超聲波檢測鋼管混凝土質(zhì)量的方法及應(yīng)用

□郝 放 □崔紅婭 □崔振華

（1 河南省水利科學(xué)研究院；2 河南科源水利建設(shè)工程檢測有限公司）

0 前言

鋼管混凝土由于其抗壓能力大、自重小而被廣泛的應(yīng)用于拱橋中。但由于鋼管混凝土在澆注過程中常會存在空洞、脫層、脫空和混凝土強度低等缺陷。而這些缺陷的存在往往會影響橋梁的承載能力。因此，檢測鋼管混凝土內(nèi)部混凝土是否存在缺陷十分必要。目前人們常采用局部開孔、人工敲擊和無損等方法對鋼管混凝土進行評。局部開孔檢查由于開孔小、測點少，代表范圍小，因此很難說明橋梁的整體澆注質(zhì)量；人工敲擊鋼管從聲音回響僅能夠定性判斷鋼管壁與混凝土的粘結(jié)狀況，且與操作人員的經(jīng)驗與主觀判斷有很大關(guān)系；而超聲檢測避免了上述檢測手段的不足，并且由于其無損、簡便、快捷，且能大致定量的識別存在的缺陷等優(yōu)點，被廣發(fā)的應(yīng)用于鋼管混凝土的質(zhì)量檢測中。

1 超聲波檢測原理

硬化的鋼管混凝土中如果存在缺陷，那么利用超聲脈沖波對其進行檢測與檢測沒有缺陷的相比，從波形圖中在檢測有缺陷的時候首波將會發(fā)生畸變，在沒有缺陷的混凝土中超聲波的聲速值偏大，在檢測有缺陷的時候超聲波的能量衰減大，并且超聲波接收信號的頻率小，我們在檢測試件的時候就是綜合這些聲學(xué)參量，對混凝土的澆注質(zhì)量進行評定的。

對于鋼管混凝土缺陷判斷的依據(jù)，可作如下解釋:

1.1 接收信號能量衰減

由于混凝土內(nèi)部存在有缺陷，不連續(xù)的介質(zhì)面則構(gòu)成了固—液、固—氣的界面，使投射的聲波在遇到這些界面的時候產(chǎn)生不規(guī)則的散射，相對于無缺陷密實的混凝土而言，接收信號的首波幅度下降，反映了聲能的衰減。對于任何介質(zhì)的界面，聲波垂直入射時，聲壓或聲強的反射率分別為:

或

式中：ρ1c1——第一種介質(zhì)的聲阻抗；ρ2c2——第二種介質(zhì)的聲阻抗。

可見，所謂全透射就是當(dāng)二種介質(zhì)的聲阻抗相等（ρ1c1=ρ2c）2，即γ 或k 均為0。而當(dāng)或∞。則γ 或k 等于1，即全反射。

1.2 “聲時”或聲速變化

當(dāng)混凝土內(nèi)部或表層存在缺陷時，在超聲波發(fā)—收通路上形成了不連續(xù)的介質(zhì)面（缺陷的孔、縫或疏松的空間），當(dāng)超聲波傳播通路上遇到這些缺陷時，將繞過缺陷向前繼續(xù)傳播，在探測的距離內(nèi)，超聲縱波在密實的混凝土中直接傳播所需要的“聲時”要比在復(fù)合介質(zhì)中傳播的平均“聲時”大，這反映了存在缺陷的混凝土的超聲波傳播的聲速要比在密實混凝土中的聲速小。

1.3 信號波形變化

由于超聲波在傳播過程中遇到缺陷的界面將會發(fā)生反射、折射、散射等現(xiàn)象，使得聲波傳播的相位發(fā)生了差異，迭加的結(jié)果導(dǎo)致了接收首波波形發(fā)生畸變，同質(zhì)量正常的鋼管混凝土比較，信號波形變化具有很強的可比性。因此利用檢測的波形圖也可以作為判斷的鋼管混凝土質(zhì)量的依據(jù)之一。

1.4 信號頻率變化

由于混凝土內(nèi)部存在缺陷加上其自身組織結(jié)構(gòu)的非均質(zhì)性，使探測脈沖在傳播的過程中發(fā)生反射、折射、散射等現(xiàn)象，高頻部分的能量衰減比低頻的快，也就是說，在探測的過程中高頻部分消失的比較快，因此，在應(yīng)用超聲檢測時接收信號的頻率要調(diào)的很低，因此，通過測定接收信號頻率的變化或作頻譜分析用來判斷混凝土質(zhì)量情況是個有效的參量。

綜上所述，采用諸超聲參量綜合評定鋼管混凝土的澆注質(zhì)量，無疑比任何單一指標的分析更為精確和有效。以上諸參量，由于受人為、耦合狀況以及檢測面平整度等隨機性的影響，聲能衰減和波形變化尚只能作定性和經(jīng)驗性的判別，但其有效性是勿庸置疑的。通過檢測的超聲聲速或聲時，接收信號頻率變化可以作量化的檢測判斷。

2 工程實例

為了檢測與評價南水北調(diào)中線工程焦作2 段一標解放路公路拱橋主拱肋鋼管混凝土拱橋澆筑質(zhì)量，本文運用上述超聲波檢測方法對其進行了無損檢測。

2.1 檢測目的

檢測鋼管混凝土是否存在有空洞、脫層、脫空和混凝土強度低等缺陷。

2.2 測點布設(shè)

為了能對澆注的混凝土質(zhì)量作出準確的評價，根據(jù)無損檢測的目的與要求，對鋼管混凝土的拱肋按照0.50m 一個斷面進行布點測試。對于可能產(chǎn)生缺陷的部位，如拱腳和拱頂應(yīng)適當(dāng)增加斷面的數(shù)量，以便于進行統(tǒng)計計算。斷面布點如圖1所示：

圖1 斷面測點布置圖

2.3 檢測結(jié)果分析

檢測共檢測了260 個截面，檢測的測點波速都在3500～4200 之間。在檢測過程中沒有發(fā)現(xiàn)有空洞、空管等現(xiàn)象，說明混凝土整體的澆注質(zhì)量良好。部分檢測結(jié)果如表1所示：

表1 部分管混凝土澆筑質(zhì)量檢測結(jié)果統(tǒng)計表

3 結(jié)語

文章以南水北調(diào)中線工程焦作2 段一標解放路公路拱橋主拱肋鋼管混凝土拱橋澆筑質(zhì)量的檢測為例，介紹了超聲波法在鋼管拱橋檢測中的應(yīng)用，通過對局部區(qū)域的鉆孔對比，表明超聲波法檢測的準確性。通過對此次檢測數(shù)據(jù)的分析發(fā)現(xiàn)，鋼管混凝土拱橋缺陷部位主要集中在拱頂和1/4 拱頂處，因此在鋼管混凝土澆注混凝土的時候應(yīng)當(dāng)對易出現(xiàn)缺陷的部位進行特別注意。

[1]陳寶春.鋼答混凝上拱橋設(shè)計與施工.北京:人民交通出版社，2000.

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