李靈芝

武漢九通交通工程檢測有限公司 湖北 武漢 430300

1 引言

自2020年8月28日，中國政府發(fā)布的《關(guān)于加快新型建筑工業(yè)化發(fā)展的若干意見》將裝配式混凝土建筑提升為戰(zhàn)略目標，裝配式混凝土正迎來廣泛應(yīng)用的新時代，混凝土在建筑領(lǐng)域因其關(guān)鍵的安全性和可持續(xù)性顯得尤為重要[1]。然而，混凝土結(jié)構(gòu)在長期使用過程中常受多種因素影響，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)缺陷問題日益凸顯。結(jié)構(gòu)缺陷不僅威脅人員和財產(chǎn)安全，還會增加維護成本，降低建筑壽命。因此，及時而準確的混凝土結(jié)構(gòu)缺陷檢測至關(guān)重要。本文旨在探討混凝土建筑結(jié)構(gòu)缺陷檢測技術(shù)的研究進展，包括缺陷的分類與特征、不同檢測技術(shù)的比較。

2 混凝土結(jié)構(gòu)缺陷的分類與特征

2.1 裂縫

混凝土結(jié)構(gòu)中的裂縫是一種常見的缺陷，可能會對結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和耐久性產(chǎn)生嚴重的影響。裂縫的形成通常是由于多種內(nèi)外因素相互作用的結(jié)果[2]。溫度變化是裂縫形成的常見原因之一。在混凝土結(jié)構(gòu)中，由于日夜溫差以及季節(jié)性溫度變化，混凝土會膨脹和收縮。這種溫度引起的收縮和膨脹可能會導(dǎo)致裂縫的出現(xiàn)。這些裂縫通常被稱為溫度裂縫。

混凝土結(jié)構(gòu)在受到負載時也容易發(fā)生裂縫。如果結(jié)構(gòu)設(shè)計或施工不當，超過其負載能力的范圍可能導(dǎo)致混凝土的彎曲和應(yīng)力集中，最終導(dǎo)致裂縫的產(chǎn)生。這種類型的裂縫被稱為負載裂縫。地震活動也是裂縫形成的一個重要因素。地震的產(chǎn)生會使混凝土結(jié)構(gòu)發(fā)生振動，超過其承受能力時，裂縫可能會出現(xiàn)，這種裂縫通常被稱為地震裂縫。

2.2 腐蝕

混凝土結(jié)構(gòu)中的腐蝕也是一種常見且危害極大的缺陷，通常是由于外部環(huán)境中的化學物質(zhì)對混凝土構(gòu)件的侵蝕而引起的。腐蝕可以分為多種類型，包括碳化、氯離子侵入和硫酸鹽侵蝕等。碳化是一種常見的腐蝕形式。它通常是由于大氣中的二氧化碳與混凝土中的水和氫氧根離子發(fā)生反應(yīng)，形成碳酸，進而導(dǎo)致混凝土中的鈣離子被轉(zhuǎn)化為可溶性碳酸鈣。這一過程削弱了混凝土的堿性，降低了混凝土的抗腐蝕性能，最終引發(fā)裂縫和結(jié)構(gòu)損壞。

氯離子侵入也是造成混凝土腐蝕的常見原因。氯離子通常來自鹽水、海水或含氯化物的環(huán)境，它們滲入混凝土后會與鋼筋發(fā)生電化學反應(yīng)，導(dǎo)致鋼筋腐蝕[3]。腐蝕的結(jié)果是鋼筋體積膨脹，使周圍混凝土開裂，最終破壞了結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。硫酸鹽侵蝕也可能對混凝土結(jié)構(gòu)造成損害。硫酸鹽可以來自土壤、工業(yè)廢水或污水，它們與混凝土中的礦物質(zhì)反應(yīng)，形成可溶性硫酸鹽，導(dǎo)致混凝土的體積膨脹和強度降低。

2.3 浮渣

在混凝土結(jié)構(gòu)中，浮渣是一種常見的缺陷，它通常是由混凝土制備和施工過程中的不當操作或質(zhì)量管理問題引起的。浮渣是指混凝土中的骨料、沙粒、水泥漿等顆粒物質(zhì)分離，集中在混凝土表面或內(nèi)部，形成明顯的疏松或空洞區(qū)域。浮渣可能會對混凝土結(jié)構(gòu)的強度和耐久性產(chǎn)生負面影響[4]。第一，浮渣使混凝土結(jié)構(gòu)表面變得不均勻，降低了其美觀性。第二，浮渣區(qū)域通常比周圍混凝土更容易受到環(huán)境侵蝕，如氣候變化和化學物質(zhì)侵蝕，從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的腐蝕和破壞。第三，浮渣還可能導(dǎo)致聲學性能降低，影響混凝土結(jié)構(gòu)的聲學特性。浮渣的形成通常與混凝土的攪拌、振搗和澆注過程中的振動和震動有關(guān)。

3 混凝土結(jié)構(gòu)缺陷檢測技術(shù)

圖1 混凝土建筑檢測技術(shù)改善結(jié)構(gòu)缺陷應(yīng)用過程

3.1 目視檢測

目視檢測是混凝土結(jié)構(gòu)缺陷檢測的最基本方法之一，它依賴于人眼對混凝土表面和結(jié)構(gòu)的觀察和分析。盡管這是一種最簡單的檢測方法，但在許多情況下仍然是非常有效的，尤其是對于表面可見的缺陷。目視檢測可以用于觀察混凝土結(jié)構(gòu)表面的裂縫、浮渣、腐蝕跡象等明顯缺陷。檢測人員可以通過肉眼觀察來識別這些問題，并進行初步的評估。這種方法的優(yōu)點是操作簡單，無需特殊設(shè)備，成本較低，且能夠迅速發(fā)現(xiàn)明顯的缺陷。

目視檢測可以用于檢查混凝土結(jié)構(gòu)的顏色、質(zhì)地和一般外觀。這有助于識別可能存在的問題，如表面開裂、顏色不均勻或材料偏差。檢測人員還可以觀察是否存在混凝土的起伏或不平整情況，這可能暗示著結(jié)構(gòu)中的潛在問題。然而，目視檢測也有其局限性。它主要適用于表面可見的問題，對于深埋在結(jié)構(gòu)內(nèi)部的缺陷，如腐蝕或裂縫擴展到混凝土內(nèi)部的情況，目視檢測可能無法檢測到。此外，檢測結(jié)果受到檢測人員經(jīng)驗和專業(yè)知識的影響，可能存在主觀性。

3.2 超聲波檢測

超聲波檢測是一種非破壞性檢測方法，廣泛應(yīng)用于混凝土結(jié)構(gòu)的缺陷檢測。它基于聲波在不同材料中傳播的特性，通過發(fā)送超聲波脈沖并測量其回波來檢測混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部的缺陷。這種技術(shù)的優(yōu)點之一是它可以用于檢測混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部的隱蔽缺陷，如裂縫、空洞、腐蝕或銹蝕的鋼筋等[5]。超聲波通過混凝土中的聲波速度和衰減率的變化來識別這些缺陷。通過分析超聲波的傳播時間和能量損失，檢測人員可以確定缺陷的位置、大小和性質(zhì)。另一個優(yōu)點是超聲波檢測是一種快速、精確和高分辨率的方法。它可以提供有關(guān)缺陷的詳細信息，包括深度、形狀和方向。這對于決定是否需要采取維修措施以及維修的具體方法非常重要。第一，它需要受過培訓(xùn)的技術(shù)人員來操作專業(yè)設(shè)備，并進行數(shù)據(jù)分析。第二，檢測結(jié)果受到混凝土材料的性質(zhì)和結(jié)構(gòu)復(fù)雜性的影響。不同混凝土類型、密度和含水量可能會導(dǎo)致超聲波傳播的變化。

3.3 磁粉檢測

磁粉檢測是一種常用于混凝土結(jié)構(gòu)缺陷檢測的非破壞性技術(shù)，特別適用于檢測鋼筋和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的裂縫和腐蝕。這種方法的原理基于以下基本概念，當鋼筋表面存在裂縫或腐蝕時，磁場會受到干擾，從而導(dǎo)致磁粉在受影響區(qū)域產(chǎn)生集聚或分布不均。通過在受測區(qū)域撒布磁粉，然后應(yīng)用磁場，磁粉會在存在缺陷的位置聚集，形成可見的磁粉軌跡，顯示出鋼筋或混凝土表面的缺陷。磁粉檢測具有許多優(yōu)點，其中之一是其高靈敏度和高分辨率。它能夠檢測到非常小的裂縫和腐蝕，甚至可以檢測到深埋在混凝土內(nèi)部的隱蔽缺陷。這使得它成為發(fā)現(xiàn)早期缺陷并采取及時維修措施的理想工具。另一個優(yōu)點是磁粉檢測是一種快速且可視化的方法。檢測人員可以直觀地看到缺陷的位置和形狀，而不需要進行復(fù)雜的數(shù)據(jù)分析。這有助于快速決策和維修計劃的制定。盡管如此，磁粉檢測也有一些限制。第一，它主要適用于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，對于非金屬構(gòu)件的檢測不太適用。第二，檢測結(jié)果受到環(huán)境和材料的影響，如濕度和磁性材料的存在。因此，在進行磁粉檢測時，需要仔細控制環(huán)境條件。

3.4 熱成像檢測

熱成像檢測是一種非常有前景的混凝土結(jié)構(gòu)缺陷檢測技術(shù)。它基于紅外熱像儀捕捉表面溫度分布，通過分析溫度差異來檢測結(jié)構(gòu)內(nèi)部的缺陷或問題。熱成像檢測是一種非破壞性技術(shù)，不需要直接接觸混凝土結(jié)構(gòu)，因此不會對結(jié)構(gòu)造成進一步的損傷[6]。這對于保護結(jié)構(gòu)的完整性至關(guān)重要。熱成像可以迅速掃描大面積的混凝土表面，捕捉溫度分布。這一快速性使其在大型建筑或橋梁等項目中非常實用。熱成像不受天氣條件的限制，可以在白天或黑夜、晴天或雨天進行，因此在惡劣氣候條件下仍能有效工作。并且，能夠檢測到隱蔽的缺陷，如混凝土內(nèi)部的裂縫、空洞或濕度變化，這些缺陷可能在肉眼不易察覺。

然而，熱成像檢測也有其局限性，對于深埋在混凝土內(nèi)部的缺陷，如深層裂縫，可能需要其他技術(shù)來補充。溫度差異受環(huán)境條件的影響，如太陽輻射、風速和濕度等。這可能導(dǎo)致溫度圖像的誤差，需要在數(shù)據(jù)分析中進行修正。解釋熱成像圖像需要專業(yè)知識。不同的混凝土結(jié)構(gòu)和缺陷可能會產(chǎn)生復(fù)雜的溫度分布，需要經(jīng)驗豐富的分析人員來正確識別問題。

3.5 高分辨率成像技術(shù)

高分辨率成像技術(shù)是一種非常有前景的混凝土結(jié)構(gòu)缺陷檢測方法，它利用高分辨率攝像機或傳感器來獲取混凝土結(jié)構(gòu)的詳細圖像，包括內(nèi)部和外部表面。高分辨率成像技術(shù)提供了非常精確的結(jié)構(gòu)表面信息。它可以捕捉細微的細節(jié)，包括小型裂縫、浮渣和其他視覺缺陷。這些詳細的圖像使檢測人員能夠清晰地識別缺陷的位置和形狀，有助于更準確地評估結(jié)構(gòu)的狀態(tài)[7]。這種技術(shù)可以生成多維數(shù)據(jù)，包括顏色、紋理和形狀等信息。這些數(shù)據(jù)可以提供更全面的結(jié)構(gòu)信息，有助于深入分析缺陷和結(jié)構(gòu)特性。高分辨率成像，不需要直接接觸混凝土結(jié)構(gòu)，因此不會對結(jié)構(gòu)造成進一步的干擾或損害。

盡管如此，它同樣存在一些缺陷，比如依賴于光照條件，高分辨率成像技術(shù)對光照條件敏感。在光線不足或惡劣天氣條件下，圖像質(zhì)量可能會受到影響，導(dǎo)致較差的成像效果。高分辨率成像通常有限于相機的視野范圍。對于大型混凝土結(jié)構(gòu)，可能需要多個攝像頭或多次成像來覆蓋整個區(qū)域。同時數(shù)據(jù)處理復(fù)雜，大量的高分辨率圖像數(shù)據(jù)需要進行處理和分析，這需要大量時間和專業(yè)知識。數(shù)據(jù)處理過程也較為復(fù)雜，需要適當?shù)能浖陀布С帧?/p>

4 技術(shù)比較與展望

4.1 不同技術(shù)的比較

在混凝土結(jié)構(gòu)缺陷檢測領(lǐng)域，不同的檢測技術(shù)具有各自的特點和優(yōu)劣勢。因此，對這些技術(shù)進行比較和評估，可以幫助選擇適用于特定情況的最佳方法。不同的技術(shù)在檢測缺陷時具有不同的靈敏度。例如，超聲波檢測和高分辨率成像技術(shù)通常具有較高的靈敏度，可以檢測到非常小的缺陷，而目視檢測可能只能發(fā)現(xiàn)明顯的問題。然而，高靈敏度可能伴隨著更高的誤報率，因此需要綜合考慮。

成本和可操作性也是比較的重要因素。不同技術(shù)的設(shè)備和人力成本各不相同。例如，目視檢測和磁粉檢測通常成本較低，而超聲波檢測和高分辨率成像技術(shù)可能需要更昂貴的設(shè)備和培訓(xùn)。此外，可操作性和實施難度也需要考慮。一些技術(shù)可能需要受過培訓(xùn)的專業(yè)人員來執(zhí)行，而其他技術(shù)可能更容易操作。另一個比較的維度是適用范圍。不同的技術(shù)可能對特定類型的缺陷或結(jié)構(gòu)更具優(yōu)勢。例如，磁粉檢測對于檢測鋼筋和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的裂縫和腐蝕非常有效，而高分辨率成像技術(shù)可能更適用于識別表面浮渣和其他視覺缺陷。

4.2 技術(shù)融合與創(chuàng)新

在混凝土結(jié)構(gòu)缺陷檢測領(lǐng)域，技術(shù)融合和創(chuàng)新是不可忽視的趨勢，它們有助于提高檢測的準確性、效率和可操作性。技術(shù)融合指的是將多種不同的檢測技術(shù)整合在一起，以充分利用它們的優(yōu)勢并彌補各自的局限性。例如，可以將目視檢測與高靈敏度的超聲波檢測結(jié)合使用，通過目視快速篩查結(jié)構(gòu)，然后使用超聲波來驗證和精確定位潛在缺陷。這種技術(shù)融合可以提供更全面的結(jié)構(gòu)評估，同時減少了虛假報警的風險。

基于人工智能（AI）的自動檢測系統(tǒng)也是一種創(chuàng)新方法，它利用機器學習和深度學習算法來識別和評估混凝土結(jié)構(gòu)中的缺陷[8]。這些系統(tǒng)可以通過訓(xùn)練模型來自動識別圖像或傳感器數(shù)據(jù)中的異常模式，從而提高檢測的速度和準確性。AI技術(shù)還可以分析大量數(shù)據(jù)，幫助識別結(jié)構(gòu)中的潛在問題，有助于制定更科學的維護計劃。多模態(tài)技術(shù)的結(jié)合也是創(chuàng)新的方向。通過同時應(yīng)用多種不同的檢測技術(shù)，可以獲得更多層次的信息。

5 結(jié)語

混凝土建筑結(jié)構(gòu)缺陷檢測技術(shù)的研究啟示我們在建筑領(lǐng)域取得了顯著的進步，但也提醒我們在面臨挑戰(zhàn)時需要不斷創(chuàng)新和改進。通過研究不同類型的結(jié)構(gòu)缺陷及其特點，我們能夠更好地理解混凝土材料的性質(zhì)和行為，從而有助于提前發(fā)現(xiàn)和解決潛在的問題。各種缺陷檢測技術(shù)的比較讓我們認識到，多模態(tài)和綜合性的方法可能是未來發(fā)展的趨勢。將不同技術(shù)融合，結(jié)合人工智能等先進技術(shù)，可以提高檢測的準確性和效率，進一步提高建筑結(jié)構(gòu)的可靠性。