混凝土墻體結(jié)構(gòu)缺陷檢測技術(shù)研究

中圖分類號：TV698.2 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2025）13-0169-04

Abstract：Concreteisacommonmaterialinthefieldofconstructionengineeringandiswidelyusedinvariousformsof architecturaldesign.However，defectsintheconcretestructureposeagreaterthreattothesafetyoftheentirebuilding.Judging fromthecommondefectsofconcretestructures，therearemanysituationssuchasunevencompaction，intemalpores，andcrack extension.Themainreasonsarerelatedtoinsuficientcompactionandlong-termstressduringtheconcreteformingprocessOnce adefectappears，thestressstateoftheconcretestructurewillcontinuetodeteriorate，resultingintheriskoffurtherdamageto theinternalstructure.Iftheinternaldefectsoftheconcretestructurecannotbedetectedinatimelyandefectivemaner，it mayleadtothesurfaceofthewalltoruptureandcollapseorevenoverallcollapse.Inthisresearch，themaintechnical methodsof ultrasonictestingareanalyzed，andthetesting principleisdeplyanalyzed.Itsthreeformsofatenuationarethekey todetectingstructuraldefectsofShanghai-NanjingDiagram.Basedonthistheory，threeequationsforultrasonictestingare furthererived，andthetechnicalprocessforultrasonictestingtolocatedefetsinconcretestructuresisclarified.Duringthe experiment， defects at positions of 3 0 c m ，60 cm， 9 0 c m ，and were detected respectively，which confirms the effectiveness of the ultrasonic detection method.

Keywords：concrete;wall structure;defect identification; testing technology；architectural design

近年來，我國建筑科技取得了快速發(fā)展，建筑規(guī)模和建筑工程的質(zhì)量都有了大幅度的提高。在各種建筑材料中，混凝土材料被廣泛采用?；炷敛牧喜粌H適用范圍廣，而且成型后材料強度高、使用壽命長，因此在諸多建筑工程項目受到青睞。但是，混凝土材料的建筑結(jié)構(gòu)，也會受到各種缺陷的影響，導(dǎo)致其固有強度下降、使用壽命縮短，嚴重時甚至威脅建筑整體的安全性，帶來極大的隱患。從混凝土結(jié)構(gòu)的常見缺陷看，有壓實不均勻、內(nèi)部孔隙、裂縫延展等多種情況，其主要原因與混凝土成型過程中的壓實度不夠、長期受力有關(guān)。這些缺陷看似細微，影響卻極大。一旦出現(xiàn)缺陷，混凝土結(jié)構(gòu)的應(yīng)力狀態(tài)會持續(xù)惡化，從而導(dǎo)致內(nèi)部結(jié)構(gòu)進一步存在被破壞的風險。如果不能及時有效地檢測出混凝土結(jié)構(gòu)的內(nèi)部缺陷，就可能導(dǎo)致墻體表面破裂塌陷甚至整體垮塌。在各種混凝土結(jié)構(gòu)的缺陷檢測技術(shù)中，超聲檢測具有十分重要的地位。因此，本文以超聲檢測為主要技術(shù)手段，進行混凝土墻體結(jié)構(gòu)的缺陷檢測，并通過實驗加以驗證。

1混凝土墻體結(jié)構(gòu)缺陷的超聲檢測方法

超聲檢測是一種非常有效的檢測手段，對于包括混凝土材料在內(nèi)的多種建筑材料的結(jié)構(gòu)缺陷，都具有很好的檢測性能。從檢測原理上看，超聲檢測是利用超聲波的衰減狀態(tài)實現(xiàn)的。在超聲波不斷向遠處傳遞的過程中，其經(jīng)過不同介質(zhì)會出現(xiàn)不同程度的衰減。如經(jīng)過空氣介質(zhì)、液態(tài)介質(zhì)、固態(tài)介質(zhì)，超聲波的衰減程度是不同的。就算是同為固態(tài)介質(zhì)，其介質(zhì)密度的差異，也會對超聲波的衰減產(chǎn)生不同程度的影響。當然，超聲波的傳播距離，也是影響其衰減的重要原因。隨著傳播距離的不斷增加，超聲波的中心頻率會大幅度衰減。

從超聲波衰減的原因加以分析，一共有3種方式：第一種方式，超聲波經(jīng)介質(zhì)傳遞時被介質(zhì)擴散作用引發(fā)的衰減；第二種方式，超聲波經(jīng)介質(zhì)傳遞時被介質(zhì)吸收所引發(fā)的衰減；第三種方式，超聲波經(jīng)介質(zhì)傳遞時被介質(zhì)散射作用引發(fā)的衰減。在第一種方式下，超聲波沿著傳遞主線經(jīng)過介質(zhì)，會受到介質(zhì)的擴散作用影響，其能量會逐漸削弱，從而出現(xiàn)擴散衰減。擴散衰減并不會影響到超聲波的傳輸頻率，但會影響到超聲波的傳輸波形幅度。在第二種方式下，超聲波會和介質(zhì)中的粒子進行能量交換，例如聲波粒子和介質(zhì)粒子因摩擦而產(chǎn)生能量損耗。雖然超聲波可以通過介質(zhì)，但自身攜帶的能量則有相當一部分被介質(zhì)所吸收。由此引發(fā)的超聲波波形幅度的衰減，稱之為吸收衰減。在第三種方式下，介質(zhì)內(nèi)部的不均勻也會對超聲波的傳遞產(chǎn)生影響，即散射影響。雖然是同一類物質(zhì)，但介質(zhì)的不均勻使得超聲波在不均勻的界面處發(fā)生散射，超聲波的能量會進一步損失，從而形成散射衰減。散射衰減會因超聲波的傳輸頻率不同而產(chǎn)生明顯的差異，如果超聲波的頻率較高，其對應(yīng)的波長就會比較小，因介質(zhì)散射引發(fā)的波形失真就會特別明顯。散射過程中的波形衰減，如公式（1）所示

式中： ? 為超聲波波形的衰減幅度， r 為超聲波波形覆蓋的區(qū)域半徑， n 為介質(zhì)中參與散射作用的粒子數(shù)量。

在上述3種衰減作用下，以平面波的形態(tài)變化構(gòu)造超聲波傳播過程中的衰減方程，結(jié)果如式（2）所示

式中： P 為超聲波經(jīng)過介質(zhì)傳播后所具有的波形強度聲壓， 為超聲波在傳輸起點所具有的波形強度聲壓， x為超聲波波源到計算位置之間的距離， a 為介質(zhì)對于超聲波的衰減系數(shù)。

2混凝土墻體結(jié)構(gòu)缺陷對超聲檢測參數(shù)的影響

由于混凝土的不同內(nèi)在缺陷存在泊松比、密度、彈性模量方面的不同，引起內(nèi)部缺陷中，超聲波發(fā)生一定程度的發(fā)散及反射作用，接收聲音會受到影響?；炷羶?nèi)部如果有空洞，里面的空氣就造成了類似于圓球散射的問題，在自主邊界發(fā)生的圓球散射有著類似于剛性圓球散射的特點?；谝酝穆晫W理論和技術(shù)經(jīng)驗，超聲波在傳播過程中，經(jīng)過圓柱體或圓球發(fā)生散射作用。對于自由圓球，造成的散射和圓柱體造成的散射比較類似，也會產(chǎn)生類似的結(jié)論。

超聲的波長為一定時，伴隨自由圓球半徑 的增加， k a 也就相應(yīng)增加，在聲音的進入方位上散射波聲強也隨之增加，所以指向性問題逐步復(fù)雜，說明由于自然圓球而導(dǎo)致的變化的聲場聲壓是必定存在的。如果 k 是一定的，那么隨自然圓球的半徑 的增加，圓球背面散射聲壓必然也會增大，所以散射而導(dǎo)致的聲音減弱就更加顯著。如果 k a=1 ，也就是自然圓球半徑小于聲音的波長，那么比較弱的散射就發(fā)生。不過一般的人射波會繼續(xù)繞圓球傳輸，也就是會發(fā)生聲音繞射的情況，這一現(xiàn)象也可叫做衍射。如果混凝土結(jié)構(gòu)存在一定的缺陷，那么其半徑必然會影響缺陷背后的聲壓，因此由于缺陷的存在，就會導(dǎo)致發(fā)出超聲信號幅度減弱?；诼曇舻睦@射，可以判斷出其會引起超聲的音程增大，所以延長的聲音傳播時間就會帶來相對聲速降低的現(xiàn)象。

首先簡化混凝土結(jié)構(gòu)缺陷模型，再對簡化后的模型進行相關(guān)分析，在實際的實踐中，混凝土結(jié)構(gòu)中的超聲波傳感器并不能沿直線進行傳播，但可將其看作是理想狀態(tài)下的直線傳播，或者縮短混凝土的缺陷，使其成為一個較為規(guī)范的圓柱形。如圖1所示，將接受探頭和超聲波傳感器的輻射均保持與缺口垂直的方向進行對射，能夠得到柱狀缺口的孔徑尺寸。

輸送介質(zhì)的泊松比、缺點孔徑大小等都可以對聲速造成較大的影響，將檢測間距設(shè)定為一個恒定的常量，即可表明泊松比和缺陷的密度系數(shù)以及彈性模量有著緊密地聯(lián)系，也就是混凝土結(jié)構(gòu)的內(nèi)在孔徑大小會影響到聲波的聲速和聲時。因此，如果混凝土出現(xiàn)了缺陷，那么一定會對聲波的聲速和聲時造成影響，使二者變化。不僅如此，相對于室內(nèi)混凝土結(jié)構(gòu)中的波速，在混凝土的空洞缺陷中的聲速明顯更低，因此，缺點孔徑的增大不僅會使聲時隨之加大，還會使聲速降低，所以在對混凝土結(jié)構(gòu)進行檢測是否出現(xiàn)缺陷時，可以通過聲速和聲時的變化進行相應(yīng)的判斷。在對混凝土缺陷的檢測中，聲時和聲速是極為重要的測量參數(shù)。

3混凝土墻體結(jié)構(gòu)缺陷的超聲檢測實驗與結(jié)果分析

在進一步的研究工作中，以混凝土墻體結(jié)構(gòu)為研究對象進行超聲波檢測實驗。在檢測實驗過程中，使超聲波檢測儀器和被測的混凝土墻體表面保持合理的距離，以便于超聲波的有效發(fā)射和接收。為了便于形成對檢測結(jié)果的標記，在被測的混凝土墻體表面進行網(wǎng)格劃分，每一個網(wǎng)格的邊長設(shè)定為 5 0 m m ，這樣可以形成缺陷區(qū)域的有效定位。

這個 5 0 m m 的邊長設(shè)定，是依據(jù)實驗過程中來不斷調(diào)整確定的合理網(wǎng)格長度。如果網(wǎng)格長度設(shè)定過大，對于缺陷位置的定位就會相對比較粗糙。而網(wǎng)格長度設(shè)定過小，又不利于測量結(jié)果的歸一化處理。在實際測量的過程中還發(fā)現(xiàn)，因為檢測面積大，超聲波測量所得的有效結(jié)果呈現(xiàn)出離散點的情況，無法有效表達局部的細節(jié)特征，從而使得超聲圖像帶有明顯的馬賽克效應(yīng)。為此，在實際測得的各個離散點間需要進一步執(zhí)行插值處理，從而得到分辨率更加清晰的超聲檢測圖像。在檢測結(jié)果的記錄上，以 1 0 c m 為間隔，記錄各個區(qū)域的超聲波檢測結(jié)果，以便發(fā)現(xiàn)存在結(jié)構(gòu)缺陷的位置。根據(jù)檢測結(jié)果，分別在30、60、90和1 2 0 c m 的位置上檢測到缺陷區(qū)域，結(jié)果如圖2、圖3、圖4、圖5所示。

從圖2一圖5中的結(jié)果可以看出，在超聲檢測圖像中，背景區(qū)域為白色區(qū)域或淺色區(qū)域，代表不存在結(jié)構(gòu)失效的區(qū)域；深色區(qū)域尤其是黑色區(qū)域，代表存在結(jié)構(gòu)失效的區(qū)域。在白色區(qū)域或淺色區(qū)域，因為混凝土結(jié)構(gòu)的均勻和致密，超聲波能量損失較少，沒有明顯的衰減跡象。在深色區(qū)域或黑色區(qū)域，因為缺陷的存在，導(dǎo)致介質(zhì)出現(xiàn)了劇烈變化，超聲波能量有較大損失，從而出現(xiàn)了明顯衰減。這也是超聲波能夠準確得到混凝土墻體結(jié)構(gòu)缺陷檢測結(jié)果的原理所在。

圖2混凝土結(jié)構(gòu)在 3 0 c m 位置處的缺陷超聲檢測結(jié)果

圖2—圖5對應(yīng)的超聲波波形，分別如圖6—圖9所示。

上述實驗證實了本文所構(gòu)建的超聲波測量方法可以得到混凝土墻體缺陷檢測的效果，進一步比較其在 X 和 Y 兩個方向上的測量誤差，從而可以大致確定超聲波檢測的測量精度，結(jié)果如圖10所示。

從圖10可以看出，超聲波檢測在 X 方向和 Y 方向上的檢測效果精度差別不大，隨著探測距離的延伸，其檢測精度誤差有一定程度的下降，但不超過6 % 。在 3 0 c m 處的檢測精度誤差最低，為 1 % 。在 6 0 c m 處的檢測精度誤差為 2 % 。在 1 2 0 c m 處的檢測精度誤差為 5 . 5 % 。

4結(jié)論

從混凝土結(jié)構(gòu)的常見缺陷看，有壓實不均勻、內(nèi)部孔隙、裂縫延展等多種情況，其主要原因與混凝土成型過程中的壓實度不夠、長期受力有關(guān)。這些缺陷看似細微，影響卻極大。一旦出現(xiàn)缺陷以后，混凝土結(jié)構(gòu)的應(yīng)力狀態(tài)會持續(xù)惡化，從而導(dǎo)致內(nèi)部結(jié)構(gòu)進一步出現(xiàn)被破壞的風險。如果不能及時有效地檢測出混凝土結(jié)構(gòu)的內(nèi)部缺陷，就可能導(dǎo)致墻體表面破裂塌陷甚至整體垮塌。本文以超聲檢測為主要技術(shù)手段，進行混凝土墻體結(jié)構(gòu)的缺陷檢測，并通過實驗加以驗證。研究過程中，構(gòu)建了超聲波檢測過程中的3個衰減方程，進而通過測試實驗探測到了混凝土結(jié)構(gòu)存在缺陷的位置，進一步給出了檢測結(jié)果在 X ， Y 兩個方向上的檢測精度對比。

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