响较大，且仪器本身价格昂贵，故实际工程上应用的并不多。

冲击回波法

冲击回波法是用一钢珠冲击结构混凝土的表面，从而在混凝土内产生一应力波，当该应力波在混凝土内遇到波阻抗差异界面即混凝土内部缺陷或混凝土底面时，将产生反射波，接收这种反射波并进行快速傅里叶变换（FFT）可得到其频谱图，频谱图上突出的峰值就是应力波在混凝土内部缺陷或混凝土底面的反射形成的，根据其峰值频率可计算出混凝土缺陷的位置或混凝土的厚度。由于该法采用单面测试，特别适合于只有一个测试面如路面、护坡、底板、跑道等混凝土的检测。

红外成像法

自然界中任何高于绝对零度（-273℃）的物体都是红外线的辐射源，它们都向外界不断地辐射出红外线。红外线是介于可见光与微波之间的电磁波，其波长为μm，

频率为4×1014-3×1011 Hz。混凝土红外线无损检测是通过测量混凝土的热量及热流来判断其质量的一种方法。当混凝土内部存在某种缺陷时，将改变混凝土的热传导，使混凝土表面的温度场分布产生异常，用红外成像仪测出表示这种异常的热像图，由热像图中异常的特征可判断出混凝土缺陷的类型及位置特征等。这种方法属非接触无损检测方法，可对检测物进行上下、左右的连续扫测，且白天、黑夜均可进行，可检测的温度为-50-2000℃，分辨率可达-0.02℃，是一种检测精度较高、使用较方便的无损检测方法，并具有快速、直观、适合大面积扫测的特点，可用于检测混凝土遭受冻害

或火灾等损伤的程度以及建筑物墙体的剥

离、渗漏等。

拔出法

拔出法用于检测混凝土的强度，它是将安装在混凝土体内的锚固件拔出，测定其极限抗拔力，然后根据预先建立的混凝土极限拔出力与其抗压强度之间的相关关系来测定混凝土强度的一种半破损（局部破损）检测方法。大量实验表明：极限拔出力与混凝土抗压强度之间确实存在着某种近似线性的对应关系，这就为该方法的应用提供了坚实的基础。拔出法可分为预埋拔出法及后装拔出法两种，预埋拔出法是指预先将锚固件埋入混凝土内的拔出法，后装拔出法是指在已硬化的混凝土上钻孔，然后在其上安装锚固件的拔出法。前者主要适用于成批、连续生产的混凝土结构构件的强度检测，后者可用于新、旧混凝土各种构件的强度检测。拔出法一般不宜直接用于遭受冻害、化学腐蚀、火灾等损伤混凝土的检测。

钻芯法

钻芯法是利用专用钻机和人造金刚石空心薄壁钻头，在结构混凝土上钻取芯样以检测混凝土强度和缺陷的一种检测方法。它可用于检测混凝土的强度，结构混凝土受

冻、火灾损伤的深度，混凝土接缝及分层处的质量状况，混凝土裂缝的深度、离析、孔洞等缺陷。该方法直观、准确、可靠，是其他无损检测方法不可取代的一种有效方法。钻芯法检测混凝土费用较高，费时较长，且对混凝土造成局部损伤，因而大量的钻芯取样往往受到限制，可利用其他无损检测方法如超声法与钻芯法结合使用，以减少钻芯数量，另一方面钻芯法的检测结果又可验证其他无损检测方法如超声法的检测结果，以提高其检测的可靠性。

钻芯法是用金刚石空心薄壁钻头，利用取芯机直接在结构混凝土上取出芯样，然后作抗压试验，以芯样强度来评定结构混凝土强度。

由于芯样是直接从构件上或结构上钻取，因此，最直接地反映了混凝土的真实情况，但会对混凝土结构造成一定的损害，且费用较高。

钻芯法检测混凝土强度主要用于下列情况：

（1）对试块抗压强度的测试结果有怀疑时；

（2）因材料、施工或养护不良而发生混凝土质量问题时；

（3）混凝土遭受冻害、火灾、化学侵蚀或其他损害时；

（4）需检测经多年使用的建筑结构或构筑物中混凝土强度时。

对混凝土强度等级低于C10的结构，不宜采用钻芯法检测。

超声波CT 法

超声波具有穿透能力强，检测设备简单，操作方便等优点，特别适合于对混凝土的检测，尤其适合对大体积混凝土如大坝、桥墩、承台及混凝土灌注桩的检测。常规的超声波对测法及斜测法可检测混凝土内部的缺陷，但这需要操作人员具有一定的工作经验，且检测精度也不够高，仅能得到某些测线上而非全断面的混凝土质量信息。将计算机层析成像（ Computerized Tomography，简称CT）技术用于混凝土超声波检

测，即为混凝土超声波层析成像检测方法。该方法首先将待检测混凝土断面剖分为诸多矩形单元，如图1 所示，然后从不同方向对每一单元进行多次超声波射线扫描，即由来自不同方向的多条射线穿过一个单元，用所测超声波走时数据进行计算成像，其成像结果可精确、直观表示出整个测试断面上混凝土的缺陷及质量信息，使检测精度大为提高。

结构混凝土缺陷检测

混凝土缺陷是指因施工管理不善或受使用环境及自然灾害的影响，其内部可能存在不密实或空洞，其外部形成蜂窝麻面、裂缝或损伤层等。这些缺陷的存在会严重影响结构的承载力和耐久性，采用有效方法查明混凝土缺陷的性质、范围及尺寸，以便进行技术处理，是工程建设中重要课题。

混凝土缺陷无损检测技术，大体上可分为两大类：一类是机械波法，其中包括超声波、冲击波和声发射等；另一类是穿透辐射法，其中包括χ射线、γ射线和中子流等。目前，工程中常用的是超声脉冲法，其声波频率在20kHz以上。

测试原理和方法

超声测缺陷的基本原理，是通过超声波（纵波）在混凝土中传播的不同参数反映混凝土的质量。即利用超声波在混凝土中传播的声时、振幅、波形这三个声学参数综合判断其内部的缺陷情况。

声时—即超声波在混凝土中传播所需要的时间，如超声波在传播路径中遇有缺陷时，则要绕过缺陷，声时就会变长。

振幅—即接收信号首波振幅。混凝土内部存在缺陷时，超声波在缺陷界面上声阻抗差异显着，产生发射、散射和吸收，使接收波振幅显着降低。振幅变化大小可通过增益和衰减器的调整进行测量。

波形—即接收到的波形。混凝土内部存在缺陷时，超声波在内部传播发生变化。直达波、绕射波、反射波等各类波相继被接收。由于这些波的相位不同，因此使正常波形发生畸变。主要观察前几个周期的波形。一般情况下，正常混凝土的前几个波形振幅大，无畸变，接收波的包络线呈半圆形（见图a）。有缺陷混凝土的前几个周期波形振幅低，可能发生波形畸变，接收波的包络线呈喇叭形（图b）。

(a) 正常 (b)有缺陷

接收波形

常用的测试方法大致分为以下几种：

1、平面测试（用厚度振动式换能器）

（1）对测法：一对发射（T）和接收（R）换能器，分别置于被测结构相互平行的两个表面，且两个换能器的轴线位于同一直线上；

（2）斜测法：一对发射和接收换能器分别置于被测结构的两个表面，但两个换能器的轴线不在同一直线上；

（3）单面平测法：一对发射和接收换能器置于被测结构同一个表面上进行测试。2、钻孔测试（采用径向振动式换能器）

（1）孔中对测：一对换能器分别置于两个对应钻孔中，位于同一高度进行测试；（2）孔中斜测：一对换能器分别置于两个对应钻孔中，但不在同一高度而是在保持一定高程差的条件下进行测试；

（3）孔中平测：一对换能器置于同一钻孔中，以一定的高程差同步移动进行测试。