超声平测法（UPV）检测混凝土强度试验研究

李 龙，刘扬扬，季长征，苏慧敏，张 涛，董 良

（1.山东省建筑工程质量检验检测中心有限公司，山东 济南 250031；2.山东省建筑科学研究院有限公司，山东 济南 250031；3.山东蓝想环境科技股份有限公司，山东 潍坊 262100；4.山东建科建筑设计有限责任公司，山东 济南 250031）

混凝土是一种广泛使用的建筑材料，其强度是影响结构性能的重要参数。传统的测量混凝土强度的方法是破坏性的、耗时的和昂贵的。为克服这些限制，发展了非破坏性测试（non-destructive testing，NDT）方法，其中超声波测试是最广泛使用的方法之一。近年来，利用超声波检测混凝土强度，从而评估建筑物质量的方法在实际工程中得到了广泛应用。在实际工程中，受外界环境条件的制约，超声按能器的布置一般有两种方式，相应的检测方法分为超声对测法和超声平测法（ultrasonic pulse velocity testing，UPV）。其中前一方法已有较为成熟可靠的混凝土测强经验公式[1]，而对超声平测法检测混凝土强度尚在发展完善中。在工程中有些检测单位直接用平测法声速直接代人对测法测强公式来推定混凝土强度，缺乏科学依据。为此，本文针对不同检测条件及检测方法，进行了超声波检测混凝土强度的试验研究，在获取混凝土超声声速试验数据的基础上，建立起了混凝土测强回归曲线，并作了比较分析，最终得到了可应用于工程检测的实用结论。

1 超声法测强发展历程

超声波检测混凝土强度的发展历程可以追溯到20 世纪40 年代。当时主要是利用超声波对钢筋进行检测。20 世纪50 年代，超声波检测混凝土强度开始被应用于混凝土结构中，主要是通过测量超声波在混凝土中的传播速度来推算混凝土的强度。随着超声波检测混凝土强度的技术逐渐得到完善，开始广泛应用于混凝土结构的质量检测和评估。

20 世纪70 年代，超声波检测混凝土强度的技术不断进步，出现了一批新的检测仪器和方法，如调制频率法、激光干涉法等。超声波检测混凝土强度的应用范围不断扩大，开始用于大型混凝土结构的检测和评估，如大坝、桥梁等。同时，也出现了一些新的测试方法和算法，如多次波法、频率反演法等。

进入21 世纪以来，超声波检测混凝土强度的技术得到进一步提升，应用范围不断扩大，成为混凝土结构质量检测和评估的重要手段之一。同时，随着智能化、自动化技术的发展，超声波检测混凝土强度的检测仪器和方法也在不断升级和改进。

2 国内外研究现状

2.1 欧美的研究

美国是超声法检测混凝土强度领域的先驱之一。早在20 世纪60 年代就已经开始了相关研究。目前，美国相关领域的主要研究机构包括国家标准局（national institute of standards and technology，NIST）、美国混凝土研究所（portland cement association，PCA）、美国交通部（department of transportation，DOT）等。在这些机构的支持下，相关学者们进行了大量的试验和理论分析，为超声法检测混凝土强度提供了坚实的理论基础和试验验证。

欧洲在超声法检测混凝土强度方面的研究也非常活跃。法国、德国、英国、瑞典等国的科学家们都在该领域内取得了重要的研究成果。欧洲研究人员主要关注的是超声法检测混凝土的各种物理参数，如声速、衰减、密度、弹性模量等，以此来建立混凝土的力学模型。

2.2 国内的研究

目前，国内对超声法检测混凝土强度的研究也在不断地发展。在这方面，国内的一些高校、科研机构和建筑企业都参与其中。具体来说，国内的研究重点主要体现在以下几个方面。

（1）超声波检测技术的理论研究：包括超声波在混凝土中的传播规律、不同频率超声波在混凝土中的传播特性、混凝土弹性模量与强度的关系等方面的研究。

（2）超声波检测技术的试验研究：包括不同超声波频率、探头类型、声波入射角度等条件下混凝土强度的检测试验、混凝土中不同类型缺陷（如裂缝、空洞等）对超声波传播的影响试验等。

（3）超声波检测技术在实际工程中的应用研究：包括超声波检测技术在混凝土结构中的应用情况、超声波检测技术在桥梁、隧道等大型工程中的应用情况、超声波检测技术与其他非破坏检测技术的结合应用等方面的研究。

（4）超声波检测技术的改进和发展：包括超声波探头的设计改进、信号处理技术的改进、新型超声波检测仪器的研发等方面的研究。

总之，国内对超声波检测混凝土强度的研究是一个广泛而深入的领域，涉及到理论研究、试验研究、应用研究以及仪器技术研究等多个方面。

3 超声平测法测强试验

试验共选取8 个普通塑性混凝土试件，强度等级C10～C50，对各等级同条件混凝土试件进行同条件超声声速试验，分别在浇注侧面、底面分别进行平测、对测。其中，1 组（4 个试件）进行平测测距对比试验；1 组（2 个试件）进行平测测面与底面对比试验；1 组（2 个试件）进行平测侧面与对测侧面对比试验。试验设备混凝土超声波检测仪应符合现行行业标准《混凝土超声波检测仪》JG/T5004 的有关规定，试验过程中每个混凝土试件各项超声测试分别选取10 个测点，检测面保持清洁、平整、干燥。各项超声测试取其平均值为试验分析数据，其中异常数据依据《数据的统计处理和解释 正态样本离群值的判断和处理》（GB/T 4883-2008）舍弃[4]。

3.1 平测测距选择

理论分析表明，测距太大超声波接收信号较弱，受混凝土内部钢筋、预埋件影响较多，会使超声声速值离散性增大，结果不稳定。测距太小，超声波接收信号的首波起始点难捕捉，首波起始点判断错误会产生较大误差。

试验过程中发现测距小于200 mm 时，首波在水平轴上下来回跳动，波起始点难判断；测距大宇500 mm 时，传播的超声脉冲波变弱，数据离散性过大，因此选择测距200、250、300、400、500 mm 进行对比试验。

平测混凝土浇注侧面不同测距试验数据对比见图1，其中pc-200 表示平测侧面且测距为200 mm。由图1 中看出，测距越大回归测强曲线的乘幂越大，分析认为平测侧面时测距为500 mm 时相对更容易判定混凝土强度，但当距离为500 mm 时，传播的超声脉冲波变弱，数据离散性过大，因此当距离为400 mm时，更有利于不同等级混凝土强度的判定。

图1 平测测距200mm-500mm 测强曲线

3.2 平测测面与底面对比

平测检测面可以选择浇注侧面、表面、底面。因混凝土为多相混合材料，同时浇注时的振捣等因素，会使混凝土浇注侧面、表面、底面的状况略有不同，平测时超声波沿检测面传播，检测面状况不同必然对超声声速产生影响，回归测强曲线的乘幂也必然不同。

由于混凝土表面浮浆状态对数据影响过大，同时在实际工程检测中也不易布置测点，所以不作过多分析。

对同一混凝土试件的浇注侧面、底面分别进行400 mm 测距的超声声速平测，试验数据对比见图2，其中pd表示平测底面，pc表示平测侧面。

由图2 看出，平测混凝土浇注侧面与底面比较，侧面数据的回归测强曲线的乘幂更大，更有利于不同等级混凝土强度的判定。

3.3 平测侧面与对测侧面对比

由于平测法在工程实际检测中相对于对测法，具有检测面选择范围广、超声测距准确等很多优点。对同一混凝土试件的浇注侧面分别进行400 mm 平测和250 mm 对测，对其回归测强曲线进行比较，试验数据对比见图3，其中pc 表示平测侧面，dc 表示对测侧面。

图3 平测侧面400 mm 与对测250 mm 测强曲线

由图3 看出，平测400 mm 与对测250 mm的回归测强曲线的乘幂相差不大，且平测略大于对测。

4 结语

经上述试验研究，可得到以下结论：

（1）平测测距在200～400 mm 范围内，测距越大超声声速回测强曲线的乘幂越大，更有利于混凝土强度的判定，且检测面宜选择在侧面。

（2）在平测测距为400 mm 对测测距为250 mm 时，平测与对测超声声速回归测强曲线乘幂相差不大，平测法可以代替对测法进行混凝土强度的判定。

我单位在大量试验基础上制定了平测声速与对测声速的相关关系曲线[5]，必将进一步推动超声平测法在实际工程无损检测中的应用。未来的超声平测法的研究方向包括传感器设计、混凝土微观结构的研究、多种方法的结合应用以及实现实时、在线监测等方面，这些研究将有助于提高超声平测法的精度和可靠性，为工程实践提供更加有效的技术支持。