水工混凝土結構檢測方法對比分析

朱 然

(萍鄉市禹建水利水電質量檢測有限公司，江西 萍鄉 337200)

水工混凝土結構建筑材料主要由水泥、砂、碎石和水等材料組成，具有良好的抗壓和抗拉性能，能夠有效地抵御水的侵蝕和破壞。然而，由于長期受到水的浸泡和環境的影響，這種結構也容易出現裂縫、腐蝕和變形等問題，影響其正常使用和安全性。為了及時檢測和修復這些問題，水工混凝土結構檢測技術應運而生。然而，由于其特殊的工藝性質和施工特點，水工混凝土結構很容易受到各種因素的影響，如水泡、氣孔和裂縫等。因此，選擇恰當的檢測方法變得尤為重要。

目前已經有學者在水工混凝土檢測方法方向開展了相關研究，謝慧才等[1]采用透視雷達對混凝土結構中孔洞和裂縫等缺陷進行了探測，通過試驗模擬分析得到了更清晰的缺陷位置，提高了圖像解釋的準確度；許鑫浩等[2]對比了傳統超聲檢測法與相控陣列超聲檢測法在混凝土內部空洞檢測方面的精度，結果表明相控陣列超聲檢測法更優；楊杰等[3]通過試驗研究混凝土內部缺陷CT圖像的影響，發現超聲波CT可以精確、直觀地檢測混凝土內部缺陷；胡繞等[4]采用地震數據處理中的多次疊加和克希霍夫偏移技術進行成像，對大型混凝土道床模型進行檢測，并與商業合成孔徑聚焦技術成像結果相比；李華良[5]采用相控陣超聲成像技術對上海某工程塔樓的鋼管混凝土結構進行了無損檢測，結果表明此技術可反映混凝土澆筑質量，為評價施工質量提供了依據；陳積樂等[6]的研究結果表明曲面陣列在小徑管超聲檢測中具有更高的信噪比和更好的成像效果。

在現有研究成果中多數學者僅采用一種檢測方法進行分析，而對于不同檢測方法檢測結果的對比分析的研究不多，因此本研究設計了用以檢測的混凝土試件，其上打出2個空洞，使用4種不同的無損檢測方法進行檢測，研究結果為更好地解決水工混凝土結構的工程問題和實踐應用提供支持。

1 試驗模型

為了對比和分析常用的水工混凝土結構檢測方法，制作了一個素混凝土平臺，平臺的長寬高為1.8m×0.6m×0.6m，所用混凝土強度等級是C30。對混凝土試件進行養護后，在試件上鉆了2個空洞進行檢測，其中，一個空洞的直徑為6cm，深度為40cm，另一個空洞的直徑為4cm，深度為20cm。混凝土試件及孔洞布置信息如圖1所示。

圖1 混凝土試件及空洞布置圖(單位：cm)

2 檢測方法

2.1 聲波法

聲波法被廣泛用于水工混凝土結構的無損檢測，通過在表面施加刺激來產生聲波，通過觀察和分析反射回來的聲波信號來確定混凝土結構的損傷情況。聲波法通常被用于檢測混凝土結構中的裂縫、空洞、蜂窩、缺陷和松散部位等問題。聲波的傳播速度和反射特性可以揭示混凝土結構中的密度和堅固程度，因此在聲波檢測中，通常會測量聲波的傳播時間、幅度和頻譜，確定混凝土結構的性質和損傷程度。

在試驗過程中，選取兩個面進行測試，用對測法探測空洞。選定的測試表面上繪制一個網格，相鄰網絡之間的距離為0.1m。沿著測試區域的網格的水平編號由數字表示，網格的垂直編號由大寫字母表示，圖2顯示了網格布局和編號。將發射換能器和接收換能器放置在待測點上，對該點的聲音時間和速度值進行測量和記錄，觀察波幅的變化。發現異常點之后，需要對數據進行進一步分析和計算，確定缺陷的大小和深度[7-8]。

圖2 網格布置圖

2.2 聲波CT法

聲波CT法是一種非損傷性檢測水工混凝土結構的方法，它利用超聲波在不同介質間的速度不同來描繪被檢測物的內部結構。具體來說，聲波CT法使用超聲波傳感器從不同方向對被檢測物進行掃描，通過計算機處理和分析信號來生成二維或三維的圖像，并通過不同顏色和灰度值來顯示被檢測物內部的結構變化，如裂縫、空洞、水泡、銹蝕等。

在試驗時每4cm設置一個發射器T，總共有32個測點，長度為60cm。每個接收點R的放置位置與發射器T在一條直線上。從發射器的1#點開始逐一發射，在接收器的1#～16#點按順序接收，從而進行檢測，直到所有15個發射點測試完畢，共計256次，如圖3所示。檢測過程結束后，對每個測點的聲音時間和聲音速度值進行逐一研究和分析。

圖3 檢測示意圖

2.3 超聲相控陣法

超聲相控陣法使用超聲波來探測結構內部的缺陷和損壞，該方法的工作原理是在結構表面放置一個多通道探頭，并向結構內部發送超聲波。超聲波在結構內傳播并反射回來到探頭上，探頭根據反射的超聲波信號計算探測到的缺陷的深度、大小和位置等，然后將這些數據轉換為圖像顯示。

選取了3×8相控陣干耦合換能器進行聲波發射和采集。通過反復檢測異常圖像，直至圖像清晰，并且混凝土中的空洞明顯可見，以實現對混凝土結構的無損檢測。

2.4 探地雷達法

探地雷達法常用于檢測結構下方地層和結構底部的缺陷，如蜂窩、空洞、裂縫等。該技術利用電磁波的反射和散射來檢測結構內部和下方地層的物理性質和缺陷，通過將電磁波發送至地下，當電磁波遇到地下媒介的不同界面，如水泥混凝土與空氣、水、裂隙、蜂窩等缺陷界面，會產生反射、折射和散射。探測器接收回波并將其轉換為數字信號，在數據處理單元中計算出圖像或剖面圖像。由于地下媒介的特性可能不同，探地雷達可用于監測不同媒介，包括土壤、砂、巖石、泥漿和水體等。

選擇了中心頻率為2600MHz的天線并設置采樣長度為1.3m，在平臺上設置了4條測量線，這些測量線都面向平臺的y方向，相互間隔為10cm。如圖4所示。

圖4 測量線布設圖

3 研究結果

3.1 聲波法

采用聲波法檢測空洞缺陷，沿著測點方向對每個測點逐一進行聲速測量。分析表1數據可知，A4、B4、C4三個測點的聲速值明顯低于其他位置，這3個測點與孔1對應。在檢測過程中，未發現孔2對應的異常測點。此外，增加了一條測量線9，將其放置在測量線6和7之間的孔2位置處進行實際測試，測得不同測點的聲速值：A9∶4.135km/s、B9∶4.150km/s、C9∶4.166km/s、D9∶4.150km/s。

表1 聲速表

使用空洞半徑計算公式計算空洞的直徑和面積，結果表明，孔1和孔2的面積分別偏差160%和155%。只選取了一對檢測面進行測量，這樣無法準確估計空洞和檢測面之間的距離，導致測量數據不準確，同時，當測點位置過于松散時，也容易漏測孔洞。因此，在實際工程中，為了確保檢測結果的準確性，需要合理的增加測點密度。

3.2 聲波CT法

用聲波CT法進行檢測，每個測量點進檢測3次，匹配三個數值后再進行下一個測量點的檢測，從而使誤差最小化。在檢測過程中，孔1和孔2位置均出現了低速區，但是存在2個孔相互干擾的問題，因此對孔2進行堵塞，每隔4cm重新排列孔1的測點，共20個測點。檢測結果見表2，1#空洞的探測埋深為41.2cm，探測尺寸為36.74cm2；2#空洞的探測埋深為21cm，探測尺寸為16.96cm2。1#空洞的埋深誤差為3%，探測尺寸誤差為30%；2#空洞的埋深誤差為5%，尺寸誤差為35%。因此，聲波CT法對埋深的檢測精度較高，但存在局限性，無法檢測出尺寸小于測量點間距的缺陷。

表2 聲波CT法檢測結果

3.3 超聲相控陣法

表3為超聲相控陣法檢測結果，1#空洞的探測埋深為48cm，埋深誤差為20%，探測尺寸為33.62cm2，尺寸誤差為18.98%；2#空洞的探測埋深為23cm，埋深誤差為15%，探測尺寸為14.32cm2，尺寸誤差為14%。與孔1相比，孔2的檢測精度更高，表明超聲相控陣法檢測精度受埋深影響，埋深越淺，精度越高。

表3 超聲相控陣法檢測結果

3.4 探地雷達法

探地雷達法可以實時顯示檢測結果，但是在檢測結果中僅有空洞埋深的數據，沒有空洞尺寸的檢測結果。根據表4可知，1#空洞的探測埋深為40cm，與實際埋深的誤差為0；2#空洞的探測埋深為20.4cm，與其實際埋深相差2%。探地雷達法在檢測缺陷深度時與其余幾種方法相比準確度更高，但是其采用單面掃描的方式進行測試僅能檢測空洞的埋深，無法確定孔的大小。

表4 探地雷達法檢測結果

4 結語

本研究制作了混凝土試驗平臺，使用不同的無損檢測方法對其進行檢測，分析各種方法的優劣。結論如下：

(1)探地雷達方法在定位精度方面表現出色，可以實現較高的檢測準確度。超聲相控陣法檢測缺陷時，缺陷的深度會影響檢測精度。對于較淺的缺陷，檢測結果的誤差較小。聲波CT法具有更高的埋深檢測精度，但無法檢測出尺寸小于測量點間距的缺陷。

(2)超聲相控陣法能夠實現較高的缺陷尺寸檢測精度，適用于檢測埋深小的缺陷。但使用聲波法的缺陷檢測結果與實際相差較大。成像效果容易受到缺陷位置和大小的影響，可能導致偽影出現，尤其是對于小于測量點間距的空洞的成像效果不好。