基于超声波检测技术和声波散射衰减方法的混凝土内部缺陷研究*

陆益军，方 俊，王晓妮

（南京理工大学紫金学院，江苏 南京 210023）

近年来，我国公路交通事业取得了快速而又显著的发展，修建了大量的公路铁路桥梁。截至2018 年底，我国公路桥梁已有85 万余座，总长度达5568.59 万m，其中不乏港珠澳大桥和杭州湾大桥等举世瞩目的重大工程。但是在桥梁快速发展和取得巨大成就的同时，桥梁运营过程中产生的病害及缺陷也在不断暴露。目前，在管理养护的过程中，发现大量的桥梁结构中存在不同程度的混凝土损伤及缺陷，如图1 所示。其中，包括蜂窝麻面、空洞孔洞、裂缝及腐蚀等，这些微小病害如不及时处理将会对桥梁整体结构安全带来难以预计的隐患[1-3]。

图1 桥梁结构混凝土破损剥落

针对混凝土的检测，目前主要使用人工敲击法、钻孔取芯法及超声波检测方法。人工敲击方法主要依赖于检测人员的经验，对可能存在缺陷及病害的位置进行敲击判定，难以具有统一的判定标准；钻孔取芯方法更多适用于钢管混凝土的检测，能够直接反映出完整的混凝土内部强度，进而判定其强度是否满足规范要求，但取样往往存在局限性，只能反映局部特征；超声波检测方法以其快速、便捷、无损的优点广泛应用于桥梁的日常检测之中，并取得了良好的效果。由于混凝土材料是一种非均质材料，亦可看作属于多相复合体系的集结型复合材料，其内部存在着广泛分布的复杂界面及不同界面的过渡区，这就使得超声波在混凝土材料中的传播复杂于一般均质材料。所以，文章开展了不同频率下超声波在混凝土材料检测试验，结合声波散射衰减方法，从频域角度进一步探索超声波在复杂介质下传播规律。

1 超声波无损检测技术

一般而言，无损检测技术是指在不损伤混凝土结构的条件下，主要利用混凝土内部结构异常而引起的热、声、光、电磁的变化，对混凝土内部的病害及缺陷进行测定，对结构进行无损检测。随着技术的不断发展，目前行业内存在数十种无损检测技术，其中广泛应用的包括超声检测、激光检测、电磁涡流检测、渗透检测及磁粉检测等。而超声波无损检测技术具有穿透力强、定位准确、成本低、迅速快捷及适用范围广等优点，广泛应用于桥梁结构的日常损伤检测过程中。超声无损检测技术的发展主要分为三个阶段：超声无损探伤（Ultrasonic Nondestructive Inspection，UNI）、超声无损检测（Ultrasonic Nondestructive Testing，UNT）及超声无损评价（Ultrasonic Nondestructive Evaluation，UNE）[4]。UNI是超声无损检测的第一阶段，现在的主要的无损技术研究主要集中于NUT，即无损检测的第二阶段。UNE 通常需要在UNT 的基础上，对相关数据进行桥梁构件的病害及损伤的演化和发展做出准确、完整的预测及评估。这是无损检测的第三阶段，同时也是桥梁病害检测的最终目标。

早在20 世纪30 年代，表面压痕法最早开始用于混凝 土 的 无 损 检 测，1935 年G·Grimet 和J·M·Ide 在 混 凝土的弹性模量测定中引入了共振法。60 年代，以H·rusch和A·T·Green 为代表的学者开始将声发射设备运用到混凝土检测过程中，声发射技术到今天仍然是混凝土试验过程中重要的测量手段。80 到90 年代，以微波、雷达、红外、脉冲为主要检测方法，结合信息融合、神经网络及负载响应等多种技术，形成了一套比较完备的现代化无损检测体系。我国自20 世纪50 年代开始开展超声波无损检测技术的研究，60 年代开始应用于工程实际之中。近年来，随着技术的不断发展，超声波检测技术的范围和深度也在不断扩大，已经应用到土木、交通、水利等多个方面。同时，检测距离也从20 世纪的1m 发展到数十米混凝土，检测的参数也扩展到强度测量、裂缝测量、破坏层厚度及弹性模量等多个方面的全面检测[5]。

对于结构病害的检测而言，基于超声波技术的检测手段固然重要，同时对获取的超声波信号进行数值分析也不可忽视[6]。对获取信号进行时域和频域的变换分析，可以进一步对病害损伤程度进行判定和病害的损伤演化进行预判，这是结构损伤检测的目的和意义所在。吴慧敏[7]提出的“PSD 判别法”及陈如桂研究的基于“PSD判别法”和“概率法”的“逆概率解析法”，进一步提高了病害指标判定及定位判断的准确性。Shi F 等[8]基于有限边界方法对声波场域分布进行求解，进一步分析了声波衍射后的远、近场特性，建立了超声波与裂纹相关的损伤判定模型。Jiao Jingpin[9]等人根据调制波的旁瓣信号随裂纹尺寸变化而单调变化这一规律，基于有限元法进一步研究了Lamb波与裂纹发展耦合作用的过程，成功检测出受疲劳荷载下表面裂纹的发展。

2 声波散射衰减方法研究

基于超声波的无损检测技术的主要工作原理，是在材料或结构内部发射不同频率的超声波，通过仪器接受并分析所得到的信号，从而进一步了解结构内部的损伤及缺陷情况。由于混凝土内部介质的复杂性，超声波在混凝土中的传播会发生不同程度的衰减，主要分为吸收和散射两种形式。大量的实验研究表明，混凝土内部的声波衰减主要以散射衰减为主。所以进一步开展超声波在混凝土等非均质，复杂介质材料内部的传播散射衰减规律，对无损检测过程中分析结构损伤状况具有重要的意义[10]。

目前，国内外对于声波散射衰减的研究主要包括实验测定和有限元分析。在实验测定中，散射系数通常用来表征由散射衰减引起的损失能量，Mavko G 等[11]通过实验测量发现散射系数与声波频率和内部杂质的尺寸存在一定的相关性，如式（1）所示；Treeby B E 等[12]人利用频散方程和低频假设，进一步建立了基于空间分数阶导数的声波耗散模型，如式（2）所示，其中a=1，b=0。方俊[13]基于分数阶导数数值方法，通过对声波散射规律的深入分析，进一步推导出了声波在介质中传播的前4 阶频率依赖散射衰减通用模型，给出了衰减公式的幂指数表达式，式（3）和式（4）。在有限元分析中，Datta D 等[14]通过对二维有限元损伤缺陷模型增加吸收边界条件，建立了可以模拟超声波传播的有限元分析模型，并进一步证明该模型能够模拟超声波检测实验。孙灵芳等[15]基于COMSOL 软件对二维平板污损工况进行数值模拟，通过对超声纵、横波分离提取分析，实现了对污垢堆积厚度的精确检测。

目前，国内外的现场检测实验中，较多的研究以探索弹性波和混凝土强度之间的关系为主，根据大量土木行业内的实验数据，编辑了成熟的规范标准[16]。混凝土标号与波速的关系如图2、表1 所示。但是从实验角度探索弹性波频率与散射衰减系数之间相关性，并与切合的数值模型进行比较的研究相对较少。文章旨在从现场检测数据出发，结合相关数值模型，进一步探索桥梁结构内部损伤演化的规律性。

图2 混凝土标号与波速关系图

表1 混凝土标号与波速关系表

3 超声波无损检测实验

3.1 超声波仪器介绍

本次现场检测实验所使用的仪器是由康科瑞公司生产的非金属超声检测分析仪（KON-NM-4A），如图3所示。具体仪器参数参如表2 所示。

图3 非金属超声检测分析仪

表2 非金属超声检测分析仪仪器参数

3.2 工程案例概况

试验桥梁全长659.44m，主跨采用130m 下承式钢管砼系杆拱方案，设计荷载：公路Ⅰ级；主桥为预应力砼系杆拱结构，采用刚性系梁刚性拱，计算跨径L=126.28m，拱轴线为二次抛物线，矢跨比为1/5，矢高25.256m（如图4 所示）。本次专项检测实验为主桥内部结构损伤检测（如图5 所示）。

图4 系杆拱大桥

图5 现场检测图片

3.3 现场检测实验数据

现场检测一般首先关注桥梁关键构件位置，本次实验选取桥头两侧系拱杆连接处混凝土的检测数据。为了进一步研究频率与衰减系数的关系，检测过程中选择2.5Hz、5Hz、7.5Hz、10Hz、12.5Hz、15Hz 不同工况进行检测。5Hz、10Hz、15Hz 检测结果及频域分析分别如图6、图7、图8 所示。根据蒋志峰[17]提出的实验声波衰减计算表达公式（公式5），可以进一步得到在选择频率段内的衰减系数与频率关系如图9 所示。由图9 可见，在选择的频率段内，混凝土材料声波衰减系数与采样频率可以近似看作线性关系，通过拟合得到的直线斜率为1.60709。

4 数值模型验证

在对比相关的实验测定模型之外，为了进一步分析研究实验结果，文章选取方俊[13]提出的基于分数阶方法的声波散射衰减通用模型，作为数值模拟方法的模型验证。由公式（3）和（4）建立的散射衰减模型，考虑声波波长，杂质平均尺寸，激发频率等多个参数，得到了不同频率下散射衰减系数随杂质尺寸不断变化的关系如图10 所示。为了更好地比较衰减系数随频域变化的趋势，同时考虑到桥梁混凝土结构中，杂质一般为骨料等直径较小的块体，而图像中不同频率的峰值差异性集中表现在小于5%的工况下，故可以选择不同频率下的峰值进行进一步比较。

图6 5Hz 采样信号及其频域图

图7 10Hz 采样信号及其频域图

图8 15Hz 采样信号及其频域图

图9 声波衰减系数-频率关系图

图10 基于不同频率下衰减系数随杂质尺寸变化关系

三种方法具体比较结果如图11 所示，可以看出，基于实验测定模型拟合直线的斜率为0.8849，基于现场检测实验数据拟合直线的斜率为1.6071，基于数值模拟模型拟合直线为2.42，三种模型中的声波衰减系数随着频率的不断增加而增大。进一步分析可以得到，实验测定模型中所选取的材料为碳纤维复合材料，虽然包括不同材质，但相较于现场检测的混凝土而言，材料更为均质、简单。而数值模拟过程中，为了更好地模拟出真实复杂情况，材料参数设置较为复杂，存在不同尺寸的杂质，材料相较于现场检测由更为复杂一些。

图11 现场试验结果与不同模型拟合结果对比

综合以上工况，可以看出声波散射衰减系数随频率的变化依赖于材料杂质的尺寸及内部的复杂程度，如果材料内部存在较多不同种类的杂质，材料相对复杂，则声波更容易在传播过程中衰减。

5 结束语

通过现场检测实验可以看出，声波散射衰减系数和采样频率呈线性正相关，即随着采样频率的增加，其对应的衰减系数也不断增加。通过与实验测定模型及数值模拟模型的对比，可以进一步得到，声波散射衰减速率随着材料内部的复杂度而不断增加，即材料种类和内部杂质尺寸种类越多样，超声波在其内部传播的衰减速率就越大。由此可知，结合声波散射衰减方法的超声波无损检测能够较好地实现对桥梁结构内部损伤缺陷的识别，并能够进一步判定混凝土强度及内部密实情况。文章通过与两种不同模型的对比，更深层次地探索了基于内部材料的复杂性和杂质尺寸多样性工况下，声波衰减系数随频率变化的趋势，可以为结构损伤程度判断及损伤演化分析提供有益的参考。综上，超声波无损检测技术是未来在桥梁结构日常检测过程中不可或缺和需要不断发展的技术。但同时也需要注意到，文章所探索的规律和趋势，考虑的参数仍然不够全面，仅仅是从频率角度出发，在真实情况中，桥梁结构的损伤往往来自更为复杂的情况，超声波在混凝土结构中的传播也受到多种参数的影响。所以，在进一步的研究中，拟合的规律和模型应当同时考虑更多的参数比如波速、折射率，反射角等，以实现桥梁结构损伤更为精准有效的检测。