超聲法檢測鋼管混凝土缺陷主要技術試驗研究

邵志向，楊 賜

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司 武漢市 430061)

超聲檢測技術是檢測混凝土質量的重要手段[1]。最初由德國和英國學者將超聲檢測技術用于檢測混凝土的質量[2-3]。 我國近些年來先后頒布了一些應用超聲波檢，深入而系統地研究了超聲波檢測混凝土強度和缺陷等技術。經過幾十年的發展，雖然對超聲法檢測鋼管混凝土缺陷進行了改進與完善，但是根據之前許多學者的研究情況[4]來看，普遍存在超聲波在鋼管混凝土傳播中出現短路以及估算鋼管混凝土中缺陷大小的問題。因此基于模型試驗對這兩個問題進行了研究。

1 超聲法檢測鋼管混凝土缺陷的關鍵問題

1.1 聲波短路

如圖1所示，聲波短路問題是指超聲波沿鋼管壁傳播的繞射聲時比沿鋼管混凝土傳播的透射聲時小。根據換能器原理，只能接收首波處理，無法收到從混凝土內部穿射信號，將不能判別鋼管內混凝土中的缺陷。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，所以在檢測矩形、圓形鋼管混凝土構件時，超聲波一般首先會沿鋼管壁傳播到對側換能器。有部分學者用空鋼管做超聲波沿鋼管壁傳播速度，測出傳播速度為3200m/s,得出低于超聲波在混凝土傳播速度，因此不會出現超聲波短路結論[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，這樣就會出現聲波短路問題。

1.2 估算混凝土中缺陷大小

當前常用的超聲法檢測技術，主要依據現行的《超聲法檢測混凝土缺陷技術規程》，此規程中計算方法如下：

如圖2所示，設兩個換能器之間間隔為L，空洞核心(在另一垂直測試面上聲時最長的測點對應的位置)距一個測試面的垂直距離為Lh，聲波在無缺陷混凝土中傳播的聲時平均值為Mta, 繞著空洞傳播的時間(檢測空洞周圍傳播的最大聲時)為Th,空洞半徑為R,設X=(Th-Mta)/ Mta×100%；Y=Lh/L；Z=R/L。根據X、Y值，可由表1得Z，再計算出空洞的大致半徑R。

當被檢測的構件只能提供一對可供測試的位置時，只能按空洞位于測試中心考慮，則空洞大小可按下式計算:

(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值，μs；Mta為無缺陷混凝土傳播的平均聲時值，μs。

在試驗中發現，查表不能查出空洞比較大的數值。而且，在試件只有一對測試的點時，用式(1)計算，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 試驗研究

2.1 試驗目的

(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證。

2.2 超聲波在鋼管混凝土中傳播試驗

2.2.1試件設計

共制作10個鋼管混凝土試件,并用鐵皮隔離鋼管與混凝土的接觸，達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個無鋼管的混凝土試件進行對比(如圖3)。試件直徑為325mm，高度為500mm。

2.2.2試驗方法

采用NU70聲波透射法自動測樁儀，測線沿圓周方向布置，耦合劑為黃油，測點間距按《規程》規定的進行布置(如圖4)。

2.2.3試驗結果

15個試件所采集的波形均正常，各試件所測聲速計算結果見表2、表3。

從兩個聲時數據可以看出，超聲波在鋼管混凝土中的傳播聲時比在同直徑的素混凝土中傳播聲時大，由于鋼管壁很薄，可以忽略不計，因此兩種聲時應該接近，而實測相差甚遠，所以排除超聲波在鋼管混凝土中沿直線傳播。進一步分析，用鋼管的半周長除以傳播聲時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，所以可能出現短路現象。下面對不同情況下超聲波在鋼管混凝土中是否會出現短路進行了分析。

表2 鋼管混凝土試件試驗結果(μs)

表3 混凝土試件試驗結果(μs)

如圖5所示為鋼管混凝土橫截面示意圖，假設超聲波沿鋼管壁和直線傳播的聲時分別為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。

根據圖中的幾何關系得：

(2)

(3)

由于實際中vc

(1)當πvc-2vs=0時，d>不成立，但

(2)當πvc-2vs>0時

d>負值，恒成立，因此，tr>tz恒成立，即超聲波沿直線傳播；

(3)當πvc-2vs<0時

此時d存在，tr與tz的大小與d、vc、t都有關系，需具體情況具體對待。

2.3 估計缺陷尺寸大小試驗

2.3.1試件設計

為了估算用超聲法檢測混凝土缺陷的大小，在鋼管混凝土中預埋了不同尺寸的細沙實體，做成圓錐形狀方便細沙倒出，澆注混凝土時在圓錐尖處插一個導管，混凝土凝結后經過導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%，并制作無缺陷作對比。

2.3.2試驗結果

檢測制作的試件，記錄每個測點的數據，如表4所示。

用《規程》估算試件缺陷大小時發現，在20%試件1-1測試點，X=22.10，Y=0.369，超出表查找范圍。另外，在只有一對可供測試表面時，用公式(1)算出的空洞直徑超出鋼管直徑，如20%試件，測試點2-1、3-1，不符合實際。因此，根據超聲波所用聲時最短原理，采用下面這種改善方法計算, 各尺寸如圖6所示。

根據圖中的幾何關系可以得到：

(4)

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

為形成對比，將此種方法和《規程》方法計算結果列在表4中。從表中看出當缺陷不大時，兩種算法的結果相近，但是在分析20%缺陷試件時，兩種算法有很大的差距。采用改善方法估算缺陷尺寸，不會出現查不到或算出的缺陷尺寸大于鋼管直徑的情況，且更接近于實際直徑，如在2-1測試點，《規程》中方法比實際偏差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，能夠達到工程要求，可用來指導實際工程，改善超聲法檢測鋼管混凝土的技術指標。

表4 試驗結果

3 結論

(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鋼管混凝土缺陷時應預防出現短路。

(2)超聲波在混凝土與鋼管不密實情況下會產生斷路；在混凝土與鋼管密實情況下，當超聲波在混凝土中的傳播聲速大于等于2Vs/π時不會出現短路，否則，需要根據具體情況，分別將d、t等參數代入式(2)、式(3)，得出tr與tz的大小關系，超聲波沿聲時小的路徑傳播。

(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際。