超声波技术在检测混凝土缺陷中的应用

刘俊峰

摘 要：混凝土结构常常由于浇筑方式不当或者振捣不密实等原因造成混凝土结构出现不密实、空洞等现象，随着超声波技术的不断发展，由于其在混凝土检测中的无损伤性、检测快速准确等特点，已经在混凝土检测中取得了广泛的应用。本论文从不同方面阐述超声波技术在检测混凝土缺陷中的应用，希望为研究超声波技术检测的专家和学者提供理论参考依据。

关键词：超声波技术；检测混凝土缺陷；应用

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超声波检测原理

众所周知，波在均匀介质中的传播速度为一常数，根据费马定律，声波在固体介质中传播，满足所用时间为最短的条件，当遇到波阻抗差异较大的部位，如混凝土中的裂隙，会沿着一条最短的途径绕过裂隙（亦即波的“衍射”或“绕射”现象）。另外当介质中含有随机分布的不同阻抗的颗粒，如果颗粒的尺寸小于波长，则声波将被颗粒反射而散射开来，不再沿着原方向前进，也即“散射现象”。

超声波在均匀混凝土介质中传播的速度基本为一常数。在混凝土组合结构中，混凝土之间无空隙存在，混凝土质量良好，混凝土厚度给定的情况下，传播的声时是固定不变的。当混凝土之间存在空隙时，由于超声波在空气中的波速远远低于在钢材与混凝土中的波速，超声波能量在空气中的衰减远远大于在钢材与混凝土中的衰减，导致传播时间增大，波幅衰减幅度增大，并且超声波从钢材透射到空气中时，由于传播介质的改变（由固体到气体），使得声波相位发生变化，测试波形将会产生畸变。所以，超声波在钢管混凝土中的传播方式是不同于普通混凝土结构的，在进行钢管混凝土超声检测时，由发射换能器产生的超声高频振动波。

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。

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 ；

2.3.3 测得表面回弹值 r ；

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。

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。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。

參考文献：

[1]超声波无损检测特点分析及其在混凝土缺陷评定中的应用[J]. 杨国华，潘建荣，许长安.浙江水利科技. 2006（04）

[2]超声波无损检测技术在桩基工程中的应用研究[J]. 邱雪峰.科技创新与应用. 2016（07）

[3]超声波无损检测混凝土内部缺陷的应用[J]. 杨渝宜.武汉水利电力学院学报. 1988（05）

[4]焊缝超声波无损检测新技术的研究进展[J]. 杨文钗，杨华，吴晓丹，何旺.江西建材. 2017（13）

[5]浅谈超声波无损检测技术在桩基工程中的应用[J]. 姜凡，周东富.黑龙江科学. 2016（01）

[6]浅谈超声波无损检测技术在桩基工程中的应用[J]. 李志勇.建筑知识. 2016（02）

[7]超声波无损检测技术在供水管网上的应用[J]. 王盛.甘肃科技纵横. 2014（07）

[8]超声波无损检测技术在供水管网上的应用[J]. 王盛.上海水务. 2014（04）