超聲波技術(shù)在檢測(cè)混凝土缺陷中的應(yīng)用

劉俊峰

摘 要：混凝土結(jié)構(gòu)常常由于澆筑方式不當(dāng)或者振搗不密實(shí)等原因造成混凝土結(jié)構(gòu)出現(xiàn)不密實(shí)、空洞等現(xiàn)象，隨著超聲波技術(shù)的不斷發(fā)展，由于其在混凝土檢測(cè)中的無損傷性、檢測(cè)快速準(zhǔn)確等特點(diǎn)，已經(jīng)在混凝土檢測(cè)中取得了廣泛的應(yīng)用。本論文從不同方面闡述超聲波技術(shù)在檢測(cè)混凝土缺陷中的應(yīng)用，希望為研究超聲波技術(shù)檢測(cè)的專家和學(xué)者提供理論參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：超聲波技術(shù)；檢測(cè)混凝土缺陷；應(yīng)用

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，城鎮(zhèn)化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，以及高速公路、高鐵等基建項(xiàng)目的大規(guī)模建設(shè)，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)取得了前所未有的發(fā)展，特別是大體積混凝土結(jié)構(gòu)的發(fā)展。在混凝土結(jié)構(gòu)的澆筑振搗過程中，常常因?yàn)椴僮鞑划?dāng)引起結(jié)構(gòu)的內(nèi)部缺陷，由于混凝土的質(zhì)量問題常常會(huì)影響這個(gè)結(jié)構(gòu)的使用，因此混凝土澆筑質(zhì)量的控制越來越被重視，在工程竣工后成為結(jié)構(gòu)質(zhì)量評(píng)估的重要指標(biāo)之一。近年來出現(xiàn)了許多結(jié)構(gòu)倒塌事故，這些事故的起因有時(shí)是因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，有些是因?yàn)槭┕み^程的不正確的施工操作。施工過程中的混凝土澆筑不密實(shí)和空洞現(xiàn)象比較常見，因此對(duì)混凝土質(zhì)量的檢測(cè)就顯得尤為重要。無損傷技術(shù)的應(yīng)用可以保證結(jié)構(gòu)的完整性，并且能夠節(jié)省檢測(cè)成本，有助于評(píng)估整個(gè)結(jié)構(gòu)的安全性完整性。

1超聲波檢測(cè)原理

眾所周知，波在均勻介質(zhì)中的傳播速度為一常數(shù)，根據(jù)費(fèi)馬定律，聲波在固體介質(zhì)中傳播，滿足所用時(shí)間為最短的條件，當(dāng)遇到波阻抗差異較大的部位，如混凝土中的裂隙，會(huì)沿著一條最短的途徑繞過裂隙（亦即波的“衍射”或“繞射”現(xiàn)象）。另外當(dāng)介質(zhì)中含有隨機(jī)分布的不同阻抗的顆粒，如果顆粒的尺寸小于波長(zhǎng)，則聲波將被顆粒反射而散射開來，不再沿著原方向前進(jìn)，也即“散射現(xiàn)象”。

超聲波在均勻混凝土介質(zhì)中傳播的速度基本為一常數(shù)。在混凝土組合結(jié)構(gòu)中，混凝土之間無空隙存在，混凝土質(zhì)量良好，混凝土厚度給定的情況下，傳播的聲時(shí)是固定不變的。當(dāng)混凝土之間存在空隙時(shí)，由于超聲波在空氣中的波速遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于在鋼材與混凝土中的波速，超聲波能量在空氣中的衰減遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于在鋼材與混凝土中的衰減，導(dǎo)致傳播時(shí)間增大，波幅衰減幅度增大，并且超聲波從鋼材透射到空氣中時(shí)，由于傳播介質(zhì)的改變（由固體到氣體），使得聲波相位發(fā)生變化，測(cè)試波形將會(huì)產(chǎn)生畸變。所以，超聲波在鋼管混凝土中的傳播方式是不同于普通混凝土結(jié)構(gòu)的，在進(jìn)行鋼管混凝土超聲檢測(cè)時(shí)，由發(fā)射換能器產(chǎn)生的超聲高頻振動(dòng)波。

混凝土結(jié)構(gòu)是非均質(zhì)的材料，對(duì)超聲波的能量有吸收的特性，而對(duì)于高頻成分吸收更大，一般在混凝土結(jié)構(gòu)夠缺陷檢測(cè)時(shí)采用發(fā)射頻率較低的超聲波。當(dāng)混凝土結(jié)構(gòu)質(zhì)量較均勻、測(cè)試相同距離的情況下，接收的信號(hào)主頻等參數(shù)往往比較一致，如果混凝土出現(xiàn)不密實(shí)、空洞等缺陷時(shí)，混凝土的整體性受到破壞，這時(shí)接收換能器收到的信號(hào)值和完整混凝土相比聲時(shí)值較大，波幅和頻率值相應(yīng)較低。在混凝土檢測(cè)時(shí)正式依靠檢測(cè)設(shè)備處理參數(shù)后比較聲速、波幅和主頻測(cè)量值，得出混凝土的質(zhì)量狀況。

2超聲波在混凝土檢測(cè)中的具體應(yīng)用

2.1超聲回彈綜合法檢測(cè)混凝土的強(qiáng)度

混凝土的強(qiáng)度是混凝土特性中的一個(gè)重要指標(biāo)，如何能準(zhǔn)確的檢測(cè)混凝土的強(qiáng)度顯得尤為重要，超聲回彈綜合法由于檢測(cè)精度高、操作簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，成為混凝土強(qiáng)度檢測(cè)中常用的方法之一。超聲回彈綜合法是一種超聲法和回彈法綜合應(yīng)用的一種檢測(cè)方法。這兩種方法的應(yīng)用基本依據(jù)就是分析材料的應(yīng)力應(yīng)變和材料強(qiáng)度的關(guān)系。超聲法可以通過超聲比反應(yīng)材料的彈性和一些內(nèi)部結(jié)構(gòu)信息?；貜椃瓤梢苑磻?yīng)材料的彈性和又能反應(yīng)部分塑性，但是僅能夠描述出材料的表面特性，不能揭示材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征。為了能更深入的揭示事物的彈性塑性特征，采用把超聲法和回彈法相結(jié)合的方式，這種方式不僅能揭示事物的表面特性，還能夠完成的反映出結(jié)構(gòu)的內(nèi)部狀況、在進(jìn)行混凝土抗壓強(qiáng)度數(shù)值測(cè)定時(shí)，首先要選好測(cè)點(diǎn)，選好測(cè)點(diǎn)后采用超聲回彈綜合法，此種方法的主要目的就是建立測(cè)強(qiáng)曲線，即通過統(tǒng)計(jì)分析波速、表面回彈值、抗壓強(qiáng)度這些參數(shù)的關(guān)系，具體的操作過程如下 ：

2.1.1 通過超聲檢測(cè)儀，測(cè)得超聲波在混凝土結(jié)構(gòu)中的傳播時(shí)間 t ；

2.2.2 測(cè)得在混凝土結(jié)構(gòu)中傳播的波速 V ；

2.3.3 測(cè)得表面回彈值 r ；

2.3.4 根據(jù)所測(cè)得的超聲波速 V 和混凝土表面回彈值 r 計(jì)算混凝土的抗壓強(qiáng)度。在整理波速和混凝土抗壓強(qiáng)度的關(guān)系時(shí)，一般當(dāng)混凝土的超聲波聲速過高時(shí)表示混凝土的強(qiáng)度較大，當(dāng)混凝土的聲速過低時(shí)，表示混凝土的強(qiáng)度較低。

2.2超聲波檢測(cè)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)部缺陷常見的又混凝土的裂縫、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。

2.2.1 裂縫的檢測(cè)

由于各種因素的干擾，混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件常常會(huì)產(chǎn)生裂縫，裂縫的存在不但會(huì)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(cè)量裂縫的深度及走向，超聲脈沖法成為了檢測(cè)的常用手法。混凝土結(jié)構(gòu)的開裂深度小于 500mm 時(shí)，推薦采用單面平測(cè)法或雙面斜測(cè)法。在進(jìn)行單面平測(cè)時(shí)，要以不同的測(cè)距布置測(cè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，要保證測(cè)點(diǎn)有跨縫和不跨縫兩種狀況，切測(cè)點(diǎn)的位置應(yīng)盡量避開鋼筋，減小鋼筋的干擾。

2.2.2不密實(shí)與空洞的檢測(cè)

超聲檢測(cè)手段具有無損傷性，相對(duì)射線方法，超聲波檢測(cè)方法的穿透能力強(qiáng)，操作簡(jiǎn)單，儀器受干擾小等特點(diǎn)在不密實(shí)檢測(cè)中取得了廣泛的應(yīng)用。測(cè)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(cè)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(hào)，通過測(cè)量波的傳播速度及時(shí)間，可以準(zhǔn)確的測(cè)量缺陷的位置及性質(zhì)。

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