谈超声技术在混凝土离析检测中的应用

摘要：文章对混凝土离析的原因以及超声技术在在混凝土离析检测中的应用进行了阐述。

关键词：混凝土；离析检测；超声技术

中图分类号：O426文献标识码： A 文章编号：

随着我国交通基础设施及水电能源建设的快速发展，水泥混凝土路面、公路隧道、铁路隧道及大型的水利枢纽等得到了长足的进步，发展速度逐渐加快，并且建设规模逐渐扩大。然而，以上工程特点是水泥混凝土结构具有单一检测表面，使得水泥混凝土板厚度及混凝土强度等指标在施工及运营过程中的检测缺乏有效的手段，这与我国大规模的工程建设和快速的经济发展是不相适应的。因此，急需一种无损的、有效的检测方法及时掌握水泥混凝土板的厚度及混凝土的强度等重要指标。

混凝土混合料的组成成分包括沥青、集料、添加剂和空隙4部分。混凝土的离析是其混合料中组成成分分布不均匀性的综合反映，其中，集料的分布不均匀性又是最主要的因素，因为其他3个组成成分的分布状态是由集料的分布状态所决定的。

1.超声在混凝土检测方面国内外研究现状及分析

早在 20 世纪 30 年代初，人们就开始探索和研究混凝土无损检测技术。1930年，首先出现了表面压痕法。1935 年，Grimet 和 Ide 把共振法用于测量混凝土的弹性模量。1948 年，Schmid 研制成功回弹仪。1949 年，加拿大的 Leslie 和Cheesman、英国的 Jones 等运用超声脉冲进行混凝土检测获得成功。20 世纪 60年代，罗马尼亚的 Facaoaru 提出用声速、回弹法综合估算混凝土强度的方法，为混凝土无损检测技术开辟了多因素综合分析的新途径。60 年代，声发射技术也被引入混凝土检测体系，Rusch 等人先后研究了混凝土的声发射特性。此外，无损检测的另一个分支——取芯法、拔出法、射钉法等半（微）破损法也得到了发展，从而形成了较为完整的混凝土无损检测方法体系。

近年来，随着科学技术的飞速发展，国外在无损检测技术的研究工作突破了原有的范畴。20 世纪 80 年代，雷达扫描、红外热像、冲击回波等大批新技术的涌现，加上多传感器数据融合技术、神经网络技术等人工智能的发展，为无损检测新技术的迅速发展和提高提供了良好的技术支持。

依据无损检测的目的，大致可将无损检测方法分为：混凝土强度检测；混凝土内部缺陷检测，如裂缝、孔洞等；检测几何尺寸，如钢筋保护层厚度等；混凝土强度质量的匀质性检测与控制；建筑热工、隔声、防水等物理特性的检测。

我国在这一领域的研究工作始于 20 世纪 50 年代。其间，开始引入国外的回弹仪和超声仪，并结合工程应用开展了研究工作。60 年代初，开始批量生产回弹仪，70 年代以后，广泛进行了混凝土无损检测技术的研究与应用。80 年代以后，混凝土无损检测技术在我国得到快速发展，并取得一定的研究成果。

除超声、回弹等无损检测方法外，还对钻芯法、后装拔出法等进行了研究，并相继制订了一系列有关混凝土无损检测的技术规程。在实际应用方面，超声检测混凝土灌注桩取得了重要的进展。90 年代以来，雷达技术、红外成像技术、冲击回波技术等进入实用阶段。同时，超声波检测仪器也由模拟式发展为数字式，且在对超声的结果分析技术上，由经验性判断上升为数值判据，为检测的实用性与准确性提供了基础。

在超声波检测仪研制方面，我国取得了很好的研究成果，如北京市政工程研究院研制的 NM-2A 型非金属超声检测分析仪，该仪器以 PC386 计算机为核心，成为程控放大、数据采集、自动检测、结果分析、显示打印、数据输入、输出为一体的智能化仪器。该仪器配有高速数据采集及 A/D 转换系统，大动态范围的程控放大、衰减系统，可自动完成对信号首波幅度可调的闭环控制全过程，通过程序控制的首波声时值的自动检测，实现了检测、记录、存储、数据分析与结果输出的全部自动化。

超声法在灌注桩检测方面比较成熟并有相应的检测规程，因可以采用对测法，纵波信号比较强，效果较好。并且，随着数字化超声仪的研制成功，结合先进数学方法，使得超声在灌注桩质量检测中得到了较大的发展。

然而，由于在具有单一检测表面的水泥混凝土结构中，只能采用平测法进行检测，并且表面波、横波先于反射波到达，则反射波起跳点会淹没，故无法识别反射波到达时间，也就无从对其进行检测。基于以上原因，应用超声法检测水泥混凝土板的结构指标一直是一个难以解决的问题。

2 超声测缺和测强原理

超声测缺的基本原理：超声波在不同介质中传播时，会产生反射、折射、散射、衍射和衰减等不同的现象，使得接收换能器的超声波接收信号的声音，振幅，波形或频率，相应的发生变化，根据变化可得知某些方面的具体材料的性质和结构的情况下的内部结构。

超声测强的基本原理：混凝土超声传播速度是一般4.0〜5.0公里/ s之间变化，混凝土抗压强度与此速度的相关性很好。混凝土强度高，声音的速度越快。

3离析程度判定标准

对于离析的判别，目前我国尚无明确的质量标准，我国交通部公路科学研究院的沈金安教授提供了如下建议：

（1）施工过程中采用红外温度探测器检测的温度差不应超过20℃；

（2）核子密度仪检测的密度差不应超过0．0759／cm3(大体上相当于空隙率相差3％1：

（3）构造深度的最大值与平均值之比不应超过1．5，如果超过上述界限，离析及不均匀性就比较严重了。

对于离析程度的明确分类，美国国家沥青研究中心(NcAT)提出了四种离析情况，即未离析、轻度离析、中度离析和重度离析，并提出依构造深度比作为判断沥青路面离析的指标，采用激光纹理构造深度仪作为检测手段。

某建筑地下1层、地上15层，施工至地上12层时, 发现该层新浇注的部分框架柱和剪力墙 ( 该层墙柱的设计混凝土强度等级均为C35) 的表面产生蜂窝和麻面现象, 考虑到工程现场表面有缺陷混凝土构件数量多, 混凝土施工养护龄期短( 仅7天) 的特点, 现场采用超声对测法对上述表观有缺陷混凝土构件和相对完好混凝土构件进行现场检测, 通过比较分析确定该现象的性质, 并通过混凝土强度回弹与部分构件钻芯法结合的方法评定有缺陷构件的混凝土强度。超声检测的主要工作如下:

2.1 选定检测构件, 在构件相对两面布置间距10cm～100cm的方格网。

2.2 保证测点表面平整, 不平整的地方应适当打磨, 或用快硬砂浆或石膏抹平。

2.3 各测点上抹上耦合剂(黄油或浆糊)。

2.4 量测构件沿超声波发射方向的实际厚度。

2.5 对各测点进行超声检测, 逐点测量声时、振幅及频率值。

4 超声数据分析方法

超声测缺数据主要采用概率法进行分析处理。概率法的基本假定如下:

3.1 正常混凝土质量的波动是由偶然误差所引起, 偶然误差的分布符合正态分布。

3.2 正常混凝土的声学参数也符合正态分布。

3.3 缺陷是由过失误差引起的。它的分布不符合正态分布。

3.4 判断缺陷就是要定出一个临界值。凡低于界限值就是缺陷可疑点。

当从母体上随机抽取足够数量的样品测量( 即在结构物上按网格测量多个测点) 后, 根据数理统计学原理, 对各测点混凝土声学参数测量值Xi进行处理以计算出各测值的平均值mx和标准差Sx。按下式计算出缺陷临界值。

Xo=mx- λ1Sx

超声测强数据采用混凝土强度与声速的通用曲线方程进行换算分析:

fecu=a·(vi)b·(Ri)c

式中fecu测区混凝土强度换算值(MPa); vi: 测区声速值(km/s); Ri: 测区回弹值

5 超声数据分析结果

超声数据分析如表1和表2所示。

表1 超声波测缺数据分析

表2 超声回弹综合法测强数据分析

结语

采用超声测强和测缺法对混凝土离析进行判断和混凝土强度评定具有方便、快捷、有效的特点, 在工程中得到了日益广泛的应用。

参考文献：

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[2]马振波, 董建雄.超声波测定混凝土结构强度及厚度.工程地球物理学报.2005,6(2):437~441

[3]刘镇清, 刘骁.超声无损检测的若干新进展.无损检测. 2000,22(9):403~405