超聲波檢測技術在混凝土結(jié)構(gòu)檢測中的應用孫志偉（青島理工大學土木工程學院2001級5班）【摘要】對超聲波無損檢測的特點做了相應的論述，并闡述了其作為無損評定所具有的優(yōu)越性和影響測強的因素。介紹了超聲無損檢測混凝土裂縫深度及其內(nèi)部空洞常用的無損檢測方法。

【關鍵詞】超聲檢測、優(yōu)缺點、裂縫檢測、缺陷檢測前言超聲法測強采用單一聲速參數(shù)推定混凝土強度。當影響因素控制不嚴時，精度不如多因素綜合法，但在某些無法測量回彈值及其他參數(shù)的結(jié)構(gòu)或構(gòu)件（如基樁、鋼管混凝土等）中，超聲法仍有其特殊的適應性。1超聲波檢測技術分析聲波的指向性比較好，其頻率越高，指向性越好。超聲波傳播能量大，對各種材料的穿透力較強。超聲波的聲速、衰減、阻抗和散射等特性，為超聲波的應用提供了豐富的信息。超聲檢測具有適應性強、檢測靈敏度高、對人體無害、設備輕巧、成本低廉，可即時得到探傷結(jié)果，適合在實驗室及野外等各種環(huán)境下工作，并能對正在運行的裝置和設備實行在線檢查。超聲法檢測過程無損于材料、結(jié)構(gòu)的組織和使用性能；直接在構(gòu)筑物上測試驗并推定其實際的強度；重復或復核檢測方便，重復性良好[1]；超聲法具有檢測混凝土質(zhì)地均勻性的功能，有利于測強測缺的結(jié)合，保證檢測混凝土強度建立在無缺陷、均勻的基礎上合理地評定混凝土的強度。應用超聲來進行無損檢測也有其相應的缺點[2]。對于平面狀的缺陷，例如裂紋，只要波束與裂紋平面垂直，就可以獲得很高的缺陷回波信號。但是對于球面狀的缺陷，例如空洞，假如空洞不是很大或分布不是較密集的話，就難以得到足夠的回波信號或是其時間變化不明顯；另外，對于各向非同性的材料，例如混凝土，相應會存在材料的離析，使得材料密度不均勻，這使得人們把離析誤判為是內(nèi)部的空洞而導致決策上的失誤；對于表面缺陷的檢測，超聲波法的靈敏度要低得多，但超聲無損檢測方法可以較為精確的確定混凝土表面的裂縫深度。2測量參數(shù)混凝土超聲檢測目前主要是采用所謂“穿透法”，即用發(fā)射換能器重復發(fā)射超聲脈沖波，讓超聲波在所檢測的混凝土中傳播，然后由接收換能器接收。被接收到的超聲波轉(zhuǎn)化為電信號后再經(jīng)超聲儀放大顯示在示波屏上，用超聲儀測量直接收到的超聲信號的聲學參數(shù)。當超聲波經(jīng)混凝土中傳播后，它將攜帶有關混凝土材料性能、內(nèi)部結(jié)構(gòu)及其組成的信息。準確測定這些聲學參數(shù)的大小及變化,可以推斷混凝土的性能內(nèi)部結(jié)構(gòu)及其組成情況。2.1聲速聲速即超聲波在混凝土中傳播的速度。它是混凝土超聲檢測中一個主要參數(shù)?；炷恋穆曀倥c混凝土的彈性性質(zhì)有關，也與混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)（孔隙、材料組成）有關。不同組成的混凝土，其聲速各不相同。一般說來，彈性模量越高，內(nèi)部越是致密，其聲速也越高。而混凝土的強度也與它的彈性模量、它的孔隙率（密實性）有密切關系。因此，對于同種材料與配合比的混凝土，強度越高，其聲速也越高。若混凝土內(nèi)部有缺陷（孔洞、蜂窩體），則該處混凝土的聲速將比正常部位低。當超聲波穿過裂縫而傳播時，所測得的聲速也將比無裂縫處聲速有所降低?？傊?，混凝土聲速值能反映混凝土的性能及其內(nèi)部情況。2.2振幅接收波振幅通常指首波，即第一個波前半周的幅值，接收波的振幅與接收換能器處被測介質(zhì)超聲聲壓成正比，所以接收波振幅值反映了接收到的聲波的強弱。在發(fā)射出的超聲波強度一定的情況下，振幅值的大小反映了超聲波在混凝土中衰弱的情況。而超聲波的衰減情況又反映了混凝土粘塑性能?；炷潦菑椪乘苄泽w，其強度不僅和彈性性能有關，也和其粘塑性能有關，因此，衰減大小，即振幅高低也能在一定程度反映混凝土的強度。對于內(nèi)部有缺陷或裂縫的混凝土，由于缺陷、裂縫使超聲波反向或繞射，振幅也將明顯減小，因此，振幅值也是判斷缺陷與裂縫的重要指標。由于振幅值的大小還取決于儀器設備性能、所處的狀態(tài)，耦合狀況以及測距的大小，所以很難有統(tǒng)一的度量標準，目前只是作為同條件（同一儀器、同一狀態(tài)、同一測距）下相對比較用[3]。2.3頻率如前所述，在超聲檢測中，由電脈沖激發(fā)出的聲脈沖信號是復頻超聲脈沖波。它包含了一系列不同頻率成分的余弦波分量。這種含有各種頻率成分的超聲波在傳播過程中，高頻成分首先衰減（被吸收、散射）。因此，可以把混凝土看作是一種類鋼筋的影響分兩種情況：一是鋼筋配置的軸向垂直于超聲傳播方向；二是鋼筋軸向平等于超聲傳播的方向。對第一種情況央一般配筋的鋼筋混凝土構(gòu)件中，鋼筋斷面所占整個聲通路徑的比例較小，所以影響較小(對于高標號混凝土影響更小)。鋼筋軸向平行超聲傳播的方向，在作超聲“聲時”測量時，可能影響較大，應設法加以避免或修正。3.4粗骨料品種、粒徑和含量的影響表1：粗骨料與回歸方程粗集料種類回歸方程Sr%卵石R=2.671×10-5V10.8271.8碎石R=4.039×10-2V8.03326.1表2：細骨料與回歸方程細集料種類回歸方程Sr%中砂R=1.422×10-5V11.109324.0特細砂R=1.022×10-5V11.83816.7每立方米混凝土中骨料用量的變化、顆粒組成的改變對混凝土強度的影響要比水灰比、水泥用量及標號的影響小得多，但是，粗骨料的數(shù)量、品種及顆粒組成對超聲波傳播速度的影響卻十分顯著，甚至稍微增加一些碎石的用量或采用較高彈性模量的骨料，敏感性最強的是超聲脈沖的聲速。比較水泥石、砂漿和混凝土三種試體的超聲檢測，在強度值相同的情況下，混凝土的超聲脈沖聲速最高，砂漿次之，水泥石最低。差異的原因主要是超聲脈沖在骨料中傳播的速度比混凝土中傳播速度快。聲通路上粗骨料多，聲速則高；反之，通路上粗骨料少，聲速則低。4超聲波在混凝土結(jié)構(gòu)無損檢測中的應用房屋和橋梁等建筑物的質(zhì)量無論是對人民的生命財產(chǎn)，還是對國民經(jīng)濟來說，都是十分重要的。對建筑物的所有要求中，安全性是第一位的。近年來，一系列災難性的橋梁倒塌事故主要也是由于在設計施工中出了問題，加上對成橋的維修保養(yǎng)不力，出現(xiàn)了諸如混凝土內(nèi)部空洞、離析，鋼筋銹蝕，預應力鋼筋失效，梁體受力部位開裂等病害，無損檢測是防止這類惡性事件發(fā)生的重要手段。另一方面，對現(xiàn)有舊建筑物的維修和保養(yǎng)要耗費大量資金。無損檢測技術的應用可使維修保養(yǎng)大大減少盲目性，從而可大大節(jié)約這項開支。土木工程無損檢測技術有助于評估新舊建筑物的穩(wěn)定性和整體性，能夠?qū)π屡f建筑物整體或部分作質(zhì)量狀態(tài)監(jiān)視，能夠用來估計建筑材料和結(jié)構(gòu)的性質(zhì)和性能[4]。4.1超聲波對混凝土裂縫深度的檢測由于施工不慎混凝土未搗實、施工中因溫度變形和干燥收縮、早期施工過載以及混凝土承載后產(chǎn)生的受力損傷等都會形成裂縫，利用超聲儀可以檢測出上述裂縫的開展深度及以后的開展情況，其所用的方法主要包括雙面檢測法和單面檢測法。4.1.1雙面檢測法雙面檢測法是當構(gòu)件截面不大，而構(gòu)件的兩個側(cè)面都能安放探頭(發(fā)射探頭、接收探頭)時，直接探測裂縫的一種方法。如圖1所示，探頭分別置于1、2、3、4、5、6各對跨縫點。當發(fā)射、接收探頭在構(gòu)件兩側(cè)面相對位置移動時，測出不同位置的聲波傳播時間，量得聲路的長度(各測點到裂縫截面邊緣的水平距離)，從b-t關系曲線的突然轉(zhuǎn)折處，即時間從變化轉(zhuǎn)為平穩(wěn)的過渡點，就是所要測的裂縫深度A。然而在通常的工程結(jié)構(gòu)中很少有滿足上述條件的，因而此種方法雖簡單，但具體操作時卻不一定可行。圖1：雙面檢測示意圖4.1.2單面檢測法單面檢測法是當構(gòu)件的截面很大或只有開裂的一個表面能夠安放探頭時沿面檢測裂縫的一種方法。公路橋梁上的主梁裂縫由于條件的限制，其探測基本上也以單面法為多。對于單面檢測法，最常用的方法要算tc—to法和BS4408標準方法，另外的方法還包括表面波的傳播聲時測量裂縫深度、利用超聲波首波相位變化的方法檢測裂縫深度、沖擊回波法檢測裂縫深度等，這里主要介紹一下tc—to法。如圖2所示，首先在裂縫附近完好的表面，選擇一定的長度工作為校準距離，設這段距離為2a，在這段距離的兩端安放探頭，測出聲波通過2a的時間為tc，再將發(fā)射與接收探頭安放在裂縫兩側(cè)，并使兩個探頭至裂縫的距離都為a,測得通過裂縫處聲波的傳播時間：tc，如果裂縫與表面正交，以聲波通過前后兩處混凝土所傳播的速度相等為條件，很容易推導出混凝土裂縫深度的計算公式：d=a[(tc/to)2–1]0.5圖2：單面檢測示意圖在《超聲法檢測混凝土缺陷技術規(guī)程》(CECS21：2000)中對上述的tc—to法加以了改進，即在不跨縫進行聲時測量時，將T和R換能器置于裂縫附近同一側(cè)，使其內(nèi)邊距分別等于50mm、100mm、150mm、200mm、250mm、300mm共6個點，讀取這時的聲時值(to)i，由此可以畫出相應的時－距坐標圖。然后在跨縫進行聲時測量時，取同樣距離的6個點，相應讀出這時的聲時值(t)i，再根據(jù)相應的公式求出每個測點所對應的裂縫深度值，最后取其平均值，這樣做主要是因為探頭聲源并不是在探頭中心點位置，通過上述方法可以求出聲源的確切位置。需要指出的是，如果各測距小于dk和大于3dM應剔除出該組數(shù)據(jù)，然后取余下數(shù)的平均值，作為該裂縫的深度值dc；另外一點值得注意的是，檢測時裂縫內(nèi)不得留有水或是其它的異物，這主要是因為在其它材料堵塞裂縫的情況下，聲波就不會從裂縫底端繞過，從而導致所計算出的裂縫深度與實際不符。同時，混凝土表面要有一定的光潔度，以保證聲時讀數(shù)的穩(wěn)定性，這方面也應該重視。此外，對應不同的裂縫其測試方法也應有所不同，在裂縫深度和探頭跨縫寬度相差不多的情況下，計算得到的結(jié)果與實際會吻合的更好一些，對于過淺或是過深裂縫，應該對此種方法加以靈活的改進，比如跨縫斜測、跨縫不對稱測量等等。4．2超聲波對混凝土的不密實區(qū)及其空洞的檢測超聲波檢測混凝土內(nèi)部不密實區(qū)及其空洞的原理就是當發(fā)射探頭發(fā)射的超聲波遇到空洞時，聲波就產(chǎn)生反射使一部分能量衰減，另一部分將繞過空洞沿著孔壁傳播，并最終將被安放在另一頭的接收探頭所接收，從而從超聲儀上讀出的時間與同類材料相同距離下的正常溫凝土會有所差別。通過各測點時間讀數(shù)的變化情況以及超聲振幅、波形的變化，就可以推測混凝土內(nèi)部空洞的大致尺寸，通常以該空洞的最大內(nèi)徑來表示。這里要注意的一點就是首先要用其它方法判斷該混凝土內(nèi)部是空洞還是缺陷，然后再進行下一步操作。在具體對混凝土空洞檢測過程中需要布置大量的測點，如果該混凝土結(jié)構(gòu)材料有兩對平行測試面，用對測法即可；如果只有一對互相平行的測試面，應在對測的基礎上還要進行交叉斜測，同時對可疑數(shù)據(jù)點區(qū)段內(nèi)應加密測點。目前在我國橋梁基樁的低應變檢測中也相應列人了超聲波無損檢測技術，在灌注樁澆筑前預先在其兩側(cè)預埋聲測管，根據(jù)樁的直徑埋置兩到三個聲測管，管的直徑比探頭略大，其下端封閉，測試時在管內(nèi)注滿清水，使兩探頭水平相對放置，通過探頭在樁身的上下移動讀出各測點的聲時值，從而確定出缺陷異常點的位置和范圍。