張春陽

（廈門合誠工程檢測有限公司，福建 廈門 361000）

1 無損檢測技術(shù)的意義

傳統(tǒng)的方法是對公路橋梁隨機(jī)選點(diǎn)，鉆孔取樣，在室內(nèi)對所取樣本進(jìn)行分析和處理，從中獲取各種有價值的工程參數(shù)。這種方法的局限性表現(xiàn)為以下幾個方面：

a）因被測點(diǎn)是操作人員隨機(jī)選擇的，所以檢測結(jié)果很難具有代表性；

b）由于檢測點(diǎn)有限，覆蓋面密度較小，使某些存在缺陷的不良區(qū)段反而被漏檢，從而埋下質(zhì)量隱患；

c）雖然鉆孔取樣精度高，但其會對路面造成破壞，且修補(bǔ)時費(fèi)時費(fèi)力。

無損檢測技術(shù)作為快速、直觀，且能夠顯示道橋內(nèi)部狀態(tài)的檢測設(shè)備和技術(shù)手段，能夠彌補(bǔ)傳統(tǒng)方法的不足，它在開展道橋無損檢測技術(shù)研究、建立科學(xué)的評價體系、改善路面設(shè)計等方面具有重要的意義，也必將帶來道橋改造方案的優(yōu)化和公路橋梁管養(yǎng)水平的提高。

橋梁的無損檢測技術(shù)(NDT)有較大的發(fā)展空間，包括超聲檢測、紅外檢測、聲發(fā)射、自然電位檢測、沖擊回波檢測、X 射線檢測、光干涉、脈沖雷達(dá)、振動試驗(yàn)分析等。在公路橋梁結(jié)構(gòu)中應(yīng)用NDT，可以提高新建結(jié)構(gòu)質(zhì)量的安全性;可以提供結(jié)構(gòu)損傷的標(biāo)志，例如，污染程度，鋼筋混凝土橋梁的氯侵蝕程度;可以記錄支座處的聲發(fā)射，反映了裂紋或過大的摩擦力或從墊層支座正在擴(kuò)展的裂紋。無損檢測的這些結(jié)果可以作為結(jié)構(gòu)評估的輔助。

在一些情況下，與侵入檢測相比，無損測試更快捷，縮短了測試期間的交通管制時間，從而降低了成本。雷達(dá)可以快速掃描潛在的結(jié)構(gòu)空洞，雷達(dá)在NDT 中的使用證明了NDT的速度和便捷性。聲傳播的使用進(jìn)一步說明了調(diào)查的有效性。聲傳播可以用于檢測長護(hù)欄的潛在腐蝕。隨后可對疑似區(qū)進(jìn)行更細(xì)致的檢測，例如使用鉆孔、直接量測和超聲技術(shù)來確定未腐蝕厚度。NDT 間接測量了外形特征，測試結(jié)果依賴于信號在結(jié)構(gòu)內(nèi)非連續(xù)區(qū)的反射時間。該信號的速度依賴于結(jié)構(gòu)材料的性質(zhì)，該性質(zhì)不一定明確。因此，需要專業(yè)知識和經(jīng)驗(yàn)來解釋收集的數(shù)據(jù)，并判斷在物理特征或材料性質(zhì)方面的意義。

通常情況下，進(jìn)行無損測試時，將無損測試設(shè)備置于結(jié)構(gòu)附近，正對結(jié)構(gòu)或固定結(jié)構(gòu)表面。無損測試最大的優(yōu)點(diǎn)在于對結(jié)構(gòu)不會造成損傷，從而避免了對可能已有損傷的結(jié)構(gòu)的削弱。NDT 技術(shù)并沒有確定性的答案，還應(yīng)該參考其他信息來評估結(jié)構(gòu)的整體情況。

通常，為了校正NDT的結(jié)果，有必要對結(jié)構(gòu)物進(jìn)行選擇性損傷檢測。本文主要介紹了幾種在橋梁檢測中典型NDT 測試方法，以推廣NDT 在橋梁結(jié)構(gòu)檢測中的應(yīng)用。

2 超聲波無損檢測技術(shù)

超聲波是一種聲波，其頻率高于人耳所能聽到的頻率，它的傳輸過程遵循波的傳播規(guī)律。超聲波路面檢測技術(shù)是通過對材料介質(zhì)發(fā)射超聲波，進(jìn)而對接收到的反射波相關(guān)參數(shù)進(jìn)行分析，從而對結(jié)構(gòu)內(nèi)部破損情況進(jìn)行準(zhǔn)確判斷的一種新型無損檢測方法。

2.1 超聲波檢測基本原理

當(dāng)超聲波從一種聲阻抗率為Z1=ρ1C1的介質(zhì)向另一種聲阻抗率為Z2=ρ2C2的介質(zhì)傳播時，一部分在界面上形成反射波，另一部分則穿過界面，形成折射波，見圖1。

王建磐教授師從中國著名數(shù)學(xué)家曹錫華教授，于1982年在華東師范大學(xué)獲理學(xué)博士學(xué)位，是新中國首批自己培養(yǎng)的18名博士之一，是中國最早涉獵代數(shù)群與量子群領(lǐng)域的數(shù)學(xué)家之一，是代數(shù)群表示的國內(nèi)領(lǐng)軍人物．作為數(shù)學(xué)家，除了做數(shù)學(xué)研究和培養(yǎng)基礎(chǔ)數(shù)學(xué)的博士生之外，他十分關(guān)注數(shù)學(xué)教育學(xué)科的建設(shè)與發(fā)展，積極推動中國數(shù)學(xué)教育研究國際化．從1999年起，在王建磐和顧泠沅的呼吁和積極組織下，建立了中國第一批數(shù)學(xué)教育博士培養(yǎng)點(diǎn)，培養(yǎng)了數(shù)學(xué)教育方面的博士．王建磐教授曾任華東師范大學(xué)校長，是中國著名的數(shù)學(xué)家和教育家．

通過在介質(zhì)的不同位置設(shè)置傳感器，測量超聲波在一定范圍內(nèi)的傳播時間，求得波速，不僅可利用速度與介質(zhì)參數(shù)的關(guān)系測定材料的彈性模量、抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度等，還可用以檢測材料或內(nèi)部結(jié)構(gòu)的缺陷。若假定路面結(jié)構(gòu)為無限大的固體介質(zhì)，則其波速公式為：

式中：v

L---波速，m/s；

E---彈性模量，MPa；

ρ---介質(zhì)材料密度，kg/cm3；

μ---泊松比。

因超聲波無損檢測技術(shù)具有操作簡單、檢測方便、價格相對低廉等優(yōu)點(diǎn)，在路面檢測中的應(yīng)用前景非常廣闊。

2.2 激光檢測技術(shù)

激光的高亮度，具備較好的方向性、相干性和衍射性。激光的光強(qiáng)愈強(qiáng)則光電流愈強(qiáng)，路面檢測正是利用了激光這一原理。當(dāng)激光的光強(qiáng)發(fā)生變化時，光電流也隨之發(fā)生變化，根據(jù)所標(biāo)定的光電流與位移的關(guān)系，通過光電流的變化反算彎沉位移的變化量。在路基和路面檢測中，激光主要被用于距離測定、彎沉測定以及紋理深度測定和平整度的測定。

2.3 光纖傳感檢測技術(shù)

光纖傳感檢測技術(shù)是利用光纖對某些特定的物理量敏感，將外界物理量轉(zhuǎn)換成可直接進(jìn)行測量的光信號的檢測技術(shù)。將光纖傳感檢測技術(shù)應(yīng)用于橋梁檢測，可實(shí)現(xiàn)對橋梁鋼索索力的監(jiān)測，也可完成對預(yù)應(yīng)力連續(xù)混凝土梁內(nèi)部應(yīng)力、應(yīng)變特性的科學(xué)測量和監(jiān)測，構(gòu)成光纖智能橋梁。

3 探地雷達(dá)(GPR)檢測法

GPR是一種電磁回聲方法。采用一個傳感器(發(fā)射器或者接收器)，該傳感器以某一指定速度穿過結(jié)構(gòu)表面。聲波較短的持續(xù)脈沖能量得以傳播，同時接收器接收從材料表面（見表1）和結(jié)構(gòu)特征處探測到的反射信號。這些信號帶有不同的介電常數(shù)，例如被埋藏的金屬物體或者空洞。收集到的數(shù)據(jù)是一個有效的連續(xù)截面。信號的振幅，階段和連續(xù)性受到材料類型這一因素的影響，信號的連續(xù)性受到構(gòu)件形狀的影響。無線脈沖傳播時間受到層厚度或者埋藏特征的影響。GPR是一種低風(fēng)險的檢測方法，主要應(yīng)用是在使用其他可選方法前，定位管道和加固區(qū)。

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GPR檢測法產(chǎn)生高頻電磁沖擊脈，通過天線在結(jié)構(gòu)內(nèi)傳播。

這些電磁波有一部分在界面改變處反射和折射，因?yàn)樵诮缑娓淖兲幗殡姵?shù)有所改變，并且由一個接收器記錄下來。如果接收天線是常用的單聲道操作(反射模式)，發(fā)射天線可以和接收天線布置于同一外殼。集合系統(tǒng)往往在表面掃描而過，來確定反射信號的雷達(dá)追蹤。各種典型的天線頻率在100MHz～1500MHz 之間，用于調(diào)查不同結(jié)構(gòu)形式和材料狀況。

GPR檢測法能夠有效繪制空洞或剝離程度，速度快，覆蓋范圍廣。因?yàn)闆]有放射性X 射線的危害，GPR檢測方法的使用安全可以得到保證，尤其適用于檢測很多通道條件苛刻的結(jié)構(gòu)，或者適用于不能有損傷的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。GPR檢測法能很好的確定金屬管道的位置，并且很可能成為后張混凝土橋梁結(jié)構(gòu)應(yīng)用的主要方法。在完全灌漿的塑料管道中，該方法能夠定位金屬管道，加固區(qū)和鋼筋。

GPR檢測法的適用范圍如下:

1)用于低分辨率下的深度探測;

2)在淺穿透下用高分辨率;

3)用于檢測“隱藏”特征，例如，拱肩墻。

GPR檢測法的應(yīng)用在一些條件下受到了限制。GPR檢測法不能夠穿過金屬檢測空洞，結(jié)果對空洞的深度很敏感，對突出的小尺寸不是很敏感。此外，GPR檢測法在潮濕環(huán)境中不能工作，不能用于低于0℃以下，在深度淺處需用高分辨率。對于其他NDT 技術(shù)方法而言，例如回聲檢測法和超聲波傳輸法，設(shè)備的選擇、數(shù)據(jù)的解釋、準(zhǔn)確定位管道和加固都是重要的工作內(nèi)容。所以，在決定使用這些方法之前，應(yīng)該在現(xiàn)場處理GPR數(shù)據(jù)，作為參考。對于和金屬管道中空洞交叉的鉆孔，GPR也有意義，并且可以減少無效鉆孔，也可以減少鋼筋的損傷。

3 射線探傷法

射線探傷法將底片置于混凝土構(gòu)件后，通過對敏感底片發(fā)射X 射線或伽瑪射線，從而生成含空洞的圖片。射線探傷法可以確定空洞程度和斷裂鋼筋的位置。適用于橋梁交通開放的情況，并可以從圖書館在線快速獲取圖像。理想條件下，圖片準(zhǔn)確無異議。這種方法所需的操作人員數(shù)量較少。但射線探傷法需要很多強(qiáng)有力的探射源穿透厚截面，或者獲得實(shí)時圖像，從而增加了成本，使結(jié)構(gòu)健康和安全預(yù)防措施更加嚴(yán)格。采用射線探傷法可以獲得清楚的圖片，但如果截面厚，或與管道或鋼筋交錯布置時，就不宜用圖片說明。放射源放射出的伽瑪射線最大能夠穿透150 mm的銥，400 mm的鈷，并且必須能機(jī)械化的放置于帶有護(hù)套的盒子中。X 射線源的穿透能力達(dá)1500 mm，并且能夠自動關(guān)閉，這是該方法的一個顯著安全優(yōu)勢。當(dāng)通道便捷，并且安全情況理想時，射線探傷法能提供便于解釋說明的圖片。證明了這種方法是一個適用性很強(qiáng)的NDT 技術(shù)。

4 工程應(yīng)用

以后張混凝土梁為研究對象，用回聲波法進(jìn)行無損檢測。在后張法中，預(yù)應(yīng)力筋的作用是承受荷載?；炷吝_(dá)到規(guī)定強(qiáng)度以后，將預(yù)應(yīng)力筋穿入事先埋入的預(yù)應(yīng)力管道內(nèi)，然后進(jìn)行張拉，固定于構(gòu)件的兩端。之后在高壓下將水泥漿注入管道，在鋼筋和混凝土之間形成粘合劑，并填充所有空洞。灌漿中留下的任何孔洞都可能導(dǎo)致鋼筋的腐蝕和結(jié)構(gòu)的最終倒塌。這個案例的目的在于，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)，分析沖擊作用下反射信號，探測后張混凝土梁中的孔洞。為了模擬不同的檢測過程，建造了若干已知缺損的試驗(yàn)性測試橫梁。橫梁為具有現(xiàn)實(shí)代表性的后張橋橫梁。通過比較分辨率，選擇合適的球軸承，以及所需波長(高分辨率=短波長=較小球軸承)和穿透深度(較強(qiáng)穿透性=長波長=較大球軸承)。橫梁上所用的較合適的球軸承是直徑為10 mm的球軸承。

試驗(yàn)過程中，通過一個傳感器計算混凝土的速度，記錄通過固體混凝土區(qū)域的頻率，由此測量速度。在實(shí)地探測時，測試的是橫梁的側(cè)面而非頂部，因?yàn)閷?shí)地探測時很難接近頂部。測試發(fā)現(xiàn)，被測的所有橫梁上的后部墻的頻率(fT)與同批混凝土所鑄造的橫梁的頻率相同。由試驗(yàn)得出中空管道的頻率響應(yīng)。試驗(yàn)結(jié)果表明，初始峰值(fT)已經(jīng)從 4.9(普通混凝土)開始變動，在更高頻率處會產(chǎn)生一個峰值，這典型代表了中空管道。中空管道和灌漿管道之間的差別很容易辨別。純凈輸入信號和有效反應(yīng)信號的成功利用率是變化的，這取決于操作員。無效波形很容易從較好的重復(fù)性波形中區(qū)分出來。接著測試另一種橫梁，它一半灌滿灌漿，另一半是空的(通常，管道上部的一半是空的)。探測橫梁的總長度，以確定這種方法是否能鑒別部分灌注的管道的位置。這些測試的結(jié)果表明，即使管道是用塑料制成的，也能辨別出完全充注管道和完全中空管道的差別。

結(jié)束語

無損檢測技術(shù)是一門多學(xué)科的、綜合性的應(yīng)技術(shù)，在無損檢測技術(shù)的應(yīng)用中，應(yīng)善于把基礎(chǔ)論與工程實(shí)際相結(jié)合，大膽創(chuàng)新，不斷提高道橋護(hù)管理科學(xué)化水平。

[1] 李永利，董偉.路面無損檢測技術(shù)探析[J].交通標(biāo)準(zhǔn)化，2011，243（8）：78-80.

[2] 吾新璇.混凝土無損檢測技術(shù)手冊［M］.北京：人民交通出版社，2003.