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1、）才蟠史学Qinghal University才涔上尊浅述现代混凝土检测手段及方法论文题目：浅述现代混凝土检测手段及方法学位类：工程硕士专业：建筑与土木工程摘要摘要：随着城市化进程的加快，各项建筑工程热烈开展，随之而来的则是建筑的质量问题和安全问题。建筑工程建设主要是一种针对于建筑施工和质量的检测手段，对建筑质量与安全起到了有力的保障作用。当今无损检测技术由于损伤小、结果准确、操作简便、数据直观等特点，慢慢成为以后检测技术的发展方向。混凝土是土木工程中最重要的材料之一，其质量的优劣直接关系到结构的安全。直接在结构上检测混凝土工程质量的现场检测技术，已经成为控制混凝土工程质量、处理混凝土质量事故
2、的重要手段。在实际工程中，宜使用两种或两种以上方法进行检测，以互相脸证，提高检测结果的可靠性。希望新的科学技术不断的运用到混凝土工程无损检测技术中来，促进建筑工程质量的全面提高。关键词：建筑行业；工程检测；必要性；实施要点；无损检测技术AbstractAbstract:Withthespeedingupofurbanization,thevariousconstructionprojectsawarm,followedisthequalityproblemoftheconstructionandsecurityissues.Mainconstructionengineeringconstruc
3、tionisakindoffortheconstructionandqualitytestingmeans,playedastrongguaranteeforconstructionqualityandsafety.Innondestructivetestingtechnologytodaybecauseofthesmalldamage,accurate,convenientoperationanddatadirectly,afterbecomingthedevelopmentdirectionofdetectiontechnology.Concreteisoneofthemostimport
4、antmaterialincivilengineering,itsqualityfitandunfitqualitydirectlyrelatedtothesafetyofthestructure.Directlyatthesceneofthestructuretestingofconcreteengineeringqualitydetectiontechnology,hasbecomeaconcreteconstructionqualitycontrol,animportantmeansofdealingwithconcretequalityaccidents.Inpracticalengi
5、neering,theappropriateuseoftwoormorethantwokindsofmethodsfortesting,inordertoverifyeachother,improvethereliabilityoftestresults.Hopethenewscienceandtechnologyconstantlyappliedtoconcreteengineeringnondestructivetestingtechnology,promotetheconstructionquality.Withthespeedingupofurbanization,thevarious
6、constructionprojectsawarm,followedisthequalityproblemoftheconstructionandsecurityissues.Mainconstructionengineeringconstructionisakindoffortheconstructionandqualitytestingmeans,playedastrongguaranteeforconstructionqualityandsafety.Innondestructivetestingtechnologytodaybecauseofthesmalldamage,accurat
7、e,convenientoperationanddatadirectly,afterbecomingthedevelopmentdirectionofdetectiontechnology.Concreteisoneofthemostimportantmaterialincivilengineering,itsqualityfitandunfitqualitydirectlyrelatedtothesafetyofthestructure.Directlyatthesceneofthestructuretestingofconcreteengineeringqualitydetectionte
8、chnology,hasbecomeaconcreteconstructionqualitycontrol,animportantmeansofdealingwithconcretequalityaccidents.Inpracticalengineering,theappropriateuseoftwoormorethantwokindsofmethodsfortesting,inordertoverifyeachother,improvethereliabilityoftestresults.Hopethenewscienceandtechnologyconstantlyappliedto
9、concreteengineeringnondestructivetestingtechnology,promotetheconstructionquality.Keywords：Theconstructionindustry;Engineeringtest;Necessityimplementation;Nondestructivetestingtechnology目录1绪论21.1 混凝土检测鉴定的基本要求21.2 混凝土无损检测常用方法31.3 无损检测技术在混凝土工程中的应用72红外热成像技术在混凝土无损检测中的发展92. 1基本检测原理93基于超声波技术的混凝土无损检测122.1 超
10、声波探测损伤原理123. 2超声波无损检测技术应用于混凝土工程存在的问题133.3超声波无损检测技术的前景与展望144基于GPrMaX2D的混凝土无损检测方法154. 1探地雷达软件（GPrMax2D）的工作原理155浅析混凝土雷达检测技术的应用现状185. 1混凝土雷达检测技术186结论207参考文献211绪论1.1混凝土检测鉴定的基本要求1.1.1 混凝土鉴定目的、范围与分类1检测鉴定目的工程项目及结构构件混凝土检测鉴定的目的是采取适当的抽样方案和检测手段，通过对检测数据的分析和处理，对混凝土质量的现状作出科学的评价和结论。2检测鉴定范围工程项目及结构构件混凝土检测鉴定涉及面广，包括新建工
11、程的混凝土质量检测鉴定和既有工程的混凝土质量检测鉴定。这些检测鉴定大致可分为外观质量缺陷检测、力学性能检测、使用性能检测、混凝土中钢筋的检测、有害物质分析与效应检验、混凝土构件损伤检测和结构性能的检验与测试等。3检测鉴定分类（1）外观质量缺陷的检测外观质量缺陷、构件内部缺陷、构件尺寸与偏差检测。（2）混凝土力学性能检测混凝土抗压强度，混凝土劈裂抗拉强度、混凝土抗折强度，混凝土静弹性模量，混凝土的表面硬度、缺陷与损伤区混凝土力学性能。（3）混凝土使用性能检测混凝土抗渗性能、混凝土抗冻性能、氯离子渗透性能、抗硫酸盐侵蚀性能。（4）混凝土中钢筋的检测钢筋数量和间距、混凝土保护层厚度、钢筋公称直径、构
12、件中钢筋锈蚀状况、钢筋力学性能。（5）混凝土有害物质分析与效应检验氯离子含量、混凝土中的碱含量、碱骨料反应检验、游离氧化钙作用检验。（6）混凝土构件损伤检测火灾损坏、地震损坏、环境劣化作用和损伤。（7）混凝土构件结构性能的检验与测试混凝土构件适用性检验、混凝土构件承载力检验、混凝土构件可靠性指标检验、混凝土构件振动特性的测试、混凝土结构动力特性测试。1.1.2混凝土检测技术概述在工程项目及结构构件混凝土检测鉴定中，混凝土强度的检测鉴定已有相应规程的方法有回弹法、超声脉冲法、超声回弹综合法，钻芯法、后桩拔出法、剪压法和后锚固法等,检测鉴定操作程序与强度退定计算应分别遵守相应技术标准或规程的规定。
13、对于射钉法、雷达法、红外热像法等，目前尚无正式规程或规程尚在制定中。目前的非破损检测方法有：回弹法、超声脉冲法、超声回弹综合法等。破损检测方法有：后装拔出法等。对于雷达法、红外热像法的检测主要适用于混凝土内部缺陷检测。1.2 混凝土无损检测常用方法1.2.1 无损检测技术的发展1948年，瑞士科学家施密特(E.Schmidt)研制成回弹仪；1949年莱斯利(LeSIie)等人用超声脉冲成功检测混凝土；20世纪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MarySansalone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
14、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20世纪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。目前，我国
15、混凝土无损检测技术和设备日趋成熟，如康克瑞公司的数字式非金属超声仪已销往加拿大。进入21世纪，随着新的回弹法测混凝土抗压强度技术规程(JGJ/23-2022)的实施和行业标准回弹法检测高强混凝土强度技术规程的制定，泵送混凝土和高强混凝土强度的现场测试精度将达到进一步的提高。1.2.2 混凝土无损检测方法无损检测技术可对钢筋混凝土结构实体的混凝土强度、缺陷（密实度、裂缝、新老混凝土接合面、疏松层等）、钢筋位置（直径可估测）三项参数进行检测，真实反映结构实体的质量状况。实际工作中根据不同的参数分别选用与其相适应的无损检测方法，同一参数也有多种无损检测方法可供选择。无损检测方法的选取主要考虑以下四个
16、方面的因素：其一，无损检测方法与检测参数的对应性；其二，无损检测方法与检测条件的适应性；其三，有检测规范及检测方法使用的普遍性、成熟性、易操作性；其四，所选用的检测方法的局限性及与其它检测方法的互补性。以下从混凝土强度、缺陷、钢筋位置等三个方面对无损检测方法进行探讨。（1）混凝土强度无损检测方法混凝土强度的无损检测方法有：回弹法、超声法、超声回弹综合法、钻芯法（局部破损）、拔出法等。1）回弹法回弹法是用一弹簧驱动的重锤，通过弹击杆（传力杆），弹击混凝土表面，并测出重锤被反弹回来的距离，以回弹值（反弹距离与弹击锤冲击长度之比）作为与强度相关的指标，来推定混凝土强度的一种方法。它不会对混凝土结构或
17、构件的力学性质和承载能力产生不利影响，是我国应用最广泛的无损检测方法之一。回弹值的大小表示被测混凝土表面的硬度，根据混凝土表层硬度与混凝土抗压强度之间的相关关系，估算出混凝土的抗压强度。回弹法只能测得混凝土表层IOmm15mm厚度范围内的质量状况，要求内部混凝土与表层混凝土基本相同，这便限制了回弹法的应用。由于回弹法操作简便，价格低廉，适用于施工现场对混凝土的强度进行随机的、大批量的检测，在工程上还是得到了广泛应用。目前随着科技的进步，不同型号的数显回弹仪相继面世，使操作更加简便。与传统的回弹仪相比其特点有：一台主机可配多个机械头，确保检测工作顺利进行；全中文大屏幕液晶显示，操作简单；数字直方
18、图双重显示回弹值，更直观；与PC机连接，可自动生成报告。2）超声波法超声波法是根据超声脉冲在混凝土中传播的速度与混凝土的强度间存在相关性，通过测定超声脉冲在混凝土中的传播速度，推断混凝土强度的一种检测方法。其检测原理是超声仪用一发射换能器重复发射脉冲波，让超声波在所检测的混凝土中传播，然后由接受换能器接收。被接收到的超声波经转换后，声学参数即显示在超声仪的示波器上，读取声时值并测量测距即可算出超声传播速度。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，可用测强
19、曲线来表示。对于一定配合比的混凝土,强度愈高速度越大，反之愈小。混凝土超声法采用单一声速参数推定混凝土强度。当有关影响因素控制不严时，精度不如多因素的综合法，但在某些无法测量回弹值及其他参数的结构或构件（如基桩、钢管混凝土等）中，超声法仍有其特殊的适应性。3）超声-回弹综合法采用单一的超声法或回弹法检测，不同仪器对各种因素影响的反映敏感程度不同，会使测试结果误差较大。超声-回弹综合法是指采用超声仪和回弹仪，在结构混凝土同一测区分别测量声时值和回弹值，测量测距并计算声速，然后利用已建立起来的测强公式推算该测区混凝土强度的一种方法。影响回弹值的主要因素有水泥品种、养护方式、湿度、碳化深度和龄期，但
20、对骨料品种、粒径、混凝土成型工艺等因素不敏感；超声波在混凝土中的传播速度可以反映混凝土内部的强度变化，它可以较为精确地测的水灰比和混凝土密实度对混凝土强度影响的关系，这种测试方法对骨料的种类、级配和环境湿度等因素的影响明显，而对水泥品种和用量、混凝土硬化条件、龄期等因素的反映不敏感。采用超声-回弹综合法，通过实验建立超声波波速一回弹值一混凝土强度之间的相关关系，建立综合法测强公式或绘制出标准等强曲线，即可算出混凝土的抗压强度值。由于超声回弹综合法不考虑碳化的影响，当碳化对回弹值的影响较敏感时，综合法的测试精确度也会受到影响。与单一回弹或超声法相比，综合法具有的优点：减少龄期和含水率的影响；弥补
21、相互的不足；提高测试精度。实践表明该法是一种较为成熟、可靠的混凝土强度检测方法。4）钻芯法钻芯法是利用专用钻机，从结构混凝土中钻取芯样，然后进行抗压试验，以芯样强度评定结构混凝土强度或观察混凝土内部质量的方法，是一种简便、直观、检测精度较高的局部破损的检测方法。它可用于检测混凝土的强度、裂缝、接缝、分层处的质量状况、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检测方法。钻芯法检测混凝土费用较高，费时较长，由于钻取芯样耍对结构或构件造成局部破坏,所以不宜在同一结构中大面积使用。可与其它无损检测方法如回弹法或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
22、结果又可验证其它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。5）拔出法是20世纪70年代由美国研究开发出来的一种方法。拔出法用于检测混凝士的强度，它通过测定被埋入混凝土表层锚件在拔出时的抗拔力，根据抗拔力与混凝土强度的关系来推定混凝土强度的一种半破损（局部破损）检测方法。它比钻芯法破损小且费用较低，但其离散性较大，可靠性要低于钻芯法。拔出法可分为预埋拔出法及后装拔出法2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，国外常用此法监控混凝土的浇筑质量；后者可用
23、于新、旧混凝土各种构件的强度检测。拔出法和回弹法一样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。1.2.3 混凝土缺陷无损检测方法混凝土缺陷的无损检测方法有：超声法、冲击回波法、红外成像法。(1)超声波法超声波法既可用于检测混凝土强度，也可用于检测混凝土缺陷。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裂缝等。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。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，其试验结果能够
24、反映被测结构物的质量。超声波法检测混凝土常用的频率为20kHz250kHz,由于混凝土本身是一种非匀质复合材料，其内部超声波传播速度受许多因素影响，如钢筋的配置、骨料的粒径、配合比、龄期、养护条件及混凝土的强度等级等，这些影响因素也影响超声法对缺陷的准确性，对超声判定的异常部位如采用钻心验证可提高其准确性。(2)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，在混凝土表面会产生纵波、横波、表面波(在冲击回波测试中主要依靠纵波)，从而在混凝土内产生应力波，当应力波遇到声阻抗有差异的界面(混凝土内部缺陷或混凝土底面)会产生反射波，接收这种反射波并进行快速傅里叶变换(FFT)可得到频谱图，频谱图
25、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。(3)红外成像法自然界中任何高于绝对零度(-273C)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0.76mI(X)Oum,频率为4X10143义1011Hz。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
26、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-50C2000C,分辨率可达0.1C0.02C,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。1.2.4 混凝土钢筋位置无损检测方法目前，混凝土结构中钢筋的探测可由两种方法测定，即电磁法、雷达法。（1）电磁法电磁法钢筋探测仪通常由探头、主机和连接线组成。探头接受主机命令，产生电磁场，探头与混凝土表面持续接触
27、并进行扫描，当混凝土中的钢筋和其它金属物体位于该磁场时，磁力线会变形，钢筋和其它金属所产生的干扰导致电磁场强度的分布改变,被探头探测到并接收输送回主机，主机以模拟方式或数字方式对金属物的位置进行显示。较为先进的电磁法钢筋探测仪设备大都具有影像扫描和快速扫描探测功能。影像扫描用于详细准确探测某个区域内所有浅层钢筋的位置、保护层厚度和钢筋直径情况，探测深度可达180mm。由于混凝土构件中常有多根甚至多排钢筋，在探测磁场范围内各钢筋信号时均有信号被探头接收，导致各钢筋之间的信号相互干扰，进而影响电磁法的探测精度，根据对各探测仪性能的了解及局部剔凿验证可提高电磁法探测精度。（2）雷达法雷达法是近年迅速
28、发展起来的一种无损检测技术。雷达法探测的依据不是材料的密度，而是电磁特性。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。雷达法利用高频电磁波（主要为数十至数百乃至数千兆赫），从混凝土表面向内部发射，当遇到电磁性质不同的缺陷或钢筋时，将产生反射电磁波，接收被测物体反射的电磁波可得到一波形图，通过对雷达成像图的解释和处理，可以准确确定混凝土结构及构件中钢筋的位置、保护层的厚度以及孔洞、酥松层、裂缝等缺陷位置。它的优点是探测效率高，对探测场地和目标无破坏性，有较高的分辨率和抗干扰性。雷达法和电磁法一样，其控制精度受钢筋相互间的干扰，保护层越厚，间距越小，影响越大
29、。1.3 无损检测技术在混凝土工程中的应用1.3.1 混凝土无损检测特点混凝土无损检测是指在不破坏混凝土内部结构和使用性能的情况下，利用声、光、热、电、磁、和射线等方法，测定与混凝土力学性能有关的物理量，推定混凝土的强度、缺陷等。混凝土无损检测与常规的标准试块破坏试验方法相比，具有下列特点：（1）不破坏构件或建筑物的组织结构，不影响其使用性能，而且简便、快速；（2）可直接在混凝土结构上作全面检测，能真实地反映混凝土的实际质量和强度，避免标准试块不能真实反映工程质量的缺点；（3）能获得破坏试验不能获得的信息。如能检测内部空洞、疏松、开裂、不均匀性及化学腐蚀等；（4）标准试块破坏试验只能用于新建结
30、构工程的混凝土质量检测，而无损检测方法对在建和己建构筑物均适用；（5）可以进行非接触检测。如用红外线法、摄影法等，无需接触建筑物，减少了脚手架架设等过程和人为误差；（6）可以进行连续测试和重复测试，测试结果具有良好的可比性；（7）由于是间接检测，检测结果受到其他多种因素的影响，检测精度要比直接检测差。1.3.2 混凝土无损检测技术的展望混凝土无损检测技术的优点是在不破坏构件或构筑物的同时能对内部空洞、开裂、钢筋位置等进行连续及重复检测，较真实地反映混凝土的质量与强度，简便快捷。实际工程检测中，宜使用两种或两种以上方法进行检测，这样可使判断更为准确，且可以互相验证,提高检测的可靠性。随着我国工程
31、界对新技术、新材料的应用，对检测技术也提出了更高的要求。利用计算机、互联网技术将与新一代检测仪器和检测技术紧密结合，建立更加全面的数据库，能进行快速的、大量信息的处理。进一步开拓新的检测内容，如混凝土耐久性预测、已建混凝土结构的损伤程度检测等，对混凝土进行更全面的评价，使无损检测技术的检测结果更加可靠、检测水平不断提高。在计算机、互联网等先进IT技术的渗透下，使无损检测实现自动化在线测试，无线数据传输技术也将使通过无损检测技术进行建筑状态远程实时监控变成可能。混凝土结构工程质量检测向数字化、图像化方向、常规化发展已成为必然趋势。2红外热成像技术在混凝土无损检测中的发展2.1 基本检测原理2.1
32、.1 红外线工作原理自然界中任何高于绝对温度(273C)的物体，都向外连续发射红外线，但不同物体的表面温度和辐射量均不同。利用红外热成像法，可以灵敏地探测到导热系数小，表面热辐射率大的材料的红外辐射，诸如混凝土、砖和石材等。因此，红外热成像检测对于混凝土具有适用性。当混凝土材料结构存在某种缺陷时，由于缺陷类型形态及分布不同造成材料导热系数、比热性能的局部变化而影响红外辐射量，直接导致表面温度变化，使热像图上出现温差等异样。当有缺陷的混凝土受到太阳辐射或温度升高时，由于缺陷的存在，大量的空气混入，与密实部位相比，热流的传入受到阻碍，造成表面温度升高。如果用单面法测试，会在红外热像上出现“热斑”，
33、其范围和程度反映了该部位的缺陷程度及范围;用双面法检测时，会出现“冷斑”，其效果和单面法是一样的。反之，在没有太阳辐射或夜晚时，用单面法时，其温度要低于正常部位的温度，此时用红外热像仪记录混凝土试件表面温度场的分布，即可达到检测的目的。因此通过仪器观察物体的红外热，就能形象地知道混凝土的内部缺陷和均匀性。2.1.2 红外热成像系统工作原理红外热成像检测是利用物体表面温度和辐射发射率的差异形成可见的热图，从而检测物体表面结构状态和缺陷。红外热成像检测的理论基础是热辐射定律及热传导微分方程。根据斯蒂芬-波尔兹曼定律，一般物体的红外辐射功率表示为下式：P=XeT4式中:P为辐射功率，Wcm2；e为常
34、数，e=5.67310-12W/(cm2K4)；T为物体表面的热力学温度，K；X为发射率，0Xlo不同的温度和发射率，使红外辐射有不同的分布。红外热成像系统是收集目标上各点的红外辐射，经光电转换，使光电信号变成模拟信号，再经过处理，最终在监视器上显示出目标的空间图形，见图k由于它反映了目标各部分的热分布和各部分的发射本领的差异，所以可根据所形成的热像分析目标各部分的状况。图1红外热成像检测系统2.1.3 缺陷深度的理论推导由于实际检测的混凝土构件多是高层建筑、混凝土桥梁、高速公路等大型土木构筑物的内部空洞、表层剥落及表面裂缝等缺陷，而这类结构的厚度的尺寸多小于其长度和宽度,故可以近似认为是无限
35、大平面体一维导热。试件的示意图如图20图2混凝土试件模型由一系列推到得到的计算深度的公式:/=T)(ln(1)-ln(Zi)通过多次ANSYS实验模拟，与实际对比得到的修正缺陷深度公式：/=JT)(ln(Ts)-ln(Tmin)红外热成像检测技术应用的一些结论：(1)红外热成像检测技术应用领域非常广泛，除了在军事、航空和机械等行业的应用较多之外，在土木工程领域，红外热成像检测技术也是无损检测的发展方向之一。谢春霞的论述表明，红外热成像检测技术及检测模型用于检测混凝土的缺陷是可行的。(2)本文推导的混凝土缺陷深度修正公式，能够满足实际工程的精度要求，具有很大的实际应用价值，但由于各种因素的影响，
36、此公式的精度还有待于进一步的提高。(3)红外热成像检测技术是检测与分析混凝土缺陷的一种有效、便捷的无损检测技术，它具有直观、非接触、高分辨率、灵敏迅速，且能准确地检测出缺陷的部位等特点。且操作方便、安全，对人员和环境无危害，因而具有很广泛的应用前景。同时，对于这项新的技术还需要开展进一步的研究工作。3基于超声波技术的混凝土无损检测3.1 超声波探测损伤原理声波的频率范围为202(XX)0Hz,高于20kHz的机械波为超声波。金属材料工件超声检测的频率在0.1520MHz以上，而混凝土等非金属材料的超声检测应选用较低频率的超声波，常用频率为20500kHz,这主要是因为混凝土为非均匀材料，散射作
37、用使材料对声波的衰减较大，方向性差，频率越高，传播距离越小，绕过颗粒的能力越差。混凝土是多组分的集合体，各组分有不同的物理特性，当混凝土中出现损伤时，超声波在各组分界面和损伤处发生杂乱无章的反射、折射、透射、绕射等，使得能量不断损失，导致接收声学参数异常，正是这些异常声学参数为混凝土损伤检测提供了依据。(1)波速判别混凝土的超声波速主要决定于其弹性参数。将混凝土视为宏观裂纹、分散微裂区和具有稳定缺陷的基体组成的复合材料，在混凝土承受荷载前后，具有稳定缺陷的基体的变形是线弹性的，其弹性常数保持不变，因而对混凝土的声学特性没有影响；而微裂缝在单轴受荷后的变形(闭合、张开、扩展等)会引起混凝土的弹性
38、常数改变，因而是改变混凝土声学特性的主要因素；宏观裂纹是在承受荷载之后出现的，也是影响混凝土材料超声波速的一个重要因素。混凝土的整体超声波速是三个因素的耦合作用的结果。对于在受载条件下的脆性固体材料，声学特性研究结果表明：若假定其母质具有线弹性，在其内部随机分布了大量微裂纹，其声速随单轴应力呈非线性变化关系。这种关系可以简略的表示为Vp=g(m,00,其中VP为超声波传播速度；。】为单轴应力；m=(Eo,V,Kic6,a0,),其中E0,V分别为母体的弹性模量和泊松比，Kio。分别为材料的断裂韧度和内摩擦角，ao,分别为微裂纹半长度、形状比和裂纹密度。实验过程中混凝土的超声波速可以仅限于受载前
39、后和自愈合之后，可以不考虑受载时应力对波速的影响。这样，超声波速的变化与材料母体的弹性模量、泊松比、断裂韧度、内摩擦角、微裂纹半长度、形状比和裂纹密度等细观参数有关。混凝土超声波应为超声在基体，微裂区，宏观裂纹三相中传播的组合效应，可以表示为：Vc=l(i1V+i2V2+i3V3)其中，VC为超声波在混凝土中的传播速度，i,i2,i3和V,V2,V3分别为基体、微裂区和宏观裂纹在混凝土中的体积分数以及超声波在三者中的传播速度。(2)波幅判别当超声波穿过非均匀的混凝土，遇到空洞、裂纹等损伤时会发生绕射、透射、反射等现象，导致波速下降，波时延长，超声波能量损失，从而导致超声波波幅大大减弱，因此可以
40、根据波幅的变化来判断混凝土的损伤情况。在工程应用中主要是依据首波波幅的变化情况来判断混凝土损伤情况，因为首波能够真切反应混凝土损伤，而后续波与折射、反射后的波叠加，而不能反应混凝土损伤的真实情况。（3）主频判别对接收信号的频谱分析证明，不同质量的混凝土对超声脉冲波中的高频分量的吸收、衰减不同。因此，当超声波通过不同质量的混凝土后，接收波的频谱（即各频率分量的幅度）也不尽相同，质量差或有缺陷的混凝土，其接收波中高频分量相对减少，而低频分量相对增大，所以接收波的主频率下降。和波幅一样，频率测值也没有统一的标准，只能在同一剖面内测点间进行相对比较，测试值没有波速值稳定，目前只用于辅助判别。（4）波形
41、判别当混凝土有质量缺陷时，超声波在传播过程中能量损失，使得接收波波形发生变化，当混凝土损伤严重时，波形会发生畸变，如图1所示。如图1所示，（a）为正常波形，是超声波传播比较理想的情况，混凝土中没有损伤或损伤很少；（b）为混凝土存在少量缺陷时的波形，在实际工程中，混凝土都是存在一定量缺陷的，我们测得的波形也大体与此波形相似；（C）超声波在存在严重损伤的混凝土中传播，损伤破环了混凝土的连续性，使传播过程复杂化，经过混凝土的直达波、绕射波、投射波等相叠加使接收波形发生畸变，这也使得波形的判别一般限于第1、2个周波范围。超声波波形的敏感性和稳定性都很高，是检测混凝土质量的重要参数。（a）正常波形（b）
42、缺陷波形（C）严重缺陷波形图1超声波波形3.2 超声波无损检测技术应用于混凝土工程存在的问题（1）建立基于混凝土强度的超声波检测技术规程。虽然超声波无损检测技术应用于混凝土工程仍存在争议，但这并不代表超声波不能应用于混凝土的无损检测，超声波层析成像技术在三峡工程质量检测中取得良好的成果。但目前只有超声波结合回弹仪检测混凝土强度技术规程，没有独立的基于混凝土强度的超声波无损检测技术规程。(2)建立单独基于混凝土缺陷的超声波检测判别体系。超声波无损检测主要应用于混凝土损伤检测，依据波速、波时、波幅、频率和波形等判别混凝土损伤情况，但以上判别方式没有具体的判别指标，对于不同的混凝土损伤判别也因人而异
43、，建立独立基于混凝土缺陷的超声波检测判别体系，使检测标准化，使混凝土工程更便于监理。(3)超声法检测混凝土强度与混凝土缺陷结合。目前超声法检测已应用于混凝土工程的各个方面，主要有混凝土测强、混凝土裂缝深度检测、不密实区空洞检测、混凝土结合面质量检测、表面损伤层检测、灌注桩混凝土缺陷检测、钢管混凝土缺陷检测。检测中对混凝土测强与测缺陷是各自独立，分开进行的，这样不仅给检测工作增加了工作量，而且阻碍了超声法检测技术在混凝土工程中的广泛应用。超声法测强与超声法测缺陷二者紧密结合起来，将成为超声法检测技术在混凝土工程中应用的一个热点问题。3.3 超声波无损检测技术的前景与展望超声波无损检测技术广泛应用
44、于混凝土工程无损检测，建立完善的超声波无损检测技术规程，不断充实基于混凝土缺陷的超声波无损检测判别体系，超声波检测混凝土强度与检测缺陷合理结合，使混凝土质量状况完整清晰地呈现在我们面前。就如超声波层析成像技术、声发射技术等的发展，混凝土缺陷清晰的呈现在我们面前，并时时检测混凝土的质量，对混凝土出现的损伤实施及时的补救，以延长混凝土工程的使用寿命。当代计算机模拟技术和成像技术的发展，为超声波无损检测技术提供了新的发展方向，具有更广阔的发展前景。4基于GPrMaX2D的混凝土无损检测方法4.1 探地雷达软件（GPrMax2D）的工作原理它是指从时域Maxwell方程出发，考虑TM（横磁波）模型和Y
45、ee网格模拟电磁波的传播过程，并结合Matlab针对混凝土中可能存在的缺陷进行正演数值模拟。为了更加准确地探测混凝土结构内部的缺陷位置及属性，需要对发射频率进行合理选取，并对探测剖面图与数据库进行有效对比和分析。丁亮，陈璐等，研究通过对钢筋、水及空洞这三个混凝土构件中最常见的缺陷进行数值分析，建立探地雷达探测的数据库。针对电磁波反射强度和深度之间关系的大量实验模拟探究，确定反射强度和深度之间的函数关系，这有利于实际探测中识别缺陷的位置。在此基础上，分别在500、700和900MHz的不同发射频率下，对这三种缺陷进行了深度和强度的分析，并且考虑到在实际探测过程中有噪声的干扰，在实验中加入了高斯白
46、噪声以检测不同频率信号的抗噪能力，实验结果将为实际探测过程中发射频率的合理选取提供一定的标准。4.2 混凝土无损检测正演模型拟，并结合Matlab语言对模拟结果进行分析。 时域Maxwell方程近似给出：本课题组利用GprMax2D针对混凝土构件中可能出现的典型缺陷进行正演数值模电磁波在混凝土介质中的传播规律可以由(1)r7口aHnVE+u=0产tVXH - CrE - =s t(2)其中，E和H是电场与磁场，。是电导率,U是磁导率，是介电常数，Sr是发射源,采用Ricker子波(3)其中，f表示震源频率，t表示震源作用时间。正演数值模拟基于Yee提出的时域有限差分(FiniteDiffer-
47、enceTimeDomain,FDTD)理论，Maxwell方程式可以在时间和空间领域上进行差分，以实现时间域上对电磁场变化的模拟，从而求得Maxwell方程的正演过程的数值解，但需要人为地采用特殊的计算形式在截断处设置吸收边界条件，最大限度地克服在边界处反射带来的影响。在二维问题中，方程组(1)和(2)就形成相互独立的两组方程，其具体形式为HEz1/a/c)Hy(4)=-E7-srt)印aXayz，)HxHE7-1=-(5)加SyM1犯tx(6)通过消元，可得到关于电场分量EZ的微分方程cE71/2E72E7Eysr()a/一从x2y2抗tJ探地雷达高频电磁波在混凝土介质中传播时，假设磁导率
48、不变，高频电磁波在混凝土介质传播的Max-well方程就可写成铲EZ2Ez2Ez12Ez+=TT-的axMarV(8)其中为波速。由此，可根据方程(5)模拟电磁波在各种介质中的传播过程。探地雷达利用高频电磁波的反射来探测目的体，接收来自混凝土内部不同介质交界面的反射波，通过记录反射波到达时间t、反射波的幅度等来研究缺陷的位置及属性。而GprMax2D是一种基于时域Maxwell方程，利用Yee网格和FDTD方法模拟电磁波的传播过程的探地雷达正演模拟工具。在假设混凝土材料各向同性的前提下，通过引入ASCn文件来定义所要模拟的介质及缺陷的相关参数，辅助Maxwell求解。目前本课题组已经确定了电磁波无损探测模型，经过计算机模拟，可以得到混凝土构件内部任意节点处的波场强度。通过分析电磁波在混凝土中的传播规律，为下一步的实验分析奠定基础。丁亮，陈璐等主要
