超聲波檢測(cè)技術(shù)

陳慶東

（蘭州市城市建設(shè)設(shè)計(jì)院，甘肅蘭州730030）

1 概述

超聲波是一種頻率高于人耳能聽到的頻率的聲波，一般用于超聲波檢測(cè)的下限頻率為20 kHz，上限為100 kHz。這是由于實(shí)踐證明，頻率愈高，檢測(cè)分辨率愈高，其測(cè)量精度愈高。但頻率高時(shí)，波長(zhǎng)減小，當(dāng)減小到與被檢測(cè)材料中的骨料尺寸處于同一數(shù)量級(jí)時(shí)，散射面積擴(kuò)大，聲波的散射量增加，隨之衰減量增加，而使有用的反射波減小，相應(yīng)地波的回收能量也隨之減小，使測(cè)量誤差增加。

超聲波檢測(cè)的基本原理是用人工的方法在工程材料或結(jié)構(gòu)中激出一定頻率的彈性波，這種彈性波以及各種波形在材料與結(jié)構(gòu)內(nèi)部傳播并由接受儀器接受。在物體內(nèi)部傳播的彈性波的波速、振幅、頻率及波形等波動(dòng)特性參數(shù)與物體的力學(xué)參數(shù)（如動(dòng)彈性模量、動(dòng)泊松比、動(dòng)剪切模量及物體內(nèi)部的應(yīng)力分布狀態(tài)）有直接的關(guān)系。通過(guò)分析研究被記錄下來(lái)的彈性波信號(hào)，可以了解材料與結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性和缺陷。

超聲波檢測(cè)技術(shù)在道路路基路面中應(yīng)用是近年來(lái)發(fā)展的一種新的測(cè)試方法，是一項(xiàng)無(wú)損檢測(cè)的新技術(shù)。我國(guó)應(yīng)用超聲波檢測(cè)開始于建筑工程與巖土工程，主要用波速法測(cè)量巖石的抗壓強(qiáng)度與判斷巖石的性質(zhì)，以及評(píng)價(jià)建筑工程中材料特別是水泥混凝土與鋼筋水泥混凝土材料的質(zhì)量。由于超聲波具有激發(fā)容易、檢測(cè)簡(jiǎn)單、操作方便、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)，因此，在道路檢測(cè)中的應(yīng)用，特別是高等級(jí)公路路基路面檢測(cè)中的應(yīng)用有著較廣泛的前景。

2 超聲波檢測(cè)的基本原理

波速法是超聲波檢測(cè)路基路面的最基本的方法。所謂波速法，即指用波在路基路面材料中行進(jìn)的速度來(lái)檢測(cè)其力學(xué)性能的一種方法。波的行進(jìn)速度與該種材料的軟硬度即強(qiáng)度有著密切的關(guān)系，而強(qiáng)度又與它的密實(shí)度、彈性模量以及泊松比有關(guān)，如在無(wú)限大固體介質(zhì)中傳播的縱波波速為：

式中：vL—超聲波縱波波速（m/s）；

E—彈性模量（MPa）；

ρ—介質(zhì)材料；

μ—泊松比。

無(wú)限大的介質(zhì)實(shí)際上是不存在的，當(dāng)固體介質(zhì)的尺寸與所傳播的波長(zhǎng)相比足夠大時(shí)，可視為半無(wú)限大體，其波速與無(wú)限大介質(zhì)中的波速相近。

由式（1）看出，如從材料的力學(xué)角度分析，超聲波在固體材料中傳播，實(shí)質(zhì)上是一種高頻機(jī)械波在固體材料中的傳播。超聲波通過(guò)固體材料時(shí)，使固體材料中的每一個(gè)微小區(qū)域都產(chǎn)生拉伸、壓縮或剪切等應(yīng)力應(yīng)變過(guò)程，因此，超聲波在這種固體材料中的傳播速度，實(shí)質(zhì)上就表征了該種固體材料的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)，亦即直接反映了固體材料彈性模量與密度特性。正如上述，這兩個(gè)指標(biāo)與強(qiáng)度有著直接關(guān)系，亦即強(qiáng)度是這兩個(gè)指標(biāo)的綜合反映。由實(shí)踐證明，材料的強(qiáng)度愈高，穿過(guò)它的超聲波波速值就愈高，材料的強(qiáng)度愈低，則穿過(guò)它的超聲波波速值就愈低，實(shí)質(zhì)上用波速值的大小就表征了材料的強(qiáng)度高低。

當(dāng)材料松軟時(shí)，其強(qiáng)度小，即表征材料強(qiáng)度的彈性模量與密度小，它們的綜合結(jié)果也必然小，穿過(guò)它的波速亦將隨之減??；當(dāng)材料堅(jiān)硬時(shí)，其強(qiáng)度大，表征材料材料強(qiáng)度的彈性模量與密度必然大，同理，它們的綜合結(jié)果也必然大，穿過(guò)它的波速亦將隨之增高。對(duì)于有缺陷的材料體，其強(qiáng)度的降低導(dǎo)致超聲波在該處所行進(jìn)波速也必然減小，例如，水泥混凝土材料中的空隙等，這是由于波在該處產(chǎn)生不正常行駛，或發(fā)生雜亂的散射或繞射，增加了聲波傳播的聲阻抗，使速度減緩所致。一般來(lái)說(shuō)，正常材料的彈性模量、密度或強(qiáng)度都是穩(wěn)定的，而且通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)可取得正常的波速值，也可以通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)取得（需修正）。但當(dāng)發(fā)現(xiàn)測(cè)出的波速有異常變化時(shí)，可根據(jù)用試驗(yàn)方法得到的該種材料的波速標(biāo)準(zhǔn)診斷模式判斷出它的缺陷性質(zhì)，甚至是缺陷位置。這就是超聲波測(cè)量材料強(qiáng)度與判斷材料缺陷的基本原理這給現(xiàn)場(chǎng)施工質(zhì)量監(jiān)測(cè)帶來(lái)了方便。

3 超聲波檢測(cè)鉆孔灌注樁

目前，我國(guó)建筑行業(yè)無(wú)損檢測(cè)偏重于超聲與回彈的綜合法測(cè)定和評(píng)價(jià)混凝土的質(zhì)量。交通行業(yè)對(duì)水下鉆孔樁的測(cè)定基于施工工藝的不同和水下樁極易發(fā)生夾層斷樁的頻率較大而偏重于樁缺陷的測(cè)定和評(píng)定。超聲波檢測(cè)法是檢測(cè)混凝土灌注樁連續(xù)性、完整性、均勻性以及混凝土強(qiáng)度等級(jí)的有效方法。它能直觀而準(zhǔn)確地檢測(cè)出樁內(nèi)混凝土中因灌注質(zhì)量問(wèn)題造成的夾層、斷樁、孔洞、蜂窩、離析等內(nèi)部缺陷，并能測(cè)出混凝土灌注樁均勻性及強(qiáng)度等級(jí)等性能指標(biāo)。

3.1 灌注樁超聲波脈沖檢測(cè)法

超聲波檢測(cè)法的基本做法是，在灌注混凝土之前，在樁內(nèi)預(yù)埋若干根聲測(cè)管，作為超聲波發(fā)射與接收的通道，由超聲波檢測(cè)儀中的電壓式換能器（發(fā)射探頭）發(fā)射一系列周期性超聲脈沖波，脈沖穿過(guò)被檢測(cè)的樁體，被另一個(gè)電壓式換能器（接受探頭）所接收，超聲檢測(cè)儀顯示出超聲脈沖穿過(guò)被檢測(cè)樁體時(shí)的各種參數(shù)（如超聲脈沖在樁體中的傳播時(shí)間、頻率、能量損失、波形畸變等），然后根據(jù)聲波穿過(guò)不同介質(zhì)時(shí)各種參數(shù)的變異情況，經(jīng)過(guò)分析判斷給出樁內(nèi)混凝土缺陷的類型、大小和位置，以及混凝土均勻性指標(biāo)和強(qiáng)度等級(jí)。

當(dāng)超聲波檢測(cè)儀的發(fā)射探頭與接受探頭沿樁的軸向逐點(diǎn)測(cè)量各深度斷面上混凝土的聲時(shí)、波幅、接受波頻率等參數(shù)之后，即可獲得一組數(shù)據(jù)，并可繪制出樁的縱剖面上的“聲時(shí)—深度曲線”、“波幅—深度曲線”、“頻率—深度曲線”等。鑒于樁內(nèi)混凝土施工方法其狀態(tài)的特殊性，缺陷的判斷及強(qiáng)度的推斷方法都與一般的混凝土超聲測(cè)缺與測(cè)強(qiáng)方法有所不同，因此，如何在這些實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，對(duì)樁的完整性、連續(xù)性、均勻性、強(qiáng)度等級(jí)作出判斷，已成為基礎(chǔ)超聲脈沖檢測(cè)技術(shù)的關(guān)鍵之一。目前常見的缺陷分析方法可分為缺陷的臨界值，作為判斷的依據(jù)。為此必須在測(cè)試的聲參數(shù)和存在缺陷的可能性之間，建立合理的數(shù)學(xué)或物理模型，以便找出適當(dāng)?shù)呐袚?jù)形式。此法能對(duì)大量測(cè)試數(shù)據(jù)作出明確的定量判斷。由于計(jì)算工作量大，一般應(yīng)由計(jì)算機(jī)完成。數(shù)值判據(jù)是超聲脈沖測(cè)缺技術(shù)中近年發(fā)展起來(lái)的一個(gè)新領(lǐng)域，使混凝土超聲檢測(cè)技術(shù)由原先經(jīng)驗(yàn)性的判斷方法變成了根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)值的定量判斷，這無(wú)疑是一項(xiàng)重大進(jìn)展。但由于研究時(shí)間較短，現(xiàn)有數(shù)據(jù)的合理性及其適應(yīng)范圍有待進(jìn)一步研究。數(shù)值判據(jù)常用于對(duì)樁全面掃測(cè)時(shí)的初步判斷。第二類為聲陰影區(qū)重疊法，即從不同的方向測(cè)出缺陷背面所形成的聲陰影的重疊區(qū)，這些聲陰影區(qū)即為缺陷的位置所在。該法直接明確，但測(cè)量必須細(xì)致，效率較低，通常用于在數(shù)值判據(jù)法確定位置后的細(xì)測(cè)判斷，以便在數(shù)值判據(jù)法粗略判斷出缺陷的存在區(qū)間后，仔細(xì)測(cè)量缺陷的位置、大小和性質(zhì)。在樁的超聲檢測(cè)中，這兩種方法必須結(jié)合使用。在現(xiàn)有研究水平的條件下，過(guò)分強(qiáng)調(diào)數(shù)值判據(jù)的準(zhǔn)確性是不妥的。

3.2 超聲法判斷缺陷的原理

從超聲傳播理論可知，超聲波的傳播速度與其物理性質(zhì)有關(guān)，即與材料的密度和彈性有關(guān)。通過(guò)定量測(cè)試超聲波在混凝土中的傳播速度，振幅變化及頻率變化，反映混凝上的密實(shí)程度。

（1）根據(jù)聲時(shí)值在缺陷區(qū)的變化規(guī)律是一不連續(xù)函數(shù)，至少在缺陷區(qū)的邊界上斜率明顯增大，導(dǎo)出“聲時(shí)差值與相鄰兩點(diǎn)聲時(shí)斜率乘積”的PSD判距來(lái)判斷缺陷的大小，范圍及性質(zhì)：

式中：PSDi——第i個(gè)測(cè)點(diǎn)的判距值；

ti，ti-1——相鄰兩點(diǎn)的聲時(shí)值；

Di,Di-1——相鄰兩點(diǎn)的位置（高度）。

當(dāng)缺陷為夾層時(shí)：

式中：L—測(cè)管間距；

V1、V2——分別為完好混凝土和夾層雜物的聲速；

△D——測(cè)點(diǎn)間距。

夾雜物聲速可由以往觀測(cè)資料分析確定或采用測(cè)試完好混凝土的某一折扣值。實(shí)際應(yīng)用時(shí)應(yīng)將二者結(jié)合起來(lái)。

（2）依據(jù)超聲波在缺陷界面上產(chǎn)生的反射，使接收探頭能量衰減或接收頻率的明顯降低，判斷缺陷的存在和大小。

（3）依據(jù)超聲波在缺陷處，因介質(zhì)不同使得波形轉(zhuǎn)換和疊加，造成接收波形畸變的波形現(xiàn)象，判別缺陷的存在和大小。

（4）各種缺陷判距計(jì)算公式中的有關(guān)參數(shù)，可依據(jù)理論分析或現(xiàn)場(chǎng)模擬（如泥夾層、砂礫夾層、砂夾層）試件測(cè)試相比較。筆者建議，在有條件時(shí)，盡量在施工現(xiàn)場(chǎng)采集和模擬可能發(fā)生缺陷性質(zhì)的試件（塊），并測(cè)出相應(yīng)的波長(zhǎng)、聲時(shí)、衰減及波形參數(shù)和有關(guān)圖形。

3.3 影響判斷的幾個(gè)因素及處理措施

（1）耦和劑的影響。

測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)試塊時(shí)，應(yīng)選用黃油作耦和劑，并在探頭兩端加壓，使其與試件緊密接觸，當(dāng)讀數(shù)（如波形）不再變化時(shí)測(cè)量；樁基檢測(cè)鋼管以水作耦和劑時(shí)應(yīng)加注清水。

（2）檢測(cè)探頭的影響。

用不同的換能器測(cè)量時(shí)，其波形相差很大。因此對(duì)標(biāo)準(zhǔn)件的平探頭和樁基檢測(cè)的雷管狀增壓式探頭波形應(yīng)作合理的分析。

（3）樁基鋼筋的影響。

鋼筋截面積較小，其接收信號(hào)遠(yuǎn)小于混凝土信號(hào)。實(shí)際測(cè)試時(shí)，可通過(guò)儀器中的增益旋扭抑制箍筋的接收信號(hào)；當(dāng)梁式構(gòu)件中有較粗的橫向鋼筋時(shí)，應(yīng)從波形上加以區(qū)別。

（4）混凝土齡期影響。

混凝土聲速隨齡期的增加而上升。但在硬化初期，聲速很低，與泥砂夾層難以區(qū)別。而且在硬化初期，混凝土對(duì)聲能的吸收系數(shù)較大，信號(hào)較低。試驗(yàn)證明：混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)號(hào)的60%以上時(shí)，便于明確地判斷缺陷的存在。

4 結(jié)語(yǔ)

超聲法檢測(cè)樁基混凝士質(zhì)量缺陷是很敏感的方法。由于超聲波檢測(cè)技術(shù)具有準(zhǔn)確、直觀、迅速、簡(jiǎn)便、費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)，已成為我國(guó)灌注樁質(zhì)量檢測(cè)的重要手段之一。

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[2]夏連學(xué),寧金成.公路與橋梁結(jié)構(gòu)檢測(cè)[M].黃河水利出版社,1999.

[3]王登科.超聲波檢測(cè)鉆孔灌注樁混凝土質(zhì)量的缺陷分析和判斷[J].公路,1999(9).