混凝土超声检测技术分析及其在测缺中的应用

刘泳钊

（佛山市市政工程质量检测有限公司，广东 佛山 528000）

混凝土超声检测技术分析及其在测缺中的应用

刘泳钊

（佛山市市政工程质量检测有限公司，广东 佛山 528000）

本文通过详细地阐述了超声波无损检测的技术参数及其作为无损评定所具有的优越性。最后结合个人工作经验，介绍了超声法检测混凝土内部缺陷常用的无损检测方法。

超声波检测；优缺点；技术分析；缺陷检测

1 超声波检测技术分析

声波的指向性比较好，其频率越高，指向性越好。超声波传播能量大，对各种材料的穿透力较强。应用超声来进行无损检测也有其相应的缺点。但是对于球面状的缺陷，例如空洞，假如空洞不是很大或分布不是较密集的话，就难以得到足够的回波信号或是其时间变化不明显。

1.1 测量参数

混凝土超声检测目前主要是采用所谓“穿透法”，即用发射换能器重复发射超声脉冲波，让超声波在所检测的混凝土中传播，然后由接收换能器接收。被接收到的超声波转化为电信号后再经超声仪放大显示在示波屏上，用超声仪测量直接收到的超声信号的声学参数。当超声波经混凝土中传播后，它将携带有关混凝土材料性能、内部结构及其组成的信息。准确测定这些声学参数的大小及变化，可以推断混凝土的性能内部结构及其组成情况。

1.1.1 声速

声速即超声波在混凝土中传播的速度。它是混凝土超声检测中一个主要参数。混凝土的声速与混凝土的弹性性质有关，也与混凝土内部结构（孔隙、材料组成）有关。不同组成的混凝土，其声速各不相同。一般说来，弹性模量越高，内部越是致密，其声速也越高。而混凝土的强度也与它的弹性模量、它的孔隙率（密实性）有密切关系。因此，对于同种材料与配合比的混凝土，强度越高，其声速也越高。若混凝土内部有缺陷（孔洞、蜂窝体），则该处混凝土的声速将比正常部位低。当超声波穿过裂缝而传播时，所测得的声速也将比无裂缝处声速有所降低。

1.1.2 振幅

接收波振幅通常指首波，即第一个波前半周的幅值，接收波的振幅与接收换能器处被测介质超声声压成正比，所以接收波振幅值反映了接收到的声波的强弱。在发射出的超声波强度一定的情况下，振幅值的大小反映了超声波在混凝土中衰弱的情况。而超声波的衰减情况又反映了混凝土粘塑性能。混凝土是弹粘塑性体，其强度不仅和弹性性能有关，也和其粘塑性能有关。

1.1.3 频率

如前所述，在超声检测中，由电脉冲激发出的声脉冲信号是复频超声脉冲波。它包含了一系列不同频率成分的余弦波分量。这种含有各种频率成分的超声波在传播过程中，高频成分首先衰减（被吸收、散射）。因此，可以把混凝土看作是一种类似高频滤器的介质。超声波愈往前传播，其所包含的高频分量愈少，则主频率也逐渐下降。这已为不同测距的试验及频谱分析结果充分证实。主频率下降的多少除与传播距离有关外，主要取决于混凝土本身的性质（质量、强度）和内部是否存在缺陷、裂缝等。

1.1.4 波形

这里指的波形第指在显示屏上显示的接收波波形。当超声波在传播过程中碰到混凝土内部缺陷、裂缝或异物时，由于超声波的绕射、反射和传播路径的复杂化，直达波、反射波、绕射波等各类波相继到达接收换能器，它们的频率和相位各不相同。这些波的叠加有时会使波形畸变。

2 超声波在混凝土结构无损检测中的应用

土木工程无损检测技术有助于评估新旧建筑物的稳定性和整体性，能够对新旧建筑物整体或部分作质量状态监视，能够用来估计建筑材料和结构的性质和性能。

2.1 超声波对混凝土裂缝深度的检测

由于施工不慎混凝土未捣实、施工中因温度变形和干燥收缩、早期施工过载以及混凝土承载后产生的受力损伤等都会形成裂缝，利用超声仪可以检测出上述裂缝的开展深度及以后的开展情况，其所用的方法主要包括双面检测法和单面检测法。

2.1.1 双面检测法

双面检测法是当构件截面不大，而构件的两个侧面都能安放探头(发射探头、接收探头)时，直接探测裂缝的一种方法。如图1所示，探头分别置于1、2、3、4、5、6各对跨缝点。当发射、接收探头在构件两侧面相对位置移动时，测出不同位置的声波传播时间，量得声路的长度(各测点到裂缝截面边缘的水平距离)，从b-t关系曲线的突然转折处，即时间从变化转为平稳的过渡点，就是所要测的裂缝深度A。然而在通常的工程结构中很少有满足上述条件的，因而此种方法虽简单，但具体操作时却不一定可行。

2.1.2 单面检测法。单面检测法是当构件的截面很大或只有开裂的一个表面能够安放探头时沿面检测裂缝的一种方法。公路桥梁上的主梁裂缝由于条件的限制，其探测基本上也以单面法为多。对于单面检测法，最常用的方法要算tc—to法和BS4408标准方法，另外的方法还包括表面波的传播声时测量裂缝深度、利用超声波首波相位变化的方法检测裂缝深度、冲击回波法检测裂缝深度等，这里主要介绍一下tc—to法。如图2所示，首先在裂缝附近完好的表面，选择一定的长度工作为校准距离，设这段距离为2a，在这段距离的两端安放探头，测出声波通过2a的时间为tc，再将发射与接收探头安放在裂缝两侧，并使两个探头至裂缝的距离都为a，测得通过裂缝处声波的传播时间：tc，如果裂缝与表面正交，以声波通过前后两处混凝土所传播的速度相等为条件，很容易推导出混凝土裂缝深度的计算公式：d=a[(tc/to)2-1]0.5

在《超声法检测混凝土缺陷技术规程》(CECS21：2000)中对上述的tc—to法加以了改进，即在不跨缝进行声时测量时，将T和R换能器置于裂缝附近同一侧，使其内边距分别等于50mm、100mm、150mm、200mm、250mm、300mm共6个点，读取这时的声时值(to)1，由此可以画出相应的时－距坐标图。然后在跨缝进行声时测量时，取同样距离的6个点，相应读出这时的声时值(t)1，再根据相应的公式求出每个测点所对应的裂缝深度值，最后取其平均值，这样做主要是因为探头声源并不是在探头中心点位置，通过上述方法可以求出声源的确切位置。

2.2 超声波对混凝土的不密实区及其空洞的检测。超声波检测混凝土内部不密实区及其空洞的原理就是当发射探头发射的超声波遇到空洞时，声波就产生反射使一部分能量衰减，另一部分将绕过空洞沿着孔壁传播，并最终将被安放在另一头的接收探头所接收，从而从超声仪上读出的时间与同类材料相同距离下的正常温凝土会有所差别。通过各测点时间读数的变化情况以及超声振幅、波形的变化，就可以推测混凝土内部空洞的大致尺寸，通常以该空洞的最大内径来表示。这里要注意的一点就是首先要用其它方法判断该混凝土内部是空洞还是缺陷，然后再进行下一步操作。在具体对混凝土空洞检测过程中需要布置大量的测点，如果该混凝土结构材料有两对平行测试面，用对测法即可；如果只有一对互相平行的测试面，应在对测的基础上还要进行交叉斜测，同时对可疑数据点区段内应加密测点。

结语

用超声法来评定混凝土结构的缺陷，是一种行之有效的方法，但在有些方面还需要进一步完善和发展，比如检测方法还需要一定的改进、数据采集精度有待提高、仪器所检测的声学参数也应多样化。可以说用超声法对混凝土材料进行无损评定是一种非常有潜力的检测手段，有着广阔的发展全间，它需要许多的科学工作者去不断的加以完善和创新，以更好的服务于工程事业。

[1]王韶先.混凝土超声检测技术的研究与应用.水力发电，1993-05-16.

[2]张建国，琚晓辉，路晋.水泥混凝土路面厚度超声检测系统研究.公路交通技术，2006-02-28.

[3]朱金颖，陈龙珠.混凝土受力状态下超声波传播特性研究.工程力学，1998-08-30.

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