混凝土无损检测技术及应用
摘要：应用无损检测技术（如超声回弹综合法、电磁感应法），对某建筑工程框架结构现浇混凝土的强度及其内部钢筋分布情况进行了抽样检测，取得了该结构混凝土的强度指标和钢筋分布特征，为建设工程的竣工验收和质量评价提供了依据。
关键词：无损检测技术 超声回弹综合法 电磁感应法 混凝土强度
1 概述
混凝土无损检测技术，是在不破坏构件的前提下，直接从物上测试，推定混凝土强度或缺陷以及钢筋位置，可对混凝土进行重复测试，它既适用于工程建设过程中混凝土质量监测，又适用于工程竣工验收和建筑物使用期间混凝土质量检定[1]。本文主要介绍超声回弹综合法和电磁感应法在建筑物混凝土质量检测中的应用，不妥之处，敬请指正。
超声回弹综合法[1，2]是以声速值、回弹值与混凝土强度之间的相关关系为基本依据，在状态下测试出混凝土的某些物理量，进而按相关关系推算出混凝土的特征强度。然而混凝土是一种多相复合材料，均质性较差，应用单一的无损检测方法(如单一回弹法或超声法)推算混凝土强度，因影响因素多，使推算的混凝土强度不能达到一定的精度。如果采用两种或两种以上的无损检测方法，获取多种物理力学参量，并建立混凝土强度与多项物理力学参量的综合相关关系，以便从不同角度综合评价混凝土的强度。由于综合法采用多项物理力学参量，能较全面地反映构成混凝土强度的各种因素，并且还能抵消部分影响强度与物理量相关关系的因素，因而它比单一物理量的无损检测方法具有更高的准确性和可靠性。
电磁感应法[3]是人工向混凝土构件发射脉冲电磁波并对其内部的金属物(如钢筋)产生电磁感应作用，从而使该金属物产生感应电流，于是在其周围形成二次电磁场，通过专业仪器观测感应电磁场的变化或异常即可确定混凝土内部钢筋的位置和埋深(即保护层厚度)。
2 检测方法与技术
2.1 超声回弹综合法
首先选定待测混凝土构件，并按规程或有关规定布置一定数量的测区(测区尺寸为20×20cm2；相对应的两个20×20cm2方块视为一个测区)，然后按图1布点方式进行回弹值、超声声速值的测试(对于同一测区宜先进行回弹测试，后进行超声测试)。
2.1.1 回弹法
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在每个测区相对应的两个测面上分别测读8个回弹值(如图1所示，两面共测取16个回弹值)，剔除3个最大值和3个最小值后，将剩余的10个回弹值进行平均取得该测区的平均回弹值，公式如下：
式中：Rm—测区平均回弹值；Ri—第i个测点的回弹值。
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如非水平状态测得的回弹值，应按下式进行修正：
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如顶面或底面测得的回弹值，应按下式进行修正：
式中：Ra—修正后的测区回弹值；Raα—测试角度为α的回弹修正值，可查表得到；Rat—测试顶面回弹修正值，可查表得到；Rab—测试底面回弹修正值，可查表得到。
测试时，如仪器处于非水平状态，同时构件测区又非混凝土的浇筑侧面，则应对测得的回弹值，先进行角度修正，后进行浇筑面修正。
2.1.2 超声法
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在每个测区相对应的两个测面上各布置3个测点(如图1所示)，在保证换能器与混凝土耦合良好的前提下，使发射和接收换能器在同一轴线上。测区声速采用下式计算：
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式中：vi—测区声速值，m/s；l—超声测距，m；tmi—第i个测区平均声时值，s；t1、t2、t3—分别为测区中3个测点的声时值，s。
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当在混凝土浇筑的顶面和底面测试时，由于上表面砂浆较多强度偏低，底面粗骨料较多强度偏高，综合起来与成型侧面是有区别的，另外浇筑表面不平整，因此，会使声速偏低，所以进行上表面与底面测试时声速应进行修正：
式中：va—修正后的测区声速值，m/s。
2.2 电磁感应法
现场施测首先选定待测混凝土构件，并在该构件上确定测试面，然后使探针轴线平行于设计钢筋走向并从混凝土测试面的边部或任意一点在垂直探针轴线的方向上移动探针来测定钢筋位置和保护层厚度。如果混凝土内分布有主筋和箍筋时应分别测定，首先圈定主筋(或箍筋)的位置和展布情况，然后在两个相邻箍筋(或主筋)的中间部位顺其走向进行测试，即可精确测定主筋(或箍筋)的位置和保护层厚度。
3 工程概况
某居民小区位于胶东半岛某市的技术开发区，由20余座住宅楼和商业网点楼以及小区花园等建筑物组成。其中1#、6#、7#、8#住宅楼均为六层框架，建筑面积分别为3390m2、3390m2、4050m2、4812m2。工程于2002年10月开工建设，至2003年3月整体工程已进入装修、装饰阶段。
受建设单位委托，部天津水电勘测设计研究院岩土工程技术中心工程质量检测部，于2003年3月28～31日对该项目框架现浇混凝土构件强度及钢筋分布情况进行了抽样检测。至测试之日，抽样中混凝土构件的龄期基本达到28天的要求。抽检结果较为全面、客观的反映了该混凝土强度指标和钢筋的分布特征，为建设工程的竣工验收和评价提供了依据。
使用仪器为：①北京市康科瑞工程检测技术有限责任公司生产的HT—225W全自动数字式回弹仪；②湖南湘潭市自动化技术研究所生产的SD-1型声波检测仪以及与之配套的50kHz平面型厚度振动模式换能器；③瑞士PROCEQAZURICH公司生产的PROFOMETER5型混凝土钢筋扫描仪。测试所用仪器设备均在计量认证有效期内，现场实施期间性能稳定、工作正常。
4 检测结果及分析
4.1 混凝土强度检测
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由各构件不同测区内测得的声速值和回弹值，按照《超声回弹综合法检测混凝土强度技术规程》(CECS02：88)推荐的混凝土测强公式(7)(当粗骨料为碎石时)换算混凝土强度：
式中：fcuc,i—第i测区混凝土强度换算值，MPa；vai—第i个测区修正后声速值，km/s；Rai—第i个测区修正后的回弹值。
或构件的混凝土强度推定值fcu,e可按：①单个构件处理，②批量构件处理等方式求得(具体步骤详见有关规范或规程)，选用时应视具体情况而定。本次抽检按单个构件处理方式求取混凝土强度推定值，即取该构件各测区中最小的混凝土强度换算值为该构件强度推定值。
测试成果按建筑物分类进行数理统计得表1及混凝土推定占设计强度等级百分比的分布图(图2)。
表1 混凝土构件检测结果统计表
建筑物名称 | 抽检构 件数量 | 设计强 度等级 | 推定强度(MPa) | 离差系数 (%) | ||
范围值 | 平均值 | 标准差 | ||||
1#住宅楼 | 36 | C30 | 29.2～37.3 | 33.39 | 2.27 | 6.79 |
C25 | 23.1～39.8 | 28.81 | 4.37 | 15.17 | ||
6#住宅楼 | 25 | C25 | 25.5～28.9 | 27.05 | 1.36 | 5.02 |
C20 | 23.6～36.1 | 28.90 | 3.22 | 11.14 | ||
7#住宅楼 | 25 | C25 | 32.7～41.1 | 37.04 | 3.07 | 8.28 |
C20 | 20.0～35.2 | 26.18 | 4.63 | 17.68 | ||
8#住宅楼 | 30 | C25 | 25.0～35.8 | 32.20 | 3.89 | 12.08 |
C20 | 21.0～32.3 | 27.01 | 3.23 | 11.95 | ||
根据测试结果，结合测试期间进度的具体情况，分析表1及图2可得如下基本结论：
①1#住宅楼抽检结果：抽检构件中有11.1%的构件强度低于设计强度等级，其中设计强度等级为C30构件的推定最大强度值为37.3MPa，达到设计强度等级的124.4%，而构件最小强度值为29.2MPa，达到设计强度等级的97.3%；设计强度等级为C25构件的推定最大强度值为39.8MPa，达到设计强度等级的159.1%，而构件最小强度值为23.1MPa，达到设计强度等级的92.3%，说明抽检构件中绝大多数混凝土强度达到或超过设计强度等级，最小的也达到设计强度的92%以上，基本满足设计要求。
②6#住宅楼抽检结果：抽检构件中混凝土强度均达到或超过设计强度等级，其中设计强度等级为C25构件的推定最大强度值为28.9MPa，达到设计强度等级的115.5%，而构件最小强度值为25.5MPa，达到设计强度等级的101.8%；设计强度等级为C20构件的推定最大强度值为36.1MPa，达到设计强度等级的180.3%，而构件最小强度值为23.6MPa，达到设计强度等级的140.6%，满足设计要求。
③7#住宅楼抽检结果：抽检构件中混凝土强度均达到或超过设计强度等级，其中设计强度等级为C25构件的推定最大强度值为41.1MPa，达到设计强度等级的164.4%，而构件最小强度值为32.7MPa，达到设计强度等级的130.9%；设计强度等级为C20构件的推定最大强度值为35.2MPa，达到设计强度等级的176.2%，而构件最小强度值为20.0MPa，达到设计强度等级的100%，满足设计要求。
④8#住宅楼抽检结果：抽检构件中混凝土强度均达到或超过设计强度等级，其中设计强度等级为C25构件的推定最大强度值为35.8MPa，达到设计强度等级的143.4%，而构件最小强度值为25.0MPa，达到设计强度等级的100.1%；设计强度等级为C20构件的推定最大强度值为32.3MPa，达到设计强度等级的161.7%，而构件最小强度值为21.0MPa，达到设计强度等级的105.0%，满足设计要求。
另外，图2表明，尽管抽检混凝土构件推定强度满足或基本满足设计要求，但强度分布范围较大，数据较离散，呈多峰型(1#楼为单峰)，表明混凝土的均匀性较差，其质量并不稳定。相对而言，所测建筑物混凝土的整体均匀性和质量由优到劣的顺序为：1#楼→8#楼→6#楼→7#楼。
4.2钢筋位置及保护层厚度检测
通过抽样检测，构件内钢筋分布基本均匀，保护层厚度为20～48mm。实测典型记录见图3。
图3 混凝土构件钢筋扫描图
5 结语
无损检测技术具有非破损、简便、快速、便于大面积测试等优点，已在与民用建筑、、电力等工程建设项目的混凝土质量检测和评价中得到广泛应用，取得了良好的应用效果，并在工程实践中不断、完善和提高。
超声回弹综合法利用声速和回弹这两个物理量来推定混凝土强度，较为全面客观地反映了影响混凝土强度的各种因素，提高了无损法检测混凝土强度的精度。这是因为声速主要反映材料的密实度，而密实度与材料强度有关，同时，由于它穿过材料，因而也反映了材料内部的均匀性、连续性等各项质量指标。回弹值则反映了材料的表面硬度，而硬度也与强度有关，因此能确切地反映混凝土表面(深3cm左右)的状态。可见，超声回弹的综合应用，能较确切地反映构件混凝土强度，对保证新建工程质量，以及对已建工程的安全性评价等方面提供科学依据。其中声波法还可用于混凝土内部缺陷的检测。
而电磁感应法——钢筋扫描仪的发射功率有限，测试深度(即保护层厚度)范围取决于待测钢筋的直径，并与相邻钢筋的距离以及周围其它电磁干扰有关，故一般情况下钢筋扫描仪实际测试深度(即保护层厚度)不大于15cm，此探测深度对一般建筑物的混凝土构件检测已满足要求。当探测较深部的钢筋或金属物时可采用电磁辐射法——地质雷达来测定，此技术还可用于混凝土内部缺陷的检测。
1. 国家建筑工程质量监督检验中心主编.混凝土无损检测技术[M].北京：建材工业出版社，1996.
2. 刘康和.超声回弹综合法推定混凝土强度的实例[J].水电站设计，1995，11(2)86～87.
3. 雷林源.城市地下管线探测与测漏[M].北京：冶金工业出版社，2003.