郝勇 殷徐 雷龍堅

（長江大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院）

改革開放以來，我國基礎(chǔ)建設(shè)穩(wěn)步推進(jìn)。但隨著時間的推移，由于大氣條件、過度負(fù)荷和自然老化過程等因素的影響，工程結(jié)構(gòu)逐漸被破壞，后果不堪設(shè)想。因此，一項工程建設(shè)中和完工后，對結(jié)構(gòu)中重要的混凝土構(gòu)件進(jìn)行損傷檢測是防止災(zāi)難發(fā)生的十分必要的環(huán)節(jié)。無損檢測技術(shù)是指在不破壞或改變結(jié)構(gòu)的前提下利用聲、光或電磁等手段，來探尋物體內(nèi)部是否有能夠威脅到整個結(jié)構(gòu)安全的缺陷的技術(shù)，是工程建設(shè)過程中以及完工后檢驗工程質(zhì)量和保障結(jié)構(gòu)安全的重要手段。

1 光學(xué)檢測技術(shù)

1.1 激光掃描儀

激光掃描儀是近年來在土木工程應(yīng)用中廣泛探索的遙感技術(shù)的一部分，用于詳細(xì)記錄和檢查大型結(jié)構(gòu)。相較于傳統(tǒng)檢測方法的優(yōu)勢在于其能夠收集大量精確的數(shù)據(jù)，包括幾何形狀以及不同的輻射屬性[1]。其原理是使用聚焦的相干光脈沖，系統(tǒng)計算光在傳輸過程中以及從被測物體返回時的飛行時間，將其轉(zhuǎn)換為距離然后生成毫米級三維地圖。該技術(shù)的局限性是只能測量和生成被掃描物體可見表面的變形，并且需要充足的光照和較慢的掃描速度來提高圖像的質(zhì)量[2]。其二是激光掃描儀會產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)，需要人工處理大量的數(shù)據(jù)。另外使用需要對激光對準(zhǔn)算法進(jìn)行修正調(diào)平以提高裂縫檢測的精度。嚴(yán)承峻[3]研究了激光掃描技術(shù)在橋梁工程中的應(yīng)用，結(jié)果表明該技術(shù)可以有效監(jiān)控施工全程，降低了成本，提高了施工效率。

1.2 光纖檢測技術(shù)

利用外界因素使光在光纖中傳播時光強、相位、偏振態(tài)以及波長（或頻率）等特征參量發(fā)生變化，從而對外界因素進(jìn)行檢測和信號傳輸?shù)募夹g(shù)稱為光纖檢測技術(shù)。因其具有低損耗、輕重量、可繞性好、可檢測信息量大等優(yōu)點被廣泛應(yīng)用，檢測主要是通過光源加線束構(gòu)成的光纖傳感器(FOSs)進(jìn)行。目前光纖檢測技術(shù)傳感器主要有三種，即光纖布拉格（bragg）光柵傳感器、分布式光纖傳感器和光纖干涉?zhèn)鞲衅鱗4]。

bragg 光柵傳感器的應(yīng)變測量精確度可達(dá)納米級，并且測試結(jié)果十分可靠。主要缺陷是同一光纖上的光柵數(shù)目受光源譜線寬度的限制，并且成本較高，制作光柵時需在不影響光纖精度的同時保護(hù)好光纖也是一個挑戰(zhàn)。目前該傳感器已廣泛應(yīng)用于土木工程各個領(lǐng)域中。 Zhang, C等[5]采用光纖光柵傳感器對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的地震損傷響應(yīng)進(jìn)行了監(jiān)測。研究結(jié)論得出，光纖光柵傳感器非常準(zhǔn)確地檢測到裂紋的萌生和梁中發(fā)生的損傷。

分布式光纖傳感器(DOFS)由連續(xù)分布等長度的光纖傳感單元組成，相鄰的傳感單元之間沒有間距，它們能以真正分布式的方式監(jiān)測整個光纖的一維結(jié)構(gòu)物理場的變化，有很好的經(jīng)濟(jì)性。Zhao等[6]采用一種基于分布式光纖布里淵技術(shù)的新方法。通過在鋼筋混凝土試件中埋設(shè)DOFSs 來測量鋼筋腐蝕引起的膨脹應(yīng)變并驗證了該方法的有效性。

干涉光纖傳感器的工作原理簡單來說就是利用光波的干涉將包含在光波相位中的被測信息實現(xiàn)相位調(diào)解，從而獲得所需要的參數(shù)與信息。該傳感器使用的單模光纖直徑更小，可以在不影響材料連續(xù)性的情況下嵌入材料中。但是在現(xiàn)場環(huán)境中的安裝需非常小心。單模光纖應(yīng)成功切割并耦合在一起，以確保耦合損耗最小。Leng 等人[7]使用FP 和FBG 傳感器來監(jiān)測碳纖維增強塑料應(yīng)用的固化過程。結(jié)果表明，嵌入式FP 干涉?zhèn)鞲衅骱虵BG 傳感器都可以用于監(jiān)測復(fù)合材料的固化過程和過程中發(fā)生的損傷。

2 聲波檢測技術(shù)

2.1 超聲脈沖技術(shù)

超聲波是一種頻率高于20KHZ 并且超過人類聽覺極限的機械波。超聲脈沖技術(shù)的原理是通過反彈聲波來確定內(nèi)部缺陷的尺寸和位置[8]。其缺點是在混凝土疏松層中，缺陷范圍達(dá)到一定程度才能檢驗出來。土木工程領(lǐng)域通常會應(yīng)用該技術(shù)在檢驗混凝土質(zhì)量、混凝土構(gòu)件完整性和纖維增強材料等方面。Messaouda Bel‐ouadah 等[9]利用超聲脈沖技術(shù)評價用大理石廢料和粉末作為水泥部分替代品的物理力學(xué)性能。他們將六種不同重量百分比大理石粉替代水泥，并加入超級增塑劑。采取超聲脈沖技術(shù)和回彈錘法對四段養(yǎng)護(hù)齡期的試件進(jìn)行了測試和分析。研究發(fā)現(xiàn)各試件的抗壓強度與超聲脈沖速度呈現(xiàn)良好的線性相關(guān)性。

2.2 相控陣超聲檢測技術(shù)

相控陣超聲檢測起源于先進(jìn)的相控陣?yán)走_(dá)技術(shù)，也稱相控陣超聲顯像法，其基本原理實際上是相位控制，通過電子系統(tǒng)控制探頭陣列中的晶片按照一定的延時法則發(fā)射和接收超聲波，實現(xiàn)聲束的掃描、偏轉(zhuǎn)、聚焦等功能，可以在探頭不前后移動的情況下將聲束覆蓋到檢測區(qū)域，并在接收聲波回波后按一定的延遲法則進(jìn)行信號處理并以需要的圖像的方式來顯示被檢測對象內(nèi)部缺陷狀態(tài)，可實現(xiàn)各種結(jié)構(gòu)復(fù)雜工件的檢測[10]。由于其檢測自由度高，檢測快速、全面準(zhǔn)確等優(yōu)點，在醫(yī)學(xué)和工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用較廣，近些年開始在土木工程領(lǐng)域有所應(yīng)用。但其也存在一些缺點，如只適用于形狀規(guī)則的部件，缺陷定量困難，裝置規(guī)模大，判讀困難，對操作人員技術(shù)有比較高的要求等，還需學(xué)者們更加深入的去研究解決這些問題。

王康等[11]等采用干耦合相控陣超聲斷層掃描、連續(xù)掃描二維擬合圖像法檢測4套不同類型灌漿孔道的裝配式漿錨連接剪力墻試件的灌漿質(zhì)量，結(jié)果表明相控陣超聲檢測法能準(zhǔn)確識別混凝土通孔、聚氯乙烯（PVC）管和鋼管灌漿脫空的位置和尺寸，并且可以準(zhǔn)確識別異物缺陷位置和尺寸。目前相控陣超聲檢測法在土木工程領(lǐng)域的應(yīng)用不多，但這兩項研究可以充分說明相控陣超聲檢測法在土木工程行業(yè)有著巨大的應(yīng)用潛力。

3 電磁波檢測技術(shù)

3.1 探地雷達(dá)

探地雷達(dá)(GPR)是一種利用脈沖電磁輻射掃描混凝土以評估混凝土結(jié)構(gòu)完整性的無損檢測方法。其具有非侵入性、低成本和快速監(jiān)測的特點，是土木工程中應(yīng)用最廣泛的電磁波技術(shù)之一，它的工作原理是利用電磁光譜的微波區(qū)域，產(chǎn)生高頻電磁能量的輻射短脈沖通過發(fā)射天線穿透物體，然后由接收器探測到。系統(tǒng)測量的工作頻率越高，分辨率越高，系統(tǒng)的穿透深度越低。測量信號根據(jù)變化后的信號進(jìn)行放大、處理和分析，以此來檢測鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的腐蝕或缺陷。其缺點是必須使用測試材料提前進(jìn)行校準(zhǔn)以保持系統(tǒng)準(zhǔn)確性并且要高技能的專家來解釋從系統(tǒng)中捕獲的數(shù)據(jù)。

近年來，研究人員主要關(guān)注各種GPR 數(shù)據(jù)分析方法，希望通過人工智能分析數(shù)據(jù)以克服技術(shù)的局限性。吳文秀等[12]為檢測瀝青路面的實際厚度并實現(xiàn)瀝青路面厚度的自動提取。分別采用Canny 算法、連通區(qū)域檢測算法對探地雷達(dá)圖像進(jìn)行處理，并結(jié)合gprMax 軟件正演模擬數(shù)據(jù)對比分析。結(jié)果表明，Canny 算法具有更好的效果，與實際相比誤差約為4.13%，可以較好地實現(xiàn)探地雷達(dá)圖像中瀝青路面厚度的快速智能提取。

3.2 頻率掃描法

頻率掃描法是一種基于電磁波的方法，其基礎(chǔ)理論為交變磁場測量法。主要原理是利用一個固定磁場，使射頻或磁場的頻率緩慢變化，通過共振范圍，獲得我們所需要的共振譜。一般頻率掃描系統(tǒng)由發(fā)射機、接收機、矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀和圖形用戶界面的計算機組成。天線與分析儀相連，通過用戶界面進(jìn)行實時控制，可以調(diào)節(jié)并控制系統(tǒng)與被測物之間的距離。系統(tǒng)工作在頻域中的掃描頻率設(shè)置為從2 GHz到13 GHz，入射波由分析儀產(chǎn)生并發(fā)送到發(fā)射機天線。通過接收天線捕獲反射信號，依據(jù)波長、頻率、時間等數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。Kot 等[13]首次將頻率掃描法應(yīng)用于檢測混凝土平屋面滲漏情況。結(jié)果表明，防水膜失效對微波信號有影響。反射微波信號的振幅和頻率都發(fā)生了變化。

4 結(jié)論與展望

本文對工程建設(shè)中一些無損檢測技術(shù)進(jìn)行了基本介紹，目前無損檢測在土木工程領(lǐng)域中所使用的場景更多的是在實驗室或現(xiàn)場檢測等陸上建筑，對于大型結(jié)構(gòu)的長期監(jiān)測以及水下及其他惡劣環(huán)境結(jié)構(gòu)檢測仍然是一個丞待解決的問題，在目前我國基礎(chǔ)設(shè)施基本完善的現(xiàn)狀下，對于建（構(gòu)）筑物的安全保證是關(guān)鍵問題，因此，未來可以更多的向大型結(jié)構(gòu)或惡劣環(huán)境下的整體長期實時監(jiān)測以及預(yù)警進(jìn)行更加深入的研究。