聲波檢測技術在混凝土橋梁檢測中的應用

曾宇環

（蘇交科集團廣東檢測認證有限公司，廣東 廣州 510800）

0 引言

隨著我國對基礎設施建設的投入力度不斷加大，新建、改建、擴建以及運營期的各類橋梁越來越多。近年來，不管是建設期還是運營期，橋梁安全事故的發生使得項目施工建設中的質量問題及運營期橋梁的健康狀況得到了諸多關注。因此，迫切需要一種行之有效的橋梁質量檢測方法，以確保工程的質量。

隨著我國經濟發展和交通基礎設施建設的水平逐漸提高，對橋梁等工程設施的質量也提出更高的要求。目前，國內進行橋梁工程檢測時主要采用先進儀器代替傳統人工方式，大量人力作業，效率低下，勞動強度大，且無法準確地檢測出各種參數，因此存在一定程度上的誤差。同時，由于各地氣候條件差異較大，也導致檢測結果失真。為了克服上述缺點，本文將結合當前市場發展的實際情況，重點介紹了橋梁檢測無損技術中常用的聲波檢測技術，該技術可對橋梁結構檢測的科學性及準確性提供有效保障。

1 聲波檢測技術概述

超聲波主要是由聲波和機械波組成的。在自然界中，所有的物質都具有一定的能量，并以不同形式存在于介質之中。物體內部所發生的各種物理變化也會產生相應的波動變化（如聲、光等），這就形成了聲光效應（超聲）。聲光效應是一種特殊的現象，其頻率范圍為10～30Hz，對人體沒有任何不良影響，但是可以傳播很遠的距離。正是由于這種作用，人們容易將其同電磁波混為一談。因此，把超聲波稱為“聲音”，將其與電磁一起研究。

超聲波屬于非平衡激勵信號，所以又被稱為噪聲或振動。在實際生活中，經常遇到一些噪聲，例如汽車喇叭發出的巨大轟鳴聲、飛機發動機的轟鳴等，這些干擾通常來自外界環境以及人體內各部位的反射或折射。當它們互相耦合時，便可引起聽覺障礙。超聲波就是利用這個原理來實現降噪功能的。超聲波發生器的工作原理如下：第一，換能器發射出高頻電流；第二，接收電路接收低頻電壓信號后進行放大處理；第三，比較器檢測輸出電壓大小；第四，功率管驅動單元控制功率管的通、斷，從而調節輸出脈沖個數。由于聲波振動頻率與混凝土結構有一定關聯，因此其在工程項目的混凝土結構性檢測過程中也能發揮奇效。聲波檢測技術在具體的應用中必須具備兩方面內容，一是對聲學參數的測定，二是尋找上述聲波參數與混凝土結構特征之間存在的關聯。

2 聲波檢測儀器的發展狀況

從我國在工程項目中應用的聲波檢測儀器的歷史來看，主要經歷了以下幾個階段：第一階段是20世紀70年代末80年代初開始的。這一時期，由于科學技術水平較低，在進行相關工作時往往會使用一些較為陳舊的儀器設備；第二階段是進入21世紀后，隨著科技的進步與更新，聲波檢測儀的性能也得到了提升，其測量精度及穩定性都有很大的改善和提高。第三階段是近年來逐漸興起的一種新型無損檢測設備，這種儀器能夠有效避免傳統檢測儀存在的問題，同時還具有操作簡單、便捷等優點。第四階段是如今已經被廣泛應用于各個領域的數字化超聲探傷儀，它可以實現對目標物體內部缺陷信息的全面獲取，并將采集到的數據通過軟件處理、分析并得出結果，為后期的質量控制提供可靠依據。第五階段就是目前最流行的超聲波透射法探測技術，該方法憑借獨特的優勢獲得了廣泛應用，尤其在橋梁工程的實體檢測領域發揮著重要作用。第六階段是現下國內正在推廣的三維成像探頭，這種方式不僅能夠準確識別橋梁結構內不同位置的情況，還能很好地保證信號傳播過程的連續性，從而達到實時監控的目的。

3 聲波檢測技術在混凝土橋梁檢測中的應用

3.1 混凝土抗壓強度檢測

從實際情況來看，在超聲波檢測過程中，超聲波在混凝土中傳播的過程就是混凝土每一微區出現不同程度的拉伸、壓縮等變化的過程，這一現象就叫反射。通過對超聲波信號進行分析、處理可以得出混凝土內部各部位的損傷狀態和缺陷分布規律，進而有效判斷出結構物是否存在裂縫或其他問題。因此，這一技術在橋梁檢測過程中具有非常重要的意義。目前，國內已初步建立了較完整的混凝土結構性能測試體系，并取得了顯著成果。但由于物理量的復雜性以及繁雜等特征，往往在實際工程中，超聲技術只能檢測力學性能，且目前的精確度并不高，只能作為參考。

聲波檢測橋梁的主體結構具有以下優點：首先，檢測速度快。利用聲波作為介質，可同時獲取大量信息。其次，測量精度高。根據不同材料、截面尺寸、受力情況等選取適當頻率的探頭，采集數據并計算出相應值，即可獲得真實結果，無須人工判斷或校正。再次，適用范圍廣。對于各種鋼材亦有良好適用性。最后，造價低廉，作業簡單、方便，易于推廣、實施。

從國內外發展現狀來看，國外已經基本完成了超聲波無損檢測系統的研發工作，而我國尚處于起步階段，主要以現場應用為主。但隨著科技水平的不斷提升，未來將出現更多先進的手段及設備，用于檢測橋梁實體結構的各項指標。這主要是由于其采用了高分子復合材料技術、納米壓敏劑等特殊配方，使得產品具備較好的韌性和彈性；同時，又因為它的硬度遠高于普通聚氨酯膠，因此能夠更好地應用于實際橋梁檢測過程中。而為了確保聲波檢測技術對橋梁具體檢測工作的準確性，試塊等區域也應該保證統一。

3.2 混凝土內部缺陷檢測

如今，混凝土的探傷所用到的無損壞檢測方法主要有超聲脈沖法、雷達法、射線法等。但是，由于雷達技術和射線技術在混凝土無損檢測中的穿透能力有限，且相關的設備、儀器以及后續的維護成本較高，所以并未得到較為廣泛的使用。

超聲波檢測技術在混凝土結構內部缺陷的檢測中獲得了很好的效果。超聲波在混凝土結構內部缺陷檢測上具有較高的靈敏度，可以準確識別出鋼筋和砂漿之間的裂紋。因此，超聲無損技術已成為目前應用最為廣泛、效果最好、發展最快的一項混凝土內部無損探測技術之一。

就聲波探測技術的穿透能力來說，由于采用了聲發射原理，并對聲吶結構等方面進行了改進與完善，其探測穿透能力最大可達到十幾米。就該探測技術的探測方式來看，超聲波遇到缺陷會發生改變，而改變的主要表現是以波的形式作為參數，對缺陷的特性、方位等做出了較為詳細的判斷，從而達到檢測的目的。這種方法也可以在某些特殊環境下使用。

超聲波傳感器是利用聲波測量物體內部溫度、濕度等參數的一種裝置。由于它具有靈敏度高、體積小等特點而被廣泛地應用于混凝土探測等領域中。

4 聲測技術在基樁檢測方面的應用

對于橋梁工程中的基樁完整性檢測來說，聲波投射法的作用不可忽視。因為，施工過程中，容易受各種因素的影響而出現問題，所以為了確保橋梁建設的質量和安全，必須要對其進行檢測分析，以保證工程質量、進度等方面都能得到有效控制，這就要求施工單位及時做好相關工作，提高自身的技術能力，為我國的經濟發展提供有力支撐。

目前，隨著科學技術的不斷進步，超聲波透射法在工程領域中的應用越來越廣泛，它是一種利用聲頻振動原理，將物體內部產生的能量轉換成熱能的物理方法。通過這種方式，可以快速、準確地測量出被測試物內部存在的缺陷或損傷的位置與大小。而且，超聲波具有較強的穿透性，因此也可以用來探測地下結構物內是否有異常物體，并可根據實際情況選擇不同的發射頻率，以便獲得更精準、可靠的數據。

但是，超聲波透射法在實際應用時會遇到很多障礙，包括環境、地質條件、設備本身的性能等多方面因素。這些限制因素不僅會對超聲透射波測厚帶來困難，同時也使得超聲波透射波測厚無法達到預期的目的，嚴重時甚至會造成測厚儀損壞，致使整個系統失效，進而無法保障橋梁樁基的質量。

4.1 超聲波檢測技術在橋梁樁基中的應用

在橋梁樁基的施工過程中，采用超聲波檢測技術會存在較大局限性，以下是對這些常見的技術要點進行的研究整理：

4.1.1 超聲波檢測原理。超聲波監測原理是通過超聲在被測物體表面產生反射或折射，而對被測對象進行探測的一種方法。它能準確反映出被測對象中存在著哪些缺陷，還可以測量各種介質（如水中）中聲波的傳播規律。在具體的檢測過程中，主要以發射超聲波的方法進行作業，對樁基混凝土整體結構中出現的問題進行測定。如果超聲波在計算機中的模擬波動較為均衡，則說明該技術所檢測的結果及內容沒有問題。

4.1.2 優點及局限。就超聲波檢測技術在推進過程中的應用和最后的結果而言，整個探測過程不會對檢測對象造成任何損害，探測的質量和速度令人滿意。除此之外，超聲波檢測技術需要投入的成本較低，所以被諸多工程類行業廣泛應用于檢測中。而且，該技術還可以對厚度較大物體進行檢測，且檢測效果尤為顯著。所以，即使是厚度比較大的樁基也可以利用超聲波檢測技術進行檢測。但是，該技術也存在一定的局限性，檢測結果所獲得的相關參數是基于一定判斷的。

4.2 低應變法在橋梁檢測中的應用

4.2.1 低應變檢測技術的原理及檢測方法是，利用測量儀器產生的微弱信號，通過分析和計算得到物體表面發生的微小變形量。這種方法在工程中應用廣泛，橋梁、隧道等都需要用高精度位移傳感器監測其結構受力狀態及裂縫情況。該技術是一種根據測力元件施加于被測構件上的壓力或拉力大小，將該載荷轉換為電信號，并轉換成電壓輸出的測量方法，它具有精度高、體積小、重量輕、使用方便、操作靈活等特點，主要用于對混凝土材料進行質量控制及檢驗。由于目前我國建筑工程領域還沒有專門針對混凝土強度等級開發的測試系統，因此，采用傳統的人工測試方法無法達到較好的效果。同時，該技術受人為因素的影響大，由此帶來的成本很高。所以，研發新型、高效、經濟可靠、自動化程度更高且滿足不同用戶要求的混凝土力學性能試驗系統尤為必要。

4.2.2 低應變檢測技術的優點及局限：該技術測量精度高，可直接獲得應力和變形的關系曲線，對被測對象無破壞作用。正是因為該技術對測試對象沒有任何破壞，具有很強的實用性，所以在樁基檢測等方面受到了較多青睞。但是，該技術受環境條件影響較大，需要較強的穩定性，且成本高，通常只能用于小零件或微小結構（如彈簧）的測試，且精度不高。此外，該技術不能進行精密加工，在加工過程中容易出現誤差而導致失效，且不適合長期工作，尤其不適合在大載荷下使用。

5 結語

聲波探測技術在橋梁結構的無損檢測中扮演著重要角色。在實際檢測中，應對其結果的精確度和準確性進行嚴格要求。當前，實際工程中的聲波檢測依然是以作業人員的經驗為主，以儀器為輔，距離“淡化作業人員對結果的影響，提高數據的可靠性”這一美好愿景，還有很長的路要走。該技術的未來發展也需要創新和完善，才能更好地服務于社會。