超聲斷層掃描法檢測混凝土內部缺陷技術研究

陳代君，朱忠平，孔祥旭

（1.新疆建筑科學研究院（有限責任公司），烏魯木齊 830054；2.新疆建設工程質量安全檢測中心（有限責任公司)，烏魯木齊 830054）

1 引言

在混凝土結構的施工過程中，由于施工人員不固定，技術水平參差不齊，在混凝土澆筑過程中會產生一些質量缺陷，從而造成混凝土強度不足，混凝土結構內部出現(xiàn)的空洞、孔洞、夾渣、裂縫等質量問題越來越多，現(xiàn)場需要快速、準確地檢測出缺陷位置、缺陷大小及缺陷類型。

2 混凝土內部質量缺陷的檢測方法原理及各自缺點

2.1 超聲波法

2.1.1 檢測方法

目前，超聲波無損檢測技術是檢測混凝土內部質量缺陷的有效方法，其主要操作依據(jù)為CECS21:2000《超聲法檢測混凝土缺陷技術規(guī)程》[1]，具體的操作方法及數(shù)據(jù)處理方法如下：

1）根據(jù)被測構件的實際結構尺寸及需要檢測的部位，布置換能器，布置的網格間距控制在100～300 mm，具體可根據(jù)被測構件的具體情況和需要檢測部位的實際情況確定，并且可以根據(jù)缺陷情況調整該間距。

2）使用清水清除待測試混凝土表面的浮塵和浮漿，清理完畢后，待混凝土表面達到風干狀態(tài)，再在其表面均勻涂抹耦合劑，耦合劑主要為黃油或凡士林，然后檢查儀器，將儀器增益凈量調至最大值。

3）根據(jù)需檢測構件混凝土存在的大致缺陷情況，以及平行的兩個測試面之間的距離（固定值），將兩個換能器通過黃油耦合在測位中對應的測點上，測量兩個檢測點之間的聲學參數(shù)，聲學參數(shù)主要為聲時值或聲速值，同時還需要進行同環(huán)境條件下正常區(qū)域混凝土的聲學參數(shù)的測量，作為對比數(shù)據(jù)，對比測點數(shù)應不少于20 個。

4）結果計算。首先，計算所測量的正常區(qū)域混凝土的聲學參數(shù)平均值和標準偏差；然后，計算所測量的有質量缺陷區(qū)域的聲學參數(shù)的平均值和標準偏差。在上述數(shù)據(jù)計算過程中，需要按照CECS21：2000 中規(guī)定的異常系數(shù)對所采集的數(shù)據(jù)進行剔除，然后對剩余數(shù)據(jù)再進行異常數(shù)據(jù)剔除，直至無異常值為止，再進行聲學參數(shù)的計算。具體異常數(shù)據(jù)的判定方法可按照CECS21：2000 進行，本文不再贅述。根據(jù)測點上測量得到的異常聲學參數(shù)，結合異常點的大致分布情況判定混凝土內部不密實區(qū)和空洞區(qū)的大致范圍。最后，確定混凝土內部質量缺陷的種類與大小。

2.1.2 數(shù)據(jù)處理

根據(jù)CECS21：2000 第6.3 節(jié)內容，測位混凝土聲學參數(shù)（聲時、波幅、頻率）測量值的平均值mx和標準差sx按式（1）和式（2）計算：

式中，Xi為第i點的聲學參數(shù)的測量值，聲學參數(shù)包括聲時、波幅、頻率；n為參與統(tǒng)計的測點數(shù)。

異常數(shù)據(jù)可按下列方法判別：

1）將各測點的波幅、聲速或主頻值由大到小按順序分別排列，表示為X1≥X2≥…≥Xn≥Xn+1，將排在后面明顯小的數(shù)據(jù)視為可疑，再將這些可疑數(shù)據(jù)中最大的一個（假定Xn）連同其前面的數(shù)據(jù)計算出mx及sx值，并按式（3）計算異常情況的判斷值（xo）：

式中，λ1為異常值判定系數(shù)。

將X0與Xn相比較，當Xn≤X0時，則Xn及排列于其后的各數(shù)據(jù)均為異常值，并且去掉Xn，再用X1～Xn-1進行計算和判別，直至判不出異常值為止；當Xn＞X0時，應再將Xn+1放進去重新進行計算和判別。

2）當測位中判出異常測點時，可根據(jù)異常測點的分布情況按式（4）進一步判別其相鄰測點是否異常：

式中，λ2、λ3為待選異常值判定系數(shù)。

當測點布置為網格狀時，取λ2；當單排布置測點時(如在聲測孔中檢測），取λ3，同時，若保證不了耦合條件的一致性，則波幅值不能作為統(tǒng)計法的判據(jù)。

整個檢測過程較為麻煩，計算方法更為復雜，耦合劑對檢測結果影響很大，同時，耦合劑的清理較費勁，對混凝土構件的污染大，檢測出混凝土內部缺陷的判斷需要有豐富的經驗，并且檢測時間長，缺陷判定困難，同時，在檢測過程中所使用的耦合劑對混凝土構件污染嚴重，越來越不適應于現(xiàn)代混凝土快速施工的技術要求。

2.2 雷達法

采用雷達法檢測混凝土質量缺陷時，在混凝土表面發(fā)射一定頻率的電磁波，當電磁波通過混凝土內的缺陷部位時，產生的反射波的波幅與頻率會發(fā)生變化，根據(jù)反射波的波幅和頻率隨時間的變化而形成的圖像分析混凝土構件中的孔洞、裂縫、不密實等質量缺陷。其主要利用了電磁波在不同介質中的阻抗和幾何形態(tài)的差異，差異越大，信號越強。使用雷達法檢測混凝土結構質量缺陷的缺點是所使用的儀器價格昂貴，金屬干擾嚴重，鋼筋與缺陷的區(qū)分需根據(jù)單通道波形圖與剖面圖結合識別，還需要通過鉆芯來驗證。

2.3 沖擊回波法

沖擊回波法的原理是：作用在混凝土的表面的沖擊彈性波，在混凝土內部形成應力波，應力波在通過治療缺陷或混凝土底面時，產生反射波，工作人員通過分析反射波的波形參數(shù)來確定混凝土內部質量缺陷。使用沖擊回波法檢測混凝土質量缺陷的缺點是所使用的儀器價格昂貴，檢測的混凝土深度較淺，檢測不出混凝土內部缺陷的類型，需結合鉆芯來驗證。

2.4 紅外熱像法

利用紅外熱像儀可以記錄大自然中各種可以產生紅外線的物體向外輻射紅外線的影像。混凝土質量檢測中，可以根據(jù)紅外線照片物體的溫度差異或試驗前后溫度的變化來確定混凝土內部的某種缺陷。使用紅外熱像法檢測混凝土質量缺陷的缺點是所使用的儀器價格昂貴，只能檢測混凝土的淺層缺陷。

2.5 鉆芯法

鉆芯法是利用專用鉆機，在結構混凝土上鉆取芯樣，根據(jù)芯樣情況判定混凝土質量缺陷。其缺點是依靠混凝土局部的損傷來反映混凝土內部質量缺陷，此方法要求觀察混凝土內部質量缺陷越準確，可靠取樣數(shù)量就要求越多，對混凝土結構的損傷就越嚴重，而且鉆芯費用較高，鉆芯時間較長。

3 混凝土斷層掃描檢測技術的原理及現(xiàn)狀

隨著建筑工程檢測技術的進步，在混凝土檢測方面也出現(xiàn)了大量的先進的檢測儀器。超聲波斷層掃描技術被用于混凝土檢測的原理是：將待檢測混凝土表面劃分若干個檢測單元，然后從不同方向對每一層檢測單元進行多次多波列超聲波掃射，通過計算機匯總每一層測量的超聲波數(shù)據(jù)，最終將匯總數(shù)據(jù)合成直觀圖像，根據(jù)圖像精確、直觀地反映混凝土整個測試面上的缺陷，提高了檢測精度，可及時、準確、可靠地檢測混凝土內部質量缺陷。

隨著近幾年科技的發(fā)展，國外已將混凝土斷層掃描法用于混凝土無損檢測與評價中，以及用Surfce WaveU 進行混凝土性能的無損評估。近幾年，我國引入三維斷層超聲成像儀，目前三維斷層掃描在我國僅在科研及個別重大水利、公路工程上使用。

混凝土超聲斷層掃描檢測儀是一部多功能超聲基陣測量系統(tǒng)。可適用于非破壞性測試，用低頻率波進行測量，波的頻率一般在200～100 kHz，并根據(jù)測試數(shù)據(jù)處理成像，利用脈沖回波技術針對混凝土或者鋼筋混凝土結構進行內部成像。應用與施工現(xiàn)場相近的鋼筋混凝土模型中，獲取相應的檢測資料，通過對資料的匯總、整理，與已知的鋼筋混凝土模型的數(shù)據(jù)進行對比，編制超聲波CT 檢測混凝土內部質量缺陷的程序。

具體軟件編寫原理（以聲時值為例）：

首先，斷層掃描儀使固定波速（斷層掃描儀在標準塊或正常混凝土上進行儀器校準，標定后，確定波速v）多角度地通過被測混凝土構件的某一個測試面時，可得到一系列的聲時值（ti），當該混凝土試件的被測試斷面沒有缺陷時，每個角度里的各列波所產生的聲時值是相同的，當該混凝土被測試斷面存在缺陷時，每一角度的各列波的聲時值會產生差異，根據(jù)各列波在該檢測斷面上的每一個細小的檢測單元上的聲時值的統(tǒng)計情況，確定被檢測斷面上缺陷的大小。一般缺陷越小，每次掃描的步距就會越小，顯示的缺陷就會越精細，同時根據(jù)缺陷的界限，形成圖像。但是，每個檢測斷面在成像時應考慮鋼筋對此斷面的干擾。

其次，按照上述方法繼續(xù)掃描混凝土構件的下一層，依據(jù)獲得的聲時值統(tǒng)計情況，繪出本層圖像，以此類推。

最后，將各層圖像合成一個立體的透視圖，再將各測區(qū)的立體透視圖合成一個整體，從而直觀地看到缺陷的位置、大小及鋼筋的位置。這個程序避免了原有程序中不能區(qū)分鋼筋與缺陷的問題，其主要原因是原程序依靠聲時值的差值進行灰度上色，不考慮聲時值差值的正負，從而造成混凝土中的缺陷與鋼筋均為紅色，無法區(qū)分。

編寫軟件程序要求以固定速度為基準速度，主要判斷依據(jù)是被測混凝土構件的某一個測試面得到的每一個測試單元的聲時值，若聲時值無異常，只要所測量的聲時值與該測量角度下的基準聲時值一致時就顯示黃色，若聲時值偏低往綠色偏移，偏差值越大越接近于藍紫色；若聲時值偏高往紅色偏移，偏差值越大越接近于赤紅色；如果僅采用黑白圖像，也可以是聲時值越偏高顏色越接近于黑色，聲時值越偏低越接近于白色，具體的灰度變化可以通過電腦來區(qū)分、分析，從而得出缺陷的大小、類型。這樣編寫出的軟件程序解決了無法區(qū)分缺陷與鋼筋的問題。

4 混凝土超聲斷層掃描儀的選用

通過對現(xiàn)有混凝土內部質量缺陷的無損檢測方法進行對比，以及混凝土斷層掃描檢測技術的原理的闡述，發(fā)現(xiàn)采用混凝土超聲斷層掃描儀進行混凝土內部缺陷檢測是目前最直觀、高效、快速、準確、無污染，對混凝土構件影響最小的檢測方法。通過對混凝土斷層掃描儀參數(shù)的了解，混凝土超聲斷層掃描儀的主要參數(shù)為：傳感器頻率為50 kHz，模擬帶寬為10～100 kHz，測量范圍也達到了10～2 500 mm。

儀器選定后，需要進行實際使用。前期先在混凝土模塊上進行相應的操作使用，找出其在混凝土模塊上的顯示規(guī)律，制定判斷缺陷的特定條件；后期在施工現(xiàn)場的鋼筋混凝土上進行操作使用，并找出其在施工現(xiàn)場的鋼筋混凝土上的顯示規(guī)律，根據(jù)顯示規(guī)律，制定特定條件；最后，將所采集的各種信息進行歸納、整理，依據(jù)上述軟件編寫原理，對該儀器內部不適宜于我區(qū)鋼筋混凝土內部質量缺陷顯示規(guī)律的軟件予以調整，對于適宜的軟件部分予以保留，最后使所完善的儀器操作軟件，更有利于有效提高所使用儀器的性能。

5 結語

雖然超聲波早已應用在混凝土缺陷檢測中，但超聲波檢測混凝土內部質量缺陷的檢測過程較為麻煩，內部缺陷的判斷復雜，不適應于混凝土快速檢測要求。而利用超聲斷層掃描技術可以獲得混凝土內部質量缺陷直觀的軟件合成圖像，量化混凝土內部缺陷，已在很多領域得到了廣泛應用，并且在一些領域的應用已取得了一定的社會成效，在我國建筑行業(yè)上的應用仍處于摸索階段，特別是在我國建筑無損檢測方面，仍未能大規(guī)模推廣應用。本研究旨在使超聲斷層掃描檢測技術盡快在我區(qū)建筑無損檢測方面推廣，使超聲斷層掃描技術向著快速、清晰、高效的方向發(fā)展。