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综述 土木工程中的无损检测技术及其应用 沈建中李宗津张之勇 (中国科学院声学研究所,北京100080)(香港科技大学土木工程系,香港) 摘要土木工程中无损检测(简称NDT2CE)有着广泛的应用和广阔的前景。NDT2CE不仅 用来对新建的建筑物进行质量监测,而且可对已有的建筑物结构的寿命进行评估、 保养和修理。从 应用的角度对NDT2CE中常用的振动分析、 冲击回波法、 超声脉冲回波法、 声发射、 雷达、 激光干涉 以及红外线成象等技术的原理、 应用、 局限性和发展前景作了简要介绍。 主题词钢筋混凝土信息处理超声检验声发射检验红外线检验电磁检验 NONDESTRUCTIVE TESTING TECHNIQUES AND THEIR APPL ICATI ONS IN CIVI L ENGINEERING ShenJianzhongL i ZongjinZhang Zhiyong (Institute of A coustics, A cadem ia Sinica)(Hong Kong U niversity of Science and Technology) AbstractNondestructive testing isw idely applied in civil engineering(NDT2CE). NDT2CE is significant not only for the assessment of new constructions and structures, but also for the life esti mation, maintenance and alteration of the existing ones . M ain NDT2CE techniques such as the building dynam ics, i mpact echo, ultrasonic echo, acoustic em ission, radar, laser interference technique and infrared i maging are briefly discussed on their principle, application area, li m itations and further research needed from the application point of view. KeywordsA rmoured concreteSignal processingU ltrasonic testingA coustic em ission testingInfrared testingElectromagnetic testing 1简介 建筑物(房屋和桥梁等)的质量,无论是对人民 的生命财产,还是对国民经济来说,都是十分重要 的。对建筑物的所有要求中,安全性是第一位的。近 年来,灾难性的桥梁断裂、 房屋倒塌的报道时有所 闻,无损检测是防止这类恶性事件发生的重要手段。 另一方面,对旧建筑物的维修和保养很艰难,并要耗 费大量资金。无损检测技术的应用可使维修保养大 大地减少盲目性,从而可大大节约这项开支。 土木工 程无损检测技术有助于评估新旧建筑物的稳定性和 整体性,能够对新旧建筑物整体或部分作质量状态 监视,能够用来估计建筑材料和结构的性质及性能, 并能对其内部含水量、 缺陷和损伤进行测量和定位, 还能够用来确定建筑材料和结构内部的预应力元件 的位置,以避免在打洞时发生意外的损伤总之,土 木工程无损检测技术能够以成本低、 费时少的方式, 起到监督、 诊断和测量的作用,对评价和保证建筑物 的安全性、 保护和保养珍贵的古建筑起到重要作用。 目前,在土木工程中,无损检测技术的应用还不 像在其它工业部门那样普遍,产生这种现象的原因 是多方面的,其主要原因是检测环境条件太复杂。 现 代建筑物的主要材料钢筋混凝土是非均匀的、 多孔 的、 多变的各向异性复合材料,它不仅有着复杂的结 构,而且其性质的分散性极大。通常,钢筋混凝土的 性质随骨料和水泥的性质、 水分含量、 生产的季节、 甚至原材料的产地和批号等因素,都可能发生很大 的变化;另一方面,建筑物和桥梁通常都有复杂的结 构,而且体积庞大。 这些因素使一些在机械行业中十 分有效的无损检测方法和技术,在土木工程中却常 常无能为力,往往需要在技术和工艺上要做较大的 改进才能在土木工程中应用。 然而,获得了巨大发展的数字电子技术和计算 机技术为NDT2CE的发展开辟了道路。 这些技术的 应用使NDT2CE技术(例如振动分析技术、 超声脉 冲回波技术、 冲击回波技术、 声发射技术、 雷达技术、 794 第22卷第11期 2000年11月 无损检测 NDT Vol . 22No. 11 Nov.2 0 0 0 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 标准分享网 w w w .b z f x w .c o m 免费下载 激光干涉技术以及红外线成象技术等)无论在数据 的采集、 分析和解释方面,还是在模拟计算方面,都 取得了极大的进步。 NDT2CE技术非常多,本文只能对几种现在最 常用的技术做一个简要的介绍,讨论它们的原理、 方 法、 应用和局限性以及发展前景。 2常用NDT-CE技术及其分类 各种无损检测技术在四个方面都会有不同的特 点,它们分别是该项技术的工作原理、 实现该原理的 方法和工艺、 执行该方法的硬件设备以及获取结论 的信号处理方法。这四个方面都可以用来作为对 NDT技术的分类标准。 从工作原理来说,NDT2CE技术大致有三类, 即直接测量、 负荷响应和应用探测媒介技术。 2. 1直接测量技术 直接测量某个物理量是最简单的NDT2CE技 术。它应用于当待测的性质是一个可以直接测量的 物理量或者是可以从某些直接测量的量推断出来的 情形。 例如,测量混凝土的含水量,可以用 “称含水混 凝土的重量、 烘干、 称烘干混凝土的重量” 的 “称重 烘干称重” 的称量法。显然,它适用于实验室分析 而较难在现场应用。然而,在实际中,以产生轻微损 伤为代价,它也能用于测量建筑物的含水量。比如, 可从墙上取下样品来分析墙体的含水量,是一种行 之有效的含水量测量方法。 直接测量的另一个例子是电化学检测技术。常 用的有半电池势测量技术,交流阻抗技术等。 在混凝 土试样上适当地安置电极,测量通过的电流,运用适 当的公式,可以计算出腐蚀电流的数值,从而推断出 钢筋混凝土中钢筋的腐蚀速率1。由于影响测量的 因素很多而且较难控制,这种测量的精度较低。 2. 2负荷响应技术 这类技术是检测物体在载荷作用下的响应。当 然,一般来说,载荷不能太大以至破坏被测建筑物或 样品。振动分析技术是负荷响应技术的重要例子。 建筑物的本征振动频率是由建筑物的材料、 结 构和刚度所决定的。 在风力或其它扰动力的作用下, 建筑物(大楼、 桥梁等)不断地在振动。 这种扰动力是 无规则的,因此是广谱的,它能够激发出建筑物几乎 所有的本征振动频率。 测量建筑物的振动,从测量值 分析出本征振动频率。采用将频率测量值与建筑物 本征频率的设计值或计算值相比较,或者将这些本 征频率在不同时期的监测值自相比较的两种推断方 法,就可推断出建筑物的主要线度和刚度、 完整性、 稳定性和是否存在大的宏观缺陷等。 本征频率监测技术往往是综合技术。下面要讲 到的激光干涉技术是遥测本征振动的常用技术之 一。由于建筑物体积庞大,结构复杂,它的本征频率 往往很低,通常在几赫兹的数量级,而且其频谱十分 复杂。 这造成两方面的后果,即测量容易受到环境振 动的干扰,并且本征频率的提取和比较是十分困难 的。 因此,有效地对测得的频率进行分析则必须依赖 于计算机和数字信号处理技术。 另一方面,理论计算 建筑物的本征频率常常应用有限元分析方法,也必 须依赖于计算机。 振动分析技术简单而且高效,它是分析、 监测大 型建筑物完整性的重要技术。由于它必须依赖于计 算机,所以也必然随着计算机技术的发展而获得更 大的重视和发展。 2. 3应用探测媒介技术 大多数NDT2CE应用探测媒介,探测媒介主要 有波和场两种形式。应用最广的探测媒介主要有机 械波(声波和超声波)、 电磁波(超高频、L段微波、S 段微波等)、 红外线、 可见光、X射线、 射线、 电场及 磁场等2。 应用探测媒介技术又可分为主动检测技术和被 动检测技术两类。 对于主动检测技术情形,探测媒介 由检测设备产生和发送;对被动检测技术情形,探测 媒介来自被检测对象自身。大多数应用探测媒介的 技术都是主动检测技术,而声发射技术是被动检测 的重要代表。 3几种应用探测媒介的NDT-CE技术 3. 1利用机械波的技术(NDT-CE-MW T) 应用机械波作为探测媒介的主要有冲击回波技 术、 超声脉冲回波技术和声发射技术。 NDT2CE2MW T有显著的优点,因为机械波的 行为直接与媒质的几何和力学性质相联系,这个优 点特别有利于用来确定物体或材料的几何和力学特 性。这些技术有较大的应用范围、 较好的检测精度、 较大的检测深度、 较低的仪器成本和操作成本、 较易 操作、 较快的检测速度和能适用于现场使用此外, 机械波对人体无危害,无论对操作人员还是对工作 现场附近的人员都是安全的。 NDT2CE2MW T依据的基本理论是弹性波的 产生、 传播、 散射和接收规律。由于弹性波在建筑材 料中遵从极其复杂的规律,给NDT2CE2MW T的应 用带来许多困难和不利因素,限制了它们的应用。 894 沈建中等:土木工程中的无损检测技术及其应用 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 标准分享网 w w w .b z f x w .c o m 免费下载 3. 1. 1冲击回波技术(NDT2CE2IE) NDT2CE2IE在土木工程中得到了广泛的应用。 该方法测量建筑结构对冲击负载的响应。用锤子敲 击或用下落的钢球冲击样品,使之发声,声音被安装 在附近的声传感器接收,样品中的缺陷或异常会使 声音的频率改变。分析回波的频谱常用数字信号处 理(DSP)FFT技术。检测和定位混凝土表面下的裂 缝、 分层和空穴,冲击回波技术是很有效的。 由于利用空气作为声的耦合介质,该方法对表 面的粗糙度和平整性要求不高。但NDT2CE2IE的 检测灵敏度和分辨力都较低,检测速度也较慢。 使用 一种特殊的专用装置可使检测速度加快到每小时 3 000个测量点3。 3. 1. 2超声脉冲回波技术(NDT2CE2U T) 在NDT2CE2U T中,超声波通常用PZT压电 换能器产生和接收,所使用的频率远较在检测金属 时低,所使用的超声波型有纵波、 横波、 板波和表面 波等多种波型。 依据基本的声学规律,脉冲回波的声 学量,如超声声速、 传播时间、 超声衰减和频谱等与 物体的几何、 力学量相联系。 超声声速由材料的刚度 和密度所决定,而传播时间与传播距离及声速有关, 超声的衰减以及频谱的变化与介质的成分和内部所 含颗粒的大小密切相关。 因此,超声脉冲回波技术有 着广泛的应用,能用于探测和定位混凝土中的缺陷、 孔穴、 钢筋等,测量厚度,评估桥梁、 大坝、 墙壁状态 的完整性和可靠性,以及监测混凝土固化过程中强 度的变化等。 然而,土木工程超声检测遇到了许多具有挑战 性的问题,如混凝土对超声的强吸收问题、 骨料对超 声的散射问题、 超声的耦合问题、 强噪声下弱信号的 提取问题和各向异性问题等。许多问题还有待于解 决,影响了超声技术的应用。 增大超声功率是解决上述问题的途径之一。最 近,有人发明了大功率的超声换能器,它发射的 40kHz的超声束能通过空气耦合穿透砖块。采用先 进的信号处理和显示方法是解决上述问题的另一重 要途径。 3. 1. 3声发射技术(NDT2CE2A E) 声发射是物体在外界载荷作用下以应力波的方 式迅速释放其内部弹性能量的物理现象。声发射应 力波的声源是物体内部的微裂纹、 位错或内部有微 观、 宏观变化的部位。因此,声发射是从获得的信号 中探求声源性质的技术。 声发射信号同时受许多因素的影响。试样的结 构和形状,样品材料的品质和状态,外载荷的大小、 作用位置和方向、 作用速率和随时间的变化过程等 都会对声发射产生影响。 混凝土的含水量、 水泥的品 质和型号、 骨料的大小和种类、 生产工艺、 混凝土的 役龄等都会影响声发射。这一方面说明声发射信号 带有材料内部丰富的信息,但从另一方面来说,声发 射信号过于复杂而使有用信息难于提取。这使信号 的采集和处理成为声发射应用的两大关键,且使声 发射技术比其它技术更依赖于所使用的设备。 在土木工程中,声发射技术现在以实验室应用 为主,常用于测量分析。它用来测量界面性质、 断裂 性质和机制、 钢筋腐蚀的位置、 腐蚀的速率估计以及 水泥的强度等4, 5。 传统的声发射技术是以经验性的 分析为主的。 从声发射信号中提取诸如事件计数、 事 件率和波形参数等来对声发射特征进行分析。模拟 技术使声发射研究和应用难以发展。高速信号数字 采集技术和计算机技术的发展为声发射技术开辟了 广阔的道路。现在,多通道高速数字声发射系统 (NA ES ), 像德国的AM SY4和美国的M ISTRA S2 2001已经具备较优越的性能6。随着NA ES的发 展,功能更强大的全波形分析技术开始发展起来。 神 经网络等先进的信号处理技术也得到了重视。 与其它技术相比,声发射技术有着独特的优势, 即它可以用来作动态监测。在大容量的现代计算机 的支持下,运用声发射技术对桥梁等大型建筑物作 动态监测是可能的,而且必然是十分有用的。 3. 2利用电磁波的技术(NDT-CE-EM T) 这种技术应用微波频段的电磁波作为探测媒 介,常用的频率在901 000 M Hz。电磁波的传播与 介质的介电常数和磁导率有关。测量电磁波的传播 时间、 反射系数、 折射率等可以推断出物体的性质和 形状。在土木工程中,地面穿透雷达(GPR)是一种 较好的实用EM T技术。 NDT2CE2EM T具有许多优点,它适宜于检测 非金属材料,比如混凝土、 砖、 岩石等。 它能够作非接 触、 甚至作遥感检测。 它对被测物体的表面状态以及 形状没有苛刻的要求。地面穿透雷达能够快速地成 象。它能相当直观地完成快速和实时的检测。此外, 一个与超声相比而言的特别优点是,微波对混凝土 中骨料的大小和种类都不敏感,而对含水量却很敏 感。因此,使用EM T容易辨别混凝土中的缺陷和金 属物体7。 由于屏蔽效应, EM T不能用于检测金属内部 和金属平板后面的物体。 3. 3利用光波、 红外线的技术 这类技术应用光波、 红外线作为探测媒介。 光波 994 沈建中等:土木工程中的无损检测技术及其应用 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 标准分享网 w w w .b z f x w .c o m 免费下载 检测原理主要是基于激光的干涉,红外线检测原理 主要基于能量的传送。它们的代表技术分别是电子 散斑干涉方法(ESP I) 8和热图成象方法(IRT)9。 3. 3. 1电子散斑干涉方法(ESP I和SPSI) ESP I基于全息原理,但是它利用电视技术实现 全息而不是用照相方法。从物体反射回来的激光与 参考光相干涉,干涉图样由CCD相机接收。将物体 变形前后的干涉图相减,得到的条纹图反映了照明 区域表面的位移场。利用相移技术, ESP I的分辨力 能达到20nm数量级。ESP I是一种非接触的全场检 测技术,用于监测漫反射表面的三维位移场。 抑制环 境振动是实现ESP I测量的难点。 SPSI(错位散斑干涉方法)是在ESP I基础上发 展起来的一种先进技术。 与ESP I不同, SPSI直接测 量物体表面的应变而不是位移。物体表面的反射光 被分成两束,并且在横向错开一个微小距离,然后再 互相干涉。它对物体的刚体运动没有反应。由于参 考光是从测量光自身分裂出来的,因此SPSI有很 强的抗环境振动的能力。 此外, ESP I和SPSI都能用来实时监测微裂纹。 激光干涉技术还是遥测建筑物本征振动的常用技术 之一。 3. 3. 2热图成象方法(IRT) IRT又称红外线成象方法,其工作原理依赖于 物质的热传导性。 在热源的作用下,物体表面会形成 一定的温度分布。这个分布反映了物体表层以及表 层下面材料或结构的热传导性差异。用热敏感元件 (如CCD相机 ), 记录物体表面的等温线图(称为热 图)。从热图可辨认出物体内部的结构或缺陷。热图 成象的效果主要由热源的性质、 热敏器件的性质以 及被检测材料的导热性质三方面所决定。 显而易见, IRT不能给出与深度及厚度有关的信息。此外,异 常物体的大小和深度变化对表面温度分布能产生很 大的影响。这给IRT测量带来了某种不确定性。 由于热扩散,热图的分辨力常常是很低的。 采用 大功率脉冲热源(例如闪光灯 ), 并且应用快速响应 的热敏接收器,能够改善热图的分辨力。 这个技术称 为瞬态热图技术(T IRT)。 IRT能高效率地对路面下的水平分层及孔穴 成象和定位,能有效地测量和分析墙体保温功能,并 能有效地探测墙体内部金属件的位置和形状。 3. 4利用电磁场的技术 这类技术应用电场或磁场作为探测媒介。一个 例子是应用漏磁法探查混凝土中钢筋的断裂情况。 在钢筋混凝土构件上施加强磁场使钢筋中的磁场饱 和,如果钢筋断裂,断裂位置及其附近的磁场就会发 生畸变,磁场畸变可以用磁敏感元件检测出来。 这种 方法对检测钢筋断裂是很灵敏的,但是产生饱和磁 场的费用很大,较难推广应用。 4展望 NDT2CE有广泛的应用,应用NDT2CE可以用 较少的劳力和开支对建筑物和结构进行静态的或动 态的、 短期的或长期的测量或监测。对NDT2CE技 术的需求正在不断地增长,土木工程无损检测中提 出的许多问题极具挑战性,它将会激起人们更大的 热情和更多的投入,而研究成果也必然反过来促进 NDT2CE的发展。 许多NDT2CE技术对先进技术有着共同的要 求。NDT技术在很大的程度上是一种信息技术,它 是一个获取信号、 提取信息、 导出结论的过程,因此, 发展新型高性能的发射或接收换能器,采用先进的 信号处理技术是主要的发展方向。 信号处理,特别是 数字信号处理(DSP)已经变得越来越重要。各种模 拟信号在数字化后,其处理方法是大同小异的,数字 信号处理必将发展成为NDT必不可少的常规手 段。人工智能、 神经网络、 模式识别和图象识别等将 获得更广泛的应用。信号和信息的综合处理和分析 将起到关键的作用10,当然,先进的电子仪器和机 械设备也是十分重要的。 计算机对NDT2CE技术的发展是至关重要的。 计算机已经渗透到NDT技术中,并进一步冲击着 现有的NDT技术。除了对公式作数字计算外,计算 机在以下四个方面将发挥更大的作用。这四个方面 是对检测控制使检测自动化、 对数据处理使信息综 合、 改革显示方式使显示更易于理解和作数值模拟 使实际NDT操作之前就能对该问题有一个透彻的 了解。 参考文献 1M illard S, Bungey J, Gowers K.Rapid assessment of concrete of in2situ reinforced concrete by analysis of transient response to galvanostatic pulse.International SymposiumNon2destructiveTestinginCivil Engineering ISNDT2CE(Vol .?), Berlin, Germany: 1995. 121- 134 2Krause M etc.Comparison of pulse2echo2methods for testingconcrete.ISNDT2CE(Vol .? ), Berlin, Germany: 1995. 281- 296 3Sack D , O lson L . H igh speed testing technologies for (下转第504页) 005 沈建中等:土木工程中的无损检测技术及其应用 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 标准分享网 w w w .b z f x w .c o m 免费下载 对各种焊接缺陷的评价涉及到多种无损检测方 法的使用,也需要获取有关缺陷定位、 定性、 定量的 综合数据。 测量缺陷在壁厚方向的尺寸,选用超声定 时法(端部峰值回波法、 卫星脉冲法)优于波幅法,射 线检测可选用多种测深定高法试样对比法、 立 体照相法、 计算法、 图表法等。 10. 3缺陷容限 欧标中与B, C,D三种质量等级相应的各种电 弧焊接缺陷容限值见参考文献6中表13。 裂纹是各种NDT方法的搜索目标。欧标指出 微裂纹(hl) 2T或 20mm取较大值)。 (2)D I N 8563标准将缺陷分为四个等级,? 级 和 级与A SM E容限一致, 级允许部分未熔合和 未焊透(只适用于要求不严格的工件,不适于压力容 器)。 德国特别注意U T评定对RT评定的补充与修 正,规定: (a)若RT无影象显示,或影象不清晰,或U T 发现的缺陷尺寸大于底片上发现的缺陷,则评价应 按U T。 (b)对近表面气孔和夹渣,评定要求高于内层 (如离表面20mm以下)的缺陷,为此RT评定必须 参照U T结果。(下转第508页) (上接第500页) NDTofstructures .ISNDT2CE(Vol .? ), Berlin, Germany: 1995. 43- 50 4L i Z, Xi Y. Application of acoustic em ission technique to detection of concrete cracking and rebar corrosion. International Symposium Non2Destructive Testingin Civil Engineering(Vol .?), Berlin, Germany: 1995. 5Chengsheng Ouyang, Eric L andis, Shah Surendra P. Damageassessmentinconcreteusingquantitative acoustic em ission.J Erg M ech, 1991, 117 (11): 2681- 2698 6Surgeon M , Ono K. A n evaluation of the performance ofacousticem issionsystem s .Proceedings of14th WCNDT, N ew Delhi, India: 1996. 7A ttoh2Okine N.U se of artificial neural networks in ground penetratingradarapplicationsinpavement evaluationandassessment.ISNDT2CE(Vol .? ), Berlin, Germany: 1995. 93- 100 8Jones R, W ykes C. Holographicandspeckle interferometry .2nded,Cambridge: Cambridge U niversity Press, 1989. 9Favro LDet al .Infrared thermal2wave studies of coatings and composites . SP IE Thermosense, 1991. 290- 294 10GrosXE. NDT Data Fusion. N ew York: JohnW iley & Sons Inc, 1997. 收稿日期: 2000201210 405 李衍:欧洲射线检测最新标准评述(续) 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 标准分享网 w w w .b z f x w .c o m 免费下载