超聲波在混凝土檢測中的應(yīng)用

劉海川

【摘要】在應(yīng)用混凝土的過程中，需要重點(diǎn)關(guān)注混凝土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化和質(zhì)量。因此，對混凝土結(jié)構(gòu)的相關(guān)指標(biāo)評估成為一個非常重要的關(guān)注點(diǎn)，而超聲檢測作為先進(jìn)的無損檢測技術(shù)也越來越深入地被應(yīng)用到混凝土的探測過程中。本文首先分析了超聲波在混凝土檢測中的應(yīng)用優(yōu)勢及主要影響因素，然后詳細(xì)闡述了超聲波在混凝土檢測中的應(yīng)用。

【關(guān)鍵詞】超聲波；混凝土檢測；強(qiáng)度；裂縫；不密實(shí)

一、超聲波在混凝土檢測中的應(yīng)用優(yōu)勢及主要影響因素

（一）應(yīng)用優(yōu)勢

超聲波檢測技術(shù)鑒于其聲學(xué)參數(shù)的變化總是與物體內(nèi)部結(jié)構(gòu)參數(shù)狀態(tài)的變化具有良好的相關(guān)性，所以作為一種成熟的檢測技術(shù)被廣泛應(yīng)用于各領(lǐng)域。

從微觀上看，作為一個重要的應(yīng)用課題，混凝土的裂紋定量描述以及擴(kuò)展機(jī)制與原理一直被國內(nèi)外學(xué)術(shù)界普遍重視，因?yàn)榛炷两Y(jié)構(gòu)內(nèi)部裂紋的擴(kuò)展過程與受力特征密切相關(guān)。因此，超聲檢測技術(shù)用在混凝土探測領(lǐng)域成為近年來的研究重點(diǎn)，并且其中尤以測試方法是否可靠為難點(diǎn)。一般情況下，軟化曲線方法一直被用來分析混凝土構(gòu)件內(nèi)部裂紋擴(kuò)展和形成的有效手段，并且普遍認(rèn)為材料只有達(dá)到應(yīng)力極限之后，才會形成裂紋和擴(kuò)展裂紋。比如已經(jīng)在業(yè)界普遍應(yīng)用和研究的雙線性模型、Sidoroff 模型和 Mazarzs 模型?；炷恋倪@種力學(xué)特性雖然已經(jīng)被學(xué)者進(jìn)行了深入的研究，但是對混凝土的裂紋定量描述以及擴(kuò)展機(jī)制、原理方面的綜合研究并不多見，仍然需要做大量的研究開發(fā)工作。

在宏觀層面上，混凝土在施工的過程當(dāng)中會出現(xiàn)各種各樣的問題，如夾泥和空洞等缺陷；作為除了混凝土固有施工效果屬性的微裂紋和微孔隙之外的重要缺陷，會嚴(yán)重影響整個混凝土施工結(jié)構(gòu)的耐久屬性。但可惜的是，一般的超聲波檢測技術(shù)只能粗略的判斷這些缺陷的定量指標(biāo)，而不能足夠精確地確定問題的類型和位置，這個問題在超聲波 CT 技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用之后得到了有效緩解。

（二）主要影響因素

1、水泥品種

水泥品種是影響混凝土強(qiáng)度的重要方式，對于早期的混凝土質(zhì)量在早期并無規(guī)律性可研究。部分水泥早期的強(qiáng)度較高，部分后期強(qiáng)度較高。

2、礦物細(xì)摻料

礦物細(xì)摻料，現(xiàn)階段的混凝土主要向著高性能、高前度方向邁進(jìn)，摻加礦物細(xì)料或硅灰，能夠大幅度提高混凝土強(qiáng)度。由于硅灰的顆粒比較小，具有高度分散特性，提高了超聲的聲速值。

3、粗骨料

粗骨料含量，石子對于超聲測強(qiáng)的影響不顯著，可忽略。但是碎石與卵石的石質(zhì)相同，對聲速的影響也不大。但是，粗糙的碎石能夠提高骨料與水泥的粘結(jié)，比卵石的強(qiáng)度高很多。

4、砂率

科學(xué)合理的砂率，能夠有效提升混凝土的密實(shí)度，增強(qiáng)其粘聚性能。砂率變化，也會導(dǎo)致粗骨料含量發(fā)生變化。砂率對強(qiáng)度影響較小，但是，對聲速影響較大。

二、超聲波在混凝土檢測中的應(yīng)用

（一）超聲回彈綜合法檢測混凝土強(qiáng)度

混凝土強(qiáng)度是混凝土的一個重要指標(biāo)，因此對于混凝度強(qiáng)度的精確檢測也成為超聲波檢測的重要應(yīng)用方面。其中，超聲回彈綜合法又以其測試精確的特點(diǎn)，成為檢測混凝土強(qiáng)度的常用方法。

顧名思義，超聲回彈綜合法是指將超聲法和回彈法綜合應(yīng)用設(shè)計的一種檢測方法。超聲法和回彈法都是以材料的應(yīng)力、應(yīng)變行為與強(qiáng)度的關(guān)系作為判斷依據(jù)的。超聲法中的超聲速度可以反映出被測材質(zhì)的彈性屬性和材質(zhì)的一些內(nèi)部結(jié)構(gòu)信息；回彈法也可以反映出材質(zhì)的彈性屬性，并且還可以部分地反映出材質(zhì)的可塑性屬性。遺憾的是，其反映的深度不是非常理想，僅能夠反映出材質(zhì)表層的屬性狀態(tài)。由此可見，結(jié)合了二者優(yōu)點(diǎn)的超聲回彈綜合法不僅僅能夠反映混凝土內(nèi)部的情況，也可以反映出混凝土表層的情況，二者綜合之后，可以完整地反映出混凝土測區(qū)的內(nèi)、外部狀況。

超聲回彈綜合法的結(jié)果是建立測強(qiáng)曲線。即在統(tǒng)計超聲聲速值、表面回彈值和抗壓強(qiáng)度這些參數(shù)的基礎(chǔ)之上，用非破損檢測的參數(shù)與抗壓強(qiáng)度二者之間建立起測強(qiáng)曲線。其測試的一般過程為：

1、使用超聲儀測定聲波在混凝土中的傳輸時延，記為 t；

2、得出聲波在混凝土當(dāng)中的聲速，記為 v；

3、測定混凝土表層硬度，記為 r （回彈值）；

4、根據(jù) r （回彈值）和 v（聲速值）計算得出混凝土強(qiáng)度 f。

以上為計算混凝土強(qiáng)度的一般過程，在工程實(shí)踐中，先選定測試的混凝土測區(qū)，測量回彈值和聲速之后，就可以通過 f-v-r 的運(yùn)算關(guān)系，得到該區(qū)混凝土的強(qiáng)度值。

由于超聲回彈綜合法不是使用單一的測試手段，測試過程中有多項(xiàng)參數(shù)，并且多項(xiàng)參數(shù)之間會產(chǎn)生相互對比，進(jìn)而削弱單一指標(biāo)對測試強(qiáng)度值的影響，這使得超聲回彈綜合法擁有更加精確地測試結(jié)果。因此，此方法被廣泛地應(yīng)用在混凝土強(qiáng)度的檢測中。

（二）超聲波檢測混凝土結(jié)構(gòu)的內(nèi)部缺陷或損傷

混凝土結(jié)構(gòu)的內(nèi)部缺陷常見的是混凝土的裂縫、不密實(shí)、空洞等。裂縫往往是由于施工工藝的干擾造成層狀不連續(xù)，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)內(nèi)部或外觀上出現(xiàn)裂縫文理。不密實(shí)和空洞是一種隱蔽性的缺陷，形成此類缺陷的原因往往是混凝土水灰比過小或者配筋較密的情況。

1、裂縫的檢測

由于各種因素的干擾，混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件常常會產(chǎn)生裂縫，裂縫的存在不但會影響結(jié)構(gòu)的使用性能，甚至?xí)绊懡Y(jié)構(gòu)的安全與壽命。為了能準(zhǔn)確的測量裂縫的深度及走向，超聲脈沖法成為了檢測的常用手法。

混凝土結(jié)構(gòu)的開裂深度小于 500mm 時，推薦采用單面平測法或雙面斜測法。在進(jìn)行單面平測時，要以不同的測距布置測點(diǎn)進(jìn)行測量，要保證測點(diǎn)有跨縫和不跨縫兩種狀況，切測點(diǎn)的位置應(yīng)盡量避開鋼筋，減小鋼筋的干擾。裂縫深度的確定方法有：

（1）跨縫測量中，當(dāng)出現(xiàn)首波反相時，通過該測點(diǎn)的數(shù)據(jù)及相鄰測距的亮點(diǎn)的測量數(shù)據(jù)按照一定的方法計算 hci，最后取三個測點(diǎn)的深度平均值作為裂縫深度。

（2）如果在測量中沒發(fā)現(xiàn)首波反相，需要計算第 i 點(diǎn)的計算深度及平均值，通過個測點(diǎn)的測距和平均深度的比較，如果測距小于裂縫深度平均值或者測距大于三倍的平均值，剔除改組數(shù)據(jù)，然后去剩下的個測點(diǎn)數(shù)據(jù)取平均值即可。

2、不密實(shí)與空洞的檢測

超聲檢測手段具有無損傷性，相對射線方法，超聲波檢測方法的穿透能力強(qiáng)，操作簡單，儀器受干擾小等特點(diǎn)在不密實(shí)檢測中取得了廣泛的應(yīng)用。

現(xiàn)在主流的檢測混凝土結(jié)構(gòu)缺陷的超聲波檢測法有超聲脈沖聲速法（Ultrasonic Pulse-velocityMethod，簡稱 PUV）和超聲脈沖回波法（Ultrasonic Pulse-echo Method，簡稱PUE）兩種。PUV 法的工作原理是發(fā)射脈沖信號，通過測量信號穿越混凝土結(jié)構(gòu)的實(shí)踐來確定聲速。測點(diǎn)應(yīng)布置在混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件的表面并按網(wǎng)狀排布。通過超聲波的相關(guān)參數(shù)和結(jié)構(gòu)構(gòu)件的力學(xué)性能或集合特性的聯(lián)系，能夠有效地測定構(gòu)件的震蕩不實(shí)空洞區(qū)域。PUE 法的工作原理是在混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件的一側(cè)發(fā)射信號，通過測量波的傳播速度及時間，可以準(zhǔn)確的測量缺陷的位置及性質(zhì)。

結(jié)語

綜上，隨著超聲波檢測技術(shù)在混凝土檢測中應(yīng)用的不斷深入和發(fā)展，為建

筑施工中重要的建筑構(gòu)件———混凝土各方面性能的檢測和提升提供了良好的手段和措施。通過使用超聲波檢測混凝土的強(qiáng)度、損傷和內(nèi)部缺陷，可以極大地提高工程技術(shù)人員和質(zhì)量監(jiān)督人員的工作效率和生產(chǎn)速度。

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