董桂華

超聲波檢測混凝土內(nèi)部孔洞尺寸研究

董桂華

（遼寧省阜新市水資源管理辦公室，遼寧阜新123000）

分析了超聲波法檢測混凝土內(nèi)部孔洞尺寸的原理，選用NM-3C型非金屬檢測分析儀，采用對側(cè)檢驗(yàn)法進(jìn)行了檢測混凝土內(nèi)部孔洞的尺寸檢測試驗(yàn)，其結(jié)果表明：超聲波法檢測混凝土中4～10 cm的孔洞是可行的；對于小于探頭尺寸的孔洞，誤差較大；對于大于10 cm的孔洞，還需進(jìn)一步驗(yàn)證。

混凝土內(nèi)部孔洞；檢測方法；超聲波；基本原理

0　引言

混凝土及鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)物在建造施工過程中，有時因漏振、漏漿或因石子架空在鋼筋骨架上，在混凝土內(nèi)部形成蜂窩狀不密實(shí)區(qū)或孔洞。這種缺陷的存在會使結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的整體承載力嚴(yán)重下降。為了保證結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的安全，需要采用有效方法查明混凝土結(jié)構(gòu)缺陷的性質(zhì)、范圍及尺寸，并進(jìn)行相應(yīng)的技術(shù)處理?，F(xiàn)有一些建筑的重要構(gòu)件都采用鉆孔破壞的直觀檢查方法來復(fù)核。這在檢測結(jié)構(gòu)缺陷的同時，也損傷了構(gòu)件的受力性能［1］。因此，如何對混凝土結(jié)構(gòu)物進(jìn)行無損檢測是工程建設(shè)中的一個重要課題。

目前，混凝土缺陷無損檢測技術(shù)大體分為機(jī)械波法和穿透輻射法兩大類。機(jī)械波法包括：超聲脈沖波、沖擊脈沖波和聲發(fā)射等。穿透輻射法包括：γ射線和中子流等。由于射線的穿透能力有限（尤其對于非勻質(zhì)的混凝土，其穿透深度受到很大限制），產(chǎn)生射線的設(shè)備又相當(dāng)復(fù)雜，還需要嚴(yán)格的防護(hù)措施，現(xiàn)場應(yīng)用很不方便。而超聲脈沖波的穿透能力較強(qiáng)（尤其是用于檢測混凝土，這些特點(diǎn)更為突出），超聲檢測設(shè)備簡單，操作方便，所以被廣泛應(yīng)用于混凝土結(jié)構(gòu)缺陷檢測［2］。

混凝土超聲波探傷是以無損檢測的手段，確定混凝土內(nèi)部缺陷的存在、位置、大小和性質(zhì)的一項(xiàng)專門技術(shù)。在國外，超聲波檢測混凝土已經(jīng)有多年的歷史。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，無損檢測技術(shù)也突破了原有的范疇，涌現(xiàn)出一批新的測試方法，包括微波吸收、雷達(dá)掃描、脈沖回波等新技術(shù)［3］。筆者主要對超聲波如何檢測混凝土內(nèi)部孔洞尺寸及其檢測效果進(jìn)行探討。

1　超聲波檢測混凝土內(nèi)部孔洞尺寸的原理

1.1超聲波檢測混凝土缺陷的基本原理［4］

（1）超聲波在混凝土中傳播時，遇到尺寸比其波長小的缺陷會產(chǎn)生繞射，從而使聲程增大、傳播時間延長。因此，可根據(jù)聲時或聲速的變化情況，判別和計算缺陷的大小。

（2）超聲波在混凝土中傳播時，遇到蜂窩、孔洞、裂縫等缺陷時，大部分脈沖波會在缺陷界面被散射和反射，從而使到達(dá)接收換能器的聲波能量（波幅）顯著減小。因此，可根據(jù)波幅變化的程度判斷缺陷的性質(zhì)和大小。

（3）當(dāng)混凝土的條件相同（即組成材料、工藝條件、內(nèi)部質(zhì)量及超聲測試距離都相同）時，各測點(diǎn)的聲速、波幅和主頻率等聲學(xué)參數(shù)一般無顯著差異。如果某部分混凝土存在孔洞、不密實(shí)或裂縫等缺陷，通過該處的超聲波與通過相同條件的正?；炷料啾容^，聲時明顯偏長（聲速減?。?，波幅和頻率明顯降低，波形也產(chǎn)生嚴(yán)重畸變。因此，可根據(jù)聲時、波幅、頻率、波形等聲參量的相對變化來判斷混凝土缺陷情況。

1.2混凝土內(nèi)部孔洞的估算［5］

混凝土孔洞估算示意圖如圖1所示。圖1中，r為孔洞半徑，d為換能器直徑，l為測距，th為繞孔洞傳播的最大聲時，tm為無缺陷混凝土的平均聲時。

圖1　混凝土孔洞估算示意圖Fig.1 Concrete holes estim ate schematic

圖中，根據(jù)幾何學(xué)原理，存在以下關(guān)系。

其中，AB=1/2·vth；AD=l/2；v=l/tm；BD=r-d/2。

將各參數(shù)代入式（1）得：

在實(shí)際應(yīng)用中，一般不考慮換能器的直徑d，故式（2）可以表示為式（3）。

2　材料與方法

2.1試驗(yàn)材料

（1）水泥。采用鐵嶺鐵新水泥有限公司生產(chǎn)的強(qiáng)度等級為32.5的硅酸鹽水泥，出廠時間未超過一個月。

（2）細(xì)骨料。采用沈陽渾河河沙，其篩分結(jié)果如表1所示。

表1　沙子顆料級配累計篩余量Tab.1 Cumulated weigh t of screen residue of sand particle grading

根據(jù)公式（4），計算出沙的細(xì)度模數(shù)MX＝2.5，為中沙。根據(jù)累計篩余量可知，該沙級配位于2區(qū)，級配良好、粗細(xì)程度適當(dāng)。另外，該沙質(zhì)地堅硬、顆粒潔凈，表觀密度為2 580 kg／m3，孔隙率為42%，含泥量為0.8%，符合國家標(biāo)準(zhǔn)［6］。

（3）粗骨料。沈陽石場的碎石，其篩分結(jié)果如表2所示

表2　碎石顆料級配累計篩余量Tab.2 Cum ulated weight of screen residue of crushed stone particle grading

該碎石粒徑為5～25mm，連續(xù)級配，表觀密度為2 620 kg／m3，孔隙率為40%，含泥量為0.1%，針片狀含量為2.7%，壓碎指標(biāo)值為3.7%，符合國家標(biāo)準(zhǔn)［7］。

2.2配合比

1m3混凝土所用水泥為347 kg，沙為500 kg，碎石為1 423 kg，水為170 kg。

2.3試件制作

試件（中心預(yù)留貫通孔洞）尺寸分別為150mm× 150mm×150mm和200mm×200mm×200mm兩種（如圖2所示）。試塊制作時，選用鑄鐵鋼模，混凝土采用機(jī)械拌和，機(jī)械振搗。試塊制作完成后，在溫度（20±2）℃，相對濕度95%以上的養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)28 d。

圖2　試塊Fig.2 Test block

2.4主要試驗(yàn)儀器

試驗(yàn)所用儀器主要是NM－3C型非金屬檢測分析儀（如圖3所示）。該儀器具有超聲發(fā)射、接受、信號數(shù)字采集等功能，可用于混凝土強(qiáng)度、混凝土裂縫、均勻性、厚度的檢測等。NM－3C型非金屬檢測分析儀主要有1臺計算機(jī)主機(jī)和3個功能模塊（聲參量檢測、文件管理和超聲數(shù)據(jù)分析）組成。聲參量檢測模塊用于現(xiàn)場聲參量檢測，原始數(shù)據(jù)及波形的存儲和打印。文件管理模塊用于對現(xiàn)有的各種類型文件進(jìn)行查看、刪除、調(diào)用等。同時，可以進(jìn)行默認(rèn)路徑的設(shè)置，新建目錄的設(shè)置，存儲空間的查看等。超聲數(shù)據(jù)分析處理模塊用于進(jìn)行原始數(shù)據(jù)的分析與處理。換能器采用平面換能器，分別連于儀器的發(fā)射口和接受口。對于非互換性的換能器，注意不要將發(fā)射端與接受端接反，以免發(fā)射高壓脈沖損壞接受換能器。

圖3　NM－3C非金屬超聲波檢測分析儀Fig.3 NM-3C non-metal u ltrasonic testing analyzer

2.5試驗(yàn)方法

采用對側(cè)法檢測。檢測步驟為：（1）確定測試面。（2）將被測試件4個澆筑側(cè)面的塵土、污物等擦拭干凈。如果試件表面比較光滑，無需專門打磨；如果試件表面不光滑，用細(xì)砂紙打磨平，磨光滑。（3）在測試面上按照尺寸布置好測點(diǎn)，并用墨跡做好標(biāo)記。（4）檢測時，先將換能器T、R置于試件一對相互平行測試面的中心上，記錄聲時參數(shù)。

3　試驗(yàn)結(jié)果分析

將記錄的試驗(yàn)數(shù)據(jù)代入公式（3）進(jìn)行計算，得到如表3和表4所示的數(shù)據(jù)。

由表3和表4可以看出，孔洞在4～10 cm時，測量孔洞與實(shí)際孔洞的尺寸相差不大。因此，采用檢測混凝土中4～10cm范圍的孔洞是可行的。

4　結(jié)語

（1）孔洞為4～10 cm時，測量孔洞與實(shí)際孔洞的尺寸相差不大。

（2）對于孔洞尺寸小于探頭（直徑3 cm）尺寸的孔洞，檢測結(jié)果與實(shí)際誤差較大。在實(shí)際工程中，還需要進(jìn)行加密檢測。

（3）對于大孔洞（直徑10 cm以上）的檢測，還需要進(jìn)一步驗(yàn)證。

表3　邊長為15cm試件組的分析數(shù)據(jù)Tab.3 Analysis data of test piece group w ith the length of 15 cm

表4　邊長為20 cm試件組的分析數(shù)據(jù)Tab.4 Analysis data of test piece group with the length of 20 cm

［1］黃湘平，史承明.超聲波檢測混凝土不密實(shí)區(qū)和孔洞［J］.陜西工學(xué)院學(xué)報，2005（6）：59－61.

［2］黃雙杰，徐守彬.超聲波檢測混凝土構(gòu)件缺陷類型試驗(yàn)研究［J］.四川建筑科學(xué)研究，2010，5（36）：160－163.

［3］吳新璇，張仁瑜.無損檢測技術(shù)在建設(shè)工程中的應(yīng)用與發(fā)展［M］.北京：人民交通出版社，2003：3-10.

［4］張治泰，李乃平.超聲波檢測結(jié)構(gòu)混凝土缺陷［C］／／林文修.第7屆全國建筑物鑒定與加固改造學(xué)術(shù)會議論文集，重慶：重慶出版社，2014：82－89.

［5］吳新璇主編.混凝土無損檢測技術(shù)手冊［M］.北京：人民交通出版社，2003：64－90.

［6］GB／T14684－2011，建筑用沙［S］.

［7］GB／T14685－2011，建筑用卵石、碎石［S］.

[責(zé)任編輯胡修池]

Study on Ultrasonic Detection of Concrete Internal Hole Size

DONG Gui－h(huán)ua
（Water Resource Management Office，F(xiàn)uxin 123000，Liaoning，China）

This paper analyzes the principle of ultrasonic detection of concrete internal hole size，selects and uses the NM－3C type non－metal testing analyzer，and processes concrete internal hole size detection test by using contralateral test method，the results show that it is feasible to detect the concrete of 4-10 cm hole with ultrasonic method；But for the holes which less than the probe size，the error is bigger；for more than 10 cm holes，still need further verification.

C oncrete internal hole；detection method；ultrasonic；basic principle

TU528.22

A

1008-486X（2016）01-0024-04

2015－10－18

國家自然科學(xué)基金：季凍區(qū)格柵加筋粉質(zhì)黏土渠基融沉機(jī)理研究（51508345）；遼寧省海洋與漁業(yè)廳科研項(xiàng)目：鉸接式混凝土砌塊海洋護(hù)岸系統(tǒng)研究（2014）。

董桂華（1975－），女，內(nèi)蒙古赤峰人，高級工程師，主要從事水資源管理方面的研究工作。