超声波检测技术在混凝土结构检测中的应用

超声波检测技术在混凝土结构检测中的应用

前 言

超声法测强采用单一声速参数推定混凝土强度。当影响因素控制不严时，精度不如多因素综合法，但在某些无法测量回弹值及其他参数的结构或构件（如基桩、钢管混凝土等）中，超声法仍有其特殊的适应性。

1 超声波检测技术分析

声波的指向性比较好，其频率越高，指向性越好。超声波传播能量大，对各种材料的穿透力较强。超声波的声速、衰减、阻抗和散射等特性，为超声波的应用提供了丰富的信息。 超声检测具有适应性强、检测灵敏度高、对人体无害、设备轻巧、成本低廉，可即时得到探伤结果，适合在实验室及野外等各种环境下工作，并能对正在运行的装置和设备实行在线检查。超声法检测过程无损于材料、结构的组织和使用性能；直接在构筑物上测试验并推定其实际的强度；重复或复核检测方便，重复性良好[1]；超声法具有检测混凝土质地均匀性的功能，有利于测强测缺的结合，保证检测混凝土强度建立在无缺陷、均匀的基础上合理地评定混凝土的强度。

应用超声来进行无损检测也有其相应的缺点[2]。对于平面状的缺陷，例如裂纹，只要波束与裂纹平面垂直，就可以获得很高的缺陷回波信号。但是对于球面状的缺陷，例如空洞，假如空洞不是很大或分布不是较密集的话，就难以得到足够的回波信号或是其时间变化不明显；另外，对于各向非同性的材料，例如混凝土，相应会存在材料的离析，使得材料密度不均匀，这使得人们把离析误判为是内部的空洞而导致决策上的失误；对于表面缺陷的检测，超声波法的灵敏度要低得多，但超声无损检测方法可以较为精确的确定混凝土表面的裂缝深度。

2 测量参数

混凝土超声检测目前主要是采用所谓“穿透法”，即用发射换能器重复发射超声脉冲波，让超声波在所检测的混凝土中传播，然后由接收换能器接收。被接收到的超声波转化为电信号后再经超声仪放大显示在示波屏上，用超声仪测量直接收到的超声信号的声学参数。当超声波经混凝土中传播后，它将携带有关混凝土材料性能、内部结构及其组成的信息。准确测定这些声学参数的大小及变化,可以推断混凝土的性能内部结构及其组成情况。

2.1声速

声速即超声波在混凝土中传播的速度。它是混凝土超声检测中一个主要参数。混凝土的声速与混凝土的弹性性质有关，也与混凝土内部结构（孔隙、材料组成）有关。不同组成的混凝土，其声速各不相同。一般说来，弹性模量越高，内部越是致密，其声速也越高。而混凝土的强度也与它的弹性模量、它的孔隙率（密实性）有密切关系。因此，对于同种材料与配合比的混凝土，强度越高，其声速也越高。若混凝土内部有缺陷（孔洞、蜂窝体），则该处混凝土的声速将比正常部位低。当超声波穿过裂缝而传播时，所测得的声速也将比无裂缝处声速有所降低。总之，混凝土声速值能反映混凝土的性能及其内部情况。

2.2振幅

接收波振幅通常指首波，即第一个波前半周的幅值，接收波的振幅与接收换能器处被测介质超声声压成正比，所以接收波振幅值反映了接收到的声波的强

弱。在发射出的超声波强度一定的情况下，振幅值的大小反映了超声波在混凝土中衰弱的情况。而超声波的衰减情况又反映了混凝土粘塑性能。混凝土是弹粘塑性体，其强度不仅和弹性性能有关，也和其粘塑性能有关，因此，衰减大小，即振幅高低也能在一定程度反映混凝土的强度。对于内部有缺陷或裂缝的混凝土，由于缺陷、裂缝使超声波反向或绕射，振幅也将明显减小，因此，振幅值也是判断缺陷与裂缝的重要指标。由于振幅值的大小还取决于仪器设备性能、所处的状态，耦合状况以及测距的大小，所以很难有统一的度量标准，目前只是作为同条件（同一仪器、同一状态、同一测距）下相对比较用[3]。

2.3频率 如前所述，在超声检测中，由电脉冲激发出的声脉冲信号是复频超声脉冲波。它包含了一系列不同频率成分的余弦波分量。这种含有各种频率成分的超声波在传播过程中，高频成分首先衰减（被吸收、散射）。因此，可以把混凝土看作是一种类似高频滤器的介质。超声波愈往前传播，其所包含的高频分量愈少，则主频率也逐渐下降。这已为不同测距的试验及频谱分析结果充分证实。主频率下降的多少除与传播距离有关外，主要取决于混凝土本身的性质（质量、强度）和内部是否存在缺陷、裂缝等。因此，测量超声波通过混凝土后频率的变化可以判断混凝土质量和内部缺陷、裂缝等情况。

要准确细致地测量和分析接收波各频率成分变化，须采用频谱分析的途径，这需要对波形采样后送入计算机，进行快速傅利叶变换（FFT），获得频谱图。目前的数字式超声仪具有这一功能。下面将提出用超声仪直接测量接收波主频率的简易有效的方法。

和振幅一样，接收波主频率的绝对值大小不仅取决于被测混凝土的性质的内部情况，也和所用仪器设备、传播距离有关，目前也只能用同于同条件下的相对比较用。

2.4波形

这里指的波形第指在显示屏上显示的接收波波形。当超声波在传播过程中碰到混凝土内部缺陷、裂缝或异物时，由于超声波的绕射、反射和传播路径的复杂化，直达波、反射波、绕射波等各类波相继到达接收换能器，它们的频率和相位各不相同。这些波的叠加有时会使波形畸变。因此，对接收波波形的分析、研究有助于对混凝土内部质量及缺陷的判断。鉴于波形的变化受各种因素的影响，目前对波形的研究只能作一般的观察，记录。

这里还要说明的是，通常所用的纵波换能器所发射的超声脉冲波不仅有纵波成分也有横波成分，即便是较纯的纵波，在通过混凝土内各声学界面后也有部分转化为横波。因此，接收到的一串波形中，既有纵波也有横波。若邻近表面测量时，还有表面波。但是由于横波与表面波传播速度较纵波慢，所以在首波之后一定时刻才出现并和纵波的后续波叠加在一起。如果波形分析与研究也包括了这一部分，那么情况将更为复杂，所以，通常的波形分析与研究大多集中于波前部的纵波，而且最好是不受边界影响的直达纵波。

3 超声检测混凝土强度的主要影响因素 超声法检测混凝土强度，主要是通过测量在测距内超声传播的平均声速来推定混凝土的强度。可见，“测强”精度 高低与超声声速读取值的准确与否是密切相关的，换句话说，正确运用超声声速推定混凝土强度和评价混凝土质量， 从事检测工作的技术人员必须熟悉影响声速测量的因素，在检测中自觉地排除这些影响。

3.1横向尺寸效应

关于试件横向尺寸的影响，在测量声速时必须注意。通常，纵波速度是指在无限大介质中测得，随着试件横向尺寸减小，纵波速度可能向杆、板的声速或表面波速度转变，即声速比无限大介质中纵波声速为小。

当横向最小尺寸d≥2λ（λ为波长）时，传播速度与大块体中纵波速度值相当。

当λ＜d＜2λ时，可使传播速度降低2.5%～3%

当0.2＜λd＜λ时，传播速度变化较大，约降低6%～7%，在这个区间里测量时，估计强度的误差可能达30%～40%，这是不允许的。

3.2温度和湿度的影响

混凝土处于环境温度为5℃～30℃情况下，因温度升高引起的速度减小值不大；当环境在40℃～60℃范围内，脉冲速度值约降低5%，这可能是由于混凝土内部的微裂缝增多所致。

温度在0℃以下时，由于混凝土中的自由水结冰，使脉冲速度增加（自由水的V=1.45㎞/s,冰的 V=3.50km/s）。

混凝土的抗压强度随其含水率的增加而降低，而超声波传播速度v随孔隙被水填满面逐渐增高。饱水混凝土的含水率增高4%，传播速度V相应增大6%。速度的变化特性取决于混凝土的结构，随着混凝土孔隙率的增大，干混凝土中超声波传播速度的差异也增大。水中养护的混凝土具有较高的水化度并形成大量的水化产物，超声波传播速度对此产物的反映大于空气中硬化的混凝土；水中养护的混凝土，水分渗透并填充了混凝土的孔隙，由于超声在水里传播速度为1.45km/s，在空气中仅0.34km/s，因此，水中养护的混凝土具有比在空气中养护的混凝土大得多的超声波传播速度，甚至掩盖了随着混凝土强度增长而提高的声速的影响。

3.3构混凝土中钢筋的影响

钢筋中超声传播速度比普通混凝土的高1.2～1.9倍。因此测量钢筋混凝土的声速，在超声波通过的路径上存在钢筋，测读的“声时”可能是部分或全部通过钢筋的传播“声时”，使混凝土声速计算偏高，这在推算混凝土的实际强度时可能出现较大的偏差。

钢筋的影响分两种情况：一是钢筋配置的轴向垂直于超声传播方向；二是钢筋轴向平等于超声传播的方向。对第一种情况央一般配筋的钢筋混凝土构件中，钢筋断面所占整个声通路径的比例较小，所以影响较小(对于高标号混凝土影响更小)。钢筋轴向平行超声传播的方向，在作超声“声时”测量时，可能影响较大，应设法加以避免或修正。

3.4粗骨料品种、粒径和含量的影响 表1：粗骨料与回归方程

粗集料种类 回归方程 Sr % 卵石 R=2.671×10-5V10.827 1.8 碎石 R=4.039×10-2V8.033 26.1 表2：细骨料与回归方程

细集料种类 回归方程 Sr %

中砂 R=1.422×10-5V11.1093 24.0 特细砂 R=1.022×10-5V11.838 16.7 每立方米混凝土中骨料用量的变化、颗粒组成的改变对混凝土强度的影响要

比水灰比、水泥用量及标号的影响小得多，但是，粗骨料的数量、品种及颗粒组成对超声波传播速度的影响却十分显著，甚至稍微增加一些碎石的用量或采用较高弹性模量的骨料，敏感性最强的是超声脉冲的声速。比较水泥石、砂浆和混凝土三种试体的超声检测，在强度值相同的情况下，混凝土的超声脉冲声速最高，砂浆次之，水泥石最低。差异的原因主要是超声脉冲在骨料中传播的速度比混凝土中传播速度快。声通路上粗骨料多，声速则高；反之，通路上粗骨料少，声速则低。

4 超声波在混凝土结构无损检测中的应用

房屋和桥梁等建筑物的质量无论是对人民的生命财产，还是对国民经济来说，都是十分重要的。对建筑物的所有要求中，安全性是第一位的。近年来，一系列灾难性的桥梁倒塌事故主要也是由于在设计施工中出了问题，加上对成桥的维修保养不力，出现了诸如混凝土内部空洞、离析，钢筋锈蚀，预应力钢筋失效，梁体受力部位开裂等病害，无损检测是防止这类恶性事件发生的重要手段。另一方面，对现有旧建筑物的维修和保养要耗费大量资金。无损检测技术的应用可使维修保养大大减少盲目性，从而可大大节约这项开支。土木工程无损检测技术有助于评估新旧建筑物的稳定性和整体性，能够对新旧建筑物整体或部分作质量状态监视，能够用来估计建筑材料和结构的性质和性能[4]。

4.1 超声波对混凝土裂缝深度的检测 由于施工不慎混凝土未捣实、施工中因温度变形和干燥收缩、早期施工过载以及混凝土承载后产生的受力损伤等都会形成裂缝，利用超声仪可以检测出上述裂缝的开展深度及以后的开展情况，其所用的方法主要包括双面检测法和单面检测法。

4.1.1 双面检测法

双面检测法是当构件截面不大，而构件的两个侧面都能安放探头(发射探头、接收探头)时，直接探测裂缝的一种方法。如图1所示，探头分别置于1、2、3

4、5、6各对跨缝点。当发射、接收探头在构件两侧面相对位置移动时，测出不同位置的声波传播时间，量得声路的长度(各测点到裂缝截面边缘的水平距离)，从b-t关系曲线的突然转折处，即时间从变化转为平稳的过渡点，就是所要测的裂缝深度A。然而在通常的工程结构中很少有满足上述条件的，因而此种方法虽简单，但具体操作时却不一定可行。

图1：双面检测示意图 4.1.2 单面检测法

单面检测法是当构件的截面很大或只有开裂的一个表面能够安放探头时沿面检测裂缝的一种方法。公路桥梁上的主梁裂缝由于条件的限制，其探测基本上也以单面法为多。对于单面检测法，最常用的方法要算tc—to法和BS4408标准方法，另外的方法还包括表面波的传播声时测量裂缝深度、利用超声波首波相位变化的方法检测裂缝深度、冲击回波法检测裂缝深度等，这里主要介绍一下tc—to法。如图2所示，首先在裂缝附近完好的表面，选择一定的长度工作为校准距离，设这段距离为2a，在这段距离的两端安放探头，测出声波通过2a的时间为tc，再将发射与接收探头安放在裂缝两侧，并使两个探头至裂缝的距离都为a,测得通过裂缝处声波的传播时间：tc，如果裂缝与表面正交，以声波通过前后两处混凝土所传播的速度相等为条件，很容易推导出混凝土裂缝深度的计算公式：

d = a[(tc/to)2–1 ]0.5

图2：单面检测示意图

在《超声法检测混凝土缺陷技术规程》(CECS21：2000)中对上述的tc—to法加以了改进，即在不跨缝进行声时测量时，将T和R换能器置于裂缝附近同一侧，使其内边距分别等于50mm、100mm、150mm、200mm、250mm、300mm共6个点，读取这时的声时值(to)i，由此可以画出相应的时－距坐标图。然后在跨缝进行声时测量时，取同样距离的6个点，相应读出这时的声时值(t)i，再根据相应的公式求出每个测点所对应的裂缝深度值，最后取其平均值，这样做主要是因为探头声源并不是在探头中心点位置，通过上述方法可以求出声源的确切位置。 需要指出的是，如果各测距小于dk和大于3dM应剔除出该组数据，然后取余下数的平均值，作为该裂缝的深度值dc；另外一点值得注意的是，检测时裂缝内不得留有水或是其它的异物，这主要是因为在其它材料堵塞裂缝的情况下，声波就不会从裂缝底端绕过，从而导致所计算出的裂缝深度与实际不符。同时，混凝土表面要有一定的光洁度，以保证声时读数的稳定性，这方面也应该重视。此外，对应不同的裂缝其测试方法也应有所不同，在裂缝深度和探头跨缝宽度相差不多的情况下，计算得到的结果与实际会吻合的更好一些，对于过浅或是过深裂缝，应该对此种方法加以灵活的改进，比如跨缝斜测、跨缝不对称测量等等。

4．2 超声波对混凝土的不密实区及其空洞的检测

超声波检测混凝土内部不密实区及其空洞的原理就是当发射探头发射的超声波遇到空洞时，声波就产生反射使一部分能量衰减，另一部分将绕过空洞沿着孔壁传播，并最终将被安放在另一头的接收探头所接收，从而从超声仪上读出的时间与同类材料相同距离下的正常温凝土会有所差别。通过各测点时间读数的变化情况以及超声振幅、波形的变化，就可以推测混凝土内部空洞的大致尺寸，通常以该空洞的最大内径来表示。这里要注意的一点就是首先要用其它方法判断该混凝土内部是空洞还是缺陷，然后再进行下一步操作。在具体对混凝土空洞检测过程中需要布置大量的测点，如果该混凝土结构材料有两对平行测试面，用对测法即可；如果只有一对互相平行的测试面，应在对测的基础上还要进行交叉斜测，同时对可疑数据点区段内应加密测点。

目前在我国桥梁基桩的低应变检测中也相应列人了超声波无损检测技术，在灌注桩浇筑前预先在其两侧预埋声测管，根据桩的直径埋置两到三个声测管，管的直径比探头略大，其下端封闭，测试时在管内注满清水，使两探头水平相对放置，通过探头在桩身的上下移动读出各测点的声时值，从而确定出缺陷异常点的位置和范围。另外，超声波无损检测技术也可以用来检测钢管混凝土中钢管内部的混凝土注浆密实度，以供施工单位及时采取相应的补救措施，将损失减小到最低.

5.结语

用超声法来评定混凝土结构的缺陷，是一种行之有效的方法，但在有些方面还需要进一步完善和发展，比如检测方法还需要一定的改进、数据采集精度有待提高、仪器所检测的声学参数也应多样化。可以说用超声法对混凝土材料进行无损评定是一种非常有潜力的检测手段，有着广阔的发展全间，它需要许多的科学工作者去不断的加以完善和创新，以更好的服务于工程事业。

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/o3l7.html