超声波技术在混凝土结构缺陷检测中的应用与优化

原心红 王刚

摘 要：本文重点探讨了超声波技术在混凝土结构缺陷检测中的应用。本文首先对超声波检测混凝土结构缺陷的原理进行了分析，然后对现阶段常用的超声波技术进行了总结，比如超声脉冲法、超声回弹综合法等检测方法，最后结合具体工程实例分析了超声波技术在混凝土结构缺陷检测中的应用，并进一步探讨影响超声波技术应用效果的因素和优化措施，以供参考。

关键词：混凝土结构缺陷；超声波技术；优化措施

1 前言

利用超声波技术检测混凝土结构的内部缺陷，能够清楚反映钢筋混凝土结构内部各种不同程度的缺陷情况，哪怕是在复杂内部结构的情况下，也能够准确快速地完成混凝土内部结构情况的检测识别，为混凝土质量评估提供依据参考。因此，在现阶段需要加强对相关技术要点的研究和应用，不断提高超声波技术应用效果，为混凝土工程质量的提升做出贡献。

2超声波技术检测混凝土结构缺陷的原理

超声波检测技术主要是利用超声波在混凝土中的传播特性来实现对结构缺陷的检测和识别。超声波在混凝土中的传播速度与混凝土的密实度直接相关，混凝土的结构密实度和均匀性越好，超声波受到的阻碍也就越小，传播速度也就越快。反之，如果混凝土中存在空洞、裂缝等缺陷，超声波的传播速度就会降低。其原因是超声波在混凝土缺陷处会发生反射、散射和绕射等现象，这些现象会导致超声波的能量衰减和传播路径的改变[1]。超声波检测混凝土结构缺陷的原理如图1所示，其中黑色椭圆和圆状物代表了混凝土中的空洞，当超声波遇到空洞或者裂缝时，一部分能量会被反射回来，一部分能量会绕过空洞继续传播，而另一部分能量则会被空洞吸收，能量的变化是通过超声波声学参数的变化进行反映的，比如超声波的波幅、频率等参数。与此同时，超声波在混凝土中的传播还会受到混凝土内部骨料、界面和其他微观结构的影响。因此，通过测量和分析超声波的传播速度、波幅和频率等声学参数，可以推断出混凝土的密实度、均匀性以及其他物理性能。

3超聲波技术在混凝土结构缺陷检测中的应用优势

超声波检测作为一种非破坏性检测方法，其最大的优势在于无需破坏混凝土结构就可以直接进行混凝土内部缺陷的检测，能够有效确保重要建筑和设施的完整性。与此同时，超声波技术具有非常高的检测精度，即便是紧贴在混凝土表面的细小裂纹，也可以通过超声波检测技术进行精准识别，尤其对于混凝土内部的空洞、裂缝等缺陷，可通过超声波技术进行精确的定位和定量分析，为混凝土结构质量评定提供详细的信息，确保混凝土工程施工质量。

4混凝土结构缺陷检测中常用的超声波技术

4.1超声脉冲法

超声脉冲法作为混凝土结构检测中的常用方法，其主要是利用了超声波在混凝土中的传播特性。当超声波发射器释放出的高频声波遇到混凝土内部的缺陷、界面或不同材料时，声波会发生反射、折射和散射现象。这些变化都会被接收器捕捉到，进而通过处理软件呈现为图像或数据。在具体检测过程中，检测人员需要先在混凝土表面涂抹耦合剂，确保超声波能够顺畅地进入混凝土内部。之后再通过移动超声波探头对混凝土结构进行全方位的扫描。在扫描过程中，超声波设备会实时记录声波的传播时间、振幅和频率等参数，这些参数的变化都与混凝土内部的状况密切相关。超声脉冲法不仅不会对混凝土结构进行破坏，还能够详细检测混凝土的内部情况[2]。例如，通过分析声波的传播速度，可以推断出混凝土的密实度和均匀性；声波的反射和散射情况能够揭示出混凝土内部存在的裂缝、空洞或夹杂物等缺陷。但是，超声脉冲法在实际应用中也存在一定的局限性，由于混凝土的组成复杂且不均匀，其声学特性会受到多种因素的影响，如含水量、骨料分布、温度以及龄期等，这些因素的变化都会影响检测结果的准确性。因此，在使用超声脉冲法检测混凝土结构时，必须充分考虑这些因素的影响，并结合实际情况进行适当的修正和校准。

4.2超声回弹综合法

超声回弹综合法建立在超声波技术和回弹检测方法的基础之上。回弹法是通过回弹仪来测量混凝土表面的硬度，进而推断其抗压强度，而超声波技术能够深入检测混凝土内部结构情况。在超声回弹综合法中，检测人员首先使用回弹仪对混凝土表面进行多点测量，检测混凝土的回弹值，然后再在同一位置上，通过超声波设备检测混凝土结构的内部情况，回弹值能够反映混凝土表面的硬度和密实度，而超声波传播速度能够揭示混凝土内部的均匀性和存在的缺陷，两个参数结合就能够更全面地反映混凝土的质量和强度[3]。超声回弹综合法的检测精度高，测试速度也非常快。但是，混凝土自身的龄期、含水率等也会影响最终的检测结果，因此，在检测过程中也需要及时进行修正调整。

4.3相控阵超声波检测方法

相控阵超声波检测方法是超声检测技术的一种，该方法是通过多个小型超声波换能器（探头）组成的阵列，来检测混凝土结构的缺陷。每个探头都可以独立地发射和接收超声波信号，在测量过程中需要精确控制每个探头的发射时间和相位，这样就可以通过超声波束对混凝土结构进行全方位的扫描。相控阵超声波检测能够生成高分辨率混凝土结构图像，可以更准确地检测和定位缺陷。

5超声波技术检测混凝土结构缺陷的实例分析

5.1工程概况

某建筑工程中框架结构采用钢管混凝土结构，钢管混凝土结构截面如图2所示，为弧形结构，混凝土龄期为八周，外界温度平均值为22℃。

5.2检测方案

为了全面评估混凝土结构的性能，分别用三种不同频率检测混凝土在不同深度时的结构情况，然后再结合声波散射衰减法计算对应的结果。其中30 m位置采用的检测频率为0～10 Hz，60 m位置采用的检测频率为10 Hz～20 Hz，90 m位置采用的检测频率为20 Hz～30 Hz，持续检测一周，采集相关数据。

检测中所采用的超声检测分析仪的相关参数如下：

声时测度精度 μs±0.02；声时测度范围0～1280000μs；接收灵敏度 μv≤5；最大发射电压 V≤1200。

5.3检测及结果分析

对检测一周所获得的数据进行统计和分析，将各频率范围内混凝土结构中的缺陷数量及范围绘制成折线图，如图3所示。其中，散热系数与缺陷范围的大小成正比，系数越大，说明缺陷所覆盖的范围越大。结合图3可知，缺陷数量基本在0～5个之间波动。

进一步检测不同频率以下混凝土内部结构缺陷的复杂程度，所得到的结果如图4所示。分析图4可知在60 m～90 m范围内，声波衰减系数的值最大，在20～45之间，并且存在非常大的波动变化；深度在30 m～60 m范围内，系数在10～20之间；0～30 m之间的声波衰减系数基本维持在10左右。声波衰减系数与内部结构的复杂程度直接相关，衰减系数的增加则表明内部结构的复杂程度也在进一步提升。

6影响超声波技术应用效果的因素和优化措施

6.1影响超声波技术在混凝土结构缺陷检测中应用效果的因素

影响超声波技术检测结果的因素，具体有以下几点：

（1）构件的形状、尺寸及检测点间。超声波在传播过程中的指向性较差，需要以换能器为中心呈球面波形式传播，所以受检测点的影响非常大。同时，混凝土中存在大量不同的界面，而界面主要受混凝土构件的形状、尺寸影响，这就导致超声波在传播过程中发生复杂的反射和折射，彼此相互干扰和叠加，并形成较大的漫射声能，影响超声波检测结果。（2）混凝土材料的自身特性。混凝土的水泥种类、水灰比、骨料级配、抗压强度等都会对超声波在混凝土中的传播速度产生影响，混凝土的密度和抗压强度越高，超声波在混凝土结构中的传播速度越快。（3）鋼筋。在钢筋混凝土结构中，需要根据建设要求设置多根钢筋，钢筋对超声波的传播速度也有较大的影响。在不同配筋设计下，超声波的传播会出现不同变化，尤其在钢筋轴线与测试方向平行时，对混凝土声速测值的影响较大。为避免这方面的影响，必须确保发射和接收换能器的连线和钢筋有一定距离。（4）耦合状态和接头按压力度。脉冲波接收信号的波幅值对混凝土缺陷的反应最为敏感，因此，检测所得到的波幅值的准确性直接影响着混凝土缺陷的检测结果。但是，在具体检测中经常会出现耦合剂不统一或者接头按压力度相同的情况，这就会影响最终的波幅值。耦合剂的作用在于填充超声波探头与混凝土表面之间的微小空隙，确保超声波能够顺畅地从探头传入混凝土内部。如果缺少耦合剂或使用了不合适的耦合剂，超声波在传播过程中就会遇到阻碍，导致声波能量损失、传播速度变化或波形畸变，从而影响检测结果的准确性。如果按压力度不一致，就会导致探头与混凝土表面之间的耦合状态发生变化，进而影响超声波的传播效果。

6.2优化超声波技术监测混凝土结构缺陷的措施和建议

为了提高超声波检测的精度和准确度，在超声波检测技术应用过程中，需要围绕以下几点进行优化改进：

（1）预先检测钢筋位置及保护层厚度。由于混凝土构件中可能含有钢筋，而超声波在不同介质中的传播速度存在差异，又同时受钢筋数量和混凝土级配的影响，检测时在钢筋周围可能形成一定的空洞区域。因此，在进行超声波检测之前，建议先对钢筋的位置和保护层厚度进行检测，这样可以避免钢筋对检测数据造成干扰，显著提高检测结果的准确性。

（2）合理设置检测点间距。检测点的选取和间距设置对检测精度有直接影响。根据经验，检测点间距通常是超声波波长的2～5倍，才能满足检测精度的要求。在实际操作中，检测人员应结合混凝土构件的截面尺寸来合理确定检测点的间距，确保检测结果的可靠性。

（3）扩大检测区域。为了提高检测结果的准确性和全面性，在检测过程中，可以结合实际情况扩大检测区域，从而更加全面地评估混凝土结构的整体状况，提高检测的准确性。

（4）调校检测设备。在进行超声波检测之前，检测人员需要对所有设备进行调校，确保设备的精度和准确度，避免因设备精度问题而影响检测结果的准确性和有效性。

（5）统一耦合剂和接头按压力度。在进行超声波检测时，检测人员需要保持一致的按压力度，确保探头与混凝土表面之间形成良好的耦合状态。同时，还需要采用相同的耦合剂，为检测工作的开展奠定良好基础。

7结论

综上所述，超声波技术在混凝土结构缺陷检测中具有显著的优势和良好的应用效果。通过超声脉冲法、超声回弹综合法等检测方法，能够准确、快速地评估混凝土结构的质量和强度，为工程建设和混凝土结构维护提供支持与帮助。

参考文献

[1]罗洋.混凝土桥梁检测中超声波技术的实践应用[J].北方建筑，2023，8（05）：14-18.

[2]翁志强.基于超声波检测的混凝土抗压强度研究[J].江西建材，2023（03）：52-55.

[3]罗宏.桥梁混凝土桩基检测中超声波检测技术的应用[J].工程建设与设计，2022（06）：171-173.