超聲波技術在混凝土結構缺陷檢測中的應用與優化

原心紅 王剛

摘 要：本文重點探討了超聲波技術在混凝土結構缺陷檢測中的應用。本文首先對超聲波檢測混凝土結構缺陷的原理進行了分析，然后對現階段常用的超聲波技術進行了總結，比如超聲脈沖法、超聲回彈綜合法等檢測方法，最后結合具體工程實例分析了超聲波技術在混凝土結構缺陷檢測中的應用，并進一步探討影響超聲波技術應用效果的因素和優化措施，以供參考。

關鍵詞：混凝土結構缺陷；超聲波技術；優化措施

1 前言

利用超聲波技術檢測混凝土結構的內部缺陷，能夠清楚反映鋼筋混凝土結構內部各種不同程度的缺陷情況，哪怕是在復雜內部結構的情況下，也能夠準確快速地完成混凝土內部結構情況的檢測識別，為混凝土質量評估提供依據參考。因此，在現階段需要加強對相關技術要點的研究和應用，不斷提高超聲波技術應用效果，為混凝土工程質量的提升做出貢獻。

2超聲波技術檢測混凝土結構缺陷的原理

超聲波檢測技術主要是利用超聲波在混凝土中的傳播特性來實現對結構缺陷的檢測和識別。超聲波在混凝土中的傳播速度與混凝土的密實度直接相關，混凝土的結構密實度和均勻性越好，超聲波受到的阻礙也就越小，傳播速度也就越快。反之，如果混凝土中存在空洞、裂縫等缺陷，超聲波的傳播速度就會降低。其原因是超聲波在混凝土缺陷處會發生反射、散射和繞射等現象，這些現象會導致超聲波的能量衰減和傳播路徑的改變[1]。超聲波檢測混凝土結構缺陷的原理如圖1所示，其中黑色橢圓和圓狀物代表了混凝土中的空洞，當超聲波遇到空洞或者裂縫時，一部分能量會被反射回來，一部分能量會繞過空洞繼續傳播，而另一部分能量則會被空洞吸收，能量的變化是通過超聲波聲學參數的變化進行反映的，比如超聲波的波幅、頻率等參數。與此同時，超聲波在混凝土中的傳播還會受到混凝土內部骨料、界面和其他微觀結構的影響。因此，通過測量和分析超聲波的傳播速度、波幅和頻率等聲學參數，可以推斷出混凝土的密實度、均勻性以及其他物理性能。

3超聲波技術在混凝土結構缺陷檢測中的應用優勢

超聲波檢測作為一種非破壞性檢測方法，其最大的優勢在于無需破壞混凝土結構就可以直接進行混凝土內部缺陷的檢測，能夠有效確保重要建筑和設施的完整性。與此同時，超聲波技術具有非常高的檢測精度，即便是緊貼在混凝土表面的細小裂紋，也可以通過超聲波檢測技術進行精準識別，尤其對于混凝土內部的空洞、裂縫等缺陷，可通過超聲波技術進行精確的定位和定量分析，為混凝土結構質量評定提供詳細的信息，確保混凝土工程施工質量。

4混凝土結構缺陷檢測中常用的超聲波技術

4.1超聲脈沖法

超聲脈沖法作為混凝土結構檢測中的常用方法，其主要是利用了超聲波在混凝土中的傳播特性。當超聲波發射器釋放出的高頻聲波遇到混凝土內部的缺陷、界面或不同材料時，聲波會發生反射、折射和散射現象。這些變化都會被接收器捕捉到，進而通過處理軟件呈現為圖像或數據。在具體檢測過程中，檢測人員需要先在混凝土表面涂抹耦合劑，確保超聲波能夠順暢地進入混凝土內部。之后再通過移動超聲波探頭對混凝土結構進行全方位的掃描。在掃描過程中，超聲波設備會實時記錄聲波的傳播時間、振幅和頻率等參數，這些參數的變化都與混凝土內部的狀況密切相關。超聲脈沖法不僅不會對混凝土結構進行破壞，還能夠詳細檢測混凝土的內部情況[2]。例如，通過分析聲波的傳播速度，可以推斷出混凝土的密實度和均勻性；聲波的反射和散射情況能夠揭示出混凝土內部存在的裂縫、空洞或夾雜物等缺陷。但是，超聲脈沖法在實際應用中也存在一定的局限性，由于混凝土的組成復雜且不均勻，其聲學特性會受到多種因素的影響，如含水量、骨料分布、溫度以及齡期等，這些因素的變化都會影響檢測結果的準確性。因此，在使用超聲脈沖法檢測混凝土結構時，必須充分考慮這些因素的影響，并結合實際情況進行適當的修正和校準。

4.2超聲回彈綜合法

超聲回彈綜合法建立在超聲波技術和回彈檢測方法的基礎之上。回彈法是通過回彈儀來測量混凝土表面的硬度，進而推斷其抗壓強度，而超聲波技術能夠深入檢測混凝土內部結構情況。在超聲回彈綜合法中，檢測人員首先使用回彈儀對混凝土表面進行多點測量，檢測混凝土的回彈值，然后再在同一位置上，通過超聲波設備檢測混凝土結構的內部情況，回彈值能夠反映混凝土表面的硬度和密實度，而超聲波傳播速度能夠揭示混凝土內部的均勻性和存在的缺陷，兩個參數結合就能夠更全面地反映混凝土的質量和強度[3]。超聲回彈綜合法的檢測精度高，測試速度也非常快。但是，混凝土自身的齡期、含水率等也會影響最終的檢測結果，因此，在檢測過程中也需要及時進行修正調整。

4.3相控陣超聲波檢測方法

相控陣超聲波檢測方法是超聲檢測技術的一種，該方法是通過多個小型超聲波換能器（探頭）組成的陣列，來檢測混凝土結構的缺陷。每個探頭都可以獨立地發射和接收超聲波信號，在測量過程中需要精確控制每個探頭的發射時間和相位，這樣就可以通過超聲波束對混凝土結構進行全方位的掃描。相控陣超聲波檢測能夠生成高分辨率混凝土結構圖像，可以更準確地檢測和定位缺陷。

5超聲波技術檢測混凝土結構缺陷的實例分析

5.1工程概況

某建筑工程中框架結構采用鋼管混凝土結構，鋼管混凝土結構截面如圖2所示，為弧形結構，混凝土齡期為八周，外界溫度平均值為22℃。

5.2檢測方案

為了全面評估混凝土結構的性能，分別用三種不同頻率檢測混凝土在不同深度時的結構情況，然后再結合聲波散射衰減法計算對應的結果。其中30 m位置采用的檢測頻率為0～10 Hz，60 m位置采用的檢測頻率為10 Hz～20 Hz，90 m位置采用的檢測頻率為20 Hz～30 Hz，持續檢測一周，采集相關數據。

檢測中所采用的超聲檢測分析儀的相關參數如下：

聲時測度精度 μs±0.02；聲時測度范圍0～1280000μs；接收靈敏度 μv≤5；最大發射電壓 V≤1200。

5.3檢測及結果分析

對檢測一周所獲得的數據進行統計和分析，將各頻率范圍內混凝土結構中的缺陷數量及范圍繪制成折線圖，如圖3所示。其中，散熱系數與缺陷范圍的大小成正比，系數越大，說明缺陷所覆蓋的范圍越大。結合圖3可知，缺陷數量基本在0～5個之間波動。

進一步檢測不同頻率以下混凝土內部結構缺陷的復雜程度，所得到的結果如圖4所示。分析圖4可知在60 m～90 m范圍內，聲波衰減系數的值最大，在20～45之間，并且存在非常大的波動變化；深度在30 m～60 m范圍內，系數在10～20之間；0～30 m之間的聲波衰減系數基本維持在10左右。聲波衰減系數與內部結構的復雜程度直接相關，衰減系數的增加則表明內部結構的復雜程度也在進一步提升。

6影響超聲波技術應用效果的因素和優化措施

6.1影響超聲波技術在混凝土結構缺陷檢測中應用效果的因素

影響超聲波技術檢測結果的因素，具體有以下幾點：

（1）構件的形狀、尺寸及檢測點間。超聲波在傳播過程中的指向性較差，需要以換能器為中心呈球面波形式傳播，所以受檢測點的影響非常大。同時，混凝土中存在大量不同的界面，而界面主要受混凝土構件的形狀、尺寸影響，這就導致超聲波在傳播過程中發生復雜的反射和折射，彼此相互干擾和疊加，并形成較大的漫射聲能，影響超聲波檢測結果。（2）混凝土材料的自身特性。混凝土的水泥種類、水灰比、骨料級配、抗壓強度等都會對超聲波在混凝土中的傳播速度產生影響，混凝土的密度和抗壓強度越高，超聲波在混凝土結構中的傳播速度越快。（3）鋼筋。在鋼筋混凝土結構中，需要根據建設要求設置多根鋼筋，鋼筋對超聲波的傳播速度也有較大的影響。在不同配筋設計下，超聲波的傳播會出現不同變化，尤其在鋼筋軸線與測試方向平行時，對混凝土聲速測值的影響較大。為避免這方面的影響，必須確保發射和接收換能器的連線和鋼筋有一定距離。（4）耦合狀態和接頭按壓力度。脈沖波接收信號的波幅值對混凝土缺陷的反應最為敏感，因此，檢測所得到的波幅值的準確性直接影響著混凝土缺陷的檢測結果。但是，在具體檢測中經常會出現耦合劑不統一或者接頭按壓力度相同的情況，這就會影響最終的波幅值。耦合劑的作用在于填充超聲波探頭與混凝土表面之間的微小空隙，確保超聲波能夠順暢地從探頭傳入混凝土內部。如果缺少耦合劑或使用了不合適的耦合劑，超聲波在傳播過程中就會遇到阻礙，導致聲波能量損失、傳播速度變化或波形畸變，從而影響檢測結果的準確性。如果按壓力度不一致，就會導致探頭與混凝土表面之間的耦合狀態發生變化，進而影響超聲波的傳播效果。

6.2優化超聲波技術監測混凝土結構缺陷的措施和建議

為了提高超聲波檢測的精度和準確度，在超聲波檢測技術應用過程中，需要圍繞以下幾點進行優化改進：

（1）預先檢測鋼筋位置及保護層厚度。由于混凝土構件中可能含有鋼筋，而超聲波在不同介質中的傳播速度存在差異，又同時受鋼筋數量和混凝土級配的影響，檢測時在鋼筋周圍可能形成一定的空洞區域。因此，在進行超聲波檢測之前，建議先對鋼筋的位置和保護層厚度進行檢測，這樣可以避免鋼筋對檢測數據造成干擾，顯著提高檢測結果的準確性。

（2）合理設置檢測點間距。檢測點的選取和間距設置對檢測精度有直接影響。根據經驗，檢測點間距通常是超聲波波長的2～5倍，才能滿足檢測精度的要求。在實際操作中，檢測人員應結合混凝土構件的截面尺寸來合理確定檢測點的間距，確保檢測結果的可靠性。

（3）擴大檢測區域。為了提高檢測結果的準確性和全面性，在檢測過程中，可以結合實際情況擴大檢測區域，從而更加全面地評估混凝土結構的整體狀況，提高檢測的準確性。

（4）調校檢測設備。在進行超聲波檢測之前，檢測人員需要對所有設備進行調校，確保設備的精度和準確度，避免因設備精度問題而影響檢測結果的準確性和有效性。

（5）統一耦合劑和接頭按壓力度。在進行超聲波檢測時，檢測人員需要保持一致的按壓力度，確保探頭與混凝土表面之間形成良好的耦合狀態。同時，還需要采用相同的耦合劑，為檢測工作的開展奠定良好基礎。

7結論

綜上所述，超聲波技術在混凝土結構缺陷檢測中具有顯著的優勢和良好的應用效果。通過超聲脈沖法、超聲回彈綜合法等檢測方法，能夠準確、快速地評估混凝土結構的質量和強度，為工程建設和混凝土結構維護提供支持與幫助。

參考文獻

[1]羅洋.混凝土橋梁檢測中超聲波技術的實踐應用[J].北方建筑，2023，8（05）：14-18.

[2]翁志強.基于超聲波檢測的混凝土抗壓強度研究[J].江西建材，2023（03）：52-55.

[3]羅宏.橋梁混凝土樁基檢測中超聲波檢測技術的應用[J].工程建設與設計，2022（06）：171-173.