声波检测技术在混凝土桥梁检测中的应用

曾宇环

（苏交科集团广东检测认证有限公司，广东 广州 510800）

0 引言

随着我国对基础设施建设的投入力度不断加大，新建、改建、扩建以及运营期的各类桥梁越来越多。近年来，不管是建设期还是运营期，桥梁安全事故的发生使得项目施工建设中的质量问题及运营期桥梁的健康状况得到了诸多关注。因此，迫切需要一种行之有效的桥梁质量检测方法，以确保工程的质量。

随着我国经济发展和交通基础设施建设的水平逐渐提高，对桥梁等工程设施的质量也提出更高的要求。目前，国内进行桥梁工程检测时主要采用先进仪器代替传统人工方式，大量人力作业，效率低下，劳动强度大，且无法准确地检测出各种参数，因此存在一定程度上的误差。同时，由于各地气候条件差异较大，也导致检测结果失真。为了克服上述缺点，本文将结合当前市场发展的实际情况，重点介绍了桥梁检测无损技术中常用的声波检测技术，该技术可对桥梁结构检测的科学性及准确性提供有效保障。

1 声波检测技术概述

超声波主要是由声波和机械波组成的。在自然界中，所有的物质都具有一定的能量，并以不同形式存在于介质之中。物体内部所发生的各种物理变化也会产生相应的波动变化（如声、光等），这就形成了声光效应（超声）。声光效应是一种特殊的现象，其频率范围为10～30Hz，对人体没有任何不良影响，但是可以传播很远的距离。正是由于这种作用，人们容易将其同电磁波混为一谈。因此，把超声波称为“声音”，将其与电磁一起研究。

超声波属于非平衡激励信号，所以又被称为噪声或振动。在实际生活中，经常遇到一些噪声，例如汽车喇叭发出的巨大轰鸣声、飞机发动机的轰鸣等，这些干扰通常来自外界环境以及人体内各部位的反射或折射。当它们互相耦合时，便可引起听觉障碍。超声波就是利用这个原理来实现降噪功能的。超声波发生器的工作原理如下：第一，换能器发射出高频电流；第二，接收电路接收低频电压信号后进行放大处理；第三，比较器检测输出电压大小；第四，功率管驱动单元控制功率管的通、断，从而调节输出脉冲个数。由于声波振动频率与混凝土结构有一定关联，因此其在工程项目的混凝土结构性检测过程中也能发挥奇效。声波检测技术在具体的应用中必须具备两方面内容，一是对声学参数的测定，二是寻找上述声波参数与混凝土结构特征之间存在的关联。

2 声波检测仪器的发展状况

从我国在工程项目中应用的声波检测仪器的历史来看，主要经历了以下几个阶段：第一阶段是20世纪70年代末80年代初开始的。这一时期，由于科学技术水平较低，在进行相关工作时往往会使用一些较为陈旧的仪器设备；第二阶段是进入21世纪后，随着科技的进步与更新，声波检测仪的性能也得到了提升，其测量精度及稳定性都有很大的改善和提高。第三阶段是近年来逐渐兴起的一种新型无损检测设备，这种仪器能够有效避免传统检测仪存在的问题，同时还具有操作简单、便捷等优点。第四阶段是如今已经被广泛应用于各个领域的数字化超声探伤仪，它可以实现对目标物体内部缺陷信息的全面获取，并将采集到的数据通过软件处理、分析并得出结果，为后期的质量控制提供可靠依据。第五阶段就是目前最流行的超声波透射法探测技术，该方法凭借独特的优势获得了广泛应用，尤其在桥梁工程的实体检测领域发挥着重要作用。第六阶段是现下国内正在推广的三维成像探头，这种方式不仅能够准确识别桥梁结构内不同位置的情况，还能很好地保证信号传播过程的连续性，从而达到实时监控的目的。

3 声波检测技术在混凝土桥梁检测中的应用

3.1 混凝土抗压强度检测

从实际情况来看，在超声波检测过程中，超声波在混凝土中传播的过程就是混凝土每一微区出现不同程度的拉伸、压缩等变化的过程，这一现象就叫反射。通过对超声波信号进行分析、处理可以得出混凝土内部各部位的损伤状态和缺陷分布规律，进而有效判断出结构物是否存在裂缝或其他问题。因此，这一技术在桥梁检测过程中具有非常重要的意义。目前，国内已初步建立了较完整的混凝土结构性能测试体系，并取得了显著成果。但由于物理量的复杂性以及繁杂等特征，往往在实际工程中，超声技术只能检测力学性能，且目前的精确度并不高，只能作为参考。

声波检测桥梁的主体结构具有以下优点：首先，检测速度快。利用声波作为介质，可同时获取大量信息。其次，测量精度高。根据不同材料、截面尺寸、受力情况等选取适当频率的探头，采集数据并计算出相应值，即可获得真实结果，无须人工判断或校正。再次，适用范围广。对于各种钢材亦有良好适用性。最后，造价低廉，作业简单、方便，易于推广、实施。

从国内外发展现状来看，国外已经基本完成了超声波无损检测系统的研发工作，而我国尚处于起步阶段，主要以现场应用为主。但随着科技水平的不断提升，未来将出现更多先进的手段及设备，用于检测桥梁实体结构的各项指标。这主要是由于其采用了高分子复合材料技术、纳米压敏剂等特殊配方，使得产品具备较好的韧性和弹性；同时，又因为它的硬度远高于普通聚氨酯胶，因此能够更好地应用于实际桥梁检测过程中。而为了确保声波检测技术对桥梁具体检测工作的准确性，试块等区域也应该保证统一。

3.2 混凝土内部缺陷检测

如今，混凝土的探伤所用到的无损坏检测方法主要有超声脉冲法、雷达法、射线法等。但是，由于雷达技术和射线技术在混凝土无损检测中的穿透能力有限，且相关的设备、仪器以及后续的维护成本较高，所以并未得到较为广泛的使用。

超声波检测技术在混凝土结构内部缺陷的检测中获得了很好的效果。超声波在混凝土结构内部缺陷检测上具有较高的灵敏度，可以准确识别出钢筋和砂浆之间的裂纹。因此，超声无损技术已成为目前应用最为广泛、效果最好、发展最快的一项混凝土内部无损探测技术之一。

就声波探测技术的穿透能力来说，由于采用了声发射原理，并对声呐结构等方面进行了改进与完善，其探测穿透能力最大可达到十几米。就该探测技术的探测方式来看，超声波遇到缺陷会发生改变，而改变的主要表现是以波的形式作为参数，对缺陷的特性、方位等做出了较为详细的判断，从而达到检测的目的。这种方法也可以在某些特殊环境下使用。

超声波传感器是利用声波测量物体内部温度、湿度等参数的一种装置。由于它具有灵敏度高、体积小等特点而被广泛地应用于混凝土探测等领域中。

4 声测技术在基桩检测方面的应用

对于桥梁工程中的基桩完整性检测来说，声波投射法的作用不可忽视。因为，施工过程中，容易受各种因素的影响而出现问题，所以为了确保桥梁建设的质量和安全，必须要对其进行检测分析，以保证工程质量、进度等方面都能得到有效控制，这就要求施工单位及时做好相关工作，提高自身的技术能力，为我国的经济发展提供有力支撑。

目前，随着科学技术的不断进步，超声波透射法在工程领域中的应用越来越广泛，它是一种利用声频振动原理，将物体内部产生的能量转换成热能的物理方法。通过这种方式，可以快速、准确地测量出被测试物内部存在的缺陷或损伤的位置与大小。而且，超声波具有较强的穿透性，因此也可以用来探测地下结构物内是否有异常物体，并可根据实际情况选择不同的发射频率，以便获得更精准、可靠的数据。

但是，超声波透射法在实际应用时会遇到很多障碍，包括环境、地质条件、设备本身的性能等多方面因素。这些限制因素不仅会对超声透射波测厚带来困难，同时也使得超声波透射波测厚无法达到预期的目的，严重时甚至会造成测厚仪损坏，致使整个系统失效，进而无法保障桥梁桩基的质量。

4.1 超声波检测技术在桥梁桩基中的应用

在桥梁桩基的施工过程中，采用超声波检测技术会存在较大局限性，以下是对这些常见的技术要点进行的研究整理：

4.1.1 超声波检测原理。超声波监测原理是通过超声在被测物体表面产生反射或折射，而对被测对象进行探测的一种方法。它能准确反映出被测对象中存在着哪些缺陷，还可以测量各种介质（如水中）中声波的传播规律。在具体的检测过程中，主要以发射超声波的方法进行作业，对桩基混凝土整体结构中出现的问题进行测定。如果超声波在计算机中的模拟波动较为均衡，则说明该技术所检测的结果及内容没有问题。

4.1.2 优点及局限。就超声波检测技术在推进过程中的应用和最后的结果而言，整个探测过程不会对检测对象造成任何损害，探测的质量和速度令人满意。除此之外，超声波检测技术需要投入的成本较低，所以被诸多工程类行业广泛应用于检测中。而且，该技术还可以对厚度较大物体进行检测，且检测效果尤为显著。所以，即使是厚度比较大的桩基也可以利用超声波检测技术进行检测。但是，该技术也存在一定的局限性，检测结果所获得的相关参数是基于一定判断的。

4.2 低应变法在桥梁检测中的应用

4.2.1 低应变检测技术的原理及检测方法是，利用测量仪器产生的微弱信号，通过分析和计算得到物体表面发生的微小变形量。这种方法在工程中应用广泛，桥梁、隧道等都需要用高精度位移传感器监测其结构受力状态及裂缝情况。该技术是一种根据测力元件施加于被测构件上的压力或拉力大小，将该载荷转换为电信号，并转换成电压输出的测量方法，它具有精度高、体积小、重量轻、使用方便、操作灵活等特点，主要用于对混凝土材料进行质量控制及检验。由于目前我国建筑工程领域还没有专门针对混凝土强度等级开发的测试系统，因此，采用传统的人工测试方法无法达到较好的效果。同时，该技术受人为因素的影响大，由此带来的成本很高。所以，研发新型、高效、经济可靠、自动化程度更高且满足不同用户要求的混凝土力学性能试验系统尤为必要。

4.2.2 低应变检测技术的优点及局限：该技术测量精度高，可直接获得应力和变形的关系曲线，对被测对象无破坏作用。正是因为该技术对测试对象没有任何破坏，具有很强的实用性，所以在桩基检测等方面受到了较多青睐。但是，该技术受环境条件影响较大，需要较强的稳定性，且成本高，通常只能用于小零件或微小结构（如弹簧）的测试，且精度不高。此外，该技术不能进行精密加工，在加工过程中容易出现误差而导致失效，且不适合长期工作，尤其不适合在大载荷下使用。

5 结语

声波探测技术在桥梁结构的无损检测中扮演着重要角色。在实际检测中，应对其结果的精确度和准确性进行严格要求。当前，实际工程中的声波检测依然是以作业人员的经验为主，以仪器为辅，距离“淡化作业人员对结果的影响，提高数据的可靠性”这一美好愿景，还有很长的路要走。该技术的未来发展也需要创新和完善，才能更好地服务于社会。