浅谈基于超声波技术的混凝土无损检测技术

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摘要：混凝土是世界上使用量最大、最为广泛的工程材料。近年来混凝土结构的研发与创新，新材料，新技术的开发，创造了许多重大重点工程。采用超声波检测混凝土强度和缺陷，是在不影响结构或构件受力性能或其他功能的前提下，直接进行检测并推定。混凝土无损检测技术具有直接、快速、灵活等优点，已得到了广泛的应用。

关键词：超声波技术、无损检测、混凝土强度

中图分类号：TU37文献标识码： A 文章编号：

1前言

混凝土是当代建筑工程中最主要的结构材料之一，它的质量直接关系到建筑结构的安全性和耐久性，也是关系国家建设和社会经济发展的大事，与广大民众的工作生活息息相关。混凝土质量超声检测技术是建筑工程无损检测技术领域中的重要方面。超声波技术用于混凝土质量检测的历史虽然不如金属超声探伤长，但因工程建设的需求，发展速度相当迅速。

2混凝土无损检测技术概念

混凝土无损检测技术的定义是在不破坏结构构件的条件下，直接从结构物上进行测试或局部采用钻芯的方式来推定混凝土强度及判断缺陷的一门技术。混凝土无损检测的方法主要有回弹法、超声法、超声回弹综合法、雷达法、冲击回波法、红外成像法、钻芯法、拔出法及超声波CT 法等，其中钻芯法和拔出法属局部破损或半破损检测方法。

3超声波检测混凝土的优缺点

声波的指向性比较好，其频率越高，指向性越好。超声波传播能量大，对各种材料的穿透力较强。超声波的声速、 衰减、阻抗和散射等特性，为超声波的应用提供了丰富的信息。 超声检测具有适应性强、检测灵敏度高、对人体 无害、设备轻巧、成本低廉，可即时得到探伤结果，适合在实验室及野外等各种环境下工作，并能对正在运行的装 置和设备实行在线检查。超声法检测过程无损于材料、结构的组织和使用性能；直接在构筑物上测试并推定其实际的强度；重复或复核检测方便，重复性良好；超声法具有检测混凝土质地均匀性的功能，有利于测强测缺的结合，保证检测混凝土强度建立在无缺陷、均匀的基础上合理地评定混凝土的强度。

应用超声来进行无损检测也有其相应的缺点。对于平面状的缺陷，例如裂纹，只要波束与裂纹平面垂直，就可以获得很高的缺陷回波信号。但是对于球面状的缺陷，例如空洞，假如空洞不是很大或分布不是较密集的话，就难以得到足够的回波信号或是其时间变化不明显；另外，对于各向非同性的材料，例如混凝土，相应会存在材料的离析，使得材料密度不均匀，这使得人们把离析误判为是内部的空洞而导致决策上的失误；对于表面缺陷的检测，超声波法的灵敏度要低得多，但超声无损检测方法可以较为精确的确定混凝土表面的裂缝深度。

4超声波检测混凝土强度基本原理

采用超声波检测混凝土强度，其主要是依据超声纵波的传播速度和衰减系数。由发射换能器产生的超声脉冲波，通过耦合层进入混凝土，通过耦合层进入混凝土，经过复杂（折射、反射、散射或绕射）的传播过程，到达接收换能器R，仪器接收到得超声波信号携带着混凝土的密实情况、动弹特性等质量信息。

可将混凝土分为两个组成部分：一是由粗骨料组成的惰性部分；二是活性部分，即其中含有水分、微孔隙及微裂缝的水泥砂浆。假设混凝土试件的超声测距为l，混凝土声速为v，粗骨料声速为va，水泥砂浆声速为vm，则两个组成部分构成混凝土试件，得到公式

V=lvavm/(vmla+valm)（3-1）

式中la——超声波在粗骨料中的传播距离；

lm——超声波在砂浆中的传播距离。

当混凝土试件的粗骨料品质及用量固定且超声测距一定时。（3-1）中的l、va、la、lm均为固定值，混凝土声速v只随砂浆声速vm变化。一般认为混凝土强度主要取决于水泥砂浆的强度及其与粗骨料之间的黏结力，而砂浆声速又随其强度提高而增大。因此，混凝土的超声传播与其强度之间存在密切关系。

国内外大量学者通过大量试验研究，用立方体标准试件抗压强度与超声传播速度建立了相关性十分良好地拟合曲线，我国采用（幂函数型）

fccu=avb或（指函数型）fccu=aebv

式中v——混凝土声速；

fccu——混凝土换算强度；

Ed——动力弹性模量；

a、b、c——系数.

5超声波用于检测混凝土缺陷技术方面的体现

5.1混凝土缺陷的超声波检测系统

混凝土的缺陷是指因技术管理不善和施工疏忽，造成结构混凝土内部存在空洞、局部疏松、夹杂物、颈缩、施工缝，或由于工艺违章、配料错误造成的低强度区;严重的分离离析造成组织构造的不均匀性;使用过程产生裂隙以及化学侵蚀、冻害的损坏层等。混凝土缺陷的超声波检测系统如图1所示。图1混凝土缺陷的超声波检测系统

5.2超声波检测混凝土缺陷基本方法

超声法检测混凝土缺陷，一般是根据构件或结构的几何形状、所处环境、尺寸大小以及所能提供的测试表面条件，选择不同的测试方法。常用的有平面检测（采用厚度振动式换能器）、钻孔或预埋管检测（采用径向振动式换能器）、混合检测（采用一个平面振动式和一个径向振动式换能器）。

5.3超声波检测混凝土缺陷主要影响因素

采用超声波检测砼缺陷时,往往会受到一些客观因素的影响。在实际检测中如不考虑这些因素并采取适当的措施,必然会使缺陷判断带来困难或给测试结果带来较大误差。根据大量的试验研究和工程实测表明,超声波检测砼缺陷主要影响因素可分为以下三种：耦合状态的影响、钢筋的影响、缺陷中水分的影响。

6超声波检测混凝土灌注桩质量的依据

6.1用声速判断缺陷的概率法判据：由于混凝土质量的随机波动不可避免，其质量波动符合正态分布，则反映正常混凝土质量的指标(如声速)是服从正态分布的随机变量。确定随机变量的临界值，也就是确定区分随机波动与过失误差的一个判断标准，凡低于这个标准的取值就认为偏离了正态分布规律，是异常值。

6.2用声时判断缺陷的PSD判据：根据桩身某一检测面的实测声时tc，及测点高程z(mm)，可得到一个以tc为因变量，z为自变量的函数tc=f(z)。当该桩身完好时f(z)应是连续可导函数。

6.3声幅判剧：接收波首波波幅是判定混凝土灌注桩桩身缺陷的一个重要参数，首波波幅对缺陷的反应比声速更敏感，但波幅的测试值受仪器、测距等许多缺陷因素的影响，因而其测值没有波速稳定。声波波幅与正态分布的偏离更远，采用基于正态分布规律的概率法来计算波幅临界值缺乏可靠的理论依据。

6.4主频判据：由于用主频作为判据，会遇到和声幅作为判据时类似的问题，因此一般应用不多，只是作为其它判据之外的一种辅助手段。

6.5实测声波波形：实测波形可以作为判断桩身混凝土缺陷的一个参考，前面所述的声速、声时、声幅只与接收波的首波有关，接收波的后续部分是发、收换能器之间各种路径声波叠加的结果，对其做定量分析比较困难，但后续波的强弱在一定程度上反映了收、发换能器之间声波在桩身混凝土内各种声波传播路径上总的能量衰减。

7实验测量结果及其分析

在实验室中, 300mm ×300mm ×300mm, 200mm ×200mm ×200mm, 100mm ×100mm ×100mm 混凝土立方体构件各两个分别经过800℃和400℃的高温冷却后, 将传感器对测各立方体构件。传感器的频率为25KHz, 传感器的距离分别为300mm、200mm、100mm, 测量了六组数据, 每组10 对数据如表1 所示。一个构件测量10 次, 然后切换测量不同长度不同温度的混凝土构件。其中数据为0 表示此次测量未接收到信号或测量出的传播时间超出范围( 时间单位为ns ) 。传播时间的平均值是前8 个有效数据的平均。

表1 实验测量传播时间数据

从表1 中很明显可以看出除去少数无效数据,数据的一致性较好, 稳定性也很好, 而且无效数据也很少, 传播时间的平均值误差不超过±200ns , 结果完全符合设计要求。根据表1 所示数据, 便能推算出超声波在不同状态下的混凝土中的传播速度, 以及分布率。依照不同情况的混凝土特性和这些试验数据,绘制出超声波传播速度曲线( R - C 曲线) , 从而获得混凝土强度。

8结语

用超声法来评定混凝土结构的缺陷，是一种行之有效的方法，但在有些方面还需要进一步完善和发展， 比如检测方法还需要一定的改进、数据采集精度有待提高、仪器所检测的声学参数也应多样化。可以说用超声法对混凝土材料进行无损评定是一种非常有潜力的检测手段，有着广阔的发展全间，它需要许多的科学工作者去不断的加以完善和创新，以更好的服务于工程事业。

参考文献：

【1】罗骐先,李为杜.新编混凝土无损检测技术.中国科学出版社,2004.50～144

【2】刘其伟,程跃辉,王 键,秦向杰.超声波无损检测的特点方折及其在混凝之缺陷评定中的应用.华东公路.2003.08.20.(4)

【3】中国工程建设标准化协会标准.超声法检测砼缺陷技术规程.(CECS21: 2000)

【4】张志泰,邱平.超声波在混凝土质量检测中的应用.化学工业出版社,2006