淺談混凝土超聲波無損檢測技術(shù)

吳瀟

【摘 要】本文闡述了混凝土超聲波無損檢測技術(shù)的原理，介紹該方法檢測過程中的主要影響因素，并對超聲波檢測技術(shù)的發(fā)展提出了展望。

【關(guān)鍵詞】超聲波;混凝土;無損檢測

0 引言

混凝土材料在我國建筑結(jié)構(gòu)施工中得到廣泛應(yīng)用，在施工及使用過程中，由于各種原因，混凝土表面會產(chǎn)生淺裂縫，其內(nèi)部還會產(chǎn)生不密實或空洞等缺陷。混凝土結(jié)構(gòu)的這些缺陷對建筑結(jié)構(gòu)的安全性和可靠性影響很大，嚴(yán)重的會惡化結(jié)構(gòu)應(yīng)力狀態(tài)，破壞其整體性和抗?jié)B性，危及建筑物的安全運(yùn)行，輕微的也會影響建筑物的耐久性和美觀[1]。

混凝土結(jié)構(gòu)無損檢測技術(shù)研究始于20世紀(jì)40年代，1949年加拿大萊斯利（Leslie）等人用超聲脈沖成功檢測混凝土;我國從20世紀(jì)50年代開始引進(jìn)瑞士、英國、波蘭等國的超聲波儀器，結(jié)合工程應(yīng)用開展了一定的研究工作;60年代初我國研制成功多種型號的超聲波儀器，進(jìn)行了混凝土無損檢測技術(shù)的研究和應(yīng)用;80年代混凝土無損檢測技術(shù)在我國得到快速發(fā)展，并取得了一定的研究成果，同時超聲波檢測儀器也由模擬式發(fā)展為數(shù)字式，可將測試數(shù)據(jù)傳入計算機(jī)進(jìn)行各種數(shù)據(jù)處理，為該技術(shù)的推廣應(yīng)用提供了硬件基礎(chǔ)。

1 超聲波無損檢測基本原理

混凝土是一種集粗骨料、細(xì)骨料、粘結(jié)料、水和外加劑為一體的復(fù)合物，屬于非均質(zhì)材料，其特有的黏塑性、多孔性等特征對超聲波無損檢測有特殊的影響。混凝土的這種材料特性，對于超聲波的吸收、散射衰減較大，其中高頻成分衰減更大，因此混凝土超聲檢測一般選用較低頻率的超聲波，常用頻率為20～500 kHz。

在被測材料或結(jié)構(gòu)中激發(fā)出一定頻率的彈性波，當(dāng)混凝土的組成材料、工藝條件、均質(zhì)性、測距等一定時，超聲波在其中傳播的速度、首波幅值、接收信號主頻等聲學(xué)參數(shù)應(yīng)基本一致，符合正態(tài)分布;而當(dāng)混凝土中局部存在夾泥、孔洞、離析、斷層等缺陷時，超聲波在缺陷處發(fā)生反射、折射、透射、繞射等，使得能量不斷損失，導(dǎo)致接收聲學(xué)參數(shù)異常。通過分析研究所接收的信號，可以了解材料與結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性和缺陷分布情況[2-4]。

1.1 波速判別

超聲波波速的大小，與混凝土的彈性模量有直接關(guān)系，超聲波波速比較穩(wěn)定，可重復(fù)性比較好，是評價混凝土質(zhì)量的重要指標(biāo)。當(dāng)混凝土中存在空洞或裂縫時，破壞了混凝土結(jié)構(gòu)的整體性，引起混凝土的彈性常數(shù)改變。同時由于缺陷區(qū)的泥、水、空氣等物質(zhì)的聲阻抗與混凝土聲阻抗不同，界面透過率很小，聲波將繞過缺陷繼續(xù)傳播或在低速介質(zhì)中傳播，致使聲時相對延長或波速降低。

1.2 波幅判別

波幅對于混凝土缺陷反映十分敏感，在發(fā)出超聲波強(qiáng)度一定的情況下，混凝土內(nèi)部存在缺陷時，超聲波在缺陷界面上聲阻抗差異顯著，產(chǎn)生發(fā)射、散射和吸收，使接收波振幅顯著降低。工程應(yīng)用中通常依據(jù)首波波幅的變化來判斷混凝土損傷情況，因為首波能夠真切反應(yīng)混凝土損傷，而后續(xù)波與折射、反射后的波疊加，而不能反應(yīng)混凝土損傷的真實情況。

1.3 波形判別

混凝土內(nèi)部存在缺陷時，超聲波在內(nèi)部傳播發(fā)生變化。超聲波在缺陷界面上經(jīng)反射、折射，使得直達(dá)波、繞射波、反射波等各類波相繼被接收，由于這些波的相位不同，相位發(fā)生疊加，結(jié)果導(dǎo)致接收信號的波形發(fā)生不同程度的畸變。

一般情況下，正常混凝土的首波幅度較高;波形較飽滿，接近正弦波，隨著繞射波的到達(dá)，后續(xù)波的幅度越來越大（圖1）。有缺陷混凝土首波幅度較低，有的甚至淹沒在背景噪聲中;波形不飽滿，可能發(fā)生波形畸變，有時不能呈正弦波特征（圖2）。根據(jù)波形畸變，可判別缺陷存在。

圖1 正常混凝土波形

圖2 有缺陷混凝土波形

2 超聲波測缺的主要影響因素

超聲波檢測混凝土缺陷受多種因素影響，在檢測過程中如不加以注意，將會影響檢測結(jié)果，導(dǎo)致缺陷判讀誤差。

2.1 耦合狀態(tài)的影響

當(dāng)換能器表面與混凝土表面良好耦合時，能更好地保證測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。若測試面凹凸不平或粘附泥沙，換能器與混凝土測試面之間只能通過點接觸傳遞聲波，使得大部分聲波能量損耗，造成波幅降低[5]。當(dāng)耦合層中墊有沙礫或作用在換能器上的壓力不均衡，使其耦合層不等厚，耦合狀態(tài)不一致時，易造成波幅不穩(wěn)定。若耦合劑的黏性不好，換能器耦合在混凝土表面吸附力較小，也會造成波幅不穩(wěn)定。這些原因都會使測試結(jié)果不能反映混凝土的真實情況，使波幅值失去可比性。

因此，一般要求換能器輻射面與混凝土測試表面達(dá)到完全平整接觸，即耦合層中無空氣、無粉塵雜物并保持耦合層最薄。

2.2 鋼筋的影響

超聲波在鋼筋中的傳播速度比在混凝土中快1.2～1.9倍，因此測量時超聲波通過的路徑上存在鋼筋，則所接收的首波信號，大部分路徑是通過鋼筋傳播的，使得混凝土聲速的計算值偏高。鋼筋對混凝土聲速的影響程度，除了超聲測試方向與鋼筋所處的位置有關(guān)外，還與測點附近鋼筋的數(shù)量和直徑有關(guān)。

當(dāng)鋼筋軸線垂直于超聲測試方向，其影響程度取決于接收信號通過各鋼筋直徑之和（Ls）與測試距離（L）之比，對于聲速≥4000m/s的混凝土來說，Ls/L≤1/12時，鋼筋對混凝土的影響很小，基本可以忽略。但當(dāng)超聲測試方向與鋼筋軸線平行是，受鋼筋的影響很大，實際檢測中應(yīng)盡量避免超聲測試方向與主鋼筋軸線平行，如因條件限制無法避免時，則應(yīng)使兩個換能器連線與鋼筋的最小距離不小于l/5～l/6，或者使其連線與附近鋼筋軸線保持一定夾角。

2.3 水分的影響

水的聲速和特性阻抗比空氣的大許多倍，當(dāng)缺陷中的空氣被水取代時，超聲波絕大部分在缺陷界面不再反射和繞射，而是通過水耦合層穿過缺陷直接傳播至接收換能器，使得有無缺陷的混凝土聲速、波幅和主頻率值無明顯差異，給缺陷測試和判斷帶來困難。為此，在進(jìn)行缺陷檢測時，盡量使混凝土處于自然干燥狀態(tài)，缺陷中不應(yīng)填充水分。

3 結(jié)語

超聲波檢測混凝土結(jié)構(gòu)缺陷，簡便易行，在土木工程中廣泛應(yīng)用。目前超聲波無損檢測主要應(yīng)用于混凝土缺陷的定性檢測，依據(jù)波速、波幅、波形等判別混凝土損傷情況，對于不同的混凝土缺陷判別因檢測人員的實踐經(jīng)驗而異[6]，因此亟待建立基于混凝土缺陷的超聲波檢測判別體系，使檢測更趨于標(biāo)準(zhǔn)化。

【參考文獻(xiàn)】

[1]陸春勇.混凝土材料與結(jié)構(gòu)損傷檢測方法研究[D].河海大學(xué)，2007.

[2]T.Soshiroda， K.Voraputhaporn. Early-stage inspection of concrete quality in structures by combined nondestructive method[J]. Materials and Structures， 2006， 39：149-160.

[3]Giuseppe Acciani， Girolamo Fornarelli. Nondestructive evaluation of defects in concrete structures based on ？覱nite element simulations of ultrasonic wave propagation[J]. Nondestructive Testing and Evaluation， 2010， 25： 289-315.

[4]李峰.超聲波缺陷檢測方法應(yīng)用研究[D].長安大學(xué)，2009.

[5]伍碩群.超聲波檢測混凝土缺陷的主要影響因素[D].五邑大學(xué)，2009.

[6]李志強(qiáng)，周宗輝，等.基于超聲波技術(shù)的混凝土無損檢測[J].計量檢測，2010，03：72-75.

[責(zé)任編輯：楊玉潔]