土木工程领域中的无损检测技术

郝勇 殷徐 雷龙坚

（长江大学城市建设学院）

改革开放以来，我国基础建设稳步推进。但随着时间的推移，由于大气条件、过度负荷和自然老化过程等因素的影响，工程结构逐渐被破坏，后果不堪设想。因此，一项工程建设中和完工后，对结构中重要的混凝土构件进行损伤检测是防止灾难发生的十分必要的环节。无损检测技术是指在不破坏或改变结构的前提下利用声、光或电磁等手段，来探寻物体内部是否有能够威胁到整个结构安全的缺陷的技术，是工程建设过程中以及完工后检验工程质量和保障结构安全的重要手段。

1 光学检测技术

1.1 激光扫描仪

激光扫描仪是近年来在土木工程应用中广泛探索的遥感技术的一部分，用于详细记录和检查大型结构。相较于传统检测方法的优势在于其能够收集大量精确的数据，包括几何形状以及不同的辐射属性[1]。其原理是使用聚焦的相干光脉冲，系统计算光在传输过程中以及从被测物体返回时的飞行时间，将其转换为距离然后生成毫米级三维地图。该技术的局限性是只能测量和生成被扫描物体可见表面的变形，并且需要充足的光照和较慢的扫描速度来提高图像的质量[2]。其二是激光扫描仪会产生大量的数据，需要人工处理大量的数据。另外使用需要对激光对准算法进行修正调平以提高裂缝检测的精度。严承峻[3]研究了激光扫描技术在桥梁工程中的应用，结果表明该技术可以有效监控施工全程，降低了成本，提高了施工效率。

1.2 光纤检测技术

利用外界因素使光在光纤中传播时光强、相位、偏振态以及波长（或频率）等特征参量发生变化，从而对外界因素进行检测和信号传输的技术称为光纤检测技术。因其具有低损耗、轻重量、可绕性好、可检测信息量大等优点被广泛应用，检测主要是通过光源加线束构成的光纤传感器(FOSs)进行。目前光纤检测技术传感器主要有三种，即光纤布拉格（bragg）光栅传感器、分布式光纤传感器和光纤干涉传感器[4]。

bragg 光栅传感器的应变测量精确度可达纳米级，并且测试结果十分可靠。主要缺陷是同一光纤上的光栅数目受光源谱线宽度的限制，并且成本较高，制作光栅时需在不影响光纤精度的同时保护好光纤也是一个挑战。目前该传感器已广泛应用于土木工程各个领域中。 Zhang, C等[5]采用光纤光栅传感器对钢筋混凝土结构的地震损伤响应进行了监测。研究结论得出，光纤光栅传感器非常准确地检测到裂纹的萌生和梁中发生的损伤。

分布式光纤传感器(DOFS)由连续分布等长度的光纤传感单元组成，相邻的传感单元之间没有间距，它们能以真正分布式的方式监测整个光纤的一维结构物理场的变化，有很好的经济性。Zhao等[6]采用一种基于分布式光纤布里渊技术的新方法。通过在钢筋混凝土试件中埋设DOFSs 来测量钢筋腐蚀引起的膨胀应变并验证了该方法的有效性。

干涉光纤传感器的工作原理简单来说就是利用光波的干涉将包含在光波相位中的被测信息实现相位调解，从而获得所需要的参数与信息。该传感器使用的单模光纤直径更小，可以在不影响材料连续性的情况下嵌入材料中。但是在现场环境中的安装需非常小心。单模光纤应成功切割并耦合在一起，以确保耦合损耗最小。Leng 等人[7]使用FP 和FBG 传感器来监测碳纤维增强塑料应用的固化过程。结果表明，嵌入式FP 干涉传感器和FBG 传感器都可以用于监测复合材料的固化过程和过程中发生的损伤。

2 声波检测技术

2.1 超声脉冲技术

超声波是一种频率高于20KHZ 并且超过人类听觉极限的机械波。超声脉冲技术的原理是通过反弹声波来确定内部缺陷的尺寸和位置[8]。其缺点是在混凝土疏松层中，缺陷范围达到一定程度才能检验出来。土木工程领域通常会应用该技术在检验混凝土质量、混凝土构件完整性和纤维增强材料等方面。Messaouda Bel‐ouadah 等[9]利用超声脉冲技术评价用大理石废料和粉末作为水泥部分替代品的物理力学性能。他们将六种不同重量百分比大理石粉替代水泥，并加入超级增塑剂。采取超声脉冲技术和回弹锤法对四段养护龄期的试件进行了测试和分析。研究发现各试件的抗压强度与超声脉冲速度呈现良好的线性相关性。

2.2 相控阵超声检测技术

相控阵超声检测起源于先进的相控阵雷达技术，也称相控阵超声显像法，其基本原理实际上是相位控制，通过电子系统控制探头阵列中的晶片按照一定的延时法则发射和接收超声波，实现声束的扫描、偏转、聚焦等功能，可以在探头不前后移动的情况下将声束覆盖到检测区域，并在接收声波回波后按一定的延迟法则进行信号处理并以需要的图像的方式来显示被检测对象内部缺陷状态，可实现各种结构复杂工件的检测[10]。由于其检测自由度高，检测快速、全面准确等优点，在医学和工业领域应用较广，近些年开始在土木工程领域有所应用。但其也存在一些缺点，如只适用于形状规则的部件，缺陷定量困难，装置规模大，判读困难，对操作人员技术有比较高的要求等，还需学者们更加深入的去研究解决这些问题。

王康等[11]等采用干耦合相控阵超声断层扫描、连续扫描二维拟合图像法检测4套不同类型灌浆孔道的装配式浆锚连接剪力墙试件的灌浆质量，结果表明相控阵超声检测法能准确识别混凝土通孔、聚氯乙烯（PVC）管和钢管灌浆脱空的位置和尺寸，并且可以准确识别异物缺陷位置和尺寸。目前相控阵超声检测法在土木工程领域的应用不多，但这两项研究可以充分说明相控阵超声检测法在土木工程行业有着巨大的应用潜力。

3 电磁波检测技术

3.1 探地雷达

探地雷达(GPR)是一种利用脉冲电磁辐射扫描混凝土以评估混凝土结构完整性的无损检测方法。其具有非侵入性、低成本和快速监测的特点，是土木工程中应用最广泛的电磁波技术之一，它的工作原理是利用电磁光谱的微波区域，产生高频电磁能量的辐射短脉冲通过发射天线穿透物体，然后由接收器探测到。系统测量的工作频率越高，分辨率越高，系统的穿透深度越低。测量信号根据变化后的信号进行放大、处理和分析，以此来检测钢筋混凝土结构中的腐蚀或缺陷。其缺点是必须使用测试材料提前进行校准以保持系统准确性并且要高技能的专家来解释从系统中捕获的数据。

近年来，研究人员主要关注各种GPR 数据分析方法，希望通过人工智能分析数据以克服技术的局限性。吴文秀等[12]为检测沥青路面的实际厚度并实现沥青路面厚度的自动提取。分别采用Canny 算法、连通区域检测算法对探地雷达图像进行处理，并结合gprMax 软件正演模拟数据对比分析。结果表明，Canny 算法具有更好的效果，与实际相比误差约为4.13%，可以较好地实现探地雷达图像中沥青路面厚度的快速智能提取。

3.2 频率扫描法

频率扫描法是一种基于电磁波的方法，其基础理论为交变磁场测量法。主要原理是利用一个固定磁场，使射频或磁场的频率缓慢变化，通过共振范围，获得我们所需要的共振谱。一般频率扫描系统由发射机、接收机、矢量网络分析仪和图形用户界面的计算机组成。天线与分析仪相连，通过用户界面进行实时控制，可以调节并控制系统与被测物之间的距离。系统工作在频域中的扫描频率设置为从2 GHz到13 GHz，入射波由分析仪产生并发送到发射机天线。通过接收天线捕获反射信号，依据波长、频率、时间等数据进行分析。Kot 等[13]首次将频率扫描法应用于检测混凝土平屋面渗漏情况。结果表明，防水膜失效对微波信号有影响。反射微波信号的振幅和频率都发生了变化。

4 结论与展望

本文对工程建设中一些无损检测技术进行了基本介绍，目前无损检测在土木工程领域中所使用的场景更多的是在实验室或现场检测等陆上建筑，对于大型结构的长期监测以及水下及其他恶劣环境结构检测仍然是一个丞待解决的问题，在目前我国基础设施基本完善的现状下，对于建（构）筑物的安全保证是关键问题，因此，未来可以更多的向大型结构或恶劣环境下的整体长期实时监测以及预警进行更加深入的研究。