超聲波技術(shù)在混凝土檢測(cè)中的應(yīng)用

李盛斌 楊紅霞

（延安大學(xué)建筑學(xué)院，陜西延安 716000）

0 前言

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，城鎮(zhèn)化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，以及高速公路、高鐵等基建項(xiàng)目的大規(guī)模建設(shè)，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)取得了前所未有的發(fā)展，特別是大體積混凝土結(jié)構(gòu)的發(fā)展。在混凝土結(jié)構(gòu)的澆筑振搗過程中，常常因?yàn)椴僮鞑划?dāng)引起結(jié)構(gòu)的內(nèi)部缺陷，由于混凝土的質(zhì)量問題常常會(huì)影響這個(gè)結(jié)構(gòu)的使用，因此混凝土澆筑質(zhì)量的控制越來越被重視，在工程竣工后成為結(jié)構(gòu)質(zhì)量評(píng)估的重要指標(biāo)之一。近年來出現(xiàn)了許多結(jié)構(gòu)倒塌事故，這些事故的起因有時(shí)是因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，有些是因?yàn)槭┕み^程的不正確的施工操作。施工過程中的混凝土澆筑不密實(shí)和空洞現(xiàn)象比較常見，因此對(duì)混凝土質(zhì)量的檢測(cè)就顯得尤為重要。無損傷技術(shù)的應(yīng)用可以保證結(jié)構(gòu)的完整性，并且能夠節(jié)省檢測(cè)成本，有助于評(píng)估整個(gè)結(jié)構(gòu)的安全性完整性。

1 超聲波檢測(cè)混凝土結(jié)構(gòu)的原理

1.1 超聲波檢測(cè)混凝土強(qiáng)度的基本原理

超聲波在混凝土中的傳播過程中，由于混凝土的密度、彈模的影響，傳播的速度往往會(huì)不同，彈模越高得出的波速也就越高，因此聲速值和混凝土的強(qiáng)度就存在這一定的關(guān)系，我們可以根據(jù)聲速和強(qiáng)度的數(shù)值關(guān)系繪制相關(guān)的關(guān)系曲線或者尋找相應(yīng)的經(jīng)驗(yàn)公式，在實(shí)際工程中依靠關(guān)系曲線表，通過實(shí)測(cè)的波速來尋找相應(yīng)的混凝土強(qiáng)度。

在混凝土構(gòu)件檢測(cè)時(shí)，如果僅檢測(cè)了單個(gè)構(gòu)件，應(yīng)該取該檢測(cè)區(qū)中測(cè)得的最小的混凝土強(qiáng)度值。當(dāng)進(jìn)行批量抽樣檢測(cè)時(shí)，應(yīng)該保證混凝土強(qiáng)度有95%以上的保證率。當(dāng)混凝土強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)差出現(xiàn)異常或者超過某個(gè)經(jīng)驗(yàn)值時(shí)可以做出局部調(diào)整。

混凝土中中粗骨料所占比重較大，他對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度影響較大，對(duì)聲速的影響較小，因此我們可以建立水泥砂漿與聲速值的關(guān)系，在測(cè)量時(shí)僅測(cè)量超聲波在水泥砂漿中的聲速即可。我國(guó)的建筑材料科學(xué)研究院和陜西建筑科學(xué)研究院對(duì)這方面做過系統(tǒng)的研究。他們總結(jié)了混凝土強(qiáng)度與換算過的不同種類的水泥靜漿的關(guān)系，如礦渣硅酸鹽水泥靜漿，普通硅酸鹽水泥靜漿等

由于混凝土結(jié)構(gòu)本身材料構(gòu)成復(fù)雜，超聲波在結(jié)構(gòu)內(nèi)部傳播時(shí)受到的影響因素眾多，如水灰比、粗骨料大小、混凝土齡期、收縮徐變、鋼筋的直徑大小及配置情況，這些影響因素錯(cuò)綜復(fù)雜相互影響，在建立測(cè)量數(shù)據(jù)和混凝土結(jié)構(gòu)強(qiáng)度關(guān)系時(shí)，對(duì)參數(shù)進(jìn)行局部調(diào)整。在進(jìn)行強(qiáng)度檢測(cè)前應(yīng)當(dāng)保持混凝土結(jié)構(gòu)表面的平整，并除去污物，每個(gè)檢測(cè)試件應(yīng)保證最少10個(gè)測(cè)點(diǎn)。

1.2 超聲波檢測(cè)混凝土缺陷的基本原理

發(fā)射換能器超聲波檢測(cè)時(shí)的核心部件之一，通過發(fā)射超聲波進(jìn)行混凝土結(jié)構(gòu)缺陷檢測(cè)。具體工作流程是：發(fā)射換能器發(fā)射超聲波，超聲波穿過混凝土結(jié)構(gòu)并進(jìn)行波反射，依靠信號(hào)接收器和接收換能器接受檢測(cè)數(shù)據(jù)，這些檢測(cè)參數(shù)結(jié)果包括波幅、波速和頻譜等參數(shù)等，通過分析處理過的接收數(shù)據(jù)就可以準(zhǔn)確的描繪出混凝土結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)缺陷位置、缺陷性質(zhì)等。

混凝土結(jié)構(gòu)是非均質(zhì)的材料，對(duì)超聲波的能量有吸收的特性，而對(duì)于高頻成分吸收更大，一般在混凝土結(jié)構(gòu)夠缺陷檢測(cè)時(shí)采用發(fā)射頻率較低的超聲波。當(dāng)混凝土結(jié)構(gòu)質(zhì)量較均勻、測(cè)試相同距離的情況下，接收的信號(hào)主頻等參數(shù)往往比較一致，如果混凝土出現(xiàn)不密實(shí)、空洞等缺陷時(shí)，混凝土的整體性受到破壞，這時(shí)接收換能器收到的信號(hào)值和完整混凝土相比聲時(shí)值較大，波幅和頻率值相應(yīng)較低。在混凝土檢測(cè)時(shí)正式依靠檢測(cè)設(shè)備處理參數(shù)后比較聲速、波幅和主頻測(cè)量值，得出混凝土的質(zhì)量狀況。

混凝土結(jié)構(gòu)常見的缺陷有不密實(shí)、空洞、雜物填充、意外受傷等。當(dāng)超聲波經(jīng)過這些缺陷斷面時(shí)波速、振幅值會(huì)發(fā)生突變，常常可以根據(jù)這些突變特性推斷結(jié)構(gòu)內(nèi)部的缺陷。下面簡(jiǎn)要說明幾種常見的缺陷判別方法。

1.2.1 超聲波穿過混凝土缺陷部位時(shí)，由于反射繞射的影響，超聲波的波速和時(shí)間會(huì)受到相應(yīng)的影響，我們可以根據(jù)波速的大小或者接受波段時(shí)間的長(zhǎng)短來判斷缺陷的類型和大小。

1.2.2 超聲波經(jīng)過混凝土缺陷斷面時(shí)，波的能量會(huì)被吸收或者干擾后散射，相應(yīng)的信號(hào)接收器和接收換能器接收的波的能量也相應(yīng)減少，可以據(jù)此判斷缺陷的大小和存在位置。

根據(jù)預(yù)防醫(yī)學(xué)和衛(wèi)生學(xué)發(fā)展以及部隊(duì)實(shí)際衛(wèi)生工作需求，在授課過程中，我們拓展了相關(guān)內(nèi)容，如強(qiáng)化“大衛(wèi)生觀”意識(shí)，樹立預(yù)防為主理念，重視防發(fā)生、防發(fā)展、防傷害（致殘）的三級(jí)預(yù)防工作在整個(gè)醫(yī)療衛(wèi)生事業(yè)中的作用；介紹海軍部隊(duì)常用衛(wèi)生裝備和設(shè)施；重視海軍衛(wèi)生學(xué)發(fā)展動(dòng)態(tài)，使學(xué)生掌握獲取公共衛(wèi)生學(xué)和海軍衛(wèi)生學(xué)發(fā)展信息的技能，為其今后從事衛(wèi)生學(xué)相關(guān)工作奠定理論基礎(chǔ)，提升實(shí)踐能力。

1.2.3 超聲波經(jīng)過混凝土缺陷部位時(shí)，信號(hào)接收器接收到的波的頻率也會(huì)相應(yīng)發(fā)生變化，往往由于波的吸收導(dǎo)致波的頻率降低，據(jù)此可以判斷缺陷的大小。

1.2.4 超聲波經(jīng)過混凝土缺陷部位時(shí)，波形參數(shù)會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化，不同的波段相互疊加，信號(hào)接收器接收的信號(hào)波形畸變，據(jù)此我們可以判斷缺陷的類型和缺陷的大小及位置。

2 超聲波在混凝土檢測(cè)中的具體應(yīng)用

2.1 超聲回彈綜合法檢測(cè)混凝土的強(qiáng)度

混凝土的強(qiáng)度是混凝土特性中的一個(gè)重要指標(biāo)，如何能準(zhǔn)確的檢測(cè)混凝土的強(qiáng)度顯得尤為重要，超聲回彈綜合法由于檢測(cè)精度高、操作簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，成為混凝土強(qiáng)度檢測(cè)中常用的方法之一。

超聲回彈綜合法是一種超聲法和回彈法綜合應(yīng)用的一種檢測(cè)方法。這兩種方法的應(yīng)用基本依據(jù)就是分析材料的應(yīng)力應(yīng)變和材料強(qiáng)度的關(guān)系。超聲法可以通過超聲比反應(yīng)材料的彈性和一些內(nèi)部結(jié)構(gòu)信息。回彈法既可以反應(yīng)材料的彈性和又能反應(yīng)部分塑性，但是僅能夠描述出材料的表面特性，不能揭示材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征。為了能更深入的揭示事物的彈性塑性特征，采用把超聲法和回彈法相結(jié)合的方式，這種方式不僅能揭示事物的表面特性，還能夠完成的反映出結(jié)構(gòu)的內(nèi)部狀況、

在進(jìn)行混凝土抗壓強(qiáng)度數(shù)值測(cè)定時(shí)，首先要選好測(cè)點(diǎn)，選好測(cè)點(diǎn)后采用超聲回彈綜合法，此種方法的主要目的就是建立測(cè)強(qiáng)曲線，即通過統(tǒng)計(jì)分析波速、表面回彈值、抗壓強(qiáng)度這些參數(shù)的關(guān)系，具體的操作過程如下：

2.1.1 通過超聲檢測(cè)儀，測(cè)得超聲波在混凝土結(jié)構(gòu)中的傳播時(shí)間t；

2.2.2 測(cè)得在混凝土結(jié)構(gòu)中傳播的波速V；

2.3.4 根據(jù)所測(cè)得的超聲波速V 和混凝土表面回彈值r 計(jì)算混凝土的抗壓強(qiáng)度。在整理波速和混凝土抗壓強(qiáng)度的關(guān)系時(shí)，一般當(dāng)混凝土的超聲波聲速過高時(shí)表示混凝土的強(qiáng)度較大，當(dāng)混凝土的聲速過低時(shí)，表示混凝土的強(qiáng)度較低。

2.2 超聲波檢測(cè)混凝土結(jié)構(gòu)的內(nèi)部缺陷或損傷

混凝土結(jié)構(gòu)的內(nèi)部缺陷常見的又混凝土的裂縫、不密實(shí)、空洞等。裂縫往往是由于施工工藝的干擾造成層狀不連續(xù)，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)內(nèi)部或外觀上出現(xiàn)裂縫文理。不密實(shí)和空洞是一種隱蔽性的缺陷，形成此類缺陷的原因往往是混凝土水灰比過小或者配筋較密的情況。

2.2.1 裂縫的檢測(cè)

由于各種因素的干擾，混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件常常會(huì)產(chǎn)生裂縫，裂縫的存在不但會(huì)影響結(jié)構(gòu)的使用性能，甚至?xí)绊懡Y(jié)構(gòu)的安全與壽命。為了能準(zhǔn)確的測(cè)量裂縫的深度及走向，超聲脈沖法成為了檢測(cè)的常用手法。

混凝土結(jié)構(gòu)的開裂深度小于500mm時(shí)，推薦采用單面平測(cè)法或雙面斜測(cè)法。在進(jìn)行單面平測(cè)時(shí)，要以不同的測(cè)距布置測(cè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，要保證測(cè)點(diǎn)有跨縫和不跨縫兩種狀況，切測(cè)點(diǎn)的位置應(yīng)盡量避開鋼筋，減小鋼筋的干擾。裂縫深度的確定方法有：

（1）跨縫測(cè)量中，當(dāng)出現(xiàn)首波反相時(shí)，通過該測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)及相鄰測(cè)距的亮點(diǎn)的測(cè)量數(shù)據(jù)按照一定的方法計(jì)算hci，最后取三個(gè)測(cè)點(diǎn)的深度平均值作為裂縫深度。

（2）如果在測(cè)量中沒發(fā)現(xiàn)首波反相，需要計(jì)算第i 點(diǎn)的計(jì)算深度及平均值，通過個(gè)測(cè)點(diǎn)的測(cè)距和平均深度的比較，如果測(cè)距小于裂縫深度平均值或者測(cè)距大于三倍的平均值，剔除改組數(shù)據(jù)，然后去剩下的個(gè)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)取平均值即可。

雙面斜測(cè)測(cè)量時(shí)，一般選取相互平行的測(cè)量表面，通過對(duì)波幅、聲時(shí)和主頻的突變的分析判斷出雷鋒的深度及聯(lián)通狀況。

對(duì)于大體積混凝土并且深度在500mm 以上的裂縫，應(yīng)該采用鉆孔對(duì)測(cè)法。這種方法的具體操作如下：首先的裂縫旁邊鉆孔，在測(cè)試孔中注水，將檢測(cè)儀器置于孔中讀取聲時(shí)、波幅和換能器所處深度。

2.2.2 不密實(shí)與空洞的檢測(cè)

超聲檢測(cè)手段具有無損傷性，相對(duì)射線方法，超聲波檢測(cè)方法的穿透能力強(qiáng)，操作簡(jiǎn)單，儀器受干擾小等特點(diǎn)在不密實(shí)檢測(cè)中取得了廣泛的應(yīng)用。

現(xiàn)在主流的檢測(cè)混凝土結(jié)構(gòu)缺陷的超聲波檢測(cè)法有超聲脈沖聲速法（Ultrasonic Pulse-velocityMethod，簡(jiǎn)稱PUV）和超聲脈沖回波法（Ultrasonic Pulse-echo Method，簡(jiǎn)稱PUE）兩種。PUV 法的工作原理是發(fā)射脈沖信號(hào)，通過測(cè)量信號(hào)穿越混凝土結(jié)構(gòu)的實(shí)踐來確定聲速。測(cè)點(diǎn)應(yīng)布置在混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件的表面并按網(wǎng)狀排布。通過超聲波的相關(guān)參數(shù)和結(jié)構(gòu)構(gòu)件的力學(xué)性能或集合特性的聯(lián)系，能夠有效地測(cè)定構(gòu)件的震蕩不實(shí)空洞區(qū)域。PUE 法的工作原理是在混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件的一側(cè)發(fā)射信號(hào)，通過測(cè)量波的傳播速度及時(shí)間，可以準(zhǔn)確的測(cè)量缺陷的位置及性質(zhì)。

3 結(jié)束語

超聲波檢測(cè)技術(shù)已經(jīng)在混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件的強(qiáng)度確定，混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部缺陷測(cè)定中取得了廣泛的應(yīng)用，特別是對(duì)于結(jié)構(gòu)內(nèi)部缺陷的測(cè)定，是唯一的可靠的簡(jiǎn)單易行的測(cè)定方法，因此應(yīng)該不斷的改進(jìn)推廣超聲波檢測(cè)方法，保證混凝土結(jié)構(gòu)的質(zhì)量

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