混凝土內部缺陷對超聲波聲時聲速的影響研究

杜 浩 楊先俊 姬鵬越 劉 敏

(1.黑龍江科技大學建筑工程學院，黑龍江 哈爾濱 150022; 2.東北石油大學土木建筑工程學院，黑龍江 大慶 163000)

1 概述

混凝土受壓構件，如梁、柱等在制作工程中，由于攪拌及施工工藝等因素影響，會在混凝土內部產生構件局部不密實，裂縫或空缺區，在混凝土外部會產生蜂窩、麻面等缺陷[1]；在使用過程中，混凝土受壓構件由于少筋，或承載力超載等因素，會造成混凝土構件的損傷。這些損傷的存在嚴重影響混凝土承載力和耐久性[2,3]。

筆者以超聲檢測法為例，對混凝土損傷構件進行檢測試驗，采用超聲試驗方法[4,5]，觀測超聲波通過有裂縫的混凝土構件時超聲波速度、振幅、頻率、周期、波形等多個參數變化，分析研究這些數據變化的規律及物理機制，得到混凝土內部缺陷對超聲波聲時、聲速影響的一般規律。

2 試驗方案

2.1 試驗試樣制備

試驗試樣制備兩個，為145 mm×145 mm×145 mm和1 200 mm×150 mm×200 mm和混凝土受壓梁構件，將此試驗試樣進行編號，標定為一號試樣，二號試樣。

試驗材料使用水泥，砂子，碎石等原材料按照1∶1.5∶1.5的比例配置而成，其中水泥為325號普通硅酸鹽水泥，砂子的粒徑為0.35 mm～0.5 mm，碎石的粒徑為5 mm～20 mm。其中一號試樣較為密實，沒有明顯損傷區域。二號試樣有較大裂縫3條，裂縫寬度約為1.5 cm，中型裂縫2條，裂縫寬度約為0.5 cm，微型裂縫較多，裂縫寬度小于0.5 cm，中部受壓區有局部壓碎區域，如圖1所示。

2.2 測點布置

試驗預設測點五個，均勻分布于受測截面，將受測點編號1號測點，2號測點，3號測點，4號測點，5號測點，測點布置見圖2。

每個測點均勻涂抹凡士林耦合劑，測取參量數據的方式為每個測點測取五次取平均值作為該測點的參數值。可減少因試驗操作或耦合不好所引起的實驗誤差，提高本次實驗的準確性。

2.3 試驗方法

本次試驗選用超聲波非金屬檢測儀，采用對比實驗方式進行。通過對一號較為完整混凝土構件的檢測，得到標準混凝土試樣的檢測參數，據此，進行二號損傷混凝土構件的檢測，檢測數據加以對比，分析，得到缺陷混凝土構件基本分析方法。

試驗傳感器采用對點發射接收方式，非金屬超聲檢測分析儀經調零聲時后進入正常工作狀態，對一號試樣進行完整檢測的過程中，始終保持測定管距設定為145 mm，起點設定為0.0 m，點距設定為-0.074 mm，采樣周期為0.8 μs，發射電壓為60 V，標定值設定為1。

單一測點測取五次數據中，每進行一次檢測，將傳感器取下，重新耦合以后，方進行下一次數據檢測工作。

檢測試驗中所采用的耦合劑為涂抹均勻的凡士林耦合試劑。

每個測點進行五次重復檢測，即每一組試驗分別進行25次檢測，最終取每個測點的算術平均值為該測點的參量。

3 結果分析

按上述試驗布置及操作，對兩組試驗試樣進行檢測，得到超聲波通過完整混凝土構件之后的檢測參數和超聲波通過有損傷混凝土構件的檢測聲時、幅度、聲度參數。對一號試樣測得結果見表1。

3.1 混凝土構件裂縫對于超聲波聲速影響較大

在一號試樣聲速檢測中，最大聲速為2.648 km/s，最小聲速為2.189 km/s，平均聲速為2.43 km/s，即未通過裂縫區的超聲波聲速對于均值的偏差較小，約在10%以內；在二號試樣聲速檢測中，最大聲速為5號測點測得5.136 km/s，最小聲速為1號測點測得2.918 km/s，平均聲速3.912 km/s，即通過裂縫區混凝土超聲波聲速對于均值的偏差較大，約在30%。但對于一號試樣測得的平均聲速為2.43 km/s，二號試樣測得的平均聲速為3.912 km/s，二號試樣的平均聲速比一號試樣平均聲速高1.482 km/s。由于二號試樣存在明顯損傷部位，依據波動傳播理論，聲波在空氣中的傳播速度應小于在固體中傳播速度，試驗測得的數據與波動理論相背離。這一現象表明，二號試樣中存在密實度極高的物質，使聲波得以快速傳播，經資料查實，二號混凝土構件為鋼筋混凝土試件，與一號素混凝土試樣材料相異。超聲波在鋼材中的傳播速度約為5.9 km/s，在空氣中的傳播速度約為0.34 km/s，并受溫度影響較大。本次試驗中，超聲波通過二號試樣中的裂縫及鋼筋，聲速為二者的疊加，平均聲速大于素混凝土中超聲波傳播的平均聲速。

1號和4號測點位于受測試樣的上部左右兩端，5號和3號測點位于受檢試樣的下部左右兩端。在一號試樣檢測中，由1號測點和4號測點測得的聲速為2.472 km/s，2.189 km/s，由3號測點和5號測點測得的聲速為2.398 km/s，2.447 km/s。在二號試樣檢測中，由1號測點和4號測點測得的聲速為2.918 km/s，2.932 km/s，由3號測點和5號測點測得的聲速為4.76 km/s，5.136 km/s。一號試樣為裂縫較少的素混凝土試樣，聲速變化較小。1號和4號測點測得聲速平均值與3號和5號測點測得的聲速平均值偏差在3%以內，表明該構件混凝土較為均質。二號試樣為裂縫較多的鋼筋混凝土試樣，聲速變化較大。1號和4號測點測得聲速平均值與3號和5號測點測得的聲速平均值偏差在25%左右，差值較大。在一號試樣和二號試樣檢測中，兩組試樣的1號和4號測點測得聲速變化較小，兩者平均值的偏差在10%左右，二號受檢鋼筋混凝土構件試樣80%裂縫自構件中部下側開始發育。超聲波聲速對于混凝土構件較大損傷比較敏感，聲速會表現出明顯變化，而對于微裂縫超聲波聲速的變化相對較小，超聲波聲速對于混凝土構件中微裂縫敏感適中。

表1 一號試件每個測點檢測數據平均值

表2 二號試件每個測點檢測數據平均值

對二號試樣的檢測，重新進行調零聲時計算，得到零聲時為2.1 μs，管距由試樣一的145 mm變更為1 200 mm，其他條件不進行變更，檢測得到表2數據。

3.2 混凝土構件裂縫對于超聲波聲時影響較大

超聲波在混凝土中傳播時，遇到損傷部位如不密實、裂隙、孔洞等會產生散射或漫射現象。二號檢測試樣上部受壓區存在局部壓碎現象，從二號試樣第1測點和第4測點測得的聲時為415.18 μs，409.9 μs，第2測點、第3測點和第5測點測得的聲時分別為294.86 μs，252.14 μs，234.86 μs。計算得到第1測點和第4測點聲時對于均值的偏差在5%以內，聲時差異為5.28 μs。第2測點，第3測點和第5測點聲時對于均值的偏差在10%以內，聲時差異為60 μs。計算第1測點，第4測點和第2測點，第3測點，第5測點的聲時對于均值的偏差約25%，均值聲時差異為152.54 μs，此聲時差異較大。表明第1測點和第4測點處，存在混凝土缺陷區，超聲波在此缺陷區發生散射、折射現象，表現為所測聲時的異常增大,見圖3，圖4。

在一號試樣第4測點第二次檢測中，出現聲時為105.62 μs，聲速為1.737 km/s，幅度為93.1 dB的異常數據，聲時約為其他四次檢測的2倍，聲速約為其他四次檢測的1/2。根據實驗記錄，此次試驗過程中，傳感器與試樣耦合不良，致使聲波在空氣中傳播，聲時增大，聲速減小。依據此數據異常，計算時該數據予以剔除，不參與計算結果。

4 結語

1)在混凝土構件中，裂縫的出現，會導致聲波在空氣中傳播，使聲波聲速降低，以此可以根據超聲波聲速的變化來判斷混凝土構件內部裂隙發育。

2)蜂窩、麻面等損傷區域的出現，導致超聲波在損傷區域內發生散射和折射現象，使聲波聲時增大，以此可以根據超聲波聲時的變化來判斷混凝土構件內部損傷區域。

參考文獻:

[1] 傅竹武,王鑫.混凝土構件缺陷超聲無損檢測的研究[J].巖土力學,2007(10)：71-72.

[2] 李娟娟.混凝土結構內部損傷超聲檢測方法研究[D].南京：南京航空大學,2017.

[3] 唐魯楠,馮文慧.無損檢測技術在地鐵檢修中的應用[J].無損檢測,2016(11)：126-127.

[4] 張 勇,唐國龍.建筑工程檢測中無損檢測的有效運用[J].黑龍江科技信息,2017(5)：176-178.

[5] 鄭 宏.超聲波在混凝土樁基礎無損檢測中的應用[J].山東工程技術，2017(19)：20-22.