超声波在混凝土检测中的应用

郭 强

(巴州水利水电勘测设计院，新疆库尔勒 841000)

混凝土在现代建筑工程中起着不可忽视的重要作用，因为其具有较好的可塑性和稳定性，已经成为现代建筑工程的主要材料。在水利工程中，混凝土结构所占的比例较大，往往担负着重要的工程任务，并且部分混凝土结构长年处在水环境中。在这种情况下，混凝土结构通常会受到原材料、施工质量和环境等因素的影响，导致其出现各种缺陷问题，进而对水工建筑的整体结构造成一定危害和安全隐患，甚至可能造成更大的经济损失。因此，对混凝土结构进行科学的检测非常必要。

1 超声波混凝土检测的原理

超声波无损检测技术，主要是基于声学参量与混凝土的力学特征，将两者联系在一起形成一项具有较强科技性和实用性的检测技术。利用超声波对混凝土结构进行检测，主要是依据脉冲波在混凝土中的传播时间或速度、接收波的振幅及频率等声学参数，对混凝土的内部缺陷问题进行判断。因为混凝土的主要材料为水泥、碎石和砂子，这些是非均匀复合材料，大多具有多孔性和弹塑性，当超声波在其中传播时，会产生一系列的反射、折射以及透射等声学现象。在传播过程中，超声波的能量会大量衰减，尤其是其中的高频部分。在混凝土无损检测中，影响和干扰超声波传播速度的因素有很多，主要是混凝土内部钢筋的布置方向、混凝土骨料的类型、各种骨料的含量，以及骨料的粒径、混凝土的配合比、混凝土的使用时间和强度等。超声波在混凝土内部的传播路径要得到精确的显现是不容易的，其主要原因是混凝土内部每一个随机分布的小孔隙和材料表面都会产生非常复杂的反射、折射或者透射等现象。通常情况下，在超声波检测过程中，我们只能从宏观上将混凝土内部存在的一定尺度的缺陷体看作是异常体，并通过观察超声波在此类异常体内的表现来判定混凝土内部的具体质量问题。

2 超声波检测混凝土的特点

超声波的一般振动频率在20kHz以上，其常用的工作频率为0.4～5MHz，通常对粗晶材料和衰减较大材料进行检测时，使用的是较低的频率;对细晶材料或者灵敏度较高的材料进行检测时，使用的是较高的频率;而对于一些有着特殊要求的检测，则超声波的工作频率可达到10～50MHz。近年来随着科技的不断进步，一些宽频窄脉冲技术逐渐被应用，有些超声波的频率已经达到了100MHz以上。采用超声波技术对水工建筑混凝土结构进行无损检测时，频率越高，指向性能就越好;由于超声波的传播能力强，对各种混凝土结构中的材料具有一定穿透能力，且因其声速、衰减、阻抗和散射等声学特征，为超声波在混凝土检测方面提供了丰富的检测信息;超声波还具有较强的适应性和较高的灵敏度，而且它还具有一定的环保性能，具有检测设备轻便、使用成本相当低廉、对检测结果能够即时可见的优点，因此可广泛应用于实验室和野外等不同的工作环境中，而且它不会对正在运行的设备和装置造成阻碍。

3 超声波检测混凝土的测试方法

3.1 平面测试法

平面测试法包括对测法、斜测法和单面平测法等。对测法需要采用一对发射和接收换能器，将发射和换能器分别设置在被测混凝土结构相互平行的两个表面上，而且两个设备的轴线必须处在同一直线上;斜测法也是应用一对发射和接收换能器，并将它们分别设置在被测混凝土结构的两个表面上，但是与对测法不同的是，这两个换能器的轴线不需要在同一直线上;单面平测法使用的是一对发射和接收换能器，并将它们设置在被测混凝土结构的同一个表面上，进行缺陷检测。

3.2 钻孔测试

钻孔测试包括孔中对测、孔中斜测和孔中平测等测试方式。孔中对测需要将一对换能器分别设置在混凝土结构两个对应的钻孔中，并处于同一高度来进行测试;孔中斜测是指将一对换能器分别设置在混凝土结构表面两个对应的钻孔中，但这两个钻孔之间可保持一定的高程差，也就是两个钻孔内的换能器可处在不同高度上进行测试;孔中平测是将一对换能器设置在同一钻孔当中，并且在具有一定高程差的状态下，进行同步移动测试。

4 超声波检测混凝土时异常值的判定方法

4.1 数理统计概率法

通常情况下，我们允许混凝土存在小范围的质量波动，这是不可避免的，也能满足建筑物对混凝土的性能要求。也就是说在我们对混凝土进行超声波检测时，其声学参数的波动在一定范围内是合理的。但是当混凝土结构内部的缺陷是由漏振、漏浆或者架空等质量问题引起的时候，超声波的检测结果波动就会很大，那么便可确定混凝土质量缺陷的存在。通常，采用概率法对混凝土缺陷进行判定时，可根据对混凝土结构的抽样检测，通过检测的平均值、标准差以及置信水平等参数，确定置信的区间，以此取得对混凝土缺陷的判断值。当测试结果低于判断值时，则认为混凝土内部存在质量缺陷;混凝土结构检测时，对于判断值的确定可由具体的公式来计算得出。

4.2 使用概率法判断混凝土缺陷的要求

使用概率法对混凝土缺陷进行检测时，其布测点必须大于20个;检测时混凝土表面的缺陷点不应该参加平均值和标准差的计算;当混凝土的整体质量较差，且缺陷问题过多时，会使概率法取得的判断值过低，这就容易造成漏判的问题。在这种情况下，可以先在构件、龄期、配比及用料等各方面条件相同的正常混凝土上进行测试，以取得正常混凝土的平均值和标准差，并确定其判断值，然后再根据这一结果对目标混凝土进行检测和判定。

4.3 混凝土结构缺陷范围和位置的确定

通常异常值只表明超声波检测中声参量出现异常，只代表着混凝土存在缺陷的可疑点，而混凝土是否真正存在质量缺陷，还需要结合水工建筑物现场的实际情况进行综合的评定;在对多参量进行综合分析时，还应该考虑到超声波的波形;对混凝土的缺陷部位应该进行加密测试，以便得到更加准确的缺陷范围和程度;采用两面对测或者斜测的方式进行测试时，应进行空间的精确定位。

4.4 检测结果处理后的显示

在根据概率法对混凝土缺陷进行判断以后，可再结合水利工程混凝土结构的实际情况，确定出混凝土缺陷的范围，并绘制成结构测点图，采用阴影的方式将存在缺陷的部分勾画出来。也可采用不同颜色对等声速线进行勾画和区分，以便能够更加直观地对结构各部位混凝土的质量问题进行表述。

5 影响超声波混凝土检测的主要因素

5.1 钢筋

脉冲在混凝土中的传播速度没有在钢筋中的传播速度快，当检测范围内存在主钢筋时，必然会影响到检测结果。而钢筋在测试范围内的方向、位置、数量以及直径等决定了对检测结果的影响程度，其中当钢筋的轴线与测试方向平行时影响程度最大。因此，为了减少钢筋对超声波检测的影响，检测时需要将发射和接收换能器的连线与钢筋隔开一定距离。

5.2 耦合的状态

超声波检测混凝土时，波幅值的反应最敏感，其可靠程度对混凝土检测结果会产生直接影响。在检测距离一定时，混凝土表面的平整度和耦合剂的薄厚对波幅值的影响较大。如果测试面不平整或者耦合剂薄厚不均，容易导致波幅值的不稳定。因此采用超声波检测混凝土时，应该保证其具有良好的耦合状态。

5.3 水分

水的声速和声阻抗率要比空气大许多倍，如果混凝土中水分过大，对检测结果会产生一定的影响。因此在进行混凝土检测时，应该保证混凝土处于自然干燥的状态。

6 结语

水利工程中混凝土结构的稳定性，对水工建筑的整体稳定性影响重大，因此对水工建筑结构中的混凝土进行质量检测非常必要。超声波检测方法的应用，为混凝土结构时刻保持良好状态提供了前提保障，也保障了现代水利工程的安全和平稳运行。

1 李志强，周宗辉，徐东宇，等.基于超声波技术的混凝土无损检测［J］.水泥工程，2010(3):72-74.

2 刘永福，刘源，崔征.浅谈超声波检测混凝土缺陷的基本原理及主要影响因素［J］.价值工程，2010(12):57.

3 廖智.超声波法探测混凝土内部缺陷的原理及应用［J］.交通运输，2011，13(11)