超聲法檢測(cè)鋼管混凝土缺陷主要技術(shù)試驗(yàn)研究

邵志向，楊 賜

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司 武漢市 430061)

超聲檢測(cè)技術(shù)是檢測(cè)混凝土質(zhì)量的重要手段[1]。最初由德國(guó)和英國(guó)學(xué)者將超聲檢測(cè)技術(shù)用于檢測(cè)混凝土的質(zhì)量[2-3]。 我國(guó)近些年來(lái)先后頒布了一些應(yīng)用超聲波檢，深入而系統(tǒng)地研究了超聲波檢測(cè)混凝土強(qiáng)度和缺陷等技術(shù)。經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，雖然對(duì)超聲法檢測(cè)鋼管混凝土缺陷進(jìn)行了改進(jìn)與完善，但是根據(jù)之前許多學(xué)者的研究情況[4]來(lái)看，普遍存在超聲波在鋼管混凝土傳播中出現(xiàn)短路以及估算鋼管混凝土中缺陷大小的問(wèn)題。因此基于模型試驗(yàn)對(duì)這兩個(gè)問(wèn)題進(jìn)行了研究。

1 超聲法檢測(cè)鋼管混凝土缺陷的關(guān)鍵問(wèn)題

1.1 聲波短路

如圖1所示，聲波短路問(wèn)題是指超聲波沿鋼管壁傳播的繞射聲時(shí)比沿鋼管混凝土傳播的透射聲時(shí)小。根據(jù)換能器原理，只能接收首波處理，無(wú)法收到從混凝土內(nèi)部穿射信號(hào)，將不能判別鋼管內(nèi)混凝土中的缺陷。超聲波以5900m/s速度在鋼材中傳播，而以(3600～4800)m/s速度在混凝土中傳播，所以在檢測(cè)矩形、圓形鋼管混凝土構(gòu)件時(shí)，超聲波一般首先會(huì)沿鋼管壁傳播到對(duì)側(cè)換能器。有部分學(xué)者用空鋼管做超聲波沿鋼管壁傳播速度，測(cè)出傳播速度為3200m/s,得出低于超聲波在混凝土傳播速度，因此不會(huì)出現(xiàn)超聲波短路結(jié)論[5]。然而超聲波在空鋼管傳播是以橫波形式傳播，而在鋼管混凝土中傳播形式并非如此，傳播速度也不是3200m/s，而是接近于在鋼材中的傳播速度，這樣就會(huì)出現(xiàn)聲波短路問(wèn)題。

1.2 估算混凝土中缺陷大小

當(dāng)前常用的超聲法檢測(cè)技術(shù)，主要依據(jù)現(xiàn)行的《超聲法檢測(cè)混凝土缺陷技術(shù)規(guī)程》，此規(guī)程中計(jì)算方法如下：

如圖2所示，設(shè)兩個(gè)換能器之間間隔為L(zhǎng)，空洞核心(在另一垂直測(cè)試面上聲時(shí)最長(zhǎng)的測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的位置)距一個(gè)測(cè)試面的垂直距離為L(zhǎng)h，聲波在無(wú)缺陷混凝土中傳播的聲時(shí)平均值為Mta, 繞著空洞傳播的時(shí)間(檢測(cè)空洞周圍傳播的最大聲時(shí))為Th,空洞半徑為R,設(shè)X=(Th-Mta)/ Mta×100%；Y=Lh/L；Z=R/L。根據(jù)X、Y值，可由表1得Z，再計(jì)算出空洞的大致半徑R。

當(dāng)被檢測(cè)的構(gòu)件只能提供一對(duì)可供測(cè)試的位置時(shí)，只能按空洞位于測(cè)試中心考慮，則空洞大小可按下式計(jì)算:

(1)

式中：R為空洞半徑；L為左右倆換能器之間的距離，mm；Th為空洞周圍傳播的最大聲時(shí)值，μs；Mta為無(wú)缺陷混凝土傳播的平均聲時(shí)值，μs。

在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，查表不能查出空洞比較大的數(shù)值。而且，在試件只有一對(duì)測(cè)試的點(diǎn)時(shí)，用式(1)計(jì)算，算出的試件空洞直徑超出鋼管直徑。

表1 查表法估算空洞大小

2 試驗(yàn)研究

2.1 試驗(yàn)?zāi)康?/h3>

(1)超聲波在鋼管中灌注混凝土后沿鋼管壁傳播的速度；

(2)具體情況下超聲波在鋼管混凝土中傳播路徑；

(3)估算混凝土缺陷大小的改善方法及驗(yàn)證。

2.2 超聲波在鋼管混凝土中傳播試驗(yàn)

2.2.1試件設(shè)計(jì)

共制作10個(gè)鋼管混凝土試件,并用鐵皮隔離鋼管與混凝土的接觸，達(dá)到初凝后將鐵皮抽出，使超聲波不能沿混凝土傳播，并制作5個(gè)無(wú)鋼管的混凝土試件進(jìn)行對(duì)比(如圖3)。試件直徑為325mm，高度為500mm。

2.2.2試驗(yàn)方法

采用NU70聲波透射法自動(dòng)測(cè)樁儀，測(cè)線沿圓周方向布置，耦合劑為黃油，測(cè)點(diǎn)間距按《規(guī)程》規(guī)定的進(jìn)行布置(如圖4)。

2.2.3試驗(yàn)結(jié)果

15個(gè)試件所采集的波形均正常，各試件所測(cè)聲速計(jì)算結(jié)果見表2、表3。

從兩個(gè)聲時(shí)數(shù)據(jù)可以看出，超聲波在鋼管混凝土中的傳播聲時(shí)比在同直徑的素混凝土中傳播聲時(shí)大，由于鋼管壁很薄，可以忽略不計(jì)，因此兩種聲時(shí)應(yīng)該接近，而實(shí)測(cè)相差甚遠(yuǎn)，所以排除超聲波在鋼管混凝土中沿直線傳播。進(jìn)一步分析，用鋼管的半周長(zhǎng)除以傳播聲時(shí)510.51/87.06=5.86km/s，與超聲波在鋼材中傳播聲速5.9km/s相近。因此超聲波在鋼管混凝土中沿鋼管壁傳播聲速為5.86km/s，比超聲波在混凝土中的傳播速度大，所以可能出現(xiàn)短路現(xiàn)象。下面對(duì)不同情況下超聲波在鋼管混凝土中是否會(huì)出現(xiàn)短路進(jìn)行了分析。

表2 鋼管混凝土試件試驗(yàn)結(jié)果(μs)

表3 混凝土試件試驗(yàn)結(jié)果(μs)

如圖5所示為鋼管混凝土橫截面示意圖，假設(shè)超聲波沿鋼管壁和直線傳播的聲時(shí)分別為tr、tz，直徑為d，鋼管壁厚為a，超聲波在鋼材中傳播速度為vs，在混凝土中傳播速度為vc。

根據(jù)圖中的幾何關(guān)系得：

(2)

(3)

由于實(shí)際中vc

(1)當(dāng)πvc-2vs=0時(shí)，d>不成立，但

(2)當(dāng)πvc-2vs>0時(shí)

d>負(fù)值，恒成立，因此，tr>tz恒成立，即超聲波沿直線傳播；

(3)當(dāng)πvc-2vs<0時(shí)

此時(shí)d存在，tr與tz的大小與d、vc、t都有關(guān)系，需具體情況具體對(duì)待。

2.3 估計(jì)缺陷尺寸大小試驗(yàn)

2.3.1試件設(shè)計(jì)

為了估算用超聲法檢測(cè)混凝土缺陷的大小，在鋼管混凝土中預(yù)埋了不同尺寸的細(xì)沙實(shí)體，做成圓錐形狀方便細(xì)沙倒出，澆注混凝土?xí)r在圓錐尖處插一個(gè)導(dǎo)管，混凝土凝結(jié)后經(jīng)過(guò)導(dǎo)管將沙子倒出形成空洞。空洞分別所占試件整體體積的5%、10%、15%、20%，并制作無(wú)缺陷作對(duì)比。

2.3.2試驗(yàn)結(jié)果

檢測(cè)制作的試件，記錄每個(gè)測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，如表4所示。

用《規(guī)程》估算試件缺陷大小時(shí)發(fā)現(xiàn)，在20%試件1-1測(cè)試點(diǎn)，X=22.10，Y=0.369，超出表查找范圍。另外，在只有一對(duì)可供測(cè)試表面時(shí)，用公式(1)算出的空洞直徑超出鋼管直徑，如20%試件，測(cè)試點(diǎn)2-1、3-1，不符合實(shí)際。因此，根據(jù)超聲波所用聲時(shí)最短原理，采用下面這種改善方法計(jì)算, 各尺寸如圖6所示。

根據(jù)圖中的幾何關(guān)系可以得到：

(4)

式中：a為空洞中心到測(cè)試面的垂直距離，mm，未知時(shí)取d/2。其他字母同式(1)。

為形成對(duì)比，將此種方法和《規(guī)程》方法計(jì)算結(jié)果列在表4中。從表中看出當(dāng)缺陷不大時(shí)，兩種算法的結(jié)果相近，但是在分析20%缺陷試件時(shí)，兩種算法有很大的差距。采用改善方法估算缺陷尺寸，不會(huì)出現(xiàn)查不到或算出的缺陷尺寸大于鋼管直徑的情況，且更接近于實(shí)際直徑，如在2-1測(cè)試點(diǎn)，《規(guī)程》中方法比實(shí)際偏差21.7%，而改善方法偏差4.4%。因此采用改善方法估算缺陷尺寸比較合理且更精確，能夠達(dá)到工程要求，可用來(lái)指導(dǎo)實(shí)際工程，改善超聲法檢測(cè)鋼管混凝土的技術(shù)指標(biāo)。

表4 試驗(yàn)結(jié)果

3 結(jié)論

(1)超聲波在有混凝土的鋼管壁上傳播速度約5.9m/s，比在混凝土傳播的速度大很多。因此在用此方法檢測(cè)鋼管混凝土缺陷時(shí)應(yīng)預(yù)防出現(xiàn)短路。

(2)超聲波在混凝土與鋼管不密實(shí)情況下會(huì)產(chǎn)生斷路；在混凝土與鋼管密實(shí)情況下，當(dāng)超聲波在混凝土中的傳播聲速大于等于2Vs/π時(shí)不會(huì)出現(xiàn)短路，否則，需要根據(jù)具體情況，分別將d、t等參數(shù)代入式(2)、式(3)，得出tr與tz的大小關(guān)系，超聲波沿聲時(shí)小的路徑傳播。

(3)提出估算缺陷大小的改善方法、公式，采用此改善方法、公式估算缺陷大小更加全面且更符合實(shí)際。