超聲波技術在混凝土檢測中的應用

李盛斌 楊紅霞

（延安大學建筑學院，陜西延安 716000）

0 前言

隨著國民經濟的迅猛發展，城鎮化進程的不斷推進，以及高速公路、高鐵等基建項目的大規模建設，鋼筋混凝土結構取得了前所未有的發展，特別是大體積混凝土結構的發展。在混凝土結構的澆筑振搗過程中，常常因為操作不當引起結構的內部缺陷，由于混凝土的質量問題常常會影響這個結構的使用，因此混凝土澆筑質量的控制越來越被重視，在工程竣工后成為結構質量評估的重要指標之一。近年來出現了許多結構倒塌事故，這些事故的起因有時是因為結構設計不合理，有些是因為施工過程的不正確的施工操作。施工過程中的混凝土澆筑不密實和空洞現象比較常見，因此對混凝土質量的檢測就顯得尤為重要。無損傷技術的應用可以保證結構的完整性，并且能夠節省檢測成本，有助于評估整個結構的安全性完整性。

1 超聲波檢測混凝土結構的原理

1.1 超聲波檢測混凝土強度的基本原理

超聲波在混凝土中的傳播過程中，由于混凝土的密度、彈模的影響，傳播的速度往往會不同，彈模越高得出的波速也就越高，因此聲速值和混凝土的強度就存在這一定的關系，我們可以根據聲速和強度的數值關系繪制相關的關系曲線或者尋找相應的經驗公式，在實際工程中依靠關系曲線表，通過實測的波速來尋找相應的混凝土強度。

在混凝土構件檢測時，如果僅檢測了單個構件，應該取該檢測區中測得的最小的混凝土強度值。當進行批量抽樣檢測時，應該保證混凝土強度有95%以上的保證率。當混凝土強度的標準差出現異常或者超過某個經驗值時可以做出局部調整。

混凝土中中粗骨料所占比重較大，他對混凝土結構的強度影響較大，對聲速的影響較小，因此我們可以建立水泥砂漿與聲速值的關系，在測量時僅測量超聲波在水泥砂漿中的聲速即可。我國的建筑材料科學研究院和陜西建筑科學研究院對這方面做過系統的研究。他們總結了混凝土強度與換算過的不同種類的水泥靜漿的關系，如礦渣硅酸鹽水泥靜漿，普通硅酸鹽水泥靜漿等

由于混凝土結構本身材料構成復雜，超聲波在結構內部傳播時受到的影響因素眾多，如水灰比、粗骨料大小、混凝土齡期、收縮徐變、鋼筋的直徑大小及配置情況，這些影響因素錯綜復雜相互影響，在建立測量數據和混凝土結構強度關系時，對參數進行局部調整。在進行強度檢測前應當保持混凝土結構表面的平整，并除去污物，每個檢測試件應保證最少10個測點。

1.2 超聲波檢測混凝土缺陷的基本原理

發射換能器超聲波檢測時的核心部件之一，通過發射超聲波進行混凝土結構缺陷檢測。具體工作流程是：發射換能器發射超聲波，超聲波穿過混凝土結構并進行波反射，依靠信號接收器和接收換能器接受檢測數據，這些檢測參數結果包括波幅、波速和頻譜等參數等，通過分析處理過的接收數據就可以準確的描繪出混凝土結構的強度、結構缺陷位置、缺陷性質等。

混凝土結構是非均質的材料，對超聲波的能量有吸收的特性，而對于高頻成分吸收更大，一般在混凝土結構夠缺陷檢測時采用發射頻率較低的超聲波。當混凝土結構質量較均勻、測試相同距離的情況下，接收的信號主頻等參數往往比較一致，如果混凝土出現不密實、空洞等缺陷時，混凝土的整體性受到破壞，這時接收換能器收到的信號值和完整混凝土相比聲時值較大，波幅和頻率值相應較低。在混凝土檢測時正式依靠檢測設備處理參數后比較聲速、波幅和主頻測量值，得出混凝土的質量狀況。

混凝土結構常見的缺陷有不密實、空洞、雜物填充、意外受傷等。當超聲波經過這些缺陷斷面時波速、振幅值會發生突變，常常可以根據這些突變特性推斷結構內部的缺陷。下面簡要說明幾種常見的缺陷判別方法。

1.2.1 超聲波穿過混凝土缺陷部位時，由于反射繞射的影響，超聲波的波速和時間會受到相應的影響，我們可以根據波速的大小或者接受波段時間的長短來判斷缺陷的類型和大小。

1.2.2 超聲波經過混凝土缺陷斷面時，波的能量會被吸收或者干擾后散射，相應的信號接收器和接收換能器接收的波的能量也相應減少，可以據此判斷缺陷的大小和存在位置。

根據預防醫學和衛生學發展以及部隊實際衛生工作需求，在授課過程中，我們拓展了相關內容，如強化“大衛生觀”意識，樹立預防為主理念，重視防發生、防發展、防傷害（致殘）的三級預防工作在整個醫療衛生事業中的作用；介紹海軍部隊常用衛生裝備和設施；重視海軍衛生學發展動態，使學生掌握獲取公共衛生學和海軍衛生學發展信息的技能，為其今后從事衛生學相關工作奠定理論基礎，提升實踐能力。

1.2.3 超聲波經過混凝土缺陷部位時，信號接收器接收到的波的頻率也會相應發生變化，往往由于波的吸收導致波的頻率降低，據此可以判斷缺陷的大小。

1.2.4 超聲波經過混凝土缺陷部位時，波形參數會發生相應的變化，不同的波段相互疊加，信號接收器接收的信號波形畸變，據此我們可以判斷缺陷的類型和缺陷的大小及位置。

2 超聲波在混凝土檢測中的具體應用

2.1 超聲回彈綜合法檢測混凝土的強度

混凝土的強度是混凝土特性中的一個重要指標，如何能準確的檢測混凝土的強度顯得尤為重要，超聲回彈綜合法由于檢測精度高、操作簡單等特點，成為混凝土強度檢測中常用的方法之一。

超聲回彈綜合法是一種超聲法和回彈法綜合應用的一種檢測方法。這兩種方法的應用基本依據就是分析材料的應力應變和材料強度的關系。超聲法可以通過超聲比反應材料的彈性和一些內部結構信息。回彈法既可以反應材料的彈性和又能反應部分塑性，但是僅能夠描述出材料的表面特性，不能揭示材料的內部結構特征。為了能更深入的揭示事物的彈性塑性特征，采用把超聲法和回彈法相結合的方式，這種方式不僅能揭示事物的表面特性，還能夠完成的反映出結構的內部狀況、

在進行混凝土抗壓強度數值測定時，首先要選好測點，選好測點后采用超聲回彈綜合法，此種方法的主要目的就是建立測強曲線，即通過統計分析波速、表面回彈值、抗壓強度這些參數的關系，具體的操作過程如下：

2.1.1 通過超聲檢測儀，測得超聲波在混凝土結構中的傳播時間t；

2.2.2 測得在混凝土結構中傳播的波速V；

2.3.4 根據所測得的超聲波速V 和混凝土表面回彈值r 計算混凝土的抗壓強度。在整理波速和混凝土抗壓強度的關系時，一般當混凝土的超聲波聲速過高時表示混凝土的強度較大，當混凝土的聲速過低時，表示混凝土的強度較低。

2.2 超聲波檢測混凝土結構的內部缺陷或損傷

混凝土結構的內部缺陷常見的又混凝土的裂縫、不密實、空洞等。裂縫往往是由于施工工藝的干擾造成層狀不連續，導致結構內部或外觀上出現裂縫文理。不密實和空洞是一種隱蔽性的缺陷，形成此類缺陷的原因往往是混凝土水灰比過小或者配筋較密的情況。

2.2.1 裂縫的檢測

由于各種因素的干擾，混凝土結構構件常常會產生裂縫，裂縫的存在不但會影響結構的使用性能，甚至會影響結構的安全與壽命。為了能準確的測量裂縫的深度及走向，超聲脈沖法成為了檢測的常用手法。

混凝土結構的開裂深度小于500mm時，推薦采用單面平測法或雙面斜測法。在進行單面平測時，要以不同的測距布置測點進行測量，要保證測點有跨縫和不跨縫兩種狀況，切測點的位置應盡量避開鋼筋，減小鋼筋的干擾。裂縫深度的確定方法有：

（1）跨縫測量中，當出現首波反相時，通過該測點的數據及相鄰測距的亮點的測量數據按照一定的方法計算hci，最后取三個測點的深度平均值作為裂縫深度。

（2）如果在測量中沒發現首波反相，需要計算第i 點的計算深度及平均值，通過個測點的測距和平均深度的比較，如果測距小于裂縫深度平均值或者測距大于三倍的平均值，剔除改組數據，然后去剩下的個測點數據取平均值即可。

雙面斜測測量時，一般選取相互平行的測量表面，通過對波幅、聲時和主頻的突變的分析判斷出雷鋒的深度及聯通狀況。

對于大體積混凝土并且深度在500mm 以上的裂縫，應該采用鉆孔對測法。這種方法的具體操作如下：首先的裂縫旁邊鉆孔，在測試孔中注水，將檢測儀器置于孔中讀取聲時、波幅和換能器所處深度。

2.2.2 不密實與空洞的檢測

超聲檢測手段具有無損傷性，相對射線方法，超聲波檢測方法的穿透能力強，操作簡單，儀器受干擾小等特點在不密實檢測中取得了廣泛的應用。

現在主流的檢測混凝土結構缺陷的超聲波檢測法有超聲脈沖聲速法（Ultrasonic Pulse-velocityMethod，簡稱PUV）和超聲脈沖回波法（Ultrasonic Pulse-echo Method，簡稱PUE）兩種。PUV 法的工作原理是發射脈沖信號，通過測量信號穿越混凝土結構的實踐來確定聲速。測點應布置在混凝土結構構件的表面并按網狀排布。通過超聲波的相關參數和結構構件的力學性能或集合特性的聯系，能夠有效地測定構件的震蕩不實空洞區域。PUE 法的工作原理是在混凝土結構構件的一側發射信號，通過測量波的傳播速度及時間，可以準確的測量缺陷的位置及性質。

3 結束語

超聲波檢測技術已經在混凝土結構構件的強度確定，混凝土結構內部缺陷測定中取得了廣泛的應用，特別是對于結構內部缺陷的測定，是唯一的可靠的簡單易行的測定方法，因此應該不斷的改進推廣超聲波檢測方法，保證混凝土結構的質量

[1]吳慧敏.結構混凝土現場檢測技術[M].長沙：湖南人學出版社，1988.

[2]李穎，劉小明，潘冬子.混凝土梁無損檢測新技術及其進展[J].公路交通科技，2004，21（7）：83-87.

[3]林維正.混凝土的超聲檢測[J].無損檢測，1994，16（9，10）：253-257，289-294

[4]林維正.從第巧屆川_界無損檢測會議看土木工程無損檢測的進展[J].無損檢測，2002，24（3）：123-125.

[5]劉洋張，玉清.超聲波檢測混凝土空洞.[J]中國科技信息2007，6（11）：67-68