超声波无损检测在混凝土缺陷评定中的应用

摘要：阐述了其作为无损评定的特点，着重介绍了超声无损检测混凝土内部空洞的方法和应用, 并指出其在具体检测过程中的注意事项及影响因素。

关键词：超声波 无损检测 混凝土 空洞

1、引言

混凝土是结构工程最重要的材料之一，长期以来一直被用在大型的水利和土建等工程项目中，因此，对混凝土结构的相关指标评估成为一个非常重要的关注点。混凝土超声波探伤是以无损检测的手段，确定混凝土内部缺陷的存在位置大小和性质的一项专门技术，作为先进的无损检测技术，超声波检测也越来越深入地被应用到混凝土的探测过程中。

2、超声波检测混凝土缺陷的基本原理

超声脉冲波检测结构混凝土缺陷的基本依据是利用脉冲波在技术条件相同的混凝土中传播的时间或速度、接收波的振幅和频率等声学参数的相对变化，来判定混凝土的缺陷。声波脉冲在混凝土内传播的过程中，由于混凝土的声阻抗率远远地大于空气的声音阻抗率，在遇到空洞以及裂缝的时候，会在有缺陷的地方发生散射以及反射，这样就会导致声能的降低和衰减；另外，绕过裂纹和缺陷的反射信号和散射信号与直接到达的信号间会有比较大的相位差异和声程差异，并且由于这些反射和折射信号之间相互叠加与干扰，更会产生畸变的波形。基于以上原理，就可以在分析声学参数和参数的相应变化的基础上，判断和分辨混凝土中缺陷的范围及准确位置。

3、混凝土不密实区与空洞的检测

根据被测结构或构件的形状、尺寸及所处环境，确定具体测试方法。常用的有对测法和斜测法，结构具有两对互相平行的测试面时可采用对测法，在测区的两对相互平行的测试面上，分别画出等间距的网格(网格间距：工业与民用建筑为100～300mm，其他大型结构物可适当放宽)，并编号确定对应的测点位置。

4、数据处理及判定

测位混凝土声学参数的平均值( )和标准差( )应按下式计算：

式中 —第点的声学参数测量值 —参与统计的测点数

异常数据可按下列方法判别[2]：

1、将测位各测点的波幅、声速或主频值由大至小按顺序分别排列，即X1≥X2≥…≥Xn≥Xn＋1…，将排在后面明显小的数据视为可疑，再将这些可疑数据中最大的一个(假定Xn)连同其前面的数据按技术规程第6.3.1条计算出mx及Sx值，并按下式计算异常情况的判断值(Xo)：

将判断值（Xo）与可疑数据的最大值(Xn)相比较，当Xn不大于Xo时，则Xn及排列于其后的各数据均为异常值，并且去掉Xn，再用X1～Xn-1，进行计算和判别，直至判不出异常值为止；当Xn大于Xo时，应再将Xn+1放进去重新进行计算和判别；

2、当测位中判出异常测点时，可根据异常测点的分布情况，按下式进一步判别其相邻测点是否异常： 或

式（1）、（2）中 、 、 取值参见《超声法检测混凝土缺陷技术规程》(CECS21-2000)表6.3.2

5、工程实例

西安某酒店宴会厅位于地下一层，高约11米，宽约34米。局部的建筑结构体系为型钢混凝土框架结构，型钢混凝土梁高2.4m，梁宽1.1m,混凝土设计强度为C50。在宴会厅的施工过程中，发现已浇注完成的某1-H轴型钢混凝土梁腹板下侧存在空洞，并进行了压力灌浆修补。考虑到上述大跨度型钢混凝土梁承受较大荷载，为确保结构的安全性，须对上述型钢混凝土梁进行检测，以了解这些结构构件内部是否仍存在不密实区和空洞。

依据《超声法检测混凝土缺陷技术规程》(CECS21-2000)。考虑所检测对象的结构和构造特点，所确定的超声法测点网格间距为200mm，如图1所示，检测采用对测和斜测相结合的方法,最后用钻孔法取样，验证检测结果的准确性。为了保证换能器整个辐射面与混凝土表面接触良好，采用黄油作为耦合剂。

图1 1-H轴梁测点布置图（mm） 图2 钻孔内部图片

考虑到被检测型钢混凝土梁中型钢下翼缘和梁底纵向钢筋对超声测值的影响，将板底向下第1排至第7排测点范围作为第1测区，将板底向下第8排至第10排测点范围作为第2测区。检测结果如下：

(1)第1测区测点数据统计分析结果

超声波声速均值：4274.9 m/s

超声波声速标准差：441.0 m/s

最终判断值：3176.8 m/s

测区内测点最小声时：2919.3 m/s

（2）第2测区测点数据统计分析结果

超声波声速均值：4714.0 m/s

超声波声速标准差：297.7 m/s

最终判断值：4120.8 m/s

测区内测点最小声时：3816.8 m/s

根据上述对测点声速数据的处理结果发现，第三排和第八排测点均存在若干声速异常的测点，分别位于第一测区和第二测区。为了对以上超声检测结果进行验证, 根据所测数据分析确定的缺陷位置, 用钻孔法在缺陷点处钻孔取样验证混凝土内部缺陷，通过内窥镜查看钻孔内部情况，如图2所示，可以明显看出混凝土内部存在空洞。分析其原因，主要是该部位位于型钢翼缘的下部，浇筑时由于振捣不密实所致。

结语：根据本次现场超声检测型钢混凝土混凝土梁内部缺陷以及钻孔实际检验, 可以看出: 采用本文所述的检测方法用声波参数, 主要声速和频率, 结合波形来判断大型框架结构缺陷位置是可行的。用超声法来评定结构中混凝土的缺陷, 是一种行之有效的方法, 但在有些方面还需要进一步完善和发展, 比如数据采集精度有待提高、仪器所检测的声学参数也应多样化。超声法对混凝土材料进行无损评定是一种非常有潜力的检测手段, 有着广阔的发展空间, 它需要许多的科学工作者去不断的加以完善和创新, 以更好的服务于工程事业。

参考文献:

[1]刘亚南,混凝土超声无损检测技术的应用[J]；土工基础，2007,8

[2]黄湘平,史承明 超声波检测混凝土不密实区和空洞[J]；陕西工学院学报, 2005, 21(2): 59-61

[3]超声法检测混凝土缺陷技术规程(CECS21: 2000)[S]1北京: 中国建筑工业出版社, 20001