超聲平測法（UPV）檢測混凝土強度試驗研究

李 龍，劉揚揚，季長征，蘇慧敏，張 濤，董 良

（1.山東省建筑工程質量檢驗檢測中心有限公司，山東 濟南 250031；2.山東省建筑科學研究院有限公司，山東 濟南 250031；3.山東藍想環(huán)境科技股份有限公司，山東 濰坊 262100；4.山東建科建筑設計有限責任公司，山東 濟南 250031）

混凝土是一種廣泛使用的建筑材料，其強度是影響結構性能的重要參數(shù)。傳統(tǒng)的測量混凝土強度的方法是破壞性的、耗時的和昂貴的。為克服這些限制，發(fā)展了非破壞性測試（non-destructive testing，NDT）方法，其中超聲波測試是最廣泛使用的方法之一。近年來，利用超聲波檢測混凝土強度，從而評估建筑物質量的方法在實際工程中得到了廣泛應用。在實際工程中，受外界環(huán)境條件的制約，超聲按能器的布置一般有兩種方式，相應的檢測方法分為超聲對測法和超聲平測法（ultrasonic pulse velocity testing，UPV）。其中前一方法已有較為成熟可靠的混凝土測強經驗公式[1]，而對超聲平測法檢測混凝土強度尚在發(fā)展完善中。在工程中有些檢測單位直接用平測法聲速直接代人對測法測強公式來推定混凝土強度，缺乏科學依據(jù)。為此，本文針對不同檢測條件及檢測方法，進行了超聲波檢測混凝土強度的試驗研究，在獲取混凝土超聲聲速試驗數(shù)據(jù)的基礎上，建立起了混凝土測強回歸曲線，并作了比較分析，最終得到了可應用于工程檢測的實用結論。

1 超聲法測強發(fā)展歷程

超聲波檢測混凝土強度的發(fā)展歷程可以追溯到20 世紀40 年代。當時主要是利用超聲波對鋼筋進行檢測。20 世紀50 年代，超聲波檢測混凝土強度開始被應用于混凝土結構中，主要是通過測量超聲波在混凝土中的傳播速度來推算混凝土的強度。隨著超聲波檢測混凝土強度的技術逐漸得到完善，開始廣泛應用于混凝土結構的質量檢測和評估。

20 世紀70 年代，超聲波檢測混凝土強度的技術不斷進步，出現(xiàn)了一批新的檢測儀器和方法，如調制頻率法、激光干涉法等。超聲波檢測混凝土強度的應用范圍不斷擴大，開始用于大型混凝土結構的檢測和評估，如大壩、橋梁等。同時，也出現(xiàn)了一些新的測試方法和算法，如多次波法、頻率反演法等。

進入21 世紀以來，超聲波檢測混凝土強度的技術得到進一步提升，應用范圍不斷擴大，成為混凝土結構質量檢測和評估的重要手段之一。同時，隨著智能化、自動化技術的發(fā)展，超聲波檢測混凝土強度的檢測儀器和方法也在不斷升級和改進。

2 國內外研究現(xiàn)狀

2.1 歐美的研究

美國是超聲法檢測混凝土強度領域的先驅之一。早在20 世紀60 年代就已經開始了相關研究。目前，美國相關領域的主要研究機構包括國家標準局（national institute of standards and technology，NIST）、美國混凝土研究所（portland cement association，PCA）、美國交通部（department of transportation，DOT）等。在這些機構的支持下，相關學者們進行了大量的試驗和理論分析，為超聲法檢測混凝土強度提供了堅實的理論基礎和試驗驗證。

歐洲在超聲法檢測混凝土強度方面的研究也非?；钴S。法國、德國、英國、瑞典等國的科學家們都在該領域內取得了重要的研究成果。歐洲研究人員主要關注的是超聲法檢測混凝土的各種物理參數(shù)，如聲速、衰減、密度、彈性模量等，以此來建立混凝土的力學模型。

2.2 國內的研究

目前，國內對超聲法檢測混凝土強度的研究也在不斷地發(fā)展。在這方面，國內的一些高校、科研機構和建筑企業(yè)都參與其中。具體來說，國內的研究重點主要體現(xiàn)在以下幾個方面。

（1）超聲波檢測技術的理論研究：包括超聲波在混凝土中的傳播規(guī)律、不同頻率超聲波在混凝土中的傳播特性、混凝土彈性模量與強度的關系等方面的研究。

（2）超聲波檢測技術的試驗研究：包括不同超聲波頻率、探頭類型、聲波入射角度等條件下混凝土強度的檢測試驗、混凝土中不同類型缺陷（如裂縫、空洞等）對超聲波傳播的影響試驗等。

（3）超聲波檢測技術在實際工程中的應用研究：包括超聲波檢測技術在混凝土結構中的應用情況、超聲波檢測技術在橋梁、隧道等大型工程中的應用情況、超聲波檢測技術與其他非破壞檢測技術的結合應用等方面的研究。

（4）超聲波檢測技術的改進和發(fā)展：包括超聲波探頭的設計改進、信號處理技術的改進、新型超聲波檢測儀器的研發(fā)等方面的研究。

總之，國內對超聲波檢測混凝土強度的研究是一個廣泛而深入的領域，涉及到理論研究、試驗研究、應用研究以及儀器技術研究等多個方面。

3 超聲平測法測強試驗

試驗共選取8 個普通塑性混凝土試件，強度等級C10～C50，對各等級同條件混凝土試件進行同條件超聲聲速試驗，分別在澆注側面、底面分別進行平測、對測。其中，1 組（4 個試件）進行平測測距對比試驗；1 組（2 個試件）進行平測測面與底面對比試驗；1 組（2 個試件）進行平測側面與對測側面對比試驗。試驗設備混凝土超聲波檢測儀應符合現(xiàn)行行業(yè)標準《混凝土超聲波檢測儀》JG/T5004 的有關規(guī)定，試驗過程中每個混凝土試件各項超聲測試分別選取10 個測點，檢測面保持清潔、平整、干燥。各項超聲測試取其平均值為試驗分析數(shù)據(jù)，其中異常數(shù)據(jù)依據(jù)《數(shù)據(jù)的統(tǒng)計處理和解釋 正態(tài)樣本離群值的判斷和處理》（GB/T 4883-2008）舍棄[4]。

3.1 平測測距選擇

理論分析表明，測距太大超聲波接收信號較弱，受混凝土內部鋼筋、預埋件影響較多，會使超聲聲速值離散性增大，結果不穩(wěn)定。測距太小，超聲波接收信號的首波起始點難捕捉，首波起始點判斷錯誤會產生較大誤差。

試驗過程中發(fā)現(xiàn)測距小于200 mm 時，首波在水平軸上下來回跳動，波起始點難判斷；測距大宇500 mm 時，傳播的超聲脈沖波變弱，數(shù)據(jù)離散性過大，因此選擇測距200、250、300、400、500 mm 進行對比試驗。

平測混凝土澆注側面不同測距試驗數(shù)據(jù)對比見圖1，其中pc-200 表示平測側面且測距為200 mm。由圖1 中看出，測距越大回歸測強曲線的乘冪越大，分析認為平測側面時測距為500 mm 時相對更容易判定混凝土強度，但當距離為500 mm 時，傳播的超聲脈沖波變弱，數(shù)據(jù)離散性過大，因此當距離為400 mm時，更有利于不同等級混凝土強度的判定。

圖1 平測測距200mm-500mm 測強曲線

3.2 平測測面與底面對比

平測檢測面可以選擇澆注側面、表面、底面。因混凝土為多相混合材料，同時澆注時的振搗等因素，會使混凝土澆注側面、表面、底面的狀況略有不同，平測時超聲波沿檢測面?zhèn)鞑?，檢測面狀況不同必然對超聲聲速產生影響，回歸測強曲線的乘冪也必然不同。

由于混凝土表面浮漿狀態(tài)對數(shù)據(jù)影響過大，同時在實際工程檢測中也不易布置測點，所以不作過多分析。

對同一混凝土試件的澆注側面、底面分別進行400 mm 測距的超聲聲速平測，試驗數(shù)據(jù)對比見圖2，其中pd表示平測底面，pc表示平測側面。

由圖2 看出，平測混凝土澆注側面與底面比較，側面數(shù)據(jù)的回歸測強曲線的乘冪更大，更有利于不同等級混凝土強度的判定。

3.3 平測側面與對測側面對比

由于平測法在工程實際檢測中相對于對測法，具有檢測面選擇范圍廣、超聲測距準確等很多優(yōu)點。對同一混凝土試件的澆注側面分別進行400 mm 平測和250 mm 對測，對其回歸測強曲線進行比較，試驗數(shù)據(jù)對比見圖3，其中pc 表示平測側面，dc 表示對測側面。

圖3 平測側面400 mm 與對測250 mm 測強曲線

由圖3 看出，平測400 mm 與對測250 mm的回歸測強曲線的乘冪相差不大，且平測略大于對測。

4 結語

經上述試驗研究，可得到以下結論：

（1）平測測距在200～400 mm 范圍內，測距越大超聲聲速回測強曲線的乘冪越大，更有利于混凝土強度的判定，且檢測面宜選擇在側面。

（2）在平測測距為400 mm 對測測距為250 mm 時，平測與對測超聲聲速回歸測強曲線乘冪相差不大，平測法可以代替對測法進行混凝土強度的判定。

我單位在大量試驗基礎上制定了平測聲速與對測聲速的相關關系曲線[5]，必將進一步推動超聲平測法在實際工程無損檢測中的應用。未來的超聲平測法的研究方向包括傳感器設計、混凝土微觀結構的研究、多種方法的結合應用以及實現(xiàn)實時、在線監(jiān)測等方面，這些研究將有助于提高超聲平測法的精度和可靠性，為工程實踐提供更加有效的技術支持。