混凝土內(nèi)部缺陷超聲法檢測分析

許 艷(桃源縣建筑工程質(zhì)量檢測站，湖南 桃源 415700)

1 超聲波檢測混凝土內(nèi)部缺陷的原理

在混凝土中傳播的超聲波，其速度和頻率反映了混凝土材料的性能、內(nèi)部結(jié)構(gòu)和組成情況，混凝土的彈性模量和密實(shí)度與波速密切相關(guān)，即強(qiáng)度越高，其超聲波的速度和頻率也越高。因此，通過測定混凝土聲速來確定其強(qiáng)度。通過大量的研究表明，超聲檢測可以利用單一聲速參數(shù)推定混凝土的輕度，具有重復(fù)性好的優(yōu)點(diǎn)。在混凝土中，水泥石的強(qiáng)度及其與集料的黏結(jié)能力對(duì)混凝土強(qiáng)度起決定作用。但是水泥石所占比例不占絕對(duì)優(yōu)勢，導(dǎo)致原料及配合比不同時(shí)，聲速與強(qiáng)度關(guān)系發(fā)生明顯變化，制約其普遍應(yīng)用。

2 超聲法檢測混凝土缺陷工程實(shí)例

某工業(yè)建筑的設(shè)備基礎(chǔ)采用現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)，由梁類構(gòu)件和柱類構(gòu)件組成。該設(shè)備在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中振動(dòng)過大，超過其設(shè)計(jì)指標(biāo)，因此為了解該設(shè)備基礎(chǔ)是否因此而產(chǎn)生內(nèi)部損傷，需對(duì)其內(nèi)部質(zhì)量進(jìn)行檢測。采用直穿法與斜傳法相結(jié)合的測量方法對(duì)該建筑的設(shè)備基礎(chǔ)梁和柱進(jìn)行了檢測。梁、柱截面及配筋形式見圖1，超聲檢測結(jié)果見表1。梁寬1.2m，柱截面尺寸為1.2m×1.2m，測距均為1.2m。

圖1 構(gòu)件截面配筋示意圖

由表1可以看出，混凝土柱中聲速大于混凝土中聲速值，且標(biāo)準(zhǔn)差與聲速的比值更小，表明超聲波在混凝土柱中的傳播較混凝土梁更為快速、穩(wěn)定。

柱未發(fā)現(xiàn)異常點(diǎn)，梁存在一個(gè)異常點(diǎn)，經(jīng)現(xiàn)場在出現(xiàn)異常點(diǎn)部位鉆取混凝土芯樣，未發(fā)現(xiàn)其內(nèi)部存在明顯缺陷，由此我們判斷其內(nèi)部質(zhì)量良好。

3 檢測結(jié)果分析

從以下幾個(gè)方面分析其聲速值存在較大差異的原因。

3.1 檢測條件

對(duì)于構(gòu)成檢測條件的幾個(gè)方面需要進(jìn)行檢查，第一，檢測儀器都應(yīng)處于完好正常的狀態(tài)，收集的采樣超聲脈沖波取自某一固定位置的相同值，均未發(fā)現(xiàn)異常情況；第二，對(duì)于構(gòu)件表面的完整性與破損狀態(tài)進(jìn)行檢測，沒有發(fā)現(xiàn)任何蜂窩麻面的破壞。第三，檢測時(shí)需要保證傳感器與構(gòu)件表面之間耦合程度高，構(gòu)件表面與收發(fā)探頭需要緊密粘結(jié)在一起，提高傳感器的耦合程度，檢測時(shí)均沒有發(fā)現(xiàn)問題，排除了檢測條件構(gòu)成的聲速差異較大的可能。

表1 混凝土內(nèi)部缺陷檢測結(jié)果匯總表

3.2 混凝土強(qiáng)度

對(duì)于混凝土強(qiáng)度現(xiàn)場進(jìn)行預(yù)先檢測，采用了鉆芯修正法、回彈法對(duì)構(gòu)件混凝土檢測強(qiáng)度值為值26.0MPa，柱混凝土強(qiáng)度25.4MPa，而被測梁柱設(shè)計(jì)混凝土強(qiáng)度等級(jí)均為C25，樣本均是相同批次混凝土，檢測結(jié)果為梁混凝土強(qiáng)度推定由此判斷混凝土強(qiáng)度的差別不是造成此次聲速值差別較大的原因。

3.3 構(gòu)件的配筋

運(yùn)用鋼筋掃描儀對(duì)配筋進(jìn)行檢測，實(shí)際結(jié)果與圖紙?jiān)O(shè)計(jì)的尺寸大小相符，配筋示意圖見圖1，經(jīng)查閱圖紙，被測柱截面尺寸為1.2m×1.2m，梁截面尺寸1.2m×3m，尺寸是吻合的。

由于測點(diǎn)布置在垂直構(gòu)件截面寬度方向上的兩個(gè)平行側(cè)面上，根據(jù)梁、柱的配筋截面示意圖，可發(fā)現(xiàn)柱的附加箍筋走向與超聲波的傳播方向平行，且柱沿寬度方向配置的附加箍筋較梁的密集，該種現(xiàn)象很容易引起超聲波在混凝土柱中傳播時(shí)，聲波大部分能量是沿柱中附加箍筋傳導(dǎo)到超聲儀的接收探頭處。因?yàn)槌暡ㄔ阡摻钪信c混凝土中的傳播速度是不同的，在鋼筋中傳播速度快于混凝土中的速度，大約1.2～1.9倍。所以，在混凝土柱中的速度大于混凝土梁中的速度，是因?yàn)榛炷林械乃俣扰c聲波傳播方向相同的附加箍筋所引起。

4 測量的精度對(duì)推算結(jié)果的影響

混凝土的強(qiáng)度與聲速關(guān)系為f=xvy(f為抗壓強(qiáng)度，v為聲速)，這是一個(gè)冪函數(shù)。由誤差的傳遞分析可得：

δf=aδv

其中δv、δf分別是聲速的最大相對(duì)誤差和強(qiáng)度的最大相對(duì)誤差；a為相關(guān)式的回歸系數(shù)，一般為4和6之間。

由此可得，測量的誤差或者聲速波動(dòng)引起的結(jié)果強(qiáng)度的誤差或者波動(dòng)要大4到6倍。如果期望以聲速的測量問題引起的推算抗壓強(qiáng)度的誤差不能超過10%，那么聲速的測量誤差就必須控制在10%÷(4～6)＝1.7～2.5%之內(nèi)，平均2.2%左右。如果要求δv是2.2%，而聲速為v＝l／t，又因?yàn)棣膙＝δ1＋δt，要是距離測量的誤差為1%，那么聲時(shí)最大的誤差δt＝δvδt＝2.2%－1%＝1.2%。

1.2%的準(zhǔn)確度要求是非常高的，較長的距離的測量問題應(yīng)該不大，但是短測距的測量必須認(rèn)真的對(duì)待。譬如15cm的試件，如果測得的聲時(shí)是30μs，如果要達(dá)到上文所說的1.2%的準(zhǔn)確度，那么聲時(shí)的測量的絕對(duì)誤差必須小于30×1.2%＝0.36μs，這是非常小的一個(gè)聲時(shí)值。

由此可見，如何更好的控制距離誤差和聲時(shí)誤差，對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的判定起了至關(guān)重要的作用。

5 超聲檢測方法的改進(jìn)

經(jīng)過工作實(shí)踐，總結(jié)了一些經(jīng)驗(yàn)，對(duì)混凝土強(qiáng)度檢測標(biāo)準(zhǔn)《超聲回彈綜合法檢測混凝土強(qiáng)度技術(shù)規(guī)程》CECS02：2005中的檢測方法作了一些改進(jìn)。國標(biāo)中測區(qū)的布置是在構(gòu)件對(duì)立面上畫出一對(duì)空間上完全對(duì)應(yīng)的以200mm為邊長的正方形，沿對(duì)角線布置三個(gè)測點(diǎn)，在觀摩了其他幾家機(jī)構(gòu)超聲檢測后，發(fā)現(xiàn)大部分機(jī)構(gòu)只是很簡單的制作了一個(gè)內(nèi)邊長為200mm的正方形框，在構(gòu)件對(duì)立面上畫出一對(duì)正方形，然后很粗略的將探頭在沿對(duì)角線方向，憑感覺平均放三個(gè)位置，這樣做存在兩個(gè)問題：一是對(duì)立面探頭距離會(huì)與實(shí)際輸入設(shè)備中的距離值有偏離，從而影響聲速，進(jìn)而影響最終強(qiáng)度的推定；二是在實(shí)際工程中，混凝土面往往存在著蜂窩、麻面的情況，在很細(xì)微的情況下往往不進(jìn)行處理就檢測了，就算處理了，混凝土表面由于支模的問題不夠平整，都會(huì)導(dǎo)致探頭與混凝土界面接觸不良；加上部分混凝土內(nèi)部存在空洞等缺陷，以上種種最終都會(huì)導(dǎo)致部分檢測點(diǎn)并不能代表構(gòu)件混凝土的強(qiáng)度情況。超聲波測區(qū)強(qiáng)度的推導(dǎo)公式中的聲速是一個(gè)平均值，即為三個(gè)位置的檢測點(diǎn)的實(shí)測值的平均值。一個(gè)檢測點(diǎn)出現(xiàn)異常就會(huì)極大影響聲速的平均值，從而造成強(qiáng)度推定值的不準(zhǔn)確。在工作中，總結(jié)和改進(jìn)了檢測方法，如圖2。

圖2 正方形框圖

這是用亞克力玻璃做成的一塊200mm為邊長的正方形框，在如圖位置總共開取了5個(gè)探頭大小的洞。在測試中，只要保證此正方形框一個(gè)直角與對(duì)立面的正方向形一個(gè)直角對(duì)應(yīng)，就能保證所有測點(diǎn)在空間上完全對(duì)應(yīng)，而保證直角對(duì)應(yīng)是相對(duì)簡便和快速的。這樣以來就保證了測距的準(zhǔn)確性，避免了人為感覺劃分位置帶來的誤差，從而更好的控制距離誤差和聲時(shí)誤差，對(duì)精確判定混凝土的抗壓強(qiáng)度起了重要的作用。

另外，在畫好對(duì)立面測區(qū)后，在正式測試錄入數(shù)據(jù)前，可以先試測一遍，對(duì)整體聲速有個(gè)大致了解，選中一個(gè)聲速代表區(qū)間。正方形框中有5個(gè)測點(diǎn)，即2個(gè)點(diǎn)是備用點(diǎn)，在正式測試中，發(fā)現(xiàn)某個(gè)點(diǎn)聲速異常或波形異常，無法抓取首波位置時(shí)，在進(jìn)行混凝土表面打磨等處理后仍得到異常值時(shí)，則可以換取備用點(diǎn)進(jìn)行測試，以保證所得數(shù)據(jù)具有代表性。

[1]吳新璇.混凝土無損檢測技術(shù)手冊(cè).人民交通出版社，2003

[2]《超聲回彈綜合法檢測混凝土強(qiáng)度技術(shù)規(guī)程》CECS 02-2005[S] 北京：中國建筑工業(yè)出版社。

[3]沈國偉.提高超聲法檢測混凝土缺陷準(zhǔn)確度的探討，傳感器技術(shù)，2010，19(5)

[4]廖智.超聲波法探測混凝土內(nèi)部缺陷的原理及應(yīng)用.科學(xué)技術(shù)與工程，2011(13)