聲波檢測技術在混凝土橋梁檢測中的應用

陳炙樟

(潮州市交通運輸工程質量監(jiān)督站工作，廣東 潮州 521000)

1 引言

目前，隨著我國基礎設施建設的快速推進，公路網(wǎng)建設重心逐漸由東部平原地區(qū)向西部多山地區(qū)偏移。橋梁工程作為連接山區(qū)不同高程公路的主要建設形式，其建設過程容易受多種因素的影響。為保證橋梁工程的施工質量，同時降低運營期存在的安全隱患，有必要對橋梁進行相應的質量檢測工作，從而更為合理地制定橋梁加固措施。聲波檢測作為橋梁檢測的主要形式，其能夠在不損傷混凝土橋梁結構的基礎上實現(xiàn)對混凝土橋梁結構安全性的檢測?；诖?，本文分析了聲波檢測在混凝土橋梁結構檢測的原理，通過工程實例對聲波檢測在混凝土橋梁結構中的應用進行了探討。

2 聲波檢測技術及原理

2.1 聲波檢測技術

聲波檢測利用聲波在不同介質中具有不同的傳播特性來對梁結構進行檢測，作為一種無損檢測方法，聲波檢測已經(jīng)在混凝土橋梁檢測中得到了廣泛的應用[1-3]。目前，聲波檢測在混凝土橋梁檢測領域的應用主要是基于反射法和透射法兩種形式開展。反射法因單一脈沖信號探測深度有限以及信號干擾影響較大等原因，一般僅用于對混凝土淺層裂縫以及表層損傷進行檢測。相對而言，透射法通過增加換能器功率，提升信號處理技術，使聲波在穿越混凝土材料后能夠得到更為準確的反饋，這也使其逐漸成了混凝土橋梁無損檢測的主要方法。

2.2 聲波檢測原理

聲波作為一種彈性脈沖波，當其在混凝土彈性體中傳播時其波動可視為是縱波和橫波疊加后的表現(xiàn)。一般而言，當橋梁混凝土密實無裂縫時，聲波在混凝土中的傳播一致，不會出現(xiàn)較大的波動。然而當混凝土存在空洞或裂縫時，由于聲波在不同介質中傳播時表現(xiàn)為不同的傳播速度和規(guī)律，聲波在達到不同介質界面時便會出現(xiàn)不同的傳播速度或能量強度，因此，相應的聲波接收系統(tǒng)也會收到不同于密實混凝土的聲波傳播規(guī)律。無損檢測中常用的方法是超聲波檢測和沖擊回波法檢測兩種形式，兩種方法較為類似，但考慮到?jīng)_擊回波法檢測僅需一個測試面，且使用更低的聲波進行檢測合理避免了雜波的干擾，同時由于本文的工程實例中所采用的聲波檢測方法也為沖擊回波法，因此，后續(xù)主要針對沖擊回波法進行論述。具體操作流程為采用小錘或鋼球敲擊混凝土表層使其產(chǎn)生一個低頻的應力波，該應力波到達混凝土結構內(nèi)部時會被反射，采用傳感器對反射回來的應力波進行接收，隨后將其傳輸至內(nèi)置的高速數(shù)據(jù)采集的便攜式儀器中進行存儲。

在采用該方法對橋梁混凝土密實度進行檢測時，首先需要確定波速與混凝土強度間的量化關系。聲波可視為是縱波以及橫波經(jīng)過復雜疊加后的產(chǎn)物，在確定二者量化關系之前，首先需確定混凝土橋梁結構的波速大小，通常可通過式(1）和式(2）計算獲得：

式中，vp和vs分別為混凝土中的縱波及橫波傳播速度；ρ、μ 和E 分別為混凝土材料的密度、剪切模量和彈性模量；σ 為混凝土材料的泊松比。

相關研究表明[4-5]，一般而言，混凝土試塊的抗壓強度Rb與其縱波速度vp間存在式(3）所示關系：

式中，a 和b 分別為回歸擬合參數(shù)。一般而言，擬合參數(shù)a 和b的取值范圍分別為0.25～0.4 和3～3.5。通過式(3）便可求得不同強度混凝土的標準縱波傳播速度。

3 聲波檢測技術在混凝土橋梁中的應用

3.1 工程實例

省道S232 線古巷至鳳塘段改建工程的西山溪二橋，全長415 m，分離式單幅橋面寬度16.25 m，橋梁上部結構采用預應力混凝土連續(xù)箱梁，單箱雙室斷面，局部位置梁高為2.0～2.5 m，箱梁挑臂寬2.5 m，挑臂端部厚0.2 m，根部厚0.4 m，箱梁頂板厚0.25 m，底板厚0.22～0.4 m，腹板厚0.4～0.7 m。

在合龍張拉階段采取從中跨到邊跨的張拉順序?？紤]到部分橋墩在施工過程中出現(xiàn)邊跨和中跨處混凝土出現(xiàn)多處底板裂縫，在多次加固后仍存在地板開裂問題，因此，擬采用聲波檢測技術對混凝土橋梁結構進行質量檢測。值得一提的是在計算混凝土波速時泊松比取0.18，密度取2.6103kg/m3，彈性模量取值見表1?；炷恋膹姸仍囼灁?shù)據(jù)一般能較好地為實例中的混凝土橋梁強度檢測提供參考，如表1所示，混凝土強度等級為C30～C80 時，其縱波波速大概在3.7～4.8 km/s，通常認為混凝土等級為C15～C25 時波速小于3.5 km/s，此時認為混凝土存在嚴重的結構缺陷。

表1 混凝土性能參數(shù)測試結果

3.2 聲波檢測技術在混凝土橋梁檢測中的應用

本項目主要針對混凝土橋梁的頂板、底板以及左、右腹板位置處的混凝土質量進行檢測。檢測時嚴格按照儀器的使用規(guī)程進行操作，本文分別針對不同位置處的檢測結果進行分析。

橋梁頂板面積約為1 350 m2，經(jīng)測試該區(qū)域處的混凝土波速均值為4.72 km/s，混凝土的整體強度性能指標滿足C50混凝土的強度要求。在頂板中間位置處的波速可達4.85 km/s，且波速分布較為均勻，混凝土指標性能甚至滿足C60 強度指標。但值得一提的是在頂板兩翼位置處的波速較低，大約在4.1～4.4 km/s 范圍波動，且覆蓋區(qū)域大約在1.5～2.0 m。由于頂板的主要承載位置是中心位置，兩翼位置的承載要求較低，因此頂板位置處的混凝土強度滿足設計要求。

橋梁底板的檢測面積約為550 m2，混凝土的波速測試結果顯示波速均值為4.2 km/s，整體強度大約在C40～C50 混凝土強度指標之間。該區(qū)域內(nèi)的波速波動較大，僅中間位置處的波速在4.34 km/s 外，其余一半?yún)^(qū)域位置的波速均為4.14 km/s，因此，認為該橋梁底板結構處的強度最低，試驗結束后，已要求覆布養(yǎng)護，后經(jīng)進一步檢測，強度符合要求。

橋梁左腹位置處的檢測面積約為332 m2，混凝土檢測的波速均值為4.52 km/s，其強度滿足C50 混凝土強度指標，且波速均勻，未出現(xiàn)明顯的低波速區(qū)域。因此，橋梁左腹位置處的混凝土強度滿足要求，且不存在空洞等缺陷。

橋梁右腹位置處的檢測面積與左腹位置處的檢測面積相同，均為332 m2，相應的混凝土縱波波速為4.65 km/s，其強度可達C60 混凝土的設計強度指標，且波速均勻。但在右腹板上部位置處出現(xiàn)了寬約1.1 m 的低波速帶，該區(qū)域的波速均值為4.3 km/s，考慮到該低波速帶的影響區(qū)域較小且強度滿足C50混凝土的設計強度指標，因此，可認為橋梁腹部處的混凝土強度均滿足要求。

3.3 聲波檢測板的設計

通過分析上述開展的混凝土波速檢測結果發(fā)現(xiàn)，部位橋梁位置處的混凝土存在一定的質量缺陷，為進一步深化研究造成混凝土質量缺陷的原因，本文開展了混凝土不同振實度、不同強度以及不同缺陷的試驗板試驗。試驗板尺寸設計為10 m×1.5 m×0.35 m，鋼筋材料尺寸以8 mm 和20 mm 進行模擬。圖1為混凝土不同振實度、強度以及缺陷的試驗板設計圖。

通過對測試板進行測試后發(fā)現(xiàn)對于振實度試驗測試板而言，過振和未振區(qū)域的波速均較低，通常小于4.2 km/s，在輕振和正常振實條件下的波速較高，通常大于4.2 km/s。對于強度試驗板而言，聲波在C50 混凝土中的傳播速度最快，可達5.3 km/s，在C30 的傳播速度最小，為3.4～3.9 km/s，C40 混凝土的聲波傳播速度介于二者之間。對于缺陷試驗板而言，聲波在木板、30 cm×30 cm×30 cm 以及20 cm×20 cm×20 cm 的泡沫板中均表現(xiàn)出了較低的傳播速度，對于其他試件來說，由于尺寸效應以及材料特性的影響，均無法準確判斷是否存在缺陷。總而言之，上述的試驗板檢測結果與實際橋梁混凝土測試結果較為接近。此外，通過分析試驗板檢測過程中的聲波散射時程可發(fā)現(xiàn)混凝土試件散射的高頻能量是由于混凝土中存在部分小面積缺陷所引起的，導致混凝土試件在小范圍內(nèi)散射較強能量的主要原因是敲擊和端頭空洞所引起的。

4 結論

本文論述了聲波檢測的原理，通過工程實例對聲波檢測在混凝土橋梁檢測中的應用進行了詳細的分析。結果表明，沖擊回波法作為橋梁無損檢測的主要形式，能夠準確地測定混凝土中的缺陷問題，在未來混凝土橋梁檢測過程中值得被推廣應用。