超声波技术在混凝土检测中的应用

李盛斌 杨红霞

（延安大学建筑学院，陕西延安 716000）

0 前言

随着国民经济的迅猛发展，城镇化进程的不断推进，以及高速公路、高铁等基建项目的大规模建设，钢筋混凝土结构取得了前所未有的发展，特别是大体积混凝土结构的发展。在混凝土结构的浇筑振捣过程中，常常因为操作不当引起结构的内部缺陷，由于混凝土的质量问题常常会影响这个结构的使用，因此混凝土浇筑质量的控制越来越被重视，在工程竣工后成为结构质量评估的重要指标之一。近年来出现了许多结构倒塌事故，这些事故的起因有时是因为结构设计不合理，有些是因为施工过程的不正确的施工操作。施工过程中的混凝土浇筑不密实和空洞现象比较常见，因此对混凝土质量的检测就显得尤为重要。无损伤技术的应用可以保证结构的完整性，并且能够节省检测成本，有助于评估整个结构的安全性完整性。

1 超声波检测混凝土结构的原理

1.1 超声波检测混凝土强度的基本原理

超声波在混凝土中的传播过程中，由于混凝土的密度、弹模的影响，传播的速度往往会不同，弹模越高得出的波速也就越高，因此声速值和混凝土的强度就存在这一定的关系，我们可以根据声速和强度的数值关系绘制相关的关系曲线或者寻找相应的经验公式，在实际工程中依靠关系曲线表，通过实测的波速来寻找相应的混凝土强度。

在混凝土构件检测时，如果仅检测了单个构件，应该取该检测区中测得的最小的混凝土强度值。当进行批量抽样检测时，应该保证混凝土强度有95%以上的保证率。当混凝土强度的标准差出现异常或者超过某个经验值时可以做出局部调整。

混凝土中中粗骨料所占比重较大，他对混凝土结构的强度影响较大，对声速的影响较小，因此我们可以建立水泥砂浆与声速值的关系，在测量时仅测量超声波在水泥砂浆中的声速即可。我国的建筑材料科学研究院和陕西建筑科学研究院对这方面做过系统的研究。他们总结了混凝土强度与换算过的不同种类的水泥静浆的关系，如矿渣硅酸盐水泥静浆，普通硅酸盐水泥静浆等

由于混凝土结构本身材料构成复杂，超声波在结构内部传播时受到的影响因素众多，如水灰比、粗骨料大小、混凝土龄期、收缩徐变、钢筋的直径大小及配置情况，这些影响因素错综复杂相互影响，在建立测量数据和混凝土结构强度关系时，对参数进行局部调整。在进行强度检测前应当保持混凝土结构表面的平整，并除去污物，每个检测试件应保证最少10个测点。

1.2 超声波检测混凝土缺陷的基本原理

发射换能器超声波检测时的核心部件之一，通过发射超声波进行混凝土结构缺陷检测。具体工作流程是：发射换能器发射超声波，超声波穿过混凝土结构并进行波反射，依靠信号接收器和接收换能器接受检测数据，这些检测参数结果包括波幅、波速和频谱等参数等，通过分析处理过的接收数据就可以准确的描绘出混凝土结构的强度、结构缺陷位置、缺陷性质等。

混凝土结构是非均质的材料，对超声波的能量有吸收的特性，而对于高频成分吸收更大，一般在混凝土结构够缺陷检测时采用发射频率较低的超声波。当混凝土结构质量较均匀、测试相同距离的情况下，接收的信号主频等参数往往比较一致，如果混凝土出现不密实、空洞等缺陷时，混凝土的整体性受到破坏，这时接收换能器收到的信号值和完整混凝土相比声时值较大，波幅和频率值相应较低。在混凝土检测时正式依靠检测设备处理参数后比较声速、波幅和主频测量值，得出混凝土的质量状况。

混凝土结构常见的缺陷有不密实、空洞、杂物填充、意外受伤等。当超声波经过这些缺陷断面时波速、振幅值会发生突变，常常可以根据这些突变特性推断结构内部的缺陷。下面简要说明几种常见的缺陷判别方法。

1.2.1 超声波穿过混凝土缺陷部位时，由于反射绕射的影响，超声波的波速和时间会受到相应的影响，我们可以根据波速的大小或者接受波段时间的长短来判断缺陷的类型和大小。

1.2.2 超声波经过混凝土缺陷断面时，波的能量会被吸收或者干扰后散射，相应的信号接收器和接收换能器接收的波的能量也相应减少，可以据此判断缺陷的大小和存在位置。

根据预防医学和卫生学发展以及部队实际卫生工作需求，在授课过程中，我们拓展了相关内容，如强化“大卫生观”意识，树立预防为主理念，重视防发生、防发展、防伤害（致残）的三级预防工作在整个医疗卫生事业中的作用；介绍海军部队常用卫生装备和设施；重视海军卫生学发展动态，使学生掌握获取公共卫生学和海军卫生学发展信息的技能，为其今后从事卫生学相关工作奠定理论基础，提升实践能力。

1.2.3 超声波经过混凝土缺陷部位时，信号接收器接收到的波的频率也会相应发生变化，往往由于波的吸收导致波的频率降低，据此可以判断缺陷的大小。

1.2.4 超声波经过混凝土缺陷部位时，波形参数会发生相应的变化，不同的波段相互叠加，信号接收器接收的信号波形畸变，据此我们可以判断缺陷的类型和缺陷的大小及位置。

2 超声波在混凝土检测中的具体应用

2.1 超声回弹综合法检测混凝土的强度

混凝土的强度是混凝土特性中的一个重要指标，如何能准确的检测混凝土的强度显得尤为重要，超声回弹综合法由于检测精度高、操作简单等特点，成为混凝土强度检测中常用的方法之一。

超声回弹综合法是一种超声法和回弹法综合应用的一种检测方法。这两种方法的应用基本依据就是分析材料的应力应变和材料强度的关系。超声法可以通过超声比反应材料的弹性和一些内部结构信息。回弹法既可以反应材料的弹性和又能反应部分塑性，但是仅能够描述出材料的表面特性，不能揭示材料的内部结构特征。为了能更深入的揭示事物的弹性塑性特征，采用把超声法和回弹法相结合的方式，这种方式不仅能揭示事物的表面特性，还能够完成的反映出结构的内部状况、

在进行混凝土抗压强度数值测定时，首先要选好测点，选好测点后采用超声回弹综合法，此种方法的主要目的就是建立测强曲线，即通过统计分析波速、表面回弹值、抗压强度这些参数的关系，具体的操作过程如下：

2.1.1 通过超声检测仪，测得超声波在混凝土结构中的传播时间t；

2.2.2 测得在混凝土结构中传播的波速V；

2.3.4 根据所测得的超声波速V 和混凝土表面回弹值r 计算混凝土的抗压强度。在整理波速和混凝土抗压强度的关系时，一般当混凝土的超声波声速过高时表示混凝土的强度较大，当混凝土的声速过低时，表示混凝土的强度较低。

2.2 超声波检测混凝土结构的内部缺陷或损伤

混凝土结构的内部缺陷常见的又混凝土的裂缝、不密实、空洞等。裂缝往往是由于施工工艺的干扰造成层状不连续，导致结构内部或外观上出现裂缝文理。不密实和空洞是一种隐蔽性的缺陷，形成此类缺陷的原因往往是混凝土水灰比过小或者配筋较密的情况。

2.2.1 裂缝的检测

由于各种因素的干扰，混凝土结构构件常常会产生裂缝，裂缝的存在不但会影响结构的使用性能，甚至会影响结构的安全与寿命。为了能准确的测量裂缝的深度及走向，超声脉冲法成为了检测的常用手法。

混凝土结构的开裂深度小于500mm时，推荐采用单面平测法或双面斜测法。在进行单面平测时，要以不同的测距布置测点进行测量，要保证测点有跨缝和不跨缝两种状况，切测点的位置应尽量避开钢筋，减小钢筋的干扰。裂缝深度的确定方法有：

（1）跨缝测量中，当出现首波反相时，通过该测点的数据及相邻测距的亮点的测量数据按照一定的方法计算hci，最后取三个测点的深度平均值作为裂缝深度。

（2）如果在测量中没发现首波反相，需要计算第i 点的计算深度及平均值，通过个测点的测距和平均深度的比较，如果测距小于裂缝深度平均值或者测距大于三倍的平均值，剔除改组数据，然后去剩下的个测点数据取平均值即可。

双面斜测测量时，一般选取相互平行的测量表面，通过对波幅、声时和主频的突变的分析判断出雷锋的深度及联通状况。

对于大体积混凝土并且深度在500mm 以上的裂缝，应该采用钻孔对测法。这种方法的具体操作如下：首先的裂缝旁边钻孔，在测试孔中注水，将检测仪器置于孔中读取声时、波幅和换能器所处深度。

2.2.2 不密实与空洞的检测

超声检测手段具有无损伤性，相对射线方法，超声波检测方法的穿透能力强，操作简单，仪器受干扰小等特点在不密实检测中取得了广泛的应用。

现在主流的检测混凝土结构缺陷的超声波检测法有超声脉冲声速法（Ultrasonic Pulse-velocityMethod，简称PUV）和超声脉冲回波法（Ultrasonic Pulse-echo Method，简称PUE）两种。PUV 法的工作原理是发射脉冲信号，通过测量信号穿越混凝土结构的实践来确定声速。测点应布置在混凝土结构构件的表面并按网状排布。通过超声波的相关参数和结构构件的力学性能或集合特性的联系，能够有效地测定构件的震荡不实空洞区域。PUE 法的工作原理是在混凝土结构构件的一侧发射信号，通过测量波的传播速度及时间，可以准确的测量缺陷的位置及性质。

3 结束语

超声波检测技术已经在混凝土结构构件的强度确定，混凝土结构内部缺陷测定中取得了广泛的应用，特别是对于结构内部缺陷的测定，是唯一的可靠的简单易行的测定方法，因此应该不断的改进推广超声波检测方法，保证混凝土结构的质量

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