超聲波無損檢測(cè)技術(shù)在石材檢測(cè)中的應(yīng)用

李建權(quán)

摘要：本文闡述了超聲波無損檢測(cè)技術(shù)的原理，并結(jié)合實(shí)例分析了該項(xiàng)技術(shù)在石材質(zhì)量檢測(cè)中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：超聲波檢測(cè);石材質(zhì)量;應(yīng)用

目前的石材質(zhì)量的檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，例如《天然花崗石建筑板材》（GB/T 18601-2009）、《天然板石》（GB/T 18600-2009），檢查項(xiàng)目包括外觀質(zhì)量和理化性能兩大部分，理化性能規(guī)定了體積密度、吸水率、耐氣候軟化深度、壓縮強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度、耐磨性等要求，但無超聲波無損檢測(cè)的規(guī)定，實(shí)際上利用超聲波檢測(cè)石材內(nèi)部缺陷簡(jiǎn)便易行，但因?yàn)槭钠贩N、產(chǎn)地、礦物成分、結(jié)構(gòu)等差異，超聲波檢測(cè)只能做相對(duì)比較，無法規(guī)定具體指標(biāo)，這可能是規(guī)范中沒有把它列入的原因吧。然而還是有一些研究者涉足了石材質(zhì)量超聲波檢測(cè)的研究，侯建國(guó)[1]研究了風(fēng)化石材與未風(fēng)化石材超聲波速與波幅的差異;童壽興等[2]研究了超聲波檢測(cè)石碑缺陷問題，并得出超聲波檢測(cè)技術(shù)完全適用于石材質(zhì)量檢測(cè)的結(jié)論;楊毅等[3]研究了超聲波檢測(cè)技術(shù)對(duì)石質(zhì)文物表面風(fēng)化程度的檢測(cè)及風(fēng)化等級(jí)的評(píng)估方法?？梢?，采用超聲波檢測(cè)石材質(zhì)量是可行的，所以本文對(duì)該技術(shù)在石材檢測(cè)中的應(yīng)用進(jìn)行了探討。

1 超聲波無損檢測(cè)技術(shù)原理

1.1 超聲波及特性

超聲波是機(jī)械振動(dòng)在媒介中傳播的一種機(jī)械波，頻率一般在20kHz以上，這個(gè)頻率也是人耳所能聽到的聲波上限。石材檢測(cè)頻率一般取100～1000 kHz[4]。超聲波在固體介質(zhì)中會(huì)產(chǎn)生縱波和橫波，沿固體表面?zhèn)鞑ギa(chǎn)生表面波，沿有界體產(chǎn)生導(dǎo)波。超聲波穿透能力強(qiáng)，在固體內(nèi)會(huì)產(chǎn)生透射，而在界面上會(huì)產(chǎn)生反射、折射、散射或繞射。超聲波的傳播速度主要決定于介質(zhì)性質(zhì)，致密巖石的波速大于疏松巖石的波速。石材中存在缺陷，即結(jié)構(gòu)上有不連續(xù)、不完整狀況，如風(fēng)化、裂縫、孔洞等，超聲波就會(huì)產(chǎn)生路徑、相位的變化，以及不同路徑、相位聲波的疊加，從而引起波速、波幅的改變以致波形畸變，據(jù)此可判斷缺陷的性質(zhì)。

1.2 檢測(cè)儀器與原理

超聲波檢測(cè)儀器分為金屬檢測(cè)儀和非金屬檢測(cè)儀兩大類，研究巖石質(zhì)量特性應(yīng)采用非金屬檢測(cè)儀。根據(jù)檢測(cè)原理，非金屬檢測(cè)儀分為透射法檢測(cè)、折射法檢測(cè)和反射法檢測(cè)三種類型。巖石檢測(cè)主要利用縱波和橫波透射原理。發(fā)射和接受超聲波的裝置稱作換能器，它是根據(jù)電能與聲能轉(zhuǎn)換原理制成的。按照換能器布置形式，透射法分為對(duì)測(cè)法和平測(cè)法兩種，石材一般采用對(duì)測(cè)法檢測(cè)，檢測(cè)原理如圖1所示。

1.3 石材質(zhì)量與聲波檢測(cè)的相關(guān)性

1.3.1 泊松比與聲波傳播速度之間的關(guān)系

泊松比，其中為縱波聲速（m/s），為橫波聲速（m/s）。反映了巖石的彈性性能，與巖石的完整程度有關(guān)。圖2是與關(guān)系曲線，可見越大，巖石的也越大。據(jù)大量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，完整致密的巖石=0.25，=1.73;巖石質(zhì)量變劣裂隙逐漸發(fā)育=0.35～0.4，=2.35～2.45;巖體由破碎到非常破碎=0.4～0.48，=2.45～7.55。

1.3.2 聲速與巖石類型的關(guān)系

不同類型的巖石由于地質(zhì)成因、礦物組合、結(jié)構(gòu)、構(gòu)造等存在差異，所以波速不一樣，表1是部分石材縱波聲速特征[1]?？梢?，致密、強(qiáng)度高的石材聲速也大。

1.3.3 聲速與巖石風(fēng)化程度的關(guān)系

同一種巖石風(fēng)化程度不同，它們的聲速也存在顯著差異，以某地區(qū)一種閃長(zhǎng)巖不同風(fēng)化程度實(shí)測(cè)縱波聲速為例：較新鮮巖石聲速>6.0km/s;微風(fēng)化巖石聲速5.4～6.0 km/s;弱風(fēng)化巖石聲速3.5～5.4km/s;強(qiáng)風(fēng)化巖石聲速<3.5 km/s。

1.3.4 聲速與巖石強(qiáng)度的關(guān)系

巖石單軸抗壓強(qiáng)度與縱波聲速的關(guān)系為，其中為巖石單軸抗壓強(qiáng)度（MPa），為縱波聲速（m/s），為巖石密度（t/m3）。由該關(guān)系式易見或增加時(shí)都會(huì)增加，但對(duì)的貢獻(xiàn)更大，這也為表1數(shù)據(jù)所證實(shí)。

2 超聲波檢測(cè)技術(shù)在石材質(zhì)量檢測(cè)中的應(yīng)用

2.1 檢測(cè)程序

石材進(jìn)場(chǎng)后應(yīng)按照GB/T 18601-2009、GB/T 18600-2009等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行檢驗(yàn)和驗(yàn)收，并應(yīng)按圖3所示程序進(jìn)行檢測(cè)。

在做超聲檢測(cè)時(shí)應(yīng)同時(shí)取得新鮮巖石和風(fēng)化巖石樣本，在試驗(yàn)室測(cè)定理化性能和超聲波速指標(biāo)，并建立兩者之間的關(guān)系。石材進(jìn)場(chǎng)后通過已建立的這種關(guān)系鑒定石材的風(fēng)化程度，可用公式進(jìn)行計(jì)算。其中為波速比，為待測(cè)巖石的聲速，為新鮮巖石聲速。一般≥0.9未風(fēng)化;=0.8～0.9微風(fēng)化;=0.6～0.8中風(fēng)化;=0.4～0.6強(qiáng)風(fēng)化;=0.2～0.4全風(fēng)化;<0.2組織結(jié)構(gòu)完全破壞。

2.2實(shí)例分析

某石材應(yīng)用超聲波檢測(cè)，圖4為新鮮巖石和風(fēng)化巖石檢測(cè)波形圖。其中（a）采用350mm測(cè)距，測(cè)出波速=5.5km/s，波幅=104.39dB，且波形完整，連續(xù)性也好;（b）采用150mm測(cè)距，波速=3.6km/s，波幅=72.16dB，波形有畸變，連續(xù)性也差。該實(shí)例說明采用超聲波檢測(cè)技術(shù)可有效鑒定石材質(zhì)量。

3 結(jié)語

石材內(nèi)部缺陷若采用常規(guī)理化性能試驗(yàn)方法檢測(cè)，不僅周期長(zhǎng)、費(fèi)用高，由于是有損檢測(cè)，試驗(yàn)數(shù)量受限，而采用超聲波無損檢測(cè)快捷方便，更重要的是試驗(yàn)數(shù)量不受限制，可以對(duì)任何懷疑有問題的石材進(jìn)行檢測(cè)，盡管相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)尚未將其列入，相信隨著試驗(yàn)方法的不斷成熟，該方法必會(huì)成為石材質(zhì)量檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)中的一部分。

參考文獻(xiàn)：

[1]侯建國(guó).超聲技術(shù)在建筑用石材質(zhì)量檢測(cè)中的應(yīng)用[J].物探與化探，2003，27（3）：244-246.

[2]童壽興，伍根伙.石材質(zhì)量的超聲波檢測(cè)技術(shù)[J].無損檢測(cè)，2011，33（2）：21-23.

[3]楊毅，楊雋永，范陶峰.安徽鳳陽明皇陵石像生風(fēng)化狀況評(píng)估及分析[J].石材，2013（7）：54-57.

[4]林維正，吳慶曾，施天民，等.土木工程質(zhì)量無損檢測(cè)技術(shù)[M].北京：中國(guó)電力出版社，2008.