許 艷(桃源縣建筑工程質(zhì)量檢測站，湖南 桃源 415700)

1 超聲波檢測混凝土內(nèi)部缺陷的原理

在混凝土中傳播的超聲波，其速度和頻率反映了混凝土材料的性能、內(nèi)部結(jié)構(gòu)和組成情況，混凝土的彈性模量和密實度與波速密切相關(guān)，即強度越高，其超聲波的速度和頻率也越高。因此，通過測定混凝土聲速來確定其強度。通過大量的研究表明，超聲檢測可以利用單一聲速參數(shù)推定混凝土的輕度，具有重復性好的優(yōu)點。在混凝土中，水泥石的強度及其與集料的黏結(jié)能力對混凝土強度起決定作用。但是水泥石所占比例不占絕對優(yōu)勢，導致原料及配合比不同時，聲速與強度關(guān)系發(fā)生明顯變化，制約其普遍應用。

2 超聲法檢測混凝土缺陷工程實例

某工業(yè)建筑的設備基礎采用現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)，由梁類構(gòu)件和柱類構(gòu)件組成。該設備在運轉(zhuǎn)過程中振動過大，超過其設計指標，因此為了解該設備基礎是否因此而產(chǎn)生內(nèi)部損傷，需對其內(nèi)部質(zhì)量進行檢測。采用直穿法與斜傳法相結(jié)合的測量方法對該建筑的設備基礎梁和柱進行了檢測。梁、柱截面及配筋形式見圖1，超聲檢測結(jié)果見表1。梁寬1.2m，柱截面尺寸為1.2m×1.2m，測距均為1.2m。

圖1 構(gòu)件截面配筋示意圖

由表1可以看出，混凝土柱中聲速大于混凝土中聲速值，且標準差與聲速的比值更小，表明超聲波在混凝土柱中的傳播較混凝土梁更為快速、穩(wěn)定。

柱未發(fā)現(xiàn)異常點，梁存在一個異常點，經(jīng)現(xiàn)場在出現(xiàn)異常點部位鉆取混凝土芯樣，未發(fā)現(xiàn)其內(nèi)部存在明顯缺陷，由此我們判斷其內(nèi)部質(zhì)量良好。

3 檢測結(jié)果分析

從以下幾個方面分析其聲速值存在較大差異的原因。

3.1 檢測條件

對于構(gòu)成檢測條件的幾個方面需要進行檢查，第一，檢測儀器都應處于完好正常的狀態(tài)，收集的采樣超聲脈沖波取自某一固定位置的相同值，均未發(fā)現(xiàn)異常情況；第二，對于構(gòu)件表面的完整性與破損狀態(tài)進行檢測，沒有發(fā)現(xiàn)任何蜂窩麻面的破壞。第三，檢測時需要保證傳感器與構(gòu)件表面之間耦合程度高，構(gòu)件表面與收發(fā)探頭需要緊密粘結(jié)在一起，提高傳感器的耦合程度，檢測時均沒有發(fā)現(xiàn)問題，排除了檢測條件構(gòu)成的聲速差異較大的可能。

表1 混凝土內(nèi)部缺陷檢測結(jié)果匯總表

3.2 混凝土強度

對于混凝土強度現(xiàn)場進行預先檢測，采用了鉆芯修正法、回彈法對構(gòu)件混凝土檢測強度值為值26.0MPa，柱混凝土強度25.4MPa，而被測梁柱設計混凝土強度等級均為C25，樣本均是相同批次混凝土，檢測結(jié)果為梁混凝土強度推定由此判斷混凝土強度的差別不是造成此次聲速值差別較大的原因。

3.3 構(gòu)件的配筋

運用鋼筋掃描儀對配筋進行檢測，實際結(jié)果與圖紙設計的尺寸大小相符，配筋示意圖見圖1，經(jīng)查閱圖紙，被測柱截面尺寸為1.2m×1.2m，梁截面尺寸1.2m×3m，尺寸是吻合的。

由于測點布置在垂直構(gòu)件截面寬度方向上的兩個平行側(cè)面上，根據(jù)梁、柱的配筋截面示意圖，可發(fā)現(xiàn)柱的附加箍筋走向與超聲波的傳播方向平行，且柱沿寬度方向配置的附加箍筋較梁的密集，該種現(xiàn)象很容易引起超聲波在混凝土柱中傳播時，聲波大部分能量是沿柱中附加箍筋傳導到超聲儀的接收探頭處。因為超聲波在鋼筋中與混凝土中的傳播速度是不同的，在鋼筋中傳播速度快于混凝土中的速度，大約1.2～1.9倍。所以，在混凝土柱中的速度大于混凝土梁中的速度，是因為混凝土柱中的速度與聲波傳播方向相同的附加箍筋所引起。

4 測量的精度對推算結(jié)果的影響

混凝土的強度與聲速關(guān)系為f=xvy(f為抗壓強度，v為聲速)，這是一個冪函數(shù)。由誤差的傳遞分析可得：

δf=aδv

其中δv、δf分別是聲速的最大相對誤差和強度的最大相對誤差；a為相關(guān)式的回歸系數(shù)，一般為4和6之間。

由此可得，測量的誤差或者聲速波動引起的結(jié)果強度的誤差或者波動要大4到6倍。如果期望以聲速的測量問題引起的推算抗壓強度的誤差不能超過10%，那么聲速的測量誤差就必須控制在10%÷(4～6)＝1.7～2.5%之內(nèi)，平均2.2%左右。如果要求δv是2.2%，而聲速為v＝l／t，又因為δv＝δ1＋δt，要是距離測量的誤差為1%，那么聲時最大的誤差δt＝δvδt＝2.2%－1%＝1.2%。

1.2%的準確度要求是非常高的，較長的距離的測量問題應該不大，但是短測距的測量必須認真的對待。譬如15cm的試件，如果測得的聲時是30μs，如果要達到上文所說的1.2%的準確度，那么聲時的測量的絕對誤差必須小于30×1.2%＝0.36μs，這是非常小的一個聲時值。

由此可見，如何更好的控制距離誤差和聲時誤差，對混凝土抗壓強度的判定起了至關(guān)重要的作用。

5 超聲檢測方法的改進

經(jīng)過工作實踐，總結(jié)了一些經(jīng)驗，對混凝土強度檢測標準《超聲回彈綜合法檢測混凝土強度技術(shù)規(guī)程》CECS02：2005中的檢測方法作了一些改進。國標中測區(qū)的布置是在構(gòu)件對立面上畫出一對空間上完全對應的以200mm為邊長的正方形，沿對角線布置三個測點，在觀摩了其他幾家機構(gòu)超聲檢測后，發(fā)現(xiàn)大部分機構(gòu)只是很簡單的制作了一個內(nèi)邊長為200mm的正方形框，在構(gòu)件對立面上畫出一對正方形，然后很粗略的將探頭在沿對角線方向，憑感覺平均放三個位置，這樣做存在兩個問題：一是對立面探頭距離會與實際輸入設備中的距離值有偏離，從而影響聲速，進而影響最終強度的推定；二是在實際工程中，混凝土面往往存在著蜂窩、麻面的情況，在很細微的情況下往往不進行處理就檢測了，就算處理了，混凝土表面由于支模的問題不夠平整，都會導致探頭與混凝土界面接觸不良；加上部分混凝土內(nèi)部存在空洞等缺陷，以上種種最終都會導致部分檢測點并不能代表構(gòu)件混凝土的強度情況。超聲波測區(qū)強度的推導公式中的聲速是一個平均值，即為三個位置的檢測點的實測值的平均值。一個檢測點出現(xiàn)異常就會極大影響聲速的平均值，從而造成強度推定值的不準確。在工作中，總結(jié)和改進了檢測方法，如圖2。

圖2 正方形框圖

這是用亞克力玻璃做成的一塊200mm為邊長的正方形框，在如圖位置總共開取了5個探頭大小的洞。在測試中，只要保證此正方形框一個直角與對立面的正方向形一個直角對應，就能保證所有測點在空間上完全對應，而保證直角對應是相對簡便和快速的。這樣以來就保證了測距的準確性，避免了人為感覺劃分位置帶來的誤差，從而更好的控制距離誤差和聲時誤差，對精確判定混凝土的抗壓強度起了重要的作用。

另外，在畫好對立面測區(qū)后，在正式測試錄入數(shù)據(jù)前，可以先試測一遍，對整體聲速有個大致了解，選中一個聲速代表區(qū)間。正方形框中有5個測點，即2個點是備用點，在正式測試中，發(fā)現(xiàn)某個點聲速異常或波形異常，無法抓取首波位置時，在進行混凝土表面打磨等處理后仍得到異常值時，則可以換取備用點進行測試，以保證所得數(shù)據(jù)具有代表性。

[1]吳新璇.混凝土無損檢測技術(shù)手冊.人民交通出版社，2003

[2]《超聲回彈綜合法檢測混凝土強度技術(shù)規(guī)程》CECS 02-2005[S] 北京：中國建筑工業(yè)出版社。

[3]沈國偉.提高超聲法檢測混凝土缺陷準確度的探討，傳感器技術(shù)，2010，19(5)

[4]廖智.超聲波法探測混凝土內(nèi)部缺陷的原理及應用.科學技術(shù)與工程，2011(13)