随着社会和经济建设的不断发展，大量基础工程和城市建设的需求在不断增加，城市地下空间30 m或以浅部分已进入规划和利用范围，道路、桥梁、跑道、房屋建筑等混凝土体结构设施需要巡查检测，获得快速、高效和精细的结果，这对浅表层介质探查方法技术提出了新的更高的要求.目前，用于对介质内部结构及异常进行探查与评价的方法较多，主要围绕混凝土结构的自身强度和内部缺陷两大方面开展工作，且以地震和电磁两大类方法应用较为广泛，其探测的准确率和便捷程度一直是人们关注的重点.随着社会不断发展，混凝土体工程类型在逐渐增多，例如针对隧道、城市地铁及井筒壁后注浆情况、围岩松动情况、构筑物混凝土质量等都需要进行有效检测，了解隧道壁后空洞、充水及松动情况；对矿井井筒、巷道混凝土壁后松动等进行不定期维护性检测；对道路桥梁、立柱等进行结构裂隙、破坏特征等检测，定量评价混凝土质量；对房屋建筑混凝土体结构质量进行评测等(朱合华和李晓军，2007).受勘探技术条件的限制，国内相关的物探技术仅是按照传统的勘探方法进行数据采集，对技术及装置快速革新研究程度不足，严重制约了现场勘探的速度和效率，在大面积、长测线场地条件下的全方位快速评测技术研究不足，因此可以说对地质条件的快速扫描探测已成为各种地球物理探查技术发展的必需.通过快速扫描，才能实现对场地的巡检和地质环境的动态评价，进一步研究地质条件的时空域规律，其理论和实践应用的价值巨大.文章通过对现有的各种测试方法技术分析，进一步提出混凝土结构隐患探查技术的发展方向，力求为混凝土体结构及其异常测试技术进步和发展提供参考. 1 混凝土介质存在的问题

混凝土是用水泥作胶凝材料，砂、石作集料，与水按一定比例配合，经搅拌、成型、养护而得的水泥混凝土，也称普通混凝土，它是当今世界上用途最广、用量最大的一种建筑复合材料，被广泛应用于土木、水利、交通、矿山等大型国民经济基础性设施和国防工程中.预计在未来相当长的时间内，混凝土作为主要的建筑材料仍有着广阔的发展和应用前景，混凝土结构体将广泛存在.作为一种多相复合体系，混凝土介质内部结构存在微观、细观和宏观等缺陷界面.一般认为，微观和细观缺陷是材料形成过程中的必然产物，是混凝土的固有缺陷.而宏观缺陷则是由于在施工过程中，混凝土原组成材料不同，配合比、拌和捣制以及养护等生产工艺不当，成型过程不规范，或是因为受力及腐蚀性破坏所产生的问题，主要表现为软弱夹层、蜂窝、孔洞、裂缝、不密实区、腐蚀破坏层等，均会导致其质量、强度下降，对混凝土结构的安全带来隐患.混凝土在使用过程中也会随着年限增长，结构体在荷载及侵蚀条件作用下产生老化、病害和事故等耐久性问题，这类问题不仅会影响到建筑物使用，通常还会带来严重的工程灾害.当结构或构件再受力时，存在隐患的位置将因应力集中而遭受到破坏(董清华，2005；王英，2005；张建纲，2007).同时，由于混凝土介质与之接触部位也会出现不密实、空洞等现象，在隧洞壁、井筒壁以及地下连续墙体等工程中较为常见.因此，需要对混凝土介质的表面、内部以及接触带等处进行相应的缺陷及隐患检测，评判混凝土内部的空洞和不密实区的位置、范围、裂缝深度、表面损伤层厚度、不同时间浇筑的混凝土结合面质量、灌注桩和钢管混凝土中的缺陷、壁后接触质量等内容.

2 测试方法技术及分析

混凝土介质检测是指在无损条件下，利用声、光、电、磁、热和射线等地球物理方法，测量物理参数并构建其与混凝土力学性能之间的相关关系，进一步评判混凝土的强度、介质内部缺陷等特征.由于地球物理检测方法使用方便快捷，具有检测点灵活、透视性强、可重复等特点，能有效反映混凝土介质的强度、连续性及均匀性等各项质量指标，对新建工程质量评价以及对已建工程的稳定性评价等方面具有重要作用，因此得到广泛应用.利用地球物理方法探查混凝土介质内部、表面及接触带等处的异常，评测其类型、性质、个数、形状、位置、尺寸、分布及其变化等内容，是广大学者共同探讨的课题，所开展的大量研究工作，目的就是为找到一种对混凝土质量有效评价的原位测试方法(李卓球等，2006；贾荣强，2007；黄双杰和徐守彬，2010；郭美贤，2011；张力伟，2012；刘润泽等，2014).

2.1 测试技术发展

对混凝土介质的检测多采用无损检测技术，查明其缺陷位置及其特征.在上个世纪30年代初，人们就已开始探索和研究混凝土介质及其异常的检测方法，并取得了快速的进步.1930年首先出现了表面压痕法，1935年格里姆(G. Grimet)、艾德(J.M. Ide)把共振法用于测量混凝土的弹性模量，1948年施米特(E. Schmidt)发明了回弹仪，1949年加拿大莱斯利(Leslie)和奇斯曼(Cheesman)、英国琼斯(R. Jones)等成功运用超声脉冲进行混凝土检测，然后琼斯又采用放射性同位素法检测混凝土的密实度和强度，这些研究奠定了混凝土无损检测技术的发展基础.超声波法在国外起步较早，超声探测仪也随着电子技术和仪器制造技术快速发展，测量精度得到不断提高，仪器体积不断减小，用于介质结构探查的仪器和方法也不断出现.超声波探测对被测物体无损伤，而且测试简便易行，已广泛应用于混凝土强度及其异常检测中，产生了显著的经济和社会效益.逐渐地，大多国家也开展了这类研究，1960年代，罗马尼亚弗格瓦洛(I. Facaoaru)采用声速、回弹法综合估算混凝土强度，对多参数综合检测技术进行研究.这一时期，声发射技术被引入混凝土检测中，吕施(L. Rusch)、格林(A. T. Green)等人先后对混凝土的声发射特性进行研究，打下了声发射技术在混凝土结构检测中的应用基础.上世纪80年代中期，美国Mary Sansalone和Nicholas J. Carino采用机械波反射法对水泥混凝土等集结型非金属、复合材料进行无损检测.此外，钻芯法、拔出法、射钉法等半无损检测技术也得到了发展，逐步形成了一套相对完整的混凝土介质无损检测技术体系，且广泛应用.

随着混凝土无损检测方法技术不断完善，美、英等许多国家开始制定检测方法标准，其中美国材料与试验协会(ASTM)颁布的有关标准较多，包括《硬化混凝土射入阻力标准试验方法》(C803-82)，《混凝土超声脉冲速度标准试验方法》(C597-83)，《结构混凝土抽样与检验标准方法》(C823-83)等.此外，国际标准组织也先后提出了回弹法、超声波法、钻芯法、拔出法等相应的标准草案，这对结构混凝土及其异常检测技术的工程应用与发展起到极大的推进作用.

我国对于混凝土介质的检测技术研究始于1950年代，通过对瑞士、英国、波兰等国家的回弹仪和超声仪引进，逐步开展了工程应用和研究.同济大学声学教研室在著名声学专家魏墨庵教授带领下，开展了混凝土超声检测方法的试验研究，测试对比了混凝土强度及配合比参数与超声脉冲速度、衰减系数等声学参数之间的相互关系，并于1964年研制出我国第一台超声仪.1960年代初我国开始生产回弹仪，并研制出多款超声检测仪，试验相应的测试方法.1970年代后，我国曾多次组织相关科研力量进行攻关，1980年代制订了系列测试技术规程，不断引进国外新的检测技术，有力地推进了结构混凝土检测技术应用和发展.逐步地，对混凝土介质的检测仪器研制取得突破并形成了生产体系.1990年代以来，无损检测技术继续向更深层次发展，工程检测队伍不断增加，人员素质得到提高.期间，安徽理工大学王鹤龄教授完成GJY-1型工程检测仪研制和生产，利用地震波法进行混凝土、岩土等介质检测，取得了良好效果，并开班培训大批工程技术人员.吴中如院士对重大水工混凝土结构隐患病害的现场无损检测、渗流检测、原位监测感知系统，以及现场检测与原位监测信息的集成融合理论和方法进行讨论(吴中如，2007).对于试件类可穿透混凝土体可以进行超声波CT测试(申永利和孙永波，2013)，采用脉冲压缩技术对混凝土缺陷进行检测与反演(Li et al., 2013).目前，超声波阵列式探头也在工程检测中得以应用，可进一步开展混凝土介质速度定量评价.可以看出，我国在混凝土无损检测技术方面的发展较为迅速，围绕着混凝土测强、测裂缝、测缺陷以及测壁后注浆质量等内容做出了细致的研究(赵望达等，2012；张峰等，2012).已制定了相应的行业和协会标准，为混凝土无损检测技术的普及与应用奠定基础，将检测手段作为混凝土介质质量控制工具，有效地指导工程施工.总的来说，用于混凝土无损检测的方法较多，其重点是围绕混凝土结构的自身强度、内部缺陷和接触带异常等方面开展工作，且主要是利用单次测试方法，而对于大面积、大范围混凝土介质的高精度扫描诊断研究内容较少.

2.2 单次测试方法现状

目前，围绕混凝土强度及内部缺陷检测这两项内容多采用单次测试方法，通过单点或单条测线数据采集进行分析与评价.其中混凝土强度是一个重要的参数，其检测方法以混凝土强度与某些物理参量之间的相关性为基础，检测时采用无损方式，在不影响混凝土介质结构或构件性能的前提下，通过物理参量测取依据相关关系推算被测介质的标准强度值，评价其质量.这类方法主要有回弹法、超声波法、射线吸收法、成熟度法等，其特点是操作方便、费用较低，但其判断结果主要取决于被测物理量与混凝土强度之间的相关程度.由于物性参数之间相关关系受多种因素影响，所建立的相关公式具有一定的局限性.当测试条件发生改变时，需要进行不同程度的校正，以确保探测成果的可靠性.对混凝土介质缺陷的检测，主要为超声波法、冲击回波法、声发射以及辐射法等，其中机械波类测试主要是根据波在介质中传播特征的差异进行对比，可以对混凝土介质内部以及接触带部位异常进行分辨.近年又出现了红外热谱、电磁波和雷达扫描等技术.现对几种主要的单次测试技术说明如下：

(1)回弹法.是一种表面硬度法，由于混凝土表面硬度和强度之间存在相关性，测量时用一弹簧驱动的重锤，通过弹击杆弹击混凝土介质表面，记录重锤被反弹回来的距离，以反弹距离与弹簧初始长度比值的回弹值作为与强度相关的指标，对混凝土介质强度进行判断.该方法在我国已制定相应的技术规范并广泛用于工程检测中.

(2)超声波法.这是目前最常用的无损检测方法.超声波在混凝土介质中的传播速度与弹性性质密切相关，依据混凝土介质的弹性模量与其力学强度的内在联系，可进一步构建超声波速与混凝土抗压强度之间相关关系，对混凝土强度进行评价.由于测试中易受混凝土试件尺寸、温度、含水量、骨料品种、含量、配筋，以及换能器耦合程度等诸多因素影响，超声测量的精度需不断提高.当混凝土介质的原材料、配比、龄期和测试条件等相同时，可根据脉冲波在混凝土介质中的旅行时(或速度)、接收波振幅、频率等声学参数的相对变化，来判定混凝土内部的缺陷状况，且在混凝土介质内部裂缝、夹层、软弱带、不同层粘结质量等检测中广泛使用.

(3)超声回弹综合法.该技术继承了超声波法和回弹法的技术优势，是两种技术的综合应用.通过混凝土试件参数测试，构建混凝土强度与声速、回弹值之间的相关关系，综合运用超声波法和回弹法的优点，进一步提高混凝土强度测试的精度.同样该方法也会受水泥种类和用量、骨料种类和含量、外界温度、环境湿度等多种因素影响.其仅能反应出混凝土表面10~15 mm内的混凝土质量，不宜做深度上的检测.

(4)地质雷达法.该方法是一种利用高频电磁波对地下介质或目标体内不可见的异常进行探查的电磁勘探技术.高频电磁波以宽频脉冲波形式，由发射天线定向送入地下或目标体，遇到介质中电性差异的异常体时会发生反射，回波被接收天线所接收.对混凝土进行测试时，介质内异常体的电磁特性和几何形态不同，电磁波的传播路径、电磁场强度与波形会发生变化，通过对接收波形信号处理，对混凝土内部结构及接触带等异常缺陷进行判识.探地雷达已被广泛应用于道路、桥梁、隧道等混凝土构筑物探查中，可对介质连续追踪探查与分辨，但易受钢筋、金属物件、水分等因素的干扰影响.

(5)冲击回波法.该方法是在探查介质表面施以微小震动，产生应力，当应力波在介质中传播遇到异常界面时，将产生反射波并引起介质表面微小的位移响应由传感器接收.根据接收反射波的波组对比及频谱分析等对混凝土内部及接触带处的缺陷位置及深度信息加以判断.冲击回波采用60 kHz以下频率的弹性波，因此波在混凝土介质内传播时受骨料、微孔、钢筋等影响较小，易于分析异常体位置.

还有利用红外热像仪对材料、结构物及其存在的不连续缺陷进行探查的红外成像法.该方法具有快速，大面积扫测，图像直观等优点，但对混凝土内部结构异常的判识能力有限.利用γ射线在混凝土介质中穿透衰减等特征进行混凝土密实度推算及强度判断的射线法，由于涉及射线防护等问题，在我国工程应用中不多见.

2.3 快速扫描测试技术现状

目前，重、磁、电、震等地球物理勘探方法技术的飞跃都与社会需求和科学技术进步紧密相关，特别表现为仪器设备的更新换代，硬件的发展带动软件的快速扩展，形成社会的经济增长点.各种地球物理方法和仪器的进步会在资源勘探、工程检测等方面发挥巨大效益.其中，震波类浅层地震仪器设备呈现出多样化发展，国内外仪器产品较多，美国劳雷、日本OYO、瑞典瑞玛、德国DMT等都有各种产品推出，国内北京、廊坊、西安、重庆等地质仪器厂、北京骄鹏、福州华虹、重庆奔腾数控等公司也都有自己的浅层地震仪产品.超声波探测仪方面，国内长沙白云仪器厂、重庆奔腾数控、重庆地质仪器厂、武汉长盛公司等均生产不同类型的超声波探测仪，主要是基于传统的探测方式，在数据采集和记录方面不具备进行快速勘测的能力.

与此同时，利用地球物理方法对表层地质条件的认识程度也在不断加强，进行精细探测与处理，寻找有效的地球物理特征参数，进一步对各类地质环境进行快速扫描勘探，这是当今时代发展的必然需求，是地球物理应用发展的重要趋势.目前，国外工程地球物理界所开展的对浅表层地球物理特征的快速扫描技术研究相对较多，快速地震勘探仪器方面虽在2001年就开始试制，但至2006年所提出的拖曳式土地飘带或爬犁式等都过于笨重未能很好应用.具体来说，快速扫描方法技术主要集中于地电场方向，而对介质地球物理特征理论研究较少，对于混凝土介质的快速扫描系统主要为地质雷达法的应用(张平松和郭立全，2011；廖寅等，2012；袁祥宁，2012；许薛军和张肖宁，2013).

(1)频率域电法类、电磁感应类，主要有EM方法(Electromagnetic method)，该方法通过非接触方式测量介质视电导率、磁化率等参数，分析与评价地质环境特点，可对表层基础结构及其构造特征探测、划分不同的地层或是沉积物，但该方法受表层高电导地区(饱水粘土)限制了探测深度.

(2)电阻率类，主要为Ohm-Mapper法，所采用的是一种浅层快速勘探系统即电容耦合地电阻探测系统(Capacitively Coupled Resistivity System)，与传统的电阻率测量系统相似，它采用了偶极-偶极装置来采集电阻率数据.可以应用于探测古河道、大堤等埋藏地形、地层学研究、场地基本面探测、岩体结构基础探测、沟渠、战壕探测、金属制品探测、基岩和洞穴探测、窑炉和炉床探测和墓穴探测等.其探测深度依赖于排列的电极间距，最深可达20m.该方法由于采用电感耦合原理，因此不易受到电磁干扰，可以精确地划分纵横向地层或沉积物.

(3)多通道拖曳式电磁探测系统(Multi-sensor Towed Array Detection System)，属于磁法类探测技术手段，探测目标区域中的磁场分布情况，该系统可以采用8个磁通道进行采集或是利用EM61系统进行数据采集工作.目前该系统在考古中有很广泛的应用市场，同时在探测地下介质变化、地下储罐、管道和电缆、垃圾掩埋处理区域边界探测、土壤盐碱化探测、重金属土壤污染探测、水文地质、断层和破碎带探测、某些横向传导污染物探测有着广阔的应用前景.

(4)地质雷达法，用于探测目标区域中介电常数分布情况，有着很高的横向和纵向分辨率，在探测埋藏地形、岩体内部结构探查、混凝土结构探测中发挥着重大的作用.它依赖于发射天线的频率和介质的电导率，探测深度受地层电导率影响大，同时由于采集数据文件太大，处理时间过多，限制其不能在较大区域中快速开展工作.

另外，国外也有冲击回波法滚动式测量装置的应用，但在工程中未能很好地推广.笔者所在的课题组前期开展了超声波快速扫描勘探方法与系统研究(张平松等，2014)，形成的扫描测试样机数据采集中仍存在探头接触耦合问题.相关文献资料揭示，国内所开展的浅表层快速勘探技术研究相对较少，仅有一些工程快速勘探的应用试验与成果，主要包括利用地质雷达、瞬变电磁等电磁方法的快速勘探，未见系统的研究内容(张全升，2007；邓中俊等，2011；王荣等，2013；罗登贵等，2014；朱德兵等，2014).我国幅员广阔，各类浅表地质环境相对复杂，其地球物理特征各异，尤其是各类混凝土工程占有量大，因此研究震波、电法及电磁法中的灵敏地球物理参数，实现对目标体的快速扫描式探查至关重要，其重点是加强对快速勘探方法及其移动观测系统的研究.

2.4 技术现状分析

综合分析国内外工程勘探实践，在我国的《混凝土结构工程施工及验收规范》中明确要求，凡是对混凝土强度代表性有怀疑时，可采用无损检测的方法或从结构、构件中钻取芯样，结合相应的标准规定，对结构构件中混凝土强度进行推定，作为进一步处理的依据.近年来，随着地球物理测试技术水平的不断提高，其测试结果多作为施工过程中质量控制的有效参数，所发挥的作用也越来越大.但相对来说，我国在新的检测技术开拓方面较为落后，对于大面积施工的混凝土介质检测效率低，全面覆盖能力差.结合国内混凝土体质量检测技术的发展现状，认为快速高效勘探方法是未来浅层地球物理勘探的发展趋势，通过对混凝土体表面、内部及接触带特征进行细致研究，以声波测试技术为切入点，寻找合理灵敏的弹性波属性参数，实施快速扫描技术应用的基础研究有着深远意义.其中存在的问题集中表现为以下几个方面：

(1)针对混凝土体不同类型、不同状态的地球物理特性基础研究深入不足.目前，国内外所开展的地球物理探测多以工程应用为主，对混凝土体不同地质特征条件下测试场的试验、分析与认识不足，此项研究为快速地质环境探测提供理论基础.

(2)表征混凝土体地质特点的波场属性参数不具体.受地球物理方法所限，每一种物探方法各具特色，所解决的问题各不相同，因此必须结合混凝土结构及其异常特征深入研究灵敏物性参数及响应特征，通过对声波等方法试验研究，确立有效的属性评价参数是快速扫描勘探的技术关键.

(3)快速探测装置系统的设计开发相对滞后.国内在浅表层地球物理勘探中的快速思想才刚刚起步，单一方法快速勘探技术及系统仍未有效形成，更谈不上多元信息快速扫描与分析技术形成与应用.其中利用声波源快速测试是一种较为有效的技术手段，通过研究混凝土介质地球物理场响应特征，提炼灵敏弹性波属性参数，建立工程快速扫描平台，可为混凝土体异常判断提供重要的基础.

随着我国经济建设的快速发展，隧道、地铁交通、土建、道路桥梁、房屋建筑等基础行业对混凝土体质量评价要求越来越精细，因此必须充分利用全空间全时段有效测试信息，根据声波速度、频谱、吸收等多种地球物理参数响应特性，进行快速扫描测试与分析，这对于我国地球物理科学仪器事业的发展会具有重要的促进作用，其未来的应用市场广泛.

3 结 语

目前，国内尚需一套对混凝土介质快速测试与评价的完整方法和标准，才能与大量出现的混凝土结构发展相适应.今后，大范围的混凝土结构体将进入维护期，其安全评价应受到足够的重视，积极开展快速有效的混凝土结构测试技术理论与应用研究至关重要，重点是研发先进的扫描式测试仪器设备，提高现场探查工作效率和异常判断解释的准确率，不断推进混凝土检测技术的发展，对混凝土介质隐患进行综合参数评价与认识.

(1)关于测试方法的选择：对于混凝土介质存在的结构隐患，通过现场测试、结果分析验证以及成果可视化表达，可以给出全面有效的评价.其中现场测试时，选择声波扫描测试，获得拟雷达式声波剖面，对混凝土体中异常位置及其特征进行评价(在有金属干扰时采用)；也可以选择地质雷达扫描，获得测试区域的雷达波剖面(对于金属构件干扰少时采用).针对不同影响因素可采用两种方法相互测试分析与对照，进一步确定有效的评价方法.

(2)关于探查结果的验证：可根据声波扫描或是地质雷达扫描测试结果，选择正常和异常地段进行检查验证.现场可以利用数字回弹测试，选择一些关键地点进行抽验，根据每个验证点回弹值的大小，对混凝土体强度进行有效评价，并与检测结果相对照验证.目前小型取芯钻机可以对一些重要地段进行取芯验证，选择一种手持式取芯钻机，其钻芯直径为20.5 mm，钻孔深度可达20 m以上，较为适合野外勘察及钻取混凝土芯.必要时也可以将岩芯进行室内力学参数测试，用于混凝土介质质量的定量综合评价.

(3)关于综合成果的分析：根据测试区域混凝土介质结构构建三维模型，结合不同测线测试与解释结果，虚拟测试空间的三维形态，对获得的隐患及病害状况进行表达.同时，可以根据波速、频率及振幅等参数给出相应的评价图、表及说明，便于生产上的应用.对某项混凝土工程的单次测试资料进行存储，依据测试剖面及成果建立相应的数据库，通过多次测量数据的综合对比，可以进一步评价混凝土介质在使用过程中“四维时空”变化特征及其规律，并实现适度的预警功能.