超聲橫波反射法在水利工程混凝土檢測中的應用

戴鏡元

(肇慶市水利水電工程質量檢測站，廣東 肇慶 526104)

0 引言

20世紀末，我國修建了大量的水利工程建筑。由于當時技術的限制，以及常年的工作，已經有不少的建筑存在不同程度的病險問題。近年來國家已經對部分存在潛在危險的建筑進行治理，但是仍然會有不少的水利水電建筑出現不同程度的病險。水利工程建筑的檢測主要包括缺陷與病害，以及力學性能方面的檢測。此次研究主要通過無損檢測來檢測結構體的缺陷，如裂縫，內部空洞等問題，來制定對缺陷的修補方式。此次實驗通過搭建混凝土無損檢測測試平臺，對常見的缺陷，如裂縫，內部空洞進行模擬。在測試平臺上驗證不同方法的檢驗缺陷的性能。此次研究旨在對水利工程混凝土結構中的缺陷進行檢測，通過檢測結果來確定結構的安全，同時對后續的結構修復和工程治理提供可靠的保證。

1 基于超聲波反射法的水利工程混凝土質量檢測的研究

1.1 混凝土質量檢測平臺的建立

水利工程安全檢測是對水利工程的缺陷進行檢測，通過檢測數據和后續數據分析的結果對水利工程的安全情況進行評估，為后續的結構修復提供依據。水利工程大型混凝土結構通常存在的缺陷有3種，分別是內部空洞、裂縫和不密實區?；炷翢o損檢測測試平臺就是將以上所說的各種缺陷集于一體的大型混凝土試驗構件。該試驗構件上的缺陷如裂縫、空洞、不密實區等都是經過計算后精心設計的，缺陷尺寸和位置都是預先設計好的。在該試驗構件上進行缺陷的檢測具有幾個優點，可以對現有的檢測技術或檢測設備進行檢驗，驗證檢測方法和檢測設備的性能，同時可以對相同缺陷選用不同的檢測方法或檢測設備來進行檢測，方便對不同方法的檢測效果進行比較，還可以通過對復雜缺陷的檢驗，來測試新設備的性能和新技術的合理性。

對于混凝土無損檢測測試平臺需要滿足以下幾個條件。首先需要在有限的混凝土塊空間中，盡量多布置不同類型的缺陷。因此需要缺陷的類型具有代表性，且型式需要多樣化，經過綜合考慮，選用裂縫、內部架空、不密實區。缺陷尺寸要提前設定好，對工程質量有著較小影響的缺陷，如窄且淺的裂縫，較小的內部架空等均不在此次實驗的考慮范圍內。其次是缺陷的分布位置需要提前設置。由于此次測試平臺受外部條件影響，體積有限。因此需要一個合理的方案使得不同大小的裂縫，空洞和不密實區等缺陷布置在有限的測試平臺內。且各個缺陷之間不會相互干擾，同時滿足大多數設備的檢測面要求。

此次混凝土無損檢測平臺主要由混凝土結構組成，選用強度等級為C25的混凝土，選用最大粒徑為25mm的石子，設定水膠比為0.45，粉煤灰摻量為20%，砂率為45%。其他詳細數據見表1。

表1 混凝土材料表

混凝土裂縫的檢驗難點在于檢驗裂縫的深度。通過現有的檢測經驗的總結，深層裂縫的寬度一般不會較大。通過實際情況分析，設定2種裂縫寬度分別為1、2mm。對于1mm的裂縫，設置2種尺寸的裂縫深度分別為46、40cm。對于2mm的裂縫，設置2種尺寸的裂縫深度分別為90、60cm。裂縫的方向不止豎向1種，還會有部分傾斜的裂縫。因此需要設置1條傾斜裂縫來保證與實際情況的吻合。設置該傾斜裂縫傾斜角度為55°，可以通過該裂縫檢驗各個檢測方法和設備對傾斜裂縫深度檢測性能?；炷两Y構最常見的缺陷除了裂縫之外還有內部架空和不密實區。初步設定內部架空的缺陷結構尺寸為10cm和21cm。通過對不同尺寸的缺陷進行檢測來檢驗不同方法和設備對缺陷的探測性能。并且可以在同種檢測方法和設備下，對不同大小的缺陷進行檢測，分析其性能。將2種不同尺寸的空洞放置在不同位置。直徑為10cm的空洞，設定其埋深分別為26、34、40、100cm。直徑為21cm的空洞，設定其埋深分別為42、46、64、68cm。這種放置方式可以檢驗檢測方法和設備在探測同樣大小不同深度的空洞的性能。將混凝土試驗構件中的部分區域設置成不密實區，可以驗證檢測方法和檢測設備對不密實區的檢測性能。綜上所述，設定混凝土無損檢測測試平臺斷面尺寸長為1.5m，寬為1.2m，高為3m的長方體。這樣的大小存在以下幾個優點，首先是空間夠大，方便各類設備進行檢測操作，然后是平臺能夠劃分為3段，可承載不同的缺陷且互不干擾。最后是各種缺陷布置比較緊湊，能夠有效地利用空間。

1.2 超聲波反射法在混凝土質量檢測中的研究

對于裂縫的檢測，主要是利用超聲波的縱波的傳播特性。任何彈性物體在其本身發生形變時，都會產生彈性力，因此縱波可以在任何狀態下的介質中。由于縱波的特性：振動方向與傳播方向相同，使得縱波的傳播速度最快。當物體介質為特別大的介質時，其傳播速度如式(1)所示。

(1)

式中，E—材料的彈性模量；μ—泊松比；ρ—密度。當縱波的波長較長且介質為平面板狀介質時，縱波傳播速度如式(2)所示。

(2)

通常情況下，混凝土為非均質體，因此超聲波在對混凝土進行檢測時，聲波在混凝土的傳播狀況要比在均勻介質的物體中表現得更加復雜。由于超聲波頻率高，衰減大以及混凝土是非均質體特性，使得超聲波在混凝土中傳播時的散射和折射現象非常明顯，這種現象越明顯，能量損失越多。為了避免此問題，使超聲波在混凝土中的傳播距離盡量大，因此通常選擇頻率較低的超聲波來對混凝土進行檢驗。但是超聲波的頻率越低，波長越長，其波束的擴散角也就越大，導致超聲波的指向性受到極大影響。當超聲波在混凝土中的不均勻界面傳播時，會產生反射波和折射波，多種波束的出現也會對超聲波的指向性產生極大的影響。多種波的疊加導致接收到的無用信息變多，導致波形發生畸變。利用超聲波對混凝土進行裂縫檢驗，記錄各項聲波數據。當混凝土出現裂縫時，由于空氣的波阻抗遠低于混凝土的波阻抗，超聲波通過固體介質到達空氣界面時會發生全反射。因此可以認定接收到的聲波信號是繞過裂縫通過固體介質傳播過來的衍射波。根據接收到的波的數據信息，可以對混凝土構件的裂縫進行分析。表面波相比于超聲波反射法有著更好的性能，該方法的波體主要集中于彈性介質的表面和淺層，非常適合探測裂縫的深度。

使用超聲波對空洞和不密實區進行檢測的原理與檢測混凝土結構中的裂縫的相似，都是將聲波發射到混凝土結構的內部，然后通過接收到的聲波信息來確定缺陷信息。通過聲波沿著直線傳播時各種信息參數參數，來確定混凝土的缺陷。當混凝土出現空洞時，由于空氣的波阻抗遠低于混凝土的波阻抗，超聲波從混凝土構件中到達空氣界面時會發生全反射。因此可以認定接收到的聲波信號為通過混凝土介質繞過空洞的波。如圖1所示。

圖1 超聲波檢驗混凝土空洞原理圖

由圖1可知，由于聲波繞過空洞進行傳播導致傳播路徑的增長，而聲速降低，通過該數據可以計算出空洞的大小。由于空洞的影響，會導致不同的波形相互疊加，從而使得波形發生一定程度的畸變。也可以通過對聲波振幅、頻率等參數進行分析來確定混凝土結構中是否存在空洞缺陷。對不密實度的檢測是通過聲波在不同密度的介質中傳播速度并不相同的原理來進行的，通過對聲波數據的分析，可以計算出不密實區域的厚度參數。超聲橫波反射法利用混凝土或鋼筋混凝土等構件的一個檢測面對其進行成像的一種無損檢測技術，超聲波橫波的傳播速度如式(3)所示。

(3)

式中，E—材料的彈性模量；μ—泊松比；ρ—密度。

由于橫波的傳播速度為縱波的2/3左右，從而使得超聲橫波對小型缺陷的識別能力較強。并且超聲橫波在介質中穿透能力比縱波強，能量衰減比縱波少，所以聲波信號在穿過混凝土結構后，保留的信息比縱波更多。當超聲橫波遇到空洞或裂縫時，無法在其中進行傳播，因此檢測精度會更高，適用性更強。超聲橫波反射法在檢測時，利用發射器向混凝土中發射脈沖波，接收器對回波進行收集如圖2所示。

圖2 超聲橫波反射法檢測混凝土缺陷原理圖

由圖2可知，每個超聲橫波發射器對混凝土結構發射聲波后通過接收器接收回波，通過接收到的信息對超聲橫波進行分析，從而判斷缺陷類型和大小。

2 超聲波在混凝土質量檢測中的性能分析

此次研究主要針對工程質量影響較大的裂縫進行研究。因此在設計裂縫的時侯，將裂縫設置在混凝土測試平臺較深的位置，這樣設置提高對檢測能力的要求。此次實驗引入表面波法，將2種方法下的檢測性能進行比較，見表2。

表2 不同裂縫探測結果對比

表2中，1號裂縫為垂直裂縫，裂縫深度為90cm，寬2mm。該裂縫的深度超過了超聲波反射法能測量的最大深度。使用表面波法對1號裂縫進行探測。實驗結果顯示，混凝土構件中探測到的深度比實際深度較小，有著較大誤差。當使用表面波法對尺寸較小的構件上進行裂縫探測時，精度會有所下降，該方法更適合于大型的混凝土結構進行裂縫的探測。2號裂縫為垂直裂縫，裂縫深度為60cm，寬2mm。該裂縫的深度超過了超聲波反射法能測量的最大深度。表面波法對其進行裂縫深度檢測，測得裂縫深度為54.3cm，與1號裂縫相比，2號裂縫的探測準確度明顯上升。3號裂縫為垂直裂縫，裂縫深度為46cm，寬1mm。通過超聲波反射法對其進行探測，探測的結果比實際值偏低，誤差較大，其原因是處于此處縫深的裂縫快要達到超聲波反射法探測的極限距離，聲波衰減嚴重。由于表面波法的聲波能量較大，接收到的信號更加明顯，相比于超聲波反射法有著更高的精度。4號裂縫為斜裂縫，裂縫深度為40cm，寬1mm。使用雙橢圓法對裂縫尖端坐標進行探測，經過計算求解出裂縫深度?？梢钥闯鲭p橢圓法的探測精度比表面波法要小，通過3號裂縫和4號裂縫的對比，可以看出表面波法對垂直裂縫的探測能力要優于斜裂縫。

如圖3所示，為不同埋深下的2種方法的探測準確度，可以看出當埋深過深時，由于聲波能量的損失，導致過深回彈的聲波會有畸變，使得準確率降低。使用超聲波法對空洞位置和大小進行探測，其結果見表3。

圖3 不同埋深下的不同方法的探測準確度

表3 超聲橫波反射法對不同缺陷的識別結果

由表3可知，超聲波發射法在對混凝土缺陷的識別過程中。未能發現深度為100cm直徑為10cm的1號空洞。其原因是超聲波在傳播時候的能量衰減導致的。超聲波在混凝土內部進行傳播時，由于其內部的復雜結構，在傳播過程中，聲波的強度不可避免地會有一定的損失。損失的多少與混凝土結構中的復雜程度和聲波的頻率有關，聲波的傳播距離越大，損失越多。對2種空洞進行探測的結果，可以發現對1號空洞進行埋深探測，探測的誤差在4%左右；對2號空洞進行埋深探測，探測的誤差在7%左右。實驗結果表明，超聲橫波反射法的探測精度符合要求。對不同方法的探測性能進行比較，如圖4所示。

圖4 不同方法對空洞的識別準確率

由圖4可知超聲波反射法在不同的空洞中均有著較好的準確率，由于2號空洞埋深過深，導致超聲波的衰減較多，所以預測性能有所降低。但在埋深超過45cm后，超聲橫波反射法的性能開始低于探地雷達法。

3 結論

水利工程安全檢測是指對水利工程的結構、設備、水文水資源等進行定期或不定期的檢測和評估，以確保工程的安全性和可靠性。它是對水利工程進行全面監測、分析和評估的過程，旨在發現潛在的安全隱患和問題，并采取相應的措施進行修復和改進。此次研究搭建了混凝土無損檢測測試平臺，在測試平臺上布置不同的缺陷，然后選擇不同的方法對測試平臺上的缺陷進行檢測，以驗證不同方法的檢測性能。此次研究仍然存在不足，實際情況下的工程混凝土缺陷并不是單一出現的，此次研究只討論了單一缺陷的探測性能，若對多種復合缺陷進行討論，可以讓實驗結果更具有說服力。