淺談混凝土強度的無損檢測
2015-06-30
隨著無損檢測技術的迅速發(fā)展和日臻成熟，無損檢測技術在建設工程中的作用日益明顯。它不僅已成為工程事故的檢測和分析手段之一，而且正在成為工程質(zhì)量控制和構筑物使用過程中可靠性監(jiān)控的一種工具。可以說，在整個施工、驗收及使用過程中都有其用武之地。
混凝土強度無損檢測根據(jù)其原理可分為半破損法、非破損法、綜合法。常見的主要有回彈法、超聲法、拔出法、鉆芯法、超聲回彈綜合法等。近年來，雖然在基礎理論方面并無新的重大突破，但在檢測方法、數(shù)據(jù)處理、評定技術等方面的研究取得了一定的成果。不僅使檢測的范圍更加廣泛，而且檢測精度也有不同程度的提高。例如：目前利用回彈法可以檢測再生混凝土，利用超聲―回彈綜合法甚至可以用來評定凍融混凝土。與其他方法相比，在綜合法的研究方面更是取得了很大進展，這表明綜合法將是以后檢測方法的主要研究方向。而在數(shù)據(jù)處理及評定技術方面最新的研究主要有：利用逆回歸模型引入?yún)^(qū)間估計，引入了在非線性數(shù)據(jù)分析領域比較成熟的人工神經(jīng)網(wǎng)絡（ANN）技術等。
一、混凝土強度無損檢測的基礎理論及檢測儀器
混凝土強度無損檢測方法必須建立在混凝土的強度與適當物理量之間的相互關系的基礎上。為了尋找與混凝土強度密切相關，而又能在結構或構件上用無損方法直接測量的物理量，往往采用回歸法和演繹法。雖然與回歸法相比，演繹法具有更好的普適性，但由于以往對強度與物理量的關系研究較少，目前用的較多的仍然是前一種方法。近年來隨著基礎科學的發(fā)展，為混凝土性能與物理量之間理論關系的研究奠定了基礎。
目前，常用的無損檢測強度方法多是通過混凝土應力應變性質(zhì)或密實度和空隙率來推算混凝土強度的。因此，必須建立混凝土應力應變性質(zhì)及空隙率與強度的理論關系。到目前為止，從已經(jīng)取得的理論方面的研究成果，我們可以了解到混凝土強度不但是彈性性質(zhì)的函數(shù)，而且還是塑性性質(zhì)和實驗條件的函數(shù)，要提高無損檢測精度，必須同時反映這兩個因素。同時研究結果還表明，要用材料密度或空隙率指標測定混凝土強度時，雖然空隙率是強度的主要影響因素，但單反映空隙率是不夠的，還必須把材料潛在強度和孔結構作為重要參考因素，才能提高檢測精度。從而為某些以空隙率為推算強度依據(jù)的無損檢測方法，例如射線法、滲透法等，指明了方向。雖然基礎理論的研究難度大、見效慢，近年來對其的研究方較少，但它是無損檢測技術總體研究中不可缺少的組成部分，應給予足夠的重視。
隨著測試方法和電子技術的發(fā)展，無損檢測儀器也發(fā)展到一個新水平。目前國內(nèi)外關于檢測儀器的研究動向主要有以下趨勢：傳感系統(tǒng)多樣化、儀器智能化、專用化、小型化、一體化、集約化。檢測儀器的研究同時也是無損檢測技術發(fā)展的基礎，我國目前電子工業(yè)發(fā)展水平足以提供各種先進儀器，但如何將電子技術與檢測技術緊密結合起來，卻是我們，目前有待解決的問題。
二、混凝土強度無損檢測的方法
近年來，對混凝土強度無損檢測方法的研究取得了一定的進展，下面我們從半破損法、非破損法、綜合法幾個方面進行說明。
1.半破損法
半破損法是以不影響結構或構件的承載能力為前提，在結構或構件上直接進行破壞性實驗，或直接鉆取芯樣進行破壞實驗。然后根據(jù)實驗值與結構混凝土標準強度的相關關系，換算成標準強度換算值，并根據(jù)此推算出強度標準值的推定值或特征強度。屬于這類方法的有拔出法、鉆芯法、射擊法等。這類方法的特點是以局部破壞性試驗獲得結構混凝土的實際抵抗破壞的能力，因而直觀可靠，測試結果易為人們所接受。其缺點是造成結構物的局部破壞，須進行修補，而且不宜用于大面積的全面檢測。
由于拔出法強度的離散性往往較大，可靠性不如鉆芯法，而射擊法的實驗結果受骨料影響十分明顯，所以鉆芯法是目前工程中應用最為廣泛的半破損法。并以制定了《鉆芯法檢測混凝土強度技術規(guī)程》（CECS 03:08）。但由于要造成結構或構件局部破壞，不宜在同一結構中大面積使用，因此，國內(nèi)外都主張把鉆芯法與其他非破損法結合使用。一方面利用非破損方法檢測混凝土的均勻性，以減少鉆芯數(shù)量，另一方面又利用鉆芯法來校正非破損法的檢測結果，以提高可靠性。所以，近年來關于鉆芯法單獨檢測混凝土強度的研究較少，更多的研究集中在鉆芯法與其他非破損法結合使用方面。
近年來，隨著人們對結構的安全度和抗震要求的提高，使構件配筋率越來越大，鋼筋間距越來越小。如混凝土梁、柱內(nèi)縱向受力鋼筋和加密區(qū)箍筋的間距大多在100mm以下，有的在 75mm以下。根據(jù) CECS 03:88，在芯樣中很難避免不取到鋼筋，而鋼筋對芯樣抗壓強度的影響是一個尚未解決的復雜問題，因此，極大地影響了鉆芯法檢測精度和可信度。所以，研究利用小直徑芯樣檢測結構混凝土是鉆芯法目前研究的主要方向。而且通過實驗研究表明，采用小直徑芯樣檢測商品混凝土及高強混凝土切實可行，且效果很好，可以在工程實際中推廣應用。
2.非破損法
非破損法是指以混凝土強度與某些物理量之間的相互關系為基礎，檢測時在不影響結構或構件混凝土任何性能的前提下，測試這些物理量，然后根據(jù)相關關系推算被測混凝土的標準強度換算值，并根據(jù)此推算出強度標準值的推定值或特征強度。屬于這類方法的有回彈法、超聲法、成熟度法等。這類方法的特點是測試方便、費用低廉，但其測試結果的可靠性取決于被測物理量與強度之間的相關性。因此，必須在測試前建立嚴格的相關公式或校準曲線。由于這種相關關系往往受許多因素的影響。所以，所建立的相關公式有其局限性，當條件變化時，應進行相應的修正，以保證推算結果的可靠性。
在非破損法中，回彈法由于具有儀器構造簡單、方法簡便、測試值在一定條件下與混凝土強度有較好的相關性、測試費用低廉等特點，已成為我國應用最廣泛的無損檢測方法之一。因此，近年來的研究多集中在與回彈法相關的領域。目前，利用回彈法不僅可以檢測常規(guī)的混凝土結構，而且可以檢測再生混凝土， 研究人員針對不同的再生粗骨料取代率，采用普通混凝土回彈儀對再生混凝土試塊進行了抗壓強度檢測。結果表明，回彈法可以用于再生混凝土抗壓強度檢測。并且，通過采用多種回歸模型進行比較分析，得到了再生混凝土統(tǒng)一測強曲線公式。定量分析表明，其測試精度滿足混凝土質(zhì)量控制要求。同時為了反映再生粗骨料取代率的影響，研究人員還給出了按再生粗骨料取代率分類的測強曲線及回歸方程。最后，對比了再生混凝土與普通混凝土全國統(tǒng)一曲線。結果表明，再生混凝土的表面硬度小于普通混凝土，但其隨抗壓強度增加的速度快于普通混凝土。同時，在預應力鋼筒混凝土壓力管道的檢測中對回彈法進行了嘗識性的應用。經(jīng)綜合對比分析，證明回彈法可以用于管道混凝土強度的檢測。但是目前采用回彈法測試管道強度還處于嘗試階段，還不能真正解決實際的工程問題。另外，在回彈法的修正方面的研究也比較活躍，目前主要是利用鉆芯法對回彈結果進行修正，也有學者認為用鉆芯法修正回彈法可看成是鉆芯―回彈綜合法，因此，這方面的研究成果在將下一部分進行闡述。
3.綜合法
所謂綜合法就是采用兩種或兩種以上的無損檢測方法，獲取多項物理參量，并建立強度與多項物理參量的綜合相關關系，以便從不同角度綜合評價混凝土強度。由于綜合法采用多項物理參數(shù)，能較全面地反映構成混凝土強度的各種因素，并且還能抵消部分影響強度與物理量相關關系的因素，因而它比單一物理量的無損檢測方法具有更高的準確性和可靠性。目前常用的有綜合法有超聲―回彈綜合法、鉆芯―回彈綜合法等，其中超聲―回彈綜合法已在我國廣泛應用，并以制定相應的技術規(guī)程（CECS 02:08）。
近年來，隨著人們對檢測結果的要求不斷提高，綜合法越來越受到人們的重視。目前，利用超聲―回彈綜合法不僅可以檢測負溫混凝土強度，預測混凝土的早期強度，甚至可以用來評定凍融混凝土抗壓強度。鉆芯―回彈綜合法則在檢測已有結構混凝土和商品混凝土方面有較好的應用，同時，在對鉆芯―回彈綜合法中的修正系數(shù)η的研究中發(fā)現(xiàn)，其服從對數(shù)正態(tài)分布，這一結果為在實際工程中剔除異常數(shù)據(jù)提供了相應的理論依據(jù)。而目前關于綜合法的其他研究還有“回彈一超聲一拔出”綜合法檢測混凝土強度，鉆芯拉剝法現(xiàn)場檢測修補混凝土粘結強度等。為了更好的了解各種常用檢測方法的發(fā)展現(xiàn)狀，現(xiàn)列表對其進行比較說明：
三、數(shù)據(jù)處理
1.數(shù)據(jù)融合思想及以逆回歸模型為基礎的區(qū)間估計
為了進一步提高檢測結果的精度，使回彈法的推定結果成為工程驗收標準。最新的研究不僅引入了數(shù)據(jù)融合思想及逆回歸模型，還利用置信檢驗理論給出了在一定置信度下的建筑結構混凝土強度的置信區(qū)間，并給出了混凝土強度的合格和不合格的判定標準，形成了逆回歸回彈法檢測建筑結構混凝土強度的新體系。與傳統(tǒng)的回歸模型和點估計方法相比，新的方法不僅能提高檢測結果的精度，而且更加符合工程實際，并能對混凝土強度做出定量化的判斷。
2.人工神經(jīng)網(wǎng)絡（ANN）技術
鑒于回歸法在分析混凝土強度無損檢測數(shù)據(jù)時存在局限性，最新的研究在處理數(shù)據(jù)時引入了在非線性數(shù)據(jù)分析領域比較成熟的人工神經(jīng)網(wǎng)絡（ANN）技術。結果表明ANN適合處理這類數(shù)據(jù)，并在一些方面補充了回歸法的不足。表2則羅列了回歸法與神經(jīng)網(wǎng)絡法細節(jié)和實質(zhì)性的差異。
此外，回歸法中難以處理的高維數(shù)據(jù)，反而可以成為ANN改善誤差的一種途徑。因此，ANN的引入將使混凝土強度無損檢測數(shù)據(jù)分析中可以增加新的相關變量，以便更深入或更廣泛的考察混凝土強度無損檢測及其數(shù)據(jù)處理的有關問題。但是，目前ANN在混凝土強度無損檢測數(shù)據(jù)處理方面的應用較少，還存在一些問題，需要進一步的完善。它的處理結果可以為回歸法處理結果提供參考和補充。
四、結語
1.從目前的研究成果來看，綜合法由于自身的優(yōu)點，已成為目前研究的主要方向。同時隨著人們對檢測技術要求的進一步提高，相信綜合法將是混凝土強度無損檢測未來發(fā)展的主要趨勢。
2.在數(shù)據(jù)處理方面，隨著對檢測結果精度要求的不斷提高。利用傳統(tǒng)的回歸模型和點估計方法有時很難達到我們的要求。因此，尋找更加有效，精度更高的數(shù)據(jù)處理方法是以后研究的主要方向。
