浅谈超声波检测混凝土缺陷的基本原理及主要影响因素

摘要：无损检测技术在桥梁工程中的广泛应用,超声波检测混凝土构件质量技术已被普遍采用。结合多年的工程实践经验论述了超声波的声学原理及其特性、影响因素等,探讨提高超声波检测混凝土质量的相关问题。

Abstract: The nondestructive testing technology has been widely used in bridge engineering, and the technology of testing the quality of concrete structures by ultrasonic has been widely used. Combined with years of practical experience in engineering, this paper discusses the acoustic principle of ultrasonic and its characteristics and influencing factors, and analyzes the ways to improve the quality of ultrasonic testing of concrete.

关键词：超声波；损检测；水泥混凝土；缺陷；基本原理；影响因素

Key words: ultrasonic；loss detection；cement concrete；defects；basic principles；factors

中图分类号：TU37文献标识码：A文章编号：1006-4311（2010）35-0057-01

0引言

在桥梁工程的施工中，水泥混凝土和钢筋混凝土结构物，有时因施工管理不善或受使用环境及自然灾害的影响，其内部可能存在不密实或空洞，其外部形成蜂窝麻面、裂缝或损伤层等缺陷。这些缺陷的存在会严重影响结构的承载能力和耐久性，采用有效方法查明混凝土缺陷的性质、范围及尺寸，以便进行技术处理，混凝土缺陷无损检测技术，大体可分为两大类：一类是机械波法，其中包括超声脉冲波、冲击脉冲波和声发射等；另一类是穿透辐射法，其中包括x射线和中子流等。1982年至1983年期间，水利电力部、建设部先后组织了对超声脉冲法检测混凝土缺陷科研成果的鉴定，使这项技术进入了实用阶段，我国颁布了《超声法检测混凝土缺陷技术规程》，使该项技术规范化，更利于推广应用。

1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。这些声学参数为什么可以作为判定混凝土缺陷的依据，因为超声脉冲波传播速度的快慢，与混凝土的密实程度有直接关系，对于原材料、配合比、龄期及测试距离一定的混凝土来说，声速高则混凝土密实，相反则混凝土不密实。当有空洞或裂缝存在时，便破坏了混凝土的整体性，超声脉冲波只能绕过空洞或裂缝传播到接收换能器，因此传播的路程增大，测得的声时必然偏长或声速降低。另外，由于空气的声阻抗率远小于混凝土的声阻抗率，脉冲波在混凝土中传播时，遇着蜂窝、空洞或裂缝等缺陷，便在缺陷界面发生反射和散射，声能被衰减，其中频率较高的成分衰减更快，因此接收信号的波幅明显降低，频率明显减小或者频率谱中高频成分明显减少。再者经缺陷反射或绕过缺陷传播的脉冲波信号与直达波信号之间存在声程和相位差，叠加后互相干扰，致使接收信号的波形发生畸变。根据上述原理，可以利用混凝土声学参数测量值和相对变化综合分析、判别其缺陷的位置和范围，或者估算缺陷的尺寸。

2超声脉冲波检测混凝土缺陷的方法

水泥混凝土的非匀质特性就决定了其不能像金属探伤那样，利用脉冲波在缺陷界面反射的信号，作为判别缺陷状态的依据，而是利用超声脉波透过混凝土的信号宋判别缺陷状况。一般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。常有的测试方法大致分为以下几种：

2.1 平面测试（用厚度振动式换能器）①对测法：一对发射(T)和接收(R)换能器，分别置于被测结构相互平行的两个表面，且两个换能器的轴线位于同一直线上；②斜测法：一对发射和接收换能器分别置于被测结构的两个表面，但两个换能器的轴线不在同一直线上；③单面平测法：一对发射和接收换能器置于被测结构同一个表面上进行测试。

2.2 钻孔测试（采用径向振动式换能器）①孔中对测：一对换能器分别置于两个对应钻孔中，位于同一高度进行测试；②孔中斜测：一对换能器分别置于两个对应钻孔中，但不在同一高度而是在保持一定高程差的条件下进行测试；③孔中平测：一对换能器置于同一钻孔中，以一定的高程差同步移动进行测试。厚度振动式换能器置于结构表面，径向振动式换能器置于钻孔中进行对测和斜测。

3超声法检测混凝土缺陷的主要影响因素

试验和实践表明，影响超声测缺的主要因素大致有以下几种：

3.1 钢筋的影响：由于脉冲被在钢筋中的传播速度比混凝土中的传播速度快，在发射和接收换能器的连线上或其附近存在主钢筋时，必然影响混凝土声速测量值，其影响程度取决于钢筋相对于测试方向的位置及钢筋的数量和直径。不少研究者的试验结果表明，当钢筋轴线垂直于测试方向。其影响程度取决于通过各钢筋声程之和Ls与测试距离L之比，对于声速V≥4.00km／s的混凝土来说Ls≤1／12时钢筋对混凝土声速的影响较小，―般为l-3％。当钢筋轴线平行于测试方向，对混凝土声速测值的影响较大。为避免其影响，必须发射和接收换能器的连线离开钢筋一定距离。

3.2 耦合状态的影响：由于脉冲波接收信号的波幅值，对混凝土缺陷反映最敏感，所以测得的波幅值是否可靠，将直接影响到混凝土缺陷的检测结果。对于测距一定的混凝土，测试面的平整程度和耦合剂的厚薄，是影响波幅测值的主要原因，如果测试面凹凸不平或粘附泥砂，便保证不了换能器整个辐射面与混凝土测试面的接触，发射和接收换能器与测试面之间只能通过局部接触点传递脉冲波，使其大部分声能被损耗，造成波幅降低。另外，如果作用在换能器上的压力不均恒，使其耦合剂半边厚或者时厚时薄，造成波幅不稳定。这些原因都使测试结果不能反映混凝土的真实情况，使波幅测值失去可比性。因此，要求超声测试必须具备良好的耦合状态。

3.3 水分的影响：由于水的声速和声阻抗率比空气的声速和声阻抗率大许多倍，如果混凝土缺陷中的空气被水取代．则脉冲波的绝大部分在缺陷界面不再反射和绕射。而是通过水耦合层穿过缺陷直接传播至接收换能器，使得有或者无缺陷的混凝土声速、波幅和频率测量值的差异不明显，给缺陷测试和判断带来困难，为此，在进行缺陷检测时，要力求混凝上处于自然干燥状态。

4结束语

影响检测准确性的因素很多，仪器、人员以及检测方法等，在现有仪器设备和检测方法条件下，检测人员的水平和现场条件决定了检测结果的准确度，传统的超声波检测方法不仅工作量大，受制约的条件也较多，探索研究新型的仪器和使用新的方法，达到简单、直观、准确的效果是今后发展的方向。

参考文献:

[1]孟照辉.基桩超声波检测中混凝土缺陷异常信号的识别实例[J].工程地球物理学报，2009，6（5）：580-584.