结构非破损检测与鉴定论文

绿色高性能混凝土建筑材料可持续发展的设想 多年来,关于混凝土材料的研究和对其发展方向的制定,过于偏重于使其达到某种或综合的优良性能这一基本原则上,而对其耐久性重视程度不够。90 年代初高性能混凝土概念提出后,促使人们加强了对混凝土材料的施工性和耐久性的研究,而绿色高性能混凝土则是将单纯的材料性能的获得与建筑材料的可持续发展综合考虑时的必然方向。1 绿色高性能混凝土 高性能混凝土应该具有下列某些或多项优良性能: (1) 优良的施工性:能在正常施工条件下保证混凝土结构的密实性和均匀性,并尽量降低振动噪音和振实能耗; (2) 强度高:尽量减少肥梁胖柱,并要考虑到建筑的美学效果和结构挠度以及功能等方面的要求; (3)耐久性优良:如抗冻性、抗渗性、抗冲击性、抗水砂冲刷性等; (4) 具有某些特殊功能:如超早强、低脆性、高耐磨性、吸声、自呼吸性等。尽管在开发应用高性能混凝土的过程中,一般都要使用高性能外加剂和性能优良的掺合料,在一定程度上可以起到节约水泥从而节约资源和能源、保护环境的作用,但高性能混凝土的提出者及研究开发者都很少从环境保护、节约资源和能源的高度来认识这一问题,过分强调在任何工程中都使用高强混凝土,无凝是对宝贵而有限的地球资源和能源的浪费。 最早提出绿色高性能混凝土概念的是中国工程院院士吴中伟教授。简要地说,符合以下条件的高性能混凝土才真正能称得上是绿色高性能混凝土: (1) 所使用的水泥必须为绿色水泥,砂石料的开采应以十分有序且不过分破坏环境为前提; (2) 最大限量地节约水泥用量,从而减少水泥生产中的“副产品”———CO2 、SO2 和NOx 等气体,以保护环境; (3) 更多地掺加经加工处理的工农业废渣,如磨细矿渣、优质粉煤灰、硅灰和稻壳灰等作为活性掺合料,以节约水泥保护环境,并改善混凝土耐久性; (4) 大量应用以工业废液,尤其是黑色纸浆废液为原料改性制造的减水剂,以及在此基础上研制的其它复合外加剂,帮助其它工业消化处理难以处治的液体排放物; (5) 集中搅拌混凝土,消除现场搅拌混凝土所产生的废料、粉尘和废水,并加强对废料、废水的循环使用; (6) 发挥高性能混凝土的优势,通过提高强度,减小结构截面积或结构体积,减少混凝土用量,从而节约水泥和砂、石的用量;通过改善施工性能来减小浇筑密实能耗,降低噪音;通过大幅度提高混凝土耐久性,延长结构物的使用寿命,进一步节约维修和重建费用,减少对自然资源无节制的使用; (7) 对大量拆除废弃的混凝土进行循环利用,发展再生混凝土。2 绿色高性能混凝土的原材料 尽管绿色高性能混凝土是一种相对节能的建筑材料,但随着世界水泥年产量和混凝土浇筑量的不断增加,它对资源、能源和环境所产生的影响是非常惊人的。据估算,生产1t 水泥熟料所排放的CO2 约为1t ,同时还要排放SO2 、NOx 等有害气体,CO2 的大量排放直接导致“温室效应”,而SO2 、NOx 等气体的排放则会引起“酸雨”现象,由于收尘设施不佳,水泥生产还排放出大量粉尘,水泥厂一直被看作环境污染源;水泥工业也是耗煤、耗电大户,水泥的大量生产和应用还将导致地球矿产资源的匮乏和生态平衡的破坏。因此,混凝土能否长期作为最主要的建筑材料,不仅要求其具备在耐久性、施工性和强度等方面的高性能,而且最关键之处在于其绿色“含量”是否高。水泥虽然只占混凝土所有原材料质量的10 %～20 % ,但水泥工业生产中所消耗的能量是最多的,几乎占混凝土能耗的50 %～60 %;混凝土从原材料生产加工到浇筑成型的整个过程中,水泥工业是排放粉尘和有害气体的最大的污染源。 因而,发展绿色高性能混凝土的首要条件是生产和使用节能型、环境污染少的绿色水泥。“绿色”型水泥生产是将资源利用率和二次能源回收率均提高到最高水平,并能够循环利用其它工业的废渣和废料;技术装备上更强化了环境保护的技术和措施;产品除了全面实行质量管理体系外,还真正实行全面环境保护的保证体系;粉尘、废渣和废气等的排放几乎接近于零,真正做到不但自身实现零污染,无公害,又因循环利用其它工业的废料、废渣,而帮助其它工业进行三废消化,最大限度地改善环境。3 开发研制和应用绿色高性能混凝土尚需进行的工作 绿色高性能混凝土从原材料到具体工程应用涉及到的部门和环节很多。实现水泥生产“绿色化”一个环节是不够的,必须同时开展如下工作: 第一、要加强混凝土科研开发、标准制定、工程设计和施工人员等的环保节能意识,加大“绿色”概念的宣传力度,引起混凝土工程领域各环节的高度重视。 第二、工程设计人员应更新传统的混凝土设计方法,敢于在重大工程中掺用活性混合材料和加大掺量;施工人员要提高质量意识,严格施工,加大活性混合材掺量对混凝土各项性能所产生的益处已众所周知,但未被工程界充分重视。比如,对粉煤灰的应用问题,尽管科研工作者早就着手大掺量粉煤灰混凝土的研究,但目前即使在商品混凝土中粉煤灰的实际掺量一般也只有15 %左右,很少超过20 %。有人曾研究过粉煤灰替代率为35 %～50 %的低强度等级混凝土(14MPa)的性能,认为可大量用于道路的路基,大掺量粉煤灰混凝土,尤其适合于大体积混凝土工程和海工混凝土工程。再如针对混凝土材料的耐久性,人们并没有象所期望的那样加大活性混合材的用量,控制某些种类防冻剂和早强剂的掺量,或者重视低碱水泥的使用,以致范围广泛的混凝土工程碱集料破坏现象仍很严重。 第三,研究对工业废渣行之有效的加工方法、加工设备,以期充分利用其活性;在工业废渣利用方面,还要坚持贯彻优质优用的原则,即超细磨矿渣和优质粉煤灰主要用于配制高强度混凝土,而配制中低强度等级混凝土一般仍应采用普通细度矿渣或低等级粉煤灰。 第四,开发适合于掺活性混合材混凝土的高性能外加剂,以解决掺混合材对混凝土性能产生的某些负面效应,同时还可避免过分提倡混合材超细磨所引起的能耗问题。通过掺用合适的高效减水剂和引气剂,可配制出各种性能相当优异的混凝土。对于大掺量普通细度活性混合材的混凝土,通过掺加有效的激发剂,有望改善其早期强度,但应严格限制激发剂中C1 和SO2的含量,或禁止使用这类激发剂,以免引起钢筋锈蚀或碱集料反应。 第五,研究一种或多种活性混合材和外加剂与水泥矿物成分的超叠加效应,以便针对具体材料提出最佳设计方案。 第六,对纸浆黑色废液进行加工处理,开发以纸浆废液为主要原材料的各种外加剂,并扩大其使用范围,长期以来,黑色纸浆废液一直是导致我国长江、黄河流域以及其它河道水质严重污染的“元凶”。我国大约有9000 多家造纸厂,每年产生的黑色废液大约有30 亿～90 亿t ,绝大多数厂家都把未经处理的废液直接排放到江河中,造成的污染十分惊人———竟占我国所有化工污染的1/ 4 ! 尽管国家已对部分厂家实行了关停并转,但处理纸浆废液的任务仍刻不容缓。利用纸浆废液来制取混凝土减水剂不仅可以节省工业萘的消耗,降低成本,最重要的是可帮助造纸厂处理并循环利用废液,减少其对环境、工农业生产以及人身健康造成的巨大危害。 第七,研究和制定绿色高性能混凝土的质量控制方法、验收标准等,绿色高性能混凝土都要求掺加活性混合材,然而,除硅灰和稻壳灰等外,活性混合材对混凝土强度的贡献主要在后期。如果仍沿用普通混凝土质量控制方法和验收标准,即以28 d 抗压强度来衡量混凝土的质量,则不符合实际情况,势必要造成强度和材料的浪费,也影响绿色高性能混凝土生产者的积极性,使绿色高性能混凝土难以推广,这与混凝土“绿色化”的真正目的是背道而驰的。另外,绿色高性能混凝土要求混凝土具有较为优良的耐久性,但对混凝土质量评定的传统和现行的标准只考虑强度,而对耐久性指标一般不予考虑,希望新标准中增加耐久性指标。 第八,应针对当前城市改造过程中大量拆除旧结构物混凝土,研究出一整套破碎、分级技术,开发再生混凝土,用于浇筑强度要求相对较低的地坪、中低等级混凝土路面、路基等工程。

摘 要: 建筑结构的现场检测，按结构、材料不同可分为混凝土和钢结构现场检测。通过对混凝土建筑结构、砌体结构及钢结构现场检测方法的总结、分析、评价，结合检测技术的现场应用，提出对结构现场检测技术的展望。 关键词: 建筑结构；检测方法；非破损检测；强度 引言 建筑结构的现场检测，按不同结构、不同材料可分为:混凝土结构现场检测和钢结构的现场检测，本文试对其现状和发展趋势进行分析和展望。 1、混凝土结构现场检测方法 混凝土结构宏观性能试验方法是“试件试验”。这类方法以试件破坏时的实测值，作为判断混凝土性能的依据较为直观，称为破损性实验，由于试件中的混凝土与结构中的混凝土质量、受力状况及各种条件不可能完全一致，而且对于建筑结构的现场检测也不太适用。 20 世纪30 年代混凝土非破损检测方法发展起来了，如回弹法、超声脉冲法等在不破损混凝土的条件下进行现场检测。 1. 1 回弹法 回弹法是用回弹仪弹击混凝土表面，由仪器重锤回弹能量的变化，反映混凝土的弹性和塑性性质，测量混凝土的表面硬度推算抗压强度，是混凝土结构现场检测中常用的一种非破损试验方法，我国已编制了规范。 回弹法的主要优点是:仪器构造简单，方法易于掌握，检测效率高，费用低廉，影响因素较少，但还存在一定不足:回弹值受碳化深度、测试角度的影响，石子种类对其也有影响，要对回弹值进行不同的修正，对存在有质量疑问区域的混凝土，需用其它方法进行进一步检测。 1. 2 超声脉冲法 用超声脉冲法检测混凝土强度是测试超声波在混凝土中的传播参数，找出混凝土抗压强度与这些参数的关系，确定其抗压强度。 混凝土是各向异性的多相复合材料，内部存在广泛分布的砂浆与骨料的界面和各种缺陷，使超声波在混凝土中的传播要比在均匀介质中复杂得多，产生反射、折射和散射现象，并出现较大衰减，因此超声脉冲法检测混凝土强度虽然能够检测出混凝土内部存在的问题，但是对测试仪器、换能器与混凝土的强度和超声传播声速间的定量关系受到混凝土的原材料性质及配合比的影响；测试试件的温度和含水率的影响等，只有综合考虑各种因素和条件，建立高拟合度的专门曲线，使用时才能得到比较满意的精度。 1. 3 超声回弹综合法 超声回弹综合法是建立在超声传播和回弹值与混凝土抗压强度之间相互关系上，以声速和回弹值来综合反映混凝土抗压强度的一种非破损检测方法。 超声回弹综合法在一定程度上克服了以单一指标评定混凝土强度的不足，它把石子和测试面的影响，从检测结果中加以修正，对于多指标综合，能较全面地反映与混凝土强度有关的各种要素的作用，提高了测试精度。 1. 4 钻芯法 钻芯法与前3 种方法不同。它用专用取芯机从被检测的结构或构件上直接钻取圆柱型的混凝土芯样，并根据芯样的抗压试验强度，推定混凝土的抗压强度，是一种较为直观可靠的检测混凝土强度的方法，由于需要从结构上取样，对原结构有局部损伤，所以是一种现场检测的半破损试验方法。 钻芯法为许多国家所采用，俄罗斯、美国、英国、日本、法国等都制定了各自的标准，国际标准化组织也提出了相应国际标准草案（ ISO/ DIS7034） 。 1. 5 拔出法 拔出法试验也是一种半破损检测方法，它是用一金属锚固件预埋入未硬化的混凝土浇筑构件内，或在已硬化的混凝土构件上钻孔埋入一膨胀螺栓，然后测试锚固件或膨胀螺栓被拔出时的拉力，由被拔出时的锥台型混凝土块的投影面积确定混凝土的拔出强度，并由此推算出混凝土的抗压强度。 拔出法在美国、加拿大、丹麦等国家已广泛得到应用，国际标准化组织（ ISO） 曾提出关于测定硬化混凝土拔出强度的国际标准草案（ ISO/ DIS8046） 。 1. 6 超声脉冲法 超声脉冲法是检测混凝土内部缺陷和操作应用最广泛的方法，当结构混凝土中存在缺陷或损伤时，超声脉冲通过缺陷时会产生绕射，传播的声速要比相同种类材质无缺陷混凝土的传播声速要小，声时偏长；缺陷界面上产生反射，因而能量显著衰减，波幅和频率明显降低，接收信号的波形平缓，甚至发生畸变，因此可判别混凝土的缺陷与损伤，这在工程验收、事故处理和已建建筑物可靠性鉴定工作中，可为结构补强和维修，提供可靠的判别依据。 需要特别注意的是，有波形显示的超声检测仪方可用于探伤，而无波形显示的数字式声速仪，只能提供声时和声速作为唯一的判别依据，容易造成误判。 1. 7 混凝土结构中钢筋位置和钢筋锈蚀检测1. 7. 1 钢筋位置的检测 对已建混凝土结构作可靠性诊断和对新建混凝土结构施工质量鉴定时，要求确定钢筋位置、钢筋情况，当采用钻芯法检测混凝土强度时，为所取部位避开钢筋，也常作钢筋位置检测。常用的电磁感应法检测，比较适用于配筋稀疏和混凝土保护层不太厚的情况，当钢筋位置在同一平面或在不同平面内距离较大时，测得的结果比较满意。 1. 7. 2 钢筋锈蚀的检测 混凝土若质量差、工作环境恶劣或其它原因使结构产生各种裂缝，就会造成钢筋的锈蚀。而钢筋锈蚀则导致混凝土保护层胀裂、剥落，钢筋有效面积削弱等，直接影响结构的承载能力和使用寿命，而对已建结构进行结构鉴定和可靠度诊断时，必须对钢筋锈蚀进行检测。 用半电池法测量钢筋表面与探头之间的电位差，以判断钢筋锈蚀的可能性及锈蚀程度。 2、砌体结构的现场检测方法 砌体结构主要指砖砌体，砌体强度是由砖块和砂浆强度或施工时制做的砌体试块强度来决定的，传统的检测方法是直接从砌体结构上截取试样，进行抗压强度试验而砌体结构的特点导致取样存在较大难度，取样时的扰动又会对试样产生较大损伤，从而影响试验结果。因此，砌体结构的现场原位非破损或半破损试验方法理所当然地受到重视，并广泛开展研究和工程实际应用。 2. 1 砌体强度的间接测定法 砌体强度与砂浆和砖块强度有直接关系。由砂浆和砖块强度等级可确定砌体的抗压强度，间接测定法就是使用专门的仪器和专门的测试方法，测量砂浆和砖块的某一项强度指标或与材料强度有关的某一项物理参数，并由此间接测定砌体强度。 （1） 冲击法。依据物体破碎时所消耗的功与破碎过程中新产生表面积成正比的基本原理、由事先建立的单位功表面积增量和抗压强度之间的经验公式，求得砂浆或砖块试样的强度。 （2） 回弹法。检测砖块和砂浆强度的基本原理与混凝土强度检测的回弹法相同，只是采用专门的砂浆回弹仪，因为砖的表面硬度与强度有良好的相关性，所以，此法精度高，且简单、适用。 （3） 推出法。推出法又称顶推法、剪法，具体称单砖单剪法。即把一单砖的顶面、两侧面砂浆清除，只留底面，用特制的小千斤顶将其“顶出”，在极限状态时，测得砖与砂浆的粘接抗剪强度，并根据抗剪强度与抗压强度的关系，推出抗压强度。 此外尚有筒压法、点荷法等通过测定砂浆的强度来测定砌体强度的方法，都已进行了大量的研究，取得了一定成果。 2. 2 砌体强度直接测定法 （1） 抽样检测法。主要包括切割法与取芯法，切割法切割的试件宠大，搬运过程中扰动大，造成试验结果的离散性大，耗费大量的人力、财力，只限于庞大砌体工程质量事故处理及对其它方法的校准。取芯法是对芯样作抗压和抗剪试验，对砌体扰动也很大，其试验结果不太一致。 （2） 原位检测法。主要包括扁顶法、原位轴压法和原位剪切法。扁顶法是采用扁式液压测力器装入开挖的砌体灰缝中进行砌体强度的原位检测方法，它较好地克服了取样法的不足，但设备复杂，允许的极限应变较小，测定砌体的极限强度受到限制。原位轴压法是对扁顶法的改进，其原理与其一致，测定砌体的极限抗压强度，推算其标准抗压强度，缺点是设备较沉重，使用不便，原位剪切法是在墙体上直接测试砌体通缝的抗剪强度，由于对测试部位有限制，使其应用有一定的局限性。 （3） 动测综合法。动测综合法是振动反演理论在工程上的应用。在脉动、起振机共振、自由释放或冲击等激振方式的作用下，通过测量砌体结构的频率和振型等参数，根据系统识别理论得到层间刚度，推算出各层砌体轴心抗压强度，此法从房屋整体出发，不仅能得到砌体的强度，鉴定房屋的质量，便于对房屋进行安全性评定，随着检测仪器技术的改进，算法的优选，结果的精度不断提高，很有发展前途。 （4） 微观结构法。声、波、射线等在材料中传播时，会因材料的微观结构的判别而不同，由此可推断出材料的强度。我国在砌体房屋检测的方法有应力波法和超声波法。应力波法测低强和高强砂浆砌体时，精度不高，超声波法由于影响因素较多，测试结果不理想，有待进一步提高。 3、钢结构的现场检测方法 在我国的建筑结构形式中，钢结构也是一种重要的结构形式，对已建钢结构鉴定时，检查钢结构材质，了解结构钢材的力学性能，最理想的方法就是在结构上截取试样，由拉伸试验确定其强度，但会损伤结构，影响它的正常工作，因此，常用的方法有表面硬度法、超声法等。 3. 1 表面硬度法 表面硬度法由布氏硬度仪测定，由硬度计端部的钢珠受压时在钢材表面和硬度标准试样上的凹痕直径，测得钢材的强度，换算得到钢材的强度、屈服强度。此法在检测中，由于仪器简单、使用方便、基本无损害而得到广泛的应用。 3. 2 超声法检测钢材和焊缝缺陷 超声法检测钢材，多采用脉冲反射法。超声波脉冲发射进入被测材料传播，无缺陷时，不出现缺陷反射波，反之产生部分反射，由于钢材密度比混凝土大得多，为了能检测到较小的缺陷，要求选用较高的超声频率，此法比磁粉探伤、射线探伤更有利于现场检测。 4 、结构现场检测技术展望 结构现场检测技术对工程质量事故的检测、处理方面，具有重大的应用价值，从国内外的发展状况来看，该项技术涉及到多个学科的应用技术，应进一步研究、完善，应从以下几个方面来努力、创新。 （1） 新参数、新性能指标的测试。随着材料科学的发展，许多新材料被工程所应用，建筑结构设计的不断改进，一些新的参数和新的性能指标能够说明新材料和新结构的可靠性，需要不断研究这些参数指标的测试方法，为工程实践服务，是当前测试技术发展的趋势。 （2） 新思想的引入、对数学模型的创新和改善。在建筑结构检测方法的研究中，引入新思想，不仅要考虑宏观力学，还要考虑微观力学，深入全面地看问题。已有的检测方法中用到的经验公式有一定的局限性、在新的数学模型建立时，应更加注意其边界条件，扩大使用范围，提高拟合程度。 （3） 测量仪器的改进。随着计算机的普及与发展，改进测量仪器成为必然，测量仪小型化、智能化，使测试精度不断提高，以保证现场检测的需要。 （4） 操作方法的改进。结构检测仪器的操作方法要日趋简单化，使其更适合于大面积建筑工程质量的检测。