超聲斷層掃描法檢測混凝土內(nèi)部缺陷技術(shù)研究

陳代君，朱忠平，孔祥旭

（1.新疆建筑科學(xué)研究院（有限責(zé)任公司），烏魯木齊 830054；2.新疆建設(shè)工程質(zhì)量安全檢測中心（有限責(zé)任公司)，烏魯木齊 830054）

1 引言

在混凝土結(jié)構(gòu)的施工過程中，由于施工人員不固定，技術(shù)水平參差不齊，在混凝土澆筑過程中會產(chǎn)生一些質(zhì)量缺陷，從而造成混凝土強度不足，混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部出現(xiàn)的空洞、孔洞、夾渣、裂縫等質(zhì)量問題越來越多，現(xiàn)場需要快速、準(zhǔn)確地檢測出缺陷位置、缺陷大小及缺陷類型。

2 混凝土內(nèi)部質(zhì)量缺陷的檢測方法原理及各自缺點

2.1 超聲波法

2.1.1 檢測方法

目前，超聲波無損檢測技術(shù)是檢測混凝土內(nèi)部質(zhì)量缺陷的有效方法，其主要操作依據(jù)為CECS21:2000《超聲法檢測混凝土缺陷技術(shù)規(guī)程》[1]，具體的操作方法及數(shù)據(jù)處理方法如下：

1）根據(jù)被測構(gòu)件的實際結(jié)構(gòu)尺寸及需要檢測的部位，布置換能器，布置的網(wǎng)格間距控制在100～300 mm，具體可根據(jù)被測構(gòu)件的具體情況和需要檢測部位的實際情況確定，并且可以根據(jù)缺陷情況調(diào)整該間距。

2）使用清水清除待測試混凝土表面的浮塵和浮漿，清理完畢后，待混凝土表面達(dá)到風(fēng)干狀態(tài)，再在其表面均勻涂抹耦合劑，耦合劑主要為黃油或凡士林，然后檢查儀器，將儀器增益凈量調(diào)至最大值。

3）根據(jù)需檢測構(gòu)件混凝土存在的大致缺陷情況，以及平行的兩個測試面之間的距離（固定值），將兩個換能器通過黃油耦合在測位中對應(yīng)的測點上，測量兩個檢測點之間的聲學(xué)參數(shù)，聲學(xué)參數(shù)主要為聲時值或聲速值，同時還需要進行同環(huán)境條件下正常區(qū)域混凝土的聲學(xué)參數(shù)的測量，作為對比數(shù)據(jù)，對比測點數(shù)應(yīng)不少于20 個。

4）結(jié)果計算。首先，計算所測量的正常區(qū)域混凝土的聲學(xué)參數(shù)平均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差；然后，計算所測量的有質(zhì)量缺陷區(qū)域的聲學(xué)參數(shù)的平均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差。在上述數(shù)據(jù)計算過程中，需要按照CECS21：2000 中規(guī)定的異常系數(shù)對所采集的數(shù)據(jù)進行剔除，然后對剩余數(shù)據(jù)再進行異常數(shù)據(jù)剔除，直至無異常值為止，再進行聲學(xué)參數(shù)的計算。具體異常數(shù)據(jù)的判定方法可按照CECS21：2000 進行，本文不再贅述。根據(jù)測點上測量得到的異常聲學(xué)參數(shù)，結(jié)合異常點的大致分布情況判定混凝土內(nèi)部不密實區(qū)和空洞區(qū)的大致范圍。最后，確定混凝土內(nèi)部質(zhì)量缺陷的種類與大小。

2.1.2 數(shù)據(jù)處理

根據(jù)CECS21：2000 第6.3 節(jié)內(nèi)容，測位混凝土聲學(xué)參數(shù)（聲時、波幅、頻率）測量值的平均值mx和標(biāo)準(zhǔn)差sx按式（1）和式（2）計算：

式中，Xi為第i點的聲學(xué)參數(shù)的測量值，聲學(xué)參數(shù)包括聲時、波幅、頻率；n為參與統(tǒng)計的測點數(shù)。

異常數(shù)據(jù)可按下列方法判別：

1）將各測點的波幅、聲速或主頻值由大到小按順序分別排列，表示為X1≥X2≥…≥Xn≥Xn+1，將排在后面明顯小的數(shù)據(jù)視為可疑，再將這些可疑數(shù)據(jù)中最大的一個（假定Xn）連同其前面的數(shù)據(jù)計算出mx及sx值，并按式（3）計算異常情況的判斷值（xo）：

式中，λ1為異常值判定系數(shù)。

將X0與Xn相比較，當(dāng)Xn≤X0時，則Xn及排列于其后的各數(shù)據(jù)均為異常值，并且去掉Xn，再用X1～Xn-1進行計算和判別，直至判不出異常值為止；當(dāng)Xn＞X0時，應(yīng)再將Xn+1放進去重新進行計算和判別。

2）當(dāng)測位中判出異常測點時，可根據(jù)異常測點的分布情況按式（4）進一步判別其相鄰測點是否異常：

式中，λ2、λ3為待選異常值判定系數(shù)。

當(dāng)測點布置為網(wǎng)格狀時，取λ2；當(dāng)單排布置測點時(如在聲測孔中檢測），取λ3，同時，若保證不了耦合條件的一致性，則波幅值不能作為統(tǒng)計法的判據(jù)。

整個檢測過程較為麻煩，計算方法更為復(fù)雜，耦合劑對檢測結(jié)果影響很大，同時，耦合劑的清理較費勁，對混凝土構(gòu)件的污染大，檢測出混凝土內(nèi)部缺陷的判斷需要有豐富的經(jīng)驗，并且檢測時間長，缺陷判定困難，同時，在檢測過程中所使用的耦合劑對混凝土構(gòu)件污染嚴(yán)重，越來越不適應(yīng)于現(xiàn)代混凝土快速施工的技術(shù)要求。

2.2 雷達(dá)法

采用雷達(dá)法檢測混凝土質(zhì)量缺陷時，在混凝土表面發(fā)射一定頻率的電磁波，當(dāng)電磁波通過混凝土內(nèi)的缺陷部位時，產(chǎn)生的反射波的波幅與頻率會發(fā)生變化，根據(jù)反射波的波幅和頻率隨時間的變化而形成的圖像分析混凝土構(gòu)件中的孔洞、裂縫、不密實等質(zhì)量缺陷。其主要利用了電磁波在不同介質(zhì)中的阻抗和幾何形態(tài)的差異，差異越大，信號越強。使用雷達(dá)法檢測混凝土結(jié)構(gòu)質(zhì)量缺陷的缺點是所使用的儀器價格昂貴，金屬干擾嚴(yán)重，鋼筋與缺陷的區(qū)分需根據(jù)單通道波形圖與剖面圖結(jié)合識別，還需要通過鉆芯來驗證。

2.3 沖擊回波法

沖擊回波法的原理是：作用在混凝土的表面的沖擊彈性波，在混凝土內(nèi)部形成應(yīng)力波，應(yīng)力波在通過治療缺陷或混凝土底面時，產(chǎn)生反射波，工作人員通過分析反射波的波形參數(shù)來確定混凝土內(nèi)部質(zhì)量缺陷。使用沖擊回波法檢測混凝土質(zhì)量缺陷的缺點是所使用的儀器價格昂貴，檢測的混凝土深度較淺，檢測不出混凝土內(nèi)部缺陷的類型，需結(jié)合鉆芯來驗證。

2.4 紅外熱像法

利用紅外熱像儀可以記錄大自然中各種可以產(chǎn)生紅外線的物體向外輻射紅外線的影像?；炷临|(zhì)量檢測中，可以根據(jù)紅外線照片物體的溫度差異或試驗前后溫度的變化來確定混凝土內(nèi)部的某種缺陷。使用紅外熱像法檢測混凝土質(zhì)量缺陷的缺點是所使用的儀器價格昂貴，只能檢測混凝土的淺層缺陷。

2.5 鉆芯法

鉆芯法是利用專用鉆機，在結(jié)構(gòu)混凝土上鉆取芯樣，根據(jù)芯樣情況判定混凝土質(zhì)量缺陷。其缺點是依靠混凝土局部的損傷來反映混凝土內(nèi)部質(zhì)量缺陷，此方法要求觀察混凝土內(nèi)部質(zhì)量缺陷越準(zhǔn)確，可靠取樣數(shù)量就要求越多，對混凝土結(jié)構(gòu)的損傷就越嚴(yán)重，而且鉆芯費用較高，鉆芯時間較長。

3 混凝土斷層掃描檢測技術(shù)的原理及現(xiàn)狀

隨著建筑工程檢測技術(shù)的進步，在混凝土檢測方面也出現(xiàn)了大量的先進的檢測儀器。超聲波斷層掃描技術(shù)被用于混凝土檢測的原理是：將待檢測混凝土表面劃分若干個檢測單元，然后從不同方向?qū)γ恳粚訖z測單元進行多次多波列超聲波掃射，通過計算機匯總每一層測量的超聲波數(shù)據(jù)，最終將匯總數(shù)據(jù)合成直觀圖像，根據(jù)圖像精確、直觀地反映混凝土整個測試面上的缺陷，提高了檢測精度，可及時、準(zhǔn)確、可靠地檢測混凝土內(nèi)部質(zhì)量缺陷。

隨著近幾年科技的發(fā)展，國外已將混凝土斷層掃描法用于混凝土無損檢測與評價中，以及用Surfce WaveU 進行混凝土性能的無損評估。近幾年，我國引入三維斷層超聲成像儀，目前三維斷層掃描在我國僅在科研及個別重大水利、公路工程上使用。

混凝土超聲斷層掃描檢測儀是一部多功能超聲基陣測量系統(tǒng)?？蛇m用于非破壞性測試，用低頻率波進行測量，波的頻率一般在200～100 kHz，并根據(jù)測試數(shù)據(jù)處理成像，利用脈沖回波技術(shù)針對混凝土或者鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)進行內(nèi)部成像。應(yīng)用與施工現(xiàn)場相近的鋼筋混凝土模型中，獲取相應(yīng)的檢測資料，通過對資料的匯總、整理，與已知的鋼筋混凝土模型的數(shù)據(jù)進行對比，編制超聲波CT 檢測混凝土內(nèi)部質(zhì)量缺陷的程序。

具體軟件編寫原理（以聲時值為例）：

首先，斷層掃描儀使固定波速（斷層掃描儀在標(biāo)準(zhǔn)塊或正?；炷辽线M行儀器校準(zhǔn)，標(biāo)定后，確定波速v）多角度地通過被測混凝土構(gòu)件的某一個測試面時，可得到一系列的聲時值（ti），當(dāng)該混凝土試件的被測試斷面沒有缺陷時，每個角度里的各列波所產(chǎn)生的聲時值是相同的，當(dāng)該混凝土被測試斷面存在缺陷時，每一角度的各列波的聲時值會產(chǎn)生差異，根據(jù)各列波在該檢測斷面上的每一個細(xì)小的檢測單元上的聲時值的統(tǒng)計情況，確定被檢測斷面上缺陷的大小。一般缺陷越小，每次掃描的步距就會越小，顯示的缺陷就會越精細(xì)，同時根據(jù)缺陷的界限，形成圖像。但是，每個檢測斷面在成像時應(yīng)考慮鋼筋對此斷面的干擾。

其次，按照上述方法繼續(xù)掃描混凝土構(gòu)件的下一層，依據(jù)獲得的聲時值統(tǒng)計情況，繪出本層圖像，以此類推。

最后，將各層圖像合成一個立體的透視圖，再將各測區(qū)的立體透視圖合成一個整體，從而直觀地看到缺陷的位置、大小及鋼筋的位置。這個程序避免了原有程序中不能區(qū)分鋼筋與缺陷的問題，其主要原因是原程序依靠聲時值的差值進行灰度上色，不考慮聲時值差值的正負(fù)，從而造成混凝土中的缺陷與鋼筋均為紅色，無法區(qū)分。

編寫軟件程序要求以固定速度為基準(zhǔn)速度，主要判斷依據(jù)是被測混凝土構(gòu)件的某一個測試面得到的每一個測試單元的聲時值，若聲時值無異常，只要所測量的聲時值與該測量角度下的基準(zhǔn)聲時值一致時就顯示黃色，若聲時值偏低往綠色偏移，偏差值越大越接近于藍(lán)紫色；若聲時值偏高往紅色偏移，偏差值越大越接近于赤紅色；如果僅采用黑白圖像，也可以是聲時值越偏高顏色越接近于黑色，聲時值越偏低越接近于白色，具體的灰度變化可以通過電腦來區(qū)分、分析，從而得出缺陷的大小、類型。這樣編寫出的軟件程序解決了無法區(qū)分缺陷與鋼筋的問題。

4 混凝土超聲斷層掃描儀的選用

通過對現(xiàn)有混凝土內(nèi)部質(zhì)量缺陷的無損檢測方法進行對比，以及混凝土斷層掃描檢測技術(shù)的原理的闡述，發(fā)現(xiàn)采用混凝土超聲斷層掃描儀進行混凝土內(nèi)部缺陷檢測是目前最直觀、高效、快速、準(zhǔn)確、無污染，對混凝土構(gòu)件影響最小的檢測方法。通過對混凝土斷層掃描儀參數(shù)的了解，混凝土超聲斷層掃描儀的主要參數(shù)為：傳感器頻率為50 kHz，模擬帶寬為10～100 kHz，測量范圍也達(dá)到了10～2 500 mm。

儀器選定后，需要進行實際使用。前期先在混凝土模塊上進行相應(yīng)的操作使用，找出其在混凝土模塊上的顯示規(guī)律，制定判斷缺陷的特定條件；后期在施工現(xiàn)場的鋼筋混凝土上進行操作使用，并找出其在施工現(xiàn)場的鋼筋混凝土上的顯示規(guī)律，根據(jù)顯示規(guī)律，制定特定條件；最后，將所采集的各種信息進行歸納、整理，依據(jù)上述軟件編寫原理，對該儀器內(nèi)部不適宜于我區(qū)鋼筋混凝土內(nèi)部質(zhì)量缺陷顯示規(guī)律的軟件予以調(diào)整，對于適宜的軟件部分予以保留，最后使所完善的儀器操作軟件，更有利于有效提高所使用儀器的性能。

5 結(jié)語

雖然超聲波早已應(yīng)用在混凝土缺陷檢測中，但超聲波檢測混凝土內(nèi)部質(zhì)量缺陷的檢測過程較為麻煩，內(nèi)部缺陷的判斷復(fù)雜，不適應(yīng)于混凝土快速檢測要求。而利用超聲斷層掃描技術(shù)可以獲得混凝土內(nèi)部質(zhì)量缺陷直觀的軟件合成圖像，量化混凝土內(nèi)部缺陷，已在很多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，并且在一些領(lǐng)域的應(yīng)用已取得了一定的社會成效，在我國建筑行業(yè)上的應(yīng)用仍處于摸索階段，特別是在我國建筑無損檢測方面，仍未能大規(guī)模推廣應(yīng)用。本研究旨在使超聲斷層掃描檢測技術(shù)盡快在我區(qū)建筑無損檢測方面推廣，使超聲斷層掃描技術(shù)向著快速、清晰、高效的方向發(fā)展。