混凝土結構超聲波檢測的波型選擇

吳榮興,李云川，于蘭珍，邱 耀

（寧波職業技術學院 建工學院，浙江 寧波 315800）

隨著我國基礎設施建設的飛速發展和城鎮化進程的不斷推進，各種鋼筋混凝土結構都獲得了極大的發展和應用[1-2]。與此同時，改革開放初期興建的混凝土結構也達到了一定的使用年限。混凝土結構的檢測成為一項迫在眉睫的工作。在各種檢測方法中，無損檢測能夠保證結構的完整性，并且具有相對較低的檢測成本，這樣有助于評估整個結構的安全性。常用的無損檢測方法包括回彈法、超聲脈沖法、射線法、紅外線記錄法以及其他電和磁的方法等。其中超聲波在混凝土結構中的傳播速度與混凝土的彈性性質之間存在密切關系，在一定程度上可以反映混凝土的材料性質。另外，超聲波的傳播速度將受到各種復雜因素的影響。針對各種因素的影響，可以通過選取特定超聲波波型來檢測混凝土構件的材料性質。

1 波型選擇和聯合檢測

混凝土結構超聲波檢測的主要工作過程如下：通過發射換能器發送超聲波，超聲波穿過混凝土結構被接受換能器獲取檢測數據，這些檢測數據包括波速、波形、波幅和頻譜等參數。接著通過分析獲取的數據就可以精確地推定混凝土的強度、結構缺陷類型和性質以及位置等信息。

縱波是超聲波檢測的首選波型，其在各種混凝土檢測中的應用已經得到了廣泛研究。當一定頻率的縱波穿過混凝土結構時，縱波波速和材料密度、彈性模量以及泊松比存在數學關系，縱波檢測的優點不再贅述。其主要缺點是縱波檢測對工作面要求比較高，適用于厚度較大混凝土結構檢測。由于混凝土結構大多是層狀結構，縱波在兩層或是多層以上的不同聲阻抗界面上將發生反射和干擾，對于檢測人員的經驗和技術要求均較高。

混凝土結構的瑞利波檢測是一種比較新興的超聲波檢測波型。該方法同樣也是通過分析瑞利波在混凝土結構中的傳播過程來推定混凝土結構的各種工程參數。和其他方法相比，瑞利波檢測只需要一個混凝土結構的待測面即可對其內部質量狀況進行檢測。而且測試深度可人為控制，即可由淺向深逐層檢測，也可以控制對某一深度范圍進行檢測。當然瑞利波檢測混凝土結構也存在一定問題：①獲取的瑞利波波速與混凝土構件并非一一對應的，它是一種平均速度。因此無法用波速的空間變化推定混凝土內部的缺陷位置。這時需要再測橫波波速來共同推定各點的材料特性；②大體積混凝土結構的檢測困難。瑞利波作為一種聲表面波，其傳播能量和振幅大部分都集中在混凝土結構表面，大約在三個波長左右。這樣對大深度大體積混凝土進行檢測時，瑞利波將無法深入混凝土結構內部。

蘭姆波是一種在板結構特有的波型。利用蘭姆波對混凝土梁板結構進行檢測是比較新的方法。蘭姆波為在板內傳播并滿足上下表面應力自由邊界條件的彈性應力波。蘭姆波檢測有以下優點：①存在多模態選擇，蘭姆波有無數個對稱和反對稱模態可供檢測選擇；②能夠進行多目標探測，例如探測不同深度和種類的缺陷；③蘭姆波能量衰減較小，具有極長的傳播距離；④可在各種曲面混凝土結構進行檢測，例如檢測鋼筋混凝土樁和管道等。 蘭姆波檢測也存在問題：①對混凝土結構中的骨料和鋼筋尺寸要求較高，因為激發頻率對混凝土粗骨料和鋼筋的尺寸都嚴重的依賴；②檢測結果的精確分析，由于存在多模態，因此獲得的蘭姆波參數也非常眾多，因此必須對眾多模態所獲得的工程參數進行必要的甄別和選擇。

綜合以上所述，各種超聲波波型都存在一定的限制。可以利用兩種或兩種以上的超聲波波型，獲取多種物理參量，并建立混凝土結構工程參數信息之間的綜合相關關系，以便從不同角度綜合評價混凝土結構的工程信息。由于綜合法采用多項物理參量，能較全面地反映構成混凝土結構的各種因素，并且還能抵消部分影響強度與物理量相關關系的因素，因而相對單一方法而言具有更高的準確度和可靠性。例如對于梁板混凝土結構，可以采用縱波、瑞利波和蘭姆波進行綜合測定，最后將參數進行聯合推定，極大地減少了各種測定方法的誤差。

2 超聲波檢測的主要影響因素

由于混凝土結構本身材料構成復雜，各種波型超聲波在結構內部傳播時受到的影響因素眾多，主要問題有：①原材料與配合比對超聲波的影響。水灰比和粗骨料大小都將對三種波型的超聲波有著非常大的影響，因此在檢測過程中必須預估各種原材料的尺寸并進行激發頻率的選擇，以避開嚴重的干擾波型；②孔隙率及含水率對超聲波的影響。各種研究表明混凝土內部的空隙率和含水率都將對三種波型的超聲波傳播產生嚴重影響。例如空隙將引發超聲波的散射，而含水將嚴重衰減超聲波的傳播能量；③環境溫度對超聲波的影響。環境溫度變化將改變混凝土結構的材料特性及其工程參數，因此必將改變獲得的超聲波信息；④待測面對超聲波檢測的影響。待測面的選取好壞也會對三種波型超聲波有所影響，例如縱波和蘭姆波需要兩個待測面，而瑞利波只需要一個待測面。三種波型都要求待測混凝土結構表面的平整性和潔凈性。

3 結語

本文對混凝土結構超聲波檢測的三種波型進行了分析，指出各種波型的優缺點和改進方法。提出了通過結合其他非損傷檢測方法的聯合檢測方法來精確檢測混凝土結構的工程信息。最后研究了混凝土結構超聲波檢測的主要影響因素。

［1］李盛斌，楊紅霞.超聲波技術在混凝土檢測中的應用［J］.電子測試，2013，（ 7）：252-253.