淺談混凝土強(qiáng)度的無損檢測(cè)
2015-06-30
隨著無損檢測(cè)技術(shù)的迅速發(fā)展和日臻成熟，無損檢測(cè)技術(shù)在建設(shè)工程中的作用日益明顯。它不僅已成為工程事故的檢測(cè)和分析手段之一，而且正在成為工程質(zhì)量控制和構(gòu)筑物使用過程中可靠性監(jiān)控的一種工具。可以說，在整個(gè)施工、驗(yàn)收及使用過程中都有其用武之地。
混凝土強(qiáng)度無損檢測(cè)根據(jù)其原理可分為半破損法、非破損法、綜合法。常見的主要有回彈法、超聲法、拔出法、鉆芯法、超聲回彈綜合法等。近年來，雖然在基礎(chǔ)理論方面并無新的重大突破，但在檢測(cè)方法、數(shù)據(jù)處理、評(píng)定技術(shù)等方面的研究取得了一定的成果。不僅使檢測(cè)的范圍更加廣泛，而且檢測(cè)精度也有不同程度的提高。例如：目前利用回彈法可以檢測(cè)再生混凝土，利用超聲―回彈綜合法甚至可以用來評(píng)定凍融混凝土。與其他方法相比，在綜合法的研究方面更是取得了很大進(jìn)展，這表明綜合法將是以后檢測(cè)方法的主要研究方向。而在數(shù)據(jù)處理及評(píng)定技術(shù)方面最新的研究主要有：利用逆回歸模型引入?yún)^(qū)間估計(jì)，引入了在非線性數(shù)據(jù)分析領(lǐng)域比較成熟的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ANN）技術(shù)等。
一、混凝土強(qiáng)度無損檢測(cè)的基礎(chǔ)理論及檢測(cè)儀器
混凝土強(qiáng)度無損檢測(cè)方法必須建立在混凝土的強(qiáng)度與適當(dāng)物理量之間的相互關(guān)系的基礎(chǔ)上。為了尋找與混凝土強(qiáng)度密切相關(guān)，而又能在結(jié)構(gòu)或構(gòu)件上用無損方法直接測(cè)量的物理量，往往采用回歸法和演繹法。雖然與回歸法相比，演繹法具有更好的普適性，但由于以往對(duì)強(qiáng)度與物理量的關(guān)系研究較少，目前用的較多的仍然是前一種方法。近年來隨著基礎(chǔ)科學(xué)的發(fā)展，為混凝土性能與物理量之間理論關(guān)系的研究奠定了基礎(chǔ)。
目前，常用的無損檢測(cè)強(qiáng)度方法多是通過混凝土應(yīng)力應(yīng)變性質(zhì)或密實(shí)度和空隙率來推算混凝土強(qiáng)度的。因此，必須建立混凝土應(yīng)力應(yīng)變性質(zhì)及空隙率與強(qiáng)度的理論關(guān)系。到目前為止，從已經(jīng)取得的理論方面的研究成果，我們可以了解到混凝土強(qiáng)度不但是彈性性質(zhì)的函數(shù)，而且還是塑性性質(zhì)和實(shí)驗(yàn)條件的函數(shù)，要提高無損檢測(cè)精度，必須同時(shí)反映這兩個(gè)因素。同時(shí)研究結(jié)果還表明，要用材料密度或空隙率指標(biāo)測(cè)定混凝土強(qiáng)度時(shí)，雖然空隙率是強(qiáng)度的主要影響因素，但單反映空隙率是不夠的，還必須把材料潛在強(qiáng)度和孔結(jié)構(gòu)作為重要參考因素，才能提高檢測(cè)精度。從而為某些以空隙率為推算強(qiáng)度依據(jù)的無損檢測(cè)方法，例如射線法、滲透法等，指明了方向。雖然基礎(chǔ)理論的研究難度大、見效慢，近年來對(duì)其的研究方較少，但它是無損檢測(cè)技術(shù)總體研究中不可缺少的組成部分，應(yīng)給予足夠的重視。
隨著測(cè)試方法和電子技術(shù)的發(fā)展，無損檢測(cè)儀器也發(fā)展到一個(gè)新水平。目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于檢測(cè)儀器的研究動(dòng)向主要有以下趨勢(shì)：傳感系統(tǒng)多樣化、儀器智能化、專用化、小型化、一體化、集約化。檢測(cè)儀器的研究同時(shí)也是無損檢測(cè)技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)，我國(guó)目前電子工業(yè)發(fā)展水平足以提供各種先進(jìn)儀器，但如何將電子技術(shù)與檢測(cè)技術(shù)緊密結(jié)合起來，卻是我們，目前有待解決的問題。
二、混凝土強(qiáng)度無損檢測(cè)的方法
近年來，對(duì)混凝土強(qiáng)度無損檢測(cè)方法的研究取得了一定的進(jìn)展，下面我們從半破損法、非破損法、綜合法幾個(gè)方面進(jìn)行說明。
1.半破損法
半破損法是以不影響結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的承載能力為前提，在結(jié)構(gòu)或構(gòu)件上直接進(jìn)行破壞性實(shí)驗(yàn)，或直接鉆取芯樣進(jìn)行破壞實(shí)驗(yàn)。然后根據(jù)實(shí)驗(yàn)值與結(jié)構(gòu)混凝土標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度的相關(guān)關(guān)系，換算成標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度換算值，并根據(jù)此推算出強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值的推定值或特征強(qiáng)度。屬于這類方法的有拔出法、鉆芯法、射擊法等。這類方法的特點(diǎn)是以局部破壞性試驗(yàn)獲得結(jié)構(gòu)混凝土的實(shí)際抵抗破壞的能力，因而直觀可靠，測(cè)試結(jié)果易為人們所接受。其缺點(diǎn)是造成結(jié)構(gòu)物的局部破壞，須進(jìn)行修補(bǔ)，而且不宜用于大面積的全面檢測(cè)。
由于拔出法強(qiáng)度的離散性往往較大，可靠性不如鉆芯法，而射擊法的實(shí)驗(yàn)結(jié)果受骨料影響十分明顯，所以鉆芯法是目前工程中應(yīng)用最為廣泛的半破損法。并以制定了《鉆芯法檢測(cè)混凝土強(qiáng)度技術(shù)規(guī)程》（CECS 03:08）。但由于要造成結(jié)構(gòu)或構(gòu)件局部破壞，不宜在同一結(jié)構(gòu)中大面積使用，因此，國(guó)內(nèi)外都主張把鉆芯法與其他非破損法結(jié)合使用。一方面利用非破損方法檢測(cè)混凝土的均勻性，以減少鉆芯數(shù)量，另一方面又利用鉆芯法來校正非破損法的檢測(cè)結(jié)果，以提高可靠性。所以，近年來關(guān)于鉆芯法單獨(dú)檢測(cè)混凝土強(qiáng)度的研究較少，更多的研究集中在鉆芯法與其他非破損法結(jié)合使用方面。
近年來，隨著人們對(duì)結(jié)構(gòu)的安全度和抗震要求的提高，使構(gòu)件配筋率越來越大，鋼筋間距越來越小。如混凝土梁、柱內(nèi)縱向受力鋼筋和加密區(qū)箍筋的間距大多在100mm以下，有的在 75mm以下。根據(jù) CECS 03:88，在芯樣中很難避免不取到鋼筋，而鋼筋對(duì)芯樣抗壓強(qiáng)度的影響是一個(gè)尚未解決的復(fù)雜問題，因此，極大地影響了鉆芯法檢測(cè)精度和可信度。所以，研究利用小直徑芯樣檢測(cè)結(jié)構(gòu)混凝土是鉆芯法目前研究的主要方向。而且通過實(shí)驗(yàn)研究表明，采用小直徑芯樣檢測(cè)商品混凝土及高強(qiáng)混凝土切實(shí)可行，且效果很好，可以在工程實(shí)際中推廣應(yīng)用。
2.非破損法
非破損法是指以混凝土強(qiáng)度與某些物理量之間的相互關(guān)系為基礎(chǔ)，檢測(cè)時(shí)在不影響結(jié)構(gòu)或構(gòu)件混凝土任何性能的前提下，測(cè)試這些物理量，然后根據(jù)相關(guān)關(guān)系推算被測(cè)混凝土的標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度換算值，并根據(jù)此推算出強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值的推定值或特征強(qiáng)度。屬于這類方法的有回彈法、超聲法、成熟度法等。這類方法的特點(diǎn)是測(cè)試方便、費(fèi)用低廉，但其測(cè)試結(jié)果的可靠性取決于被測(cè)物理量與強(qiáng)度之間的相關(guān)性。因此，必須在測(cè)試前建立嚴(yán)格的相關(guān)公式或校準(zhǔn)曲線。由于這種相關(guān)關(guān)系往往受許多因素的影響。所以，所建立的相關(guān)公式有其局限性，當(dāng)條件變化時(shí)，應(yīng)進(jìn)行相應(yīng)的修正，以保證推算結(jié)果的可靠性。
在非破損法中，回彈法由于具有儀器構(gòu)造簡(jiǎn)單、方法簡(jiǎn)便、測(cè)試值在一定條件下與混凝土強(qiáng)度有較好的相關(guān)性、測(cè)試費(fèi)用低廉等特點(diǎn)，已成為我國(guó)應(yīng)用最廣泛的無損檢測(cè)方法之一。因此，近年來的研究多集中在與回彈法相關(guān)的領(lǐng)域。目前，利用回彈法不僅可以檢測(cè)常規(guī)的混凝土結(jié)構(gòu)，而且可以檢測(cè)再生混凝土， 研究人員針對(duì)不同的再生粗骨料取代率，采用普通混凝土回彈儀對(duì)再生混凝土試塊進(jìn)行了抗壓強(qiáng)度檢測(cè)。結(jié)果表明，回彈法可以用于再生混凝土抗壓強(qiáng)度檢測(cè)。并且，通過采用多種回歸模型進(jìn)行比較分析，得到了再生混凝土統(tǒng)一測(cè)強(qiáng)曲線公式。定量分析表明，其測(cè)試精度滿足混凝土質(zhì)量控制要求。同時(shí)為了反映再生粗骨料取代率的影響，研究人員還給出了按再生粗骨料取代率分類的測(cè)強(qiáng)曲線及回歸方程。最后，對(duì)比了再生混凝土與普通混凝土全國(guó)統(tǒng)一曲線。結(jié)果表明，再生混凝土的表面硬度小于普通混凝土，但其隨抗壓強(qiáng)度增加的速度快于普通混凝土。同時(shí)，在預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土壓力管道的檢測(cè)中對(duì)回彈法進(jìn)行了嘗識(shí)性的應(yīng)用。經(jīng)綜合對(duì)比分析，證明回彈法可以用于管道混凝土強(qiáng)度的檢測(cè)。但是目前采用回彈法測(cè)試管道強(qiáng)度還處于嘗試階段，還不能真正解決實(shí)際的工程問題。另外，在回彈法的修正方面的研究也比較活躍，目前主要是利用鉆芯法對(duì)回彈結(jié)果進(jìn)行修正，也有學(xué)者認(rèn)為用鉆芯法修正回彈法可看成是鉆芯―回彈綜合法，因此，這方面的研究成果在將下一部分進(jìn)行闡述。
3.綜合法
所謂綜合法就是采用兩種或兩種以上的無損檢測(cè)方法，獲取多項(xiàng)物理參量，并建立強(qiáng)度與多項(xiàng)物理參量的綜合相關(guān)關(guān)系，以便從不同角度綜合評(píng)價(jià)混凝土強(qiáng)度。由于綜合法采用多項(xiàng)物理參數(shù)，能較全面地反映構(gòu)成混凝土強(qiáng)度的各種因素，并且還能抵消部分影響強(qiáng)度與物理量相關(guān)關(guān)系的因素，因而它比單一物理量的無損檢測(cè)方法具有更高的準(zhǔn)確性和可靠性。目前常用的有綜合法有超聲―回彈綜合法、鉆芯―回彈綜合法等，其中超聲―回彈綜合法已在我國(guó)廣泛應(yīng)用，并以制定相應(yīng)的技術(shù)規(guī)程（CECS 02:08）。
近年來，隨著人們對(duì)檢測(cè)結(jié)果的要求不斷提高，綜合法越來越受到人們的重視。目前，利用超聲―回彈綜合法不僅可以檢測(cè)負(fù)溫混凝土強(qiáng)度，預(yù)測(cè)混凝土的早期強(qiáng)度，甚至可以用來評(píng)定凍融混凝土抗壓強(qiáng)度。鉆芯―回彈綜合法則在檢測(cè)已有結(jié)構(gòu)混凝土和商品混凝土方面有較好的應(yīng)用，同時(shí)，在對(duì)鉆芯―回彈綜合法中的修正系數(shù)η的研究中發(fā)現(xiàn)，其服從對(duì)數(shù)正態(tài)分布，這一結(jié)果為在實(shí)際工程中剔除異常數(shù)據(jù)提供了相應(yīng)的理論依據(jù)。而目前關(guān)于綜合法的其他研究還有“回彈一超聲一拔出”綜合法檢測(cè)混凝土強(qiáng)度，鉆芯拉剝法現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)修補(bǔ)混凝土粘結(jié)強(qiáng)度等。為了更好的了解各種常用檢測(cè)方法的發(fā)展現(xiàn)狀，現(xiàn)列表對(duì)其進(jìn)行比較說明：
三、數(shù)據(jù)處理
1.數(shù)據(jù)融合思想及以逆回歸模型為基礎(chǔ)的區(qū)間估計(jì)
為了進(jìn)一步提高檢測(cè)結(jié)果的精度，使回彈法的推定結(jié)果成為工程驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)。最新的研究不僅引入了數(shù)據(jù)融合思想及逆回歸模型，還利用置信檢驗(yàn)理論給出了在一定置信度下的建筑結(jié)構(gòu)混凝土強(qiáng)度的置信區(qū)間，并給出了混凝土強(qiáng)度的合格和不合格的判定標(biāo)準(zhǔn)，形成了逆回歸回彈法檢測(cè)建筑結(jié)構(gòu)混凝土強(qiáng)度的新體系。與傳統(tǒng)的回歸模型和點(diǎn)估計(jì)方法相比，新的方法不僅能提高檢測(cè)結(jié)果的精度，而且更加符合工程實(shí)際，并能對(duì)混凝土強(qiáng)度做出定量化的判斷。
2.人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ANN）技術(shù)
鑒于回歸法在分析混凝土強(qiáng)度無損檢測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)存在局限性，最新的研究在處理數(shù)據(jù)時(shí)引入了在非線性數(shù)據(jù)分析領(lǐng)域比較成熟的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ANN）技術(shù)。結(jié)果表明ANN適合處理這類數(shù)據(jù)，并在一些方面補(bǔ)充了回歸法的不足。表2則羅列了回歸法與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法細(xì)節(jié)和實(shí)質(zhì)性的差異。
此外，回歸法中難以處理的高維數(shù)據(jù)，反而可以成為ANN改善誤差的一種途徑。因此，ANN的引入將使混凝土強(qiáng)度無損檢測(cè)數(shù)據(jù)分析中可以增加新的相關(guān)變量，以便更深入或更廣泛的考察混凝土強(qiáng)度無損檢測(cè)及其數(shù)據(jù)處理的有關(guān)問題。但是，目前ANN在混凝土強(qiáng)度無損檢測(cè)數(shù)據(jù)處理方面的應(yīng)用較少，還存在一些問題，需要進(jìn)一步的完善。它的處理結(jié)果可以為回歸法處理結(jié)果提供參考和補(bǔ)充。
四、結(jié)語
1.從目前的研究成果來看，綜合法由于自身的優(yōu)點(diǎn)，已成為目前研究的主要方向。同時(shí)隨著人們對(duì)檢測(cè)技術(shù)要求的進(jìn)一步提高，相信綜合法將是混凝土強(qiáng)度無損檢測(cè)未來發(fā)展的主要趨勢(shì)。
2.在數(shù)據(jù)處理方面，隨著對(duì)檢測(cè)結(jié)果精度要求的不斷提高。利用傳統(tǒng)的回歸模型和點(diǎn)估計(jì)方法有時(shí)很難達(dá)到我們的要求。因此，尋找更加有效，精度更高的數(shù)據(jù)處理方法是以后研究的主要方向。
