无损检测方法在建筑工程中的应用
摘要：对己建成的混凝高层建筑、高架道路、水坝的安全评估，解决传统查找混凝土结构隐患的方法效率低、成本高且不安全问题实现快速、安全、大范围的检测混凝土裂缝空洞和高层建筑外墙是否剥离，是国内外土木工程界解决的重大课题，有巨大的社会需要和经济效益。但是由于检测环境太复杂，现代建筑物的主要材料钢筋混凝土是各向异性的复合材料，它不仅有着复杂的结构，而且其性质的分散性也较大。
无损检测是在不损坏被检测件的结构和适用性能的情况下，利用声、光、电、磁和射线等方法，来揭示其内部或表面存在的缺陷，以提高被检测件的内在质量和使用时的可靠性，无损检测技术广泛应用于材料和产品的静态动态检测和质量管理方面。
关键词：混凝土，钢结构，砌体结构，无损检测，强度检测
正文
结构无损检测与鉴定的对象为已建工程结构，根据已建结构的性质，可分为新建结构和服役结构。对于新建结构，无损检测和鉴定的目的包括验证工程质量，处理工程质量事故，评估新结构、新材料很新工艺的应用等。对于服役结构，通常用结构可靠性鉴定涵盖无损检测与鉴定的内容，其目的主要是评估已建结构的安全性和可靠性，为结构的维修改造和加固处理提供依据。
不论是新建结构还是服役结构通过试验检测的方法来获取表征结构性能的相关参数时，都不应该对结构造成损伤，影响结构的使用和安全。这就是结构无损检测技术不断发展的背景。
对于工程结构进行无损检测和可靠性鉴定，要通过各种手段得到结构相关参数，捕捉反映结构当前状态的特征信息，对结构作用和结构抗力的关系进行分析，并根据实践经验给出综合判断。结构无损检测与鉴定涉及结构理论、概率统计、测试技术、工程材料、力学分析等基础理论和专业知识，具有多学科交叉的特点。特别是近年来，测试方法以及相应的仪器仪表不断更新，使这一领域的技术不断发展。
无损检测技术有着常规检查方法所不具有的优势和特点：首先，对被检测材料没有损害，只是通过物理手段得到其内部信息；其次检查的随机性使得检查存在客观真实性，具有代表性。另外，检测出来的数据可以得到很好的存储，并通过科学的合理的计算方法转换成工程质量现状，使得出的检测结论更具有权威性、真实性、可靠性。在很大程度上弥补了以往的宏观检测和判定结果的不准确性，使得监督工作更容易、更准确。
一、无损检测方法在混凝土结构中的应用
混凝土结构是常见的工程结构，它是由混凝土和钢筋组成。混凝土强度的检测是混凝土结构可靠性鉴定的一个重要内容。根据混凝土的物理和力学性能，如混凝土的表面硬度、密实度等，不同的混凝土强度无损检测技术广泛地应用于工程实践。
1.1回弹法无损检测
回弹法的原理是根据混凝土表面的硬度与抗压强度之间有一定的关系,利用混凝土表面硬度来推定混凝土的强度。所用的仪器是回弹仪。在建筑结构检测中常采用的为中型回弹仪。回弹仪最大的优点就是简单、方便、快速。在国内外实际工程中已使用50余年。近年来，新型回弹仪将微电脑芯片安装在回弹仪上，称为数显回弹仪，加快了回弹仪的数据处理过程，使用更加方便。现行标准《回弹法检测混凝土抗压强度技术规程》(JGJ/T23--2001)有相应的规定,应严格遵守。每根构件测区数量应按规范规定布置，测区布置应均匀，混凝土表面应平整，干燥，表面浮灰应去掉。测试时应避开钢筋位置，否则测试数据会偏大，如测试大梁，因梁较高，下部粗石料相对集中，上部相对较少，故宜在梁中部位置测试。按批评定时，应确保该批混凝土是同批混凝土或龄期相差不大，施工工艺相同，成型工艺相同，养护条件相近。如测试结果同批评定相差过大，则应分析原因，进行补测或分批评定。如混凝土龄期较长，超过规范允许龄期，应取芯样进行修正。
1.2超声脉冲法无损检测
声波是一种机械波，起源于物体的振动。将脉冲信息转化为机械振动，即超声波。超声波穿过混凝土构件，接收探头再将超声波转换为电信号。在一个工程大量采用同一种混凝土时，还可以用超声脉冲法检测混凝土的强度。就声脉冲在混凝土中传播速度的本质而言,则是混凝土应力应变质的反映。虽然在应变性质与强度关系的理论推导中可以推论，混凝土强度与声速之间应有一定的关，但由于实际材料的种种复杂的影响因素，这种关系并不是完全稳定的。所以还需事先建立声速与混凝土抗压强度之间关系的曲线，来实现超声脉冲法检测混凝土的强度。在已知混凝土的超声波声速的条件下，利用超声检测仪测量声时，还可以得到混凝土构件的厚度。
1.3超声回弹综合法无损检测
超声回弹综合法是指采用超声检测仪和回弹仪，在结构或结构混凝土的同一测区分别测量超声声时和回弹值，再利用已建立的测强公式，推算该测区混凝土强度的方法。与单一的回弹法或超声法相比，超声回弹综合法可以减少混凝土龄期和含水率的影响，对较高强度的混凝土不敏感，较全面的反映了混凝土的实际质量，综上优点，使其测量范围加大，测试精度也有明显的提高。
1.4钻芯法无损检测
钻芯法就是利用钻芯机及配套机具，在混凝土结构构件上钻取芯样，通过芯样抗压强度直接推定结构的混凝土强度的方法。钻芯法无须混凝土立方体试块或测强曲线，具有直观、准确，代表性强，可同时检测混凝土内部缺陷等优点，在工程检测中得到广泛应用。钻芯法除检测混凝土的强度外，还可以通过芯样检测混凝土结构或结构的裂缝深度、受火或受冻混凝土的损伤深度等内部缺陷。
1.5拔出法无损检测
拔出法是将安装在混凝土中的锚固件拔出，测出最大拔出力，根据预先建立的拔出力与混凝土强度之间的关系推进混凝土强度的方法。这是一种局部微破损检测方法。
拔出法分为两类，一类是预埋拔出法，即在混凝土构件或构件的施工过程中预先安装锚固件，待混凝土硬化再将锚件拔出，检验新浇混凝土的强度。另一类是后装拔出法，在已硬化的混凝土构件表面钻孔，安装一特制的膨胀螺栓，然后将膨胀螺栓拔出，测定混凝土的强度。实际工程中，后装拔出法应用较多。
1.6检测混凝土强度的各种方法比较
在实际工程中，现场检测混凝土强度常用方法是回弹法、超声法、超声回弹综合法、钻芯法和拔出法。出这些方法外，还有贯入阻力法、表面拉剥法、脉冲回波法等，这些方法都各自有其各自的特色。每一种无损检测方法都有优点，但适用范围也都受到不同程度的限制。
二、无损检测方法在钢结构工程中的应用
当前建筑钢结构工程无损检测的对象是钢结构材料本身以及焊缝，主要问题就是缺陷，分为表面和内部缺陷两种，常见的表面缺陷有：烧穿、表面有气孔、焊缝不完全、咬边等等，而内部缺陷有：裂纹、未熔合、未焊透、杂质嵌入等等，针对这两种类型的缺陷，常用的无损检测技术主要有如下几种。
2.1射线探伤检测技术
射线探伤检测技术是射线在通过被检测物体时的强度衰减，来检测出结构的缺陷。常用的射线是x射线和γ射线。该方法的具体点来讲就是射线在穿过被检物体后，受到不同程度的衰减，被投射到x或γ射线的胶片上，通过显影技术，得到物体厚度的变化和内部缺陷情况的图像，然后就可以根据图像上的缺陷尺寸大小、形状以及数量，对结果进行评价。
射线探伤检测技术随着电子成像技术的发展，在钢结构质量检测中的应用优势非常明显。通过成像技术，能够直截了当的反映出钢结构材料、焊缝缺陷的物理性质，形状、大小、数量，还可以直接获得永久性记录，供日后检查。但是该方法的最大缺点就是危害人体健康，射线具有放射性，设备投入较大，携带不方便。
2.2超声无损探测技术
超声无损探测技术是利用超声波在钢结构焊缝缺陷中的传播受到不同程度的影响而使得声时、振幅、波形等参数改变，来检测材料和焊缝缺陷的性质，超声检测的常用频率是0.5-5MHz，常用的超声检测是A型脉冲反射法。
超声检测技术的优点是对平面型缺陷的检测敏感，能够非常迅速的检测出未焊透、未熔合等缺陷。检测速度快，超声检测仪器方便携带、价格优势使得成本低廉。该检测对材料焊缝表面的粗糙程度有一定的要求，且只适合厚度在8mm以上的板材、管材对接焊缝，缺陷的表达没有射线探伤直观，同时受到检测人员的操作水平和熟练程度影响，对焊缝根部的缺陷检测比较困难，主要受表面焊缝的形状影响。
2.3磁粉探伤检测技术
磁粉探伤检测技术是根据被检铁磁性材料在磁化后内部产生强烈的磁感应强度，当钢结构材料中有缺陷或者材质、形状造成非连续性时，磁力线会发生变化，而透出材料本身的范围，形成漏磁场，此时磁粉受到磁力线的作用在材料表面或近表面进行重新堆积，可以宏观现实出缺陷的情况。
该方法的优点是检测速度迅速、稍微有点缺陷或者裂缝就能检测出来，灵敏度高，检测的投资成本较低。该技术只能对表面或者近表面缺陷进行检测，要求被检测材料为铁磁性，对一些材料的内部或者较深的缺陷无法检测出来。只适合8mm以下的板材和管材对接焊缝的外观检测。另外，对某些要求严格的钢结构材料还需要进行检测后消磁。
2.4渗透探伤检测技术
渗透探伤检测技术是在一些零部件表面进行涂抹含有荧光材料或者染色材料的渗透液体，待一段时间就能渗透到表面具有开口的缺陷中，一直渗满整个缺陷。待去除材料表面的渗透液后，再利用涂抹的显像剂的吸引作用，将缺陷内的渗透液反吸回显像剂中。通过光源的照射，可以是紫外线也可用白光，显示出缺陷的形状和大小尺寸。
该渗透探伤检测技术的优点是检测设备简单、方便携带，在没有电源的情况下就可以进行探伤检测，适合于各种金属和非金属材料，材料作用范围比较广泛，对缺陷的显示比较直观。但是，对于比较微小的缺陷，渗透液难以渗入和吸出，缺陷的深度就难以检测出来，所以只适合表面缺陷的检测以及近表面的缺陷检测。检测后的清洁工作也是必须进行的，然而有相当的部分的检测人员忽略此操作步骤。
三、无损检测方法在砌体结构中的应用
砌体结构是我国工业与民用建筑中普遍常用的结构形式之一，具有造价低、建筑性能良好、施工简便等优点。但气体结构的强度较低，对基础不均匀沉降以及温度应力非常敏感，结构性能受施工质量的影响较大，结构的耐久性和抗震性能不如混凝土结构和钢结构。新建砌体结构的施工质量和已建砌体结构的可靠性鉴定是工程结构检测鉴定的主要任务之一
砌体的现场非破损检测或微破损检测方法很多，有直接对砌体施加荷载的原位压力方法试验，有检测块体与砂浆之间的抗剪性能的剪切试验，还有对砂浆进行检测试验的各种方法。通常，可用回弹法检测块体的强度，现场检检测得到砂浆强度后即可推定砌体抗压强度。但这种检测方法不能反映组砌方式、灰缝饱满度等因素对砌体抗压强度的影响，因此，现场直接检测砌体强度的微破损检测方法仍大量应用于砌体工程。
3.1原位轴压法
在墙体的原位轴压法检测中，直接对局部墙体施加轴向压力荷载，并使这部分局部墙体的手里达到极限状态，通过实测的破坏荷载和变形，得到墙体的抗压强度。采用原位轴压法对于墙体进行检测时，为避免对墙体造成太大的损伤，在同一墙体上，测点不宜多于1个，测试的部位对于墙体受力性能应具有代表性。可选相邻墙体的测点为同一测区测点，也可以在同一楼层选择同一测区测点。测点数不宜太多。
3.2扁顶法
扁顶法可用来推定普通砖砌体的受压工作应力、弹性模量和抗压强度。通过测量开槽前后的位移变化，并用扁顶压力恢复因开槽而卸载的应变，根据扁顶压力推定砌体的工作应力。推定砌体的工作应力，可以只开凿一条水平槽。在完成工作应力测试后，再开凿第二条水平槽，并在第二条水平槽内安装第二个扁顶。
3.3原位单剪法
对砌体的承载能力进行现场检测时，出抗压试验外，另一类试验就是砌体的原位抗剪试验，原位单剪法就是其中一种。砌体的原位单剪法的试验装置一般取窗洞口或其他洞口下墙体为试验对象，第三皮砖下的水平灰缝为剪切破坏面。试验前，先清理出安装钢筋混凝土传力方和加载装置的空间；在剪切破坏面的端部加工切口，保证水平灰缝剪切破坏时，该水平灰缝以上的墙体能够在水平方向上发生位移；现浇钢筋混凝土传力方到达足够强度后，安装千斤顶和测试仪表进行加载试验，当出现水平灰缝剪切破坏时，记录破坏荷载，并将剪切破坏后的墙体翻转，记录破坏特征以及水平灰缝饱满度等与砌体质量有关的数据。
原位单剪法所得到试验结构为砌体沿通缝抗剪强度。将同一测区个测点所得到结果取平均值，得到砌体沿通缝抗剪强度平均值。
3.4原位单砖双剪法
原位单剪法造成较大区域的墙体破损。对于已建造的并投入使用的房屋建筑，原位单剪法试验往往难以实施。原位单砖双剪法造成的墙体破损较小。
3.5推出法
推出法是将240mm厚的砖墙中的丁砖推出，通过鉴定单块丁砖推出力与砂浆饱满度来推断砌体砂浆的抗压强度。一般取单片墙为一个测区，每个测区的测点数不少于5个。
