劉泳釗

（佛山市市政工程質(zhì)量檢測(cè)有限公司，廣東 佛山 528000）

混凝土超聲檢測(cè)技術(shù)分析及其在測(cè)缺中的應(yīng)用

劉泳釗

（佛山市市政工程質(zhì)量檢測(cè)有限公司，廣東 佛山 528000）

本文通過(guò)詳細(xì)地闡述了超聲波無(wú)損檢測(cè)的技術(shù)參數(shù)及其作為無(wú)損評(píng)定所具有的優(yōu)越性。最后結(jié)合個(gè)人工作經(jīng)驗(yàn)，介紹了超聲法檢測(cè)混凝土內(nèi)部缺陷常用的無(wú)損檢測(cè)方法。

超聲波檢測(cè)；優(yōu)缺點(diǎn)；技術(shù)分析；缺陷檢測(cè)

1 超聲波檢測(cè)技術(shù)分析

聲波的指向性比較好，其頻率越高，指向性越好。超聲波傳播能量大，對(duì)各種材料的穿透力較強(qiáng)。應(yīng)用超聲來(lái)進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)也有其相應(yīng)的缺點(diǎn)。但是對(duì)于球面狀的缺陷，例如空洞，假如空洞不是很大或分布不是較密集的話，就難以得到足夠的回波信號(hào)或是其時(shí)間變化不明顯。

1.1 測(cè)量參數(shù)

混凝土超聲檢測(cè)目前主要是采用所謂“穿透法”，即用發(fā)射換能器重復(fù)發(fā)射超聲脈沖波，讓超聲波在所檢測(cè)的混凝土中傳播，然后由接收換能器接收。被接收到的超聲波轉(zhuǎn)化為電信號(hào)后再經(jīng)超聲儀放大顯示在示波屏上，用超聲儀測(cè)量直接收到的超聲信號(hào)的聲學(xué)參數(shù)。當(dāng)超聲波經(jīng)混凝土中傳播后，它將攜帶有關(guān)混凝土材料性能、內(nèi)部結(jié)構(gòu)及其組成的信息。準(zhǔn)確測(cè)定這些聲學(xué)參數(shù)的大小及變化，可以推斷混凝土的性能內(nèi)部結(jié)構(gòu)及其組成情況。

1.1.1 聲速

聲速即超聲波在混凝土中傳播的速度。它是混凝土超聲檢測(cè)中一個(gè)主要參數(shù)?；炷恋穆曀倥c混凝土的彈性性質(zhì)有關(guān)，也與混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)（孔隙、材料組成）有關(guān)。不同組成的混凝土，其聲速各不相同。一般說(shuō)來(lái)，彈性模量越高，內(nèi)部越是致密，其聲速也越高。而混凝土的強(qiáng)度也與它的彈性模量、它的孔隙率（密實(shí)性）有密切關(guān)系。因此，對(duì)于同種材料與配合比的混凝土，強(qiáng)度越高，其聲速也越高。若混凝土內(nèi)部有缺陷（孔洞、蜂窩體），則該處混凝土的聲速將比正常部位低。當(dāng)超聲波穿過(guò)裂縫而傳播時(shí)，所測(cè)得的聲速也將比無(wú)裂縫處聲速有所降低。

1.1.2 振幅

接收波振幅通常指首波，即第一個(gè)波前半周的幅值，接收波的振幅與接收換能器處被測(cè)介質(zhì)超聲聲壓成正比，所以接收波振幅值反映了接收到的聲波的強(qiáng)弱。在發(fā)射出的超聲波強(qiáng)度一定的情況下，振幅值的大小反映了超聲波在混凝土中衰弱的情況。而超聲波的衰減情況又反映了混凝土粘塑性能。混凝土是彈粘塑性體，其強(qiáng)度不僅和彈性性能有關(guān)，也和其粘塑性能有關(guān)。

1.1.3 頻率

如前所述，在超聲檢測(cè)中，由電脈沖激發(fā)出的聲脈沖信號(hào)是復(fù)頻超聲脈沖波。它包含了一系列不同頻率成分的余弦波分量。這種含有各種頻率成分的超聲波在傳播過(guò)程中，高頻成分首先衰減（被吸收、散射）。因此，可以把混凝土看作是一種類似高頻濾器的介質(zhì)。超聲波愈往前傳播，其所包含的高頻分量愈少，則主頻率也逐漸下降。這已為不同測(cè)距的試驗(yàn)及頻譜分析結(jié)果充分證實(shí)。主頻率下降的多少除與傳播距離有關(guān)外，主要取決于混凝土本身的性質(zhì)（質(zhì)量、強(qiáng)度）和內(nèi)部是否存在缺陷、裂縫等。

1.1.4 波形

這里指的波形第指在顯示屏上顯示的接收波波形。當(dāng)超聲波在傳播過(guò)程中碰到混凝土內(nèi)部缺陷、裂縫或異物時(shí)，由于超聲波的繞射、反射和傳播路徑的復(fù)雜化，直達(dá)波、反射波、繞射波等各類波相繼到達(dá)接收換能器，它們的頻率和相位各不相同。這些波的疊加有時(shí)會(huì)使波形畸變。

2 超聲波在混凝土結(jié)構(gòu)無(wú)損檢測(cè)中的應(yīng)用

土木工程無(wú)損檢測(cè)技術(shù)有助于評(píng)估新舊建筑物的穩(wěn)定性和整體性，能夠?qū)π屡f建筑物整體或部分作質(zhì)量狀態(tài)監(jiān)視，能夠用來(lái)估計(jì)建筑材料和結(jié)構(gòu)的性質(zhì)和性能。

2.1 超聲波對(duì)混凝土裂縫深度的檢測(cè)

由于施工不慎混凝土未搗實(shí)、施工中因溫度變形和干燥收縮、早期施工過(guò)載以及混凝土承載后產(chǎn)生的受力損傷等都會(huì)形成裂縫，利用超聲儀可以檢測(cè)出上述裂縫的開展深度及以后的開展情況，其所用的方法主要包括雙面檢測(cè)法和單面檢測(cè)法。

2.1.1 雙面檢測(cè)法

雙面檢測(cè)法是當(dāng)構(gòu)件截面不大，而構(gòu)件的兩個(gè)側(cè)面都能安放探頭(發(fā)射探頭、接收探頭)時(shí)，直接探測(cè)裂縫的一種方法。如圖1所示，探頭分別置于1、2、3、4、5、6各對(duì)跨縫點(diǎn)。當(dāng)發(fā)射、接收探頭在構(gòu)件兩側(cè)面相對(duì)位置移動(dòng)時(shí)，測(cè)出不同位置的聲波傳播時(shí)間，量得聲路的長(zhǎng)度(各測(cè)點(diǎn)到裂縫截面邊緣的水平距離)，從b-t關(guān)系曲線的突然轉(zhuǎn)折處，即時(shí)間從變化轉(zhuǎn)為平穩(wěn)的過(guò)渡點(diǎn)，就是所要測(cè)的裂縫深度A。然而在通常的工程結(jié)構(gòu)中很少有滿足上述條件的，因而此種方法雖簡(jiǎn)單，但具體操作時(shí)卻不一定可行。

2.1.2 單面檢測(cè)法。單面檢測(cè)法是當(dāng)構(gòu)件的截面很大或只有開裂的一個(gè)表面能夠安放探頭時(shí)沿面檢測(cè)裂縫的一種方法。公路橋梁上的主梁裂縫由于條件的限制，其探測(cè)基本上也以單面法為多。對(duì)于單面檢測(cè)法，最常用的方法要算tc—to法和BS4408標(biāo)準(zhǔn)方法，另外的方法還包括表面波的傳播聲時(shí)測(cè)量裂縫深度、利用超聲波首波相位變化的方法檢測(cè)裂縫深度、沖擊回波法檢測(cè)裂縫深度等，這里主要介紹一下tc—to法。如圖2所示，首先在裂縫附近完好的表面，選擇一定的長(zhǎng)度工作為校準(zhǔn)距離，設(shè)這段距離為2a，在這段距離的兩端安放探頭，測(cè)出聲波通過(guò)2a的時(shí)間為tc，再將發(fā)射與接收探頭安放在裂縫兩側(cè)，并使兩個(gè)探頭至裂縫的距離都為a，測(cè)得通過(guò)裂縫處聲波的傳播時(shí)間：tc，如果裂縫與表面正交，以聲波通過(guò)前后兩處混凝土所傳播的速度相等為條件，很容易推導(dǎo)出混凝土裂縫深度的計(jì)算公式：d=a[(tc/to)2-1]0.5

在《超聲法檢測(cè)混凝土缺陷技術(shù)規(guī)程》(CECS21：2000)中對(duì)上述的tc—to法加以了改進(jìn)，即在不跨縫進(jìn)行聲時(shí)測(cè)量時(shí)，將T和R換能器置于裂縫附近同一側(cè)，使其內(nèi)邊距分別等于50mm、100mm、150mm、200mm、250mm、300mm共6個(gè)點(diǎn)，讀取這時(shí)的聲時(shí)值(to)1，由此可以畫出相應(yīng)的時(shí)－距坐標(biāo)圖。然后在跨縫進(jìn)行聲時(shí)測(cè)量時(shí)，取同樣距離的6個(gè)點(diǎn)，相應(yīng)讀出這時(shí)的聲時(shí)值(t)1，再根據(jù)相應(yīng)的公式求出每個(gè)測(cè)點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的裂縫深度值，最后取其平均值，這樣做主要是因?yàn)樘筋^聲源并不是在探頭中心點(diǎn)位置，通過(guò)上述方法可以求出聲源的確切位置。

2.2 超聲波對(duì)混凝土的不密實(shí)區(qū)及其空洞的檢測(cè)。超聲波檢測(cè)混凝土內(nèi)部不密實(shí)區(qū)及其空洞的原理就是當(dāng)發(fā)射探頭發(fā)射的超聲波遇到空洞時(shí)，聲波就產(chǎn)生反射使一部分能量衰減，另一部分將繞過(guò)空洞沿著孔壁傳播，并最終將被安放在另一頭的接收探頭所接收，從而從超聲儀上讀出的時(shí)間與同類材料相同距離下的正常溫凝土?xí)兴顒e。通過(guò)各測(cè)點(diǎn)時(shí)間讀數(shù)的變化情況以及超聲振幅、波形的變化，就可以推測(cè)混凝土內(nèi)部空洞的大致尺寸，通常以該空洞的最大內(nèi)徑來(lái)表示。這里要注意的一點(diǎn)就是首先要用其它方法判斷該混凝土內(nèi)部是空洞還是缺陷，然后再進(jìn)行下一步操作。在具體對(duì)混凝土空洞檢測(cè)過(guò)程中需要布置大量的測(cè)點(diǎn)，如果該混凝土結(jié)構(gòu)材料有兩對(duì)平行測(cè)試面，用對(duì)測(cè)法即可；如果只有一對(duì)互相平行的測(cè)試面，應(yīng)在對(duì)測(cè)的基礎(chǔ)上還要進(jìn)行交叉斜測(cè)，同時(shí)對(duì)可疑數(shù)據(jù)點(diǎn)區(qū)段內(nèi)應(yīng)加密測(cè)點(diǎn)。

結(jié)語(yǔ)

用超聲法來(lái)評(píng)定混凝土結(jié)構(gòu)的缺陷，是一種行之有效的方法，但在有些方面還需要進(jìn)一步完善和發(fā)展，比如檢測(cè)方法還需要一定的改進(jìn)、數(shù)據(jù)采集精度有待提高、儀器所檢測(cè)的聲學(xué)參數(shù)也應(yīng)多樣化。可以說(shuō)用超聲法對(duì)混凝土材料進(jìn)行無(wú)損評(píng)定是一種非常有潛力的檢測(cè)手段，有著廣闊的發(fā)展全間，它需要許多的科學(xué)工作者去不斷的加以完善和創(chuàng)新，以更好的服務(wù)于工程事業(yè)。

[1]王韶先.混凝土超聲檢測(cè)技術(shù)的研究與應(yīng)用.水力發(fā)電，1993-05-16.

[2]張建國(guó)，琚曉輝，路晉.水泥混凝土路面厚度超聲檢測(cè)系統(tǒng)研究.公路交通技術(shù)，2006-02-28.

[3]朱金穎，陳龍珠.混凝土受力狀態(tài)下超聲波傳播特性研究.工程力學(xué)，1998-08-30.

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