談建筑土木工程試驗檢測措施
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摘要:結(jié)合土木工程的基本情況，對當前土木工程試驗檢測中較為主流的無損檢測技術(shù)進行分析，指出了直接測量技術(shù)、負荷響應技術(shù)、應用探測媒介技術(shù)三大類，并就其中發(fā)展迅猛的應用探測媒介技術(shù)進行具體分析，最后對無損檢測技術(shù)的未來發(fā)展提出展望。
前言
近年來，我國經(jīng)濟社會持續(xù)發(fā)展，建筑工程的規(guī)模也不斷擴大，土木工程作為其中的主要形式，其施工質(zhì)量也愈發(fā)得到社會的廣泛關注。土木工程是否穩(wěn)定、是否符合質(zhì)量控制要求，直接影響到后續(xù)使用環(huán)節(jié)的安全性。同時，由于建筑工程結(jié)構(gòu)處于一定的外部環(huán)境之中，因此，降雨、降雪甚至臺風、地震等自然因素均可能會對其整體環(huán)境造成威脅，其結(jié)構(gòu)難免會受到不同程度的損傷，這就凸顯了土木工程試驗檢測的重要性。當前，無損檢測技術(shù)得到了較快的發(fā)展，成為土木工程試驗檢測領域的主流模式。無損檢測本身不會對建筑工程的整體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，且其試驗檢測效果具有較高的可靠性。因此，加強對無損試驗檢測技術(shù)的研究，是當前土木工程行業(yè)必須關注的重點命題。由于無損檢測技術(shù)較為多樣，且隨著先進電子技術(shù)的持續(xù)發(fā)展，這一技術(shù)的種類也不斷擴充，本文主要就當前應用較為廣泛的技術(shù)進行探討，對其進行比較分析。
1常用無損檢測技術(shù)及其分類
不同的無損檢測技術(shù)在工作原理、配套工藝、硬件設備以及獲取結(jié)論的信號處理方法等方面都存在著差異，這些差異也是試驗檢測過程中具體選擇技術(shù)的主要選擇依據(jù)。選取工作原理這一分類標準，可以將當前土木工程的無損試驗檢測技術(shù)劃分為直接測量、負荷響應與應用探測媒介技術(shù)三種，由于應用探測媒介技術(shù)近年來發(fā)展較為迅猛，且其借助的設備也呈現(xiàn)出科技化、精密化的特點，已經(jīng)得到了業(yè)界的廣泛關注，因而在本文中也會重點對應用探測媒介技術(shù)進行具體分析，以契合試驗檢測行業(yè)的發(fā)展趨勢。
1．1直接測量技術(shù)
直接測量技術(shù)是一種較為傳統(tǒng)的無損檢測技術(shù)，其操作相對來說較為便捷，因此，一直以來應用較為廣泛。其應用的對象主要是土木工程中某一個可以被直接測量的物理量，或是通過某些可以直接測量的量能夠推斷出來的情形。例如，混凝土的含水量直接影響到混凝土材料的強度，這一參數(shù)無法被直接測量，但是卻可以通過其他物理量的測量而加以推斷。試驗檢測中，可以通過對含水混凝土進行稱重、再對烘干后的同一檢測對象進行稱重、最后得出相減結(jié)果的方式，判斷混凝土材料的含水量。在實踐中，通常以輕微損傷為代價，對待檢測的建筑土木工程含水量進行判斷，如在墻體取出少量樣品作為研究對象等。再例如，電化學檢測技術(shù)的應用同樣也屬于直接測量的范疇，該技術(shù)主要是通過在待檢測的混凝土試樣上安裝電極，得出通過試樣的電流并依照標準方法計算出腐蝕電流的數(shù)值，對土木工程混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋腐蝕速率進行判斷。但必須注意的是，受多種難以把控因素的影響，這種檢測的最終精度無法得到有效保證。
1．2負荷響應技術(shù)
負荷響應技術(shù)，顧名思義，是指通過測量待檢測物體在負荷作用下的響應情況，對其質(zhì)量進行判斷的方法。考慮到建筑土木工程的整體穩(wěn)定性，如果需要產(chǎn)生的負荷量過大，那么顯然不適宜運用該種方式。負荷響應技術(shù)中最具代表性的是振動分析技術(shù)。土木工程施工中選用的材料、結(jié)構(gòu)設計方案及整體剛度決定了工程的本征振動頻率，而在投入使用后，其面臨著風力等各種擾動力的共同作用，因而其事實上處于一個一直振動的狀態(tài)。通常來說，這些擾動力并沒有特定的規(guī)則，屬于廣譜的范疇，其可以實現(xiàn)對建筑物本征振動頻率的激發(fā)。振動分析技術(shù)主要是通過對頻率測量值與建筑物本征頻率的設計值或計算值的比較，以此推斷出建筑物的線度、剛度、完整性、穩(wěn)定性是否存在較大的宏觀缺陷。該技術(shù)具有高效、操作簡單的特點，尤其是隨著土木工程體量的擴大，該技術(shù)的應用價值也日益凸顯。
1．3應用探測媒介技術(shù)
當前，越來越多的無損檢測技術(shù)需要應用探測媒介，這一媒介主要包括波與場兩種形式。依照測量具體形式的不同，可以將該技術(shù)劃分為主動檢測技術(shù)與被動檢測技術(shù)兩大板塊，前者的探測媒介由檢測設備產(chǎn)生與發(fā)送，后者的探測媒介則來自于探測對象本身。在后文中會選取常見的應用探測媒介技術(shù)加以具體探討。
2應用探測媒介的無損檢測技術(shù)
2．1利用機械波的技術(shù)
依照不同機械波的差異，可以分為沖擊回波技術(shù)、超聲脈沖回撥技術(shù)、聲發(fā)射技術(shù)。1)沖擊回波技術(shù)。這一技術(shù)在土木工程試驗檢測中應用較為廣泛，其主要操作流程如下:由專業(yè)試驗檢測人員運用錘子敲打試樣，或是運用下墜的小球?qū)ζ溥M行沖擊，從而使其產(chǎn)生一定的聲波，這一聲波被試樣附近的傳感器接受。如果試樣確實出現(xiàn)了損傷問題，那么傳感器所接收到的聲波頻率會與標準化情況出現(xiàn)較大的差異，以此判斷建筑土木工程的損傷情況。當前，數(shù)字信號處理(DSP)FFT技術(shù)是沖擊回波試驗檢測中的主要傳感技術(shù)，可以實現(xiàn)對土木工程混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)在的裂縫、分層與空穴問題的反映。同時，在應用沖擊回波技術(shù)的過程中，主要利用空氣作為聲的耦合介質(zhì)，因此，試樣的表面無需進行特別的平整處理。但必須注意的是，隨著土木工程質(zhì)量要求的提高，沖擊回波技術(shù)在靈敏度、分辨力等方面已經(jīng)略顯乏力，且雖然檢測流程相對簡單，但是卻需要耗費較長的時間，不利于試驗檢測效率的提升。2)超聲脈沖回撥技術(shù)。該技術(shù)應用于土木工程試驗檢測時，所產(chǎn)生的超聲波主要依托PZT壓電換能器來接收。其工作原理主要是利用了聲學的基本物理規(guī)律，即脈沖回聲學量會因待測物體的力學性能、幾何形態(tài)而有所差異。土木工程所使用材料的剛度與密度決定了超聲聲速，超聲衰減以及頻譜變化又與待測物體中所含顆粒的大小密切相關。這也就意味著利用該技術(shù)，可以實現(xiàn)對土木工程中混凝土缺陷狀態(tài)、墻壁完整性、鋼筋強度等多樣化內(nèi)容的把控。但是同樣需要注意的是，超聲脈沖回撥技術(shù)在土木工程試驗檢測中的應用也存在著一定的局限性。如混凝土本身對于聲波就具有一定的吸收作用，再例如骨料可能會導致超聲的散射，這都可能影響該技術(shù)的試驗檢測精確度。當前，這些局限性的解決主要有兩種方案，其一是直接加大超聲功率，其二是引入先進的信號處理與顯示方法，這也是業(yè)內(nèi)一直在探索的重要內(nèi)容。3)聲發(fā)射技術(shù)。聲發(fā)射是物理學中的一種現(xiàn)象，其主要是指某一物體受到來源于物體之外的載荷作用之后，其會在短時間內(nèi)以應力波形式完成內(nèi)部彈性能量的釋放。一般情況下，這些能量的來源是物體內(nèi)部存在的位錯、裂紋等異常情況。可以看出，將這一技術(shù)應用于土木工程的試驗檢測過程，可以通過所獲取到的信號對于待檢測物體的內(nèi)部性質(zhì)進行判斷。在實際操作過程中，試樣的幾何形狀、品質(zhì)形態(tài)、外來載荷的方向等均可能對聲發(fā)射的信號產(chǎn)生影響，同時，土木工程所使用的水泥的型號、骨料大小以及建筑整體的使用時長都可能影響聲發(fā)射。這也就意味著，通過聲發(fā)射信號，可以獲取到內(nèi)容極為多元化的檢測信息，但是與此同時其中存在的信息又過于復雜，如何提煉出有價值的核心信息、為試驗檢測提供結(jié)果參考具有較大的難度。
2．2利用電磁波的技術(shù)
利用電磁波的技術(shù)也被稱為NDT－CE－EMT技術(shù)，是無損檢測技術(shù)的重要分支，其探測媒介為微波頻段的電磁波，頻率多處于90～1000MHz，依照實際的檢測情況加以確定。通過對電磁波的傳播時間、反射技術(shù)、折射率等參數(shù)進行測量，對待測物體的性質(zhì)進行判斷。當前，土木工程試驗檢測中主要采用了地面穿透雷達這一利用電磁波的檢測技術(shù)。在實踐中可以發(fā)現(xiàn)，該技術(shù)的應用優(yōu)勢較為突出，其可以實現(xiàn)非接觸甚至遙感檢測，操作精度較高;該技術(shù)對于非金屬材料的檢測尤為適用，這也契合了土木工程結(jié)構(gòu)中混凝土、磚等非金屬材料占比較大的現(xiàn)實情況;同時，在應用該技術(shù)的過程中，無需對試樣的表面狀態(tài)進行特別的處理。但是值得注意的是，由于固有的屏蔽效應影響，地面穿透雷達技術(shù)無法檢測金屬內(nèi)部以及金屬平板后面的物體，在土木工程試驗檢測中的范圍具有一定的局限性。
2．3利用光波、紅外線的技術(shù)
1)電子散斑干涉技術(shù)。該技術(shù)分為ESPI與SPSI兩種。ESPI基于全息原理，將從物體反射回來的激光與參考光相干涉，干涉圖樣由CCD相機接收。將物體變形前后的干涉圖相減，得到的條紋圖反映了照明區(qū)域表面的位移場。利用相移技術(shù)，ESPI的分辨力能達到20nm數(shù)量級。ESPI是一種非接觸的全場檢測技術(shù)，用于監(jiān)測漫反射表面的三維位移場。與ESPI不同，SPSI直接測量物體表面的應變而不是位移。物體表面的反射光被分成兩束，并且在橫向錯開一個微小距離，然后再互相干涉。它對物體的剛體運動沒有反應。2)熱圖成像技術(shù)。該技術(shù)又稱IRT技術(shù)，其主要是利用了物質(zhì)所具有的熱傳導性這一物理屬性加以試驗檢測。通過熱源對試樣給予一定的熱能，從而使得試樣表面形成一定的溫度分布，從而反映物體表層以及表層下面材料或結(jié)構(gòu)的熱傳導性差異。可以看出，該種技術(shù)在應用到土木工程試驗檢測過程中時，無法獲得土木結(jié)構(gòu)深度即厚度的有關信息，但是在對建筑墻體保溫功能的判定、探測墻體內(nèi)部金屬件的分布情況等方面具有較高的適用價值。
3總結(jié)與展望
當前，無損試驗檢測技術(shù)已經(jīng)成為土木工程試驗檢測中的主流技術(shù)，這些技術(shù)對于人力操作的要求相對較低，可以減少不必要的人為誤差，同時可以避免對建筑物結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的大范圍影響。可以預見的是，未來無損檢測技術(shù)在土木工程中的應用必然會更加廣泛。總體來看，多數(shù)無損檢測技術(shù)的本質(zhì)都屬于信息技術(shù)，其應用過程是一個獲取信息、提取信息、導出結(jié)論的過程，因此，為了繼續(xù)推動無損檢測技術(shù)的發(fā)展，加強對于新型高性能的發(fā)射或接收轉(zhuǎn)能器的研究、推動信號處理技術(shù)水平的提高是業(yè)界發(fā)展的整體方向。當前，神經(jīng)網(wǎng)絡技術(shù)、人工智能技術(shù)、模式識別技術(shù)等先進技術(shù)的發(fā)展，也將為無損檢測技術(shù)的進一步深化提供動力。
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作者：曹甫臣 李青 單位：河套學院
