混凝土超聲檢測技術分析及其在測缺中的應用

劉泳釗

（佛山市市政工程質量檢測有限公司，廣東 佛山 528000）

混凝土超聲檢測技術分析及其在測缺中的應用

劉泳釗

（佛山市市政工程質量檢測有限公司，廣東 佛山 528000）

本文通過詳細地闡述了超聲波無損檢測的技術參數及其作為無損評定所具有的優越性。最后結合個人工作經驗，介紹了超聲法檢測混凝土內部缺陷常用的無損檢測方法。

超聲波檢測；優缺點；技術分析；缺陷檢測

1 超聲波檢測技術分析

聲波的指向性比較好，其頻率越高，指向性越好。超聲波傳播能量大，對各種材料的穿透力較強。應用超聲來進行無損檢測也有其相應的缺點。但是對于球面狀的缺陷，例如空洞，假如空洞不是很大或分布不是較密集的話，就難以得到足夠的回波信號或是其時間變化不明顯。

1.1 測量參數

混凝土超聲檢測目前主要是采用所謂“穿透法”，即用發射換能器重復發射超聲脈沖波，讓超聲波在所檢測的混凝土中傳播，然后由接收換能器接收。被接收到的超聲波轉化為電信號后再經超聲儀放大顯示在示波屏上，用超聲儀測量直接收到的超聲信號的聲學參數。當超聲波經混凝土中傳播后，它將攜帶有關混凝土材料性能、內部結構及其組成的信息。準確測定這些聲學參數的大小及變化，可以推斷混凝土的性能內部結構及其組成情況。

1.1.1 聲速

聲速即超聲波在混凝土中傳播的速度。它是混凝土超聲檢測中一個主要參數?；炷恋穆曀倥c混凝土的彈性性質有關，也與混凝土內部結構（孔隙、材料組成）有關。不同組成的混凝土，其聲速各不相同。一般說來，彈性模量越高，內部越是致密，其聲速也越高。而混凝土的強度也與它的彈性模量、它的孔隙率（密實性）有密切關系。因此，對于同種材料與配合比的混凝土，強度越高，其聲速也越高。若混凝土內部有缺陷（孔洞、蜂窩體），則該處混凝土的聲速將比正常部位低。當超聲波穿過裂縫而傳播時，所測得的聲速也將比無裂縫處聲速有所降低。

1.1.2 振幅

接收波振幅通常指首波，即第一個波前半周的幅值，接收波的振幅與接收換能器處被測介質超聲聲壓成正比，所以接收波振幅值反映了接收到的聲波的強弱。在發射出的超聲波強度一定的情況下，振幅值的大小反映了超聲波在混凝土中衰弱的情況。而超聲波的衰減情況又反映了混凝土粘塑性能。混凝土是彈粘塑性體，其強度不僅和彈性性能有關，也和其粘塑性能有關。

1.1.3 頻率

如前所述，在超聲檢測中，由電脈沖激發出的聲脈沖信號是復頻超聲脈沖波。它包含了一系列不同頻率成分的余弦波分量。這種含有各種頻率成分的超聲波在傳播過程中，高頻成分首先衰減（被吸收、散射）。因此，可以把混凝土看作是一種類似高頻濾器的介質。超聲波愈往前傳播，其所包含的高頻分量愈少，則主頻率也逐漸下降。這已為不同測距的試驗及頻譜分析結果充分證實。主頻率下降的多少除與傳播距離有關外，主要取決于混凝土本身的性質（質量、強度）和內部是否存在缺陷、裂縫等。

1.1.4 波形

這里指的波形第指在顯示屏上顯示的接收波波形。當超聲波在傳播過程中碰到混凝土內部缺陷、裂縫或異物時，由于超聲波的繞射、反射和傳播路徑的復雜化，直達波、反射波、繞射波等各類波相繼到達接收換能器，它們的頻率和相位各不相同。這些波的疊加有時會使波形畸變。

2 超聲波在混凝土結構無損檢測中的應用

土木工程無損檢測技術有助于評估新舊建筑物的穩定性和整體性，能夠對新舊建筑物整體或部分作質量狀態監視，能夠用來估計建筑材料和結構的性質和性能。

2.1 超聲波對混凝土裂縫深度的檢測

由于施工不慎混凝土未搗實、施工中因溫度變形和干燥收縮、早期施工過載以及混凝土承載后產生的受力損傷等都會形成裂縫，利用超聲儀可以檢測出上述裂縫的開展深度及以后的開展情況，其所用的方法主要包括雙面檢測法和單面檢測法。

2.1.1 雙面檢測法

雙面檢測法是當構件截面不大，而構件的兩個側面都能安放探頭(發射探頭、接收探頭)時，直接探測裂縫的一種方法。如圖1所示，探頭分別置于1、2、3、4、5、6各對跨縫點。當發射、接收探頭在構件兩側面相對位置移動時，測出不同位置的聲波傳播時間，量得聲路的長度(各測點到裂縫截面邊緣的水平距離)，從b-t關系曲線的突然轉折處，即時間從變化轉為平穩的過渡點，就是所要測的裂縫深度A。然而在通常的工程結構中很少有滿足上述條件的，因而此種方法雖簡單，但具體操作時卻不一定可行。

2.1.2 單面檢測法。單面檢測法是當構件的截面很大或只有開裂的一個表面能夠安放探頭時沿面檢測裂縫的一種方法。公路橋梁上的主梁裂縫由于條件的限制，其探測基本上也以單面法為多。對于單面檢測法，最常用的方法要算tc—to法和BS4408標準方法，另外的方法還包括表面波的傳播聲時測量裂縫深度、利用超聲波首波相位變化的方法檢測裂縫深度、沖擊回波法檢測裂縫深度等，這里主要介紹一下tc—to法。如圖2所示，首先在裂縫附近完好的表面，選擇一定的長度工作為校準距離，設這段距離為2a，在這段距離的兩端安放探頭，測出聲波通過2a的時間為tc，再將發射與接收探頭安放在裂縫兩側，并使兩個探頭至裂縫的距離都為a，測得通過裂縫處聲波的傳播時間：tc，如果裂縫與表面正交，以聲波通過前后兩處混凝土所傳播的速度相等為條件，很容易推導出混凝土裂縫深度的計算公式：d=a[(tc/to)2-1]0.5

在《超聲法檢測混凝土缺陷技術規程》(CECS21：2000)中對上述的tc—to法加以了改進，即在不跨縫進行聲時測量時，將T和R換能器置于裂縫附近同一側，使其內邊距分別等于50mm、100mm、150mm、200mm、250mm、300mm共6個點，讀取這時的聲時值(to)1，由此可以畫出相應的時－距坐標圖。然后在跨縫進行聲時測量時，取同樣距離的6個點，相應讀出這時的聲時值(t)1，再根據相應的公式求出每個測點所對應的裂縫深度值，最后取其平均值，這樣做主要是因為探頭聲源并不是在探頭中心點位置，通過上述方法可以求出聲源的確切位置。

2.2 超聲波對混凝土的不密實區及其空洞的檢測。超聲波檢測混凝土內部不密實區及其空洞的原理就是當發射探頭發射的超聲波遇到空洞時，聲波就產生反射使一部分能量衰減，另一部分將繞過空洞沿著孔壁傳播，并最終將被安放在另一頭的接收探頭所接收，從而從超聲儀上讀出的時間與同類材料相同距離下的正常溫凝土會有所差別。通過各測點時間讀數的變化情況以及超聲振幅、波形的變化，就可以推測混凝土內部空洞的大致尺寸，通常以該空洞的最大內徑來表示。這里要注意的一點就是首先要用其它方法判斷該混凝土內部是空洞還是缺陷，然后再進行下一步操作。在具體對混凝土空洞檢測過程中需要布置大量的測點，如果該混凝土結構材料有兩對平行測試面，用對測法即可；如果只有一對互相平行的測試面，應在對測的基礎上還要進行交叉斜測，同時對可疑數據點區段內應加密測點。

結語

用超聲法來評定混凝土結構的缺陷，是一種行之有效的方法，但在有些方面還需要進一步完善和發展，比如檢測方法還需要一定的改進、數據采集精度有待提高、儀器所檢測的聲學參數也應多樣化?？梢哉f用超聲法對混凝土材料進行無損評定是一種非常有潛力的檢測手段，有著廣闊的發展全間，它需要許多的科學工作者去不斷的加以完善和創新，以更好的服務于工程事業。

[1]王韶先.混凝土超聲檢測技術的研究與應用.水力發電，1993-05-16.

[2]張建國，琚曉輝，路晉.水泥混凝土路面厚度超聲檢測系統研究.公路交通技術，2006-02-28.

[3]朱金穎，陳龍珠.混凝土受力狀態下超聲波傳播特性研究.工程力學，1998-08-30.

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