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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8 4 1 0 0 0 ) 【 摘要】 在水利工程的混凝土检测中， 超声波是一种非常有效的检测方法， 其穿透力强且适应范围也较为广泛。 本文对超声波的检测原理进行了分析， 并对超声波在水利工程混凝土结构检测中的具体应用作了探讨。 【 关键词】 水利工程； 超声波； 混凝土检测 中图分类号 ： T V 4 3 1 文献标志码 ： A 文章编号： 1 0 0 5 - 4 7 7 4 ( 2 0 1 3) 1 1 - 0 0 5 1 - 0 3 Ap pl i c a t i o n o f Ul t r a s o n i c W a v e i n Co n c r e t e De t e c t i o n G U O Q i a n g ( B a z h o u W a t e r a n d H y d r o p o w e r S u r v e y a n d D e s i g n I n s t i t u t e ， K o r l a 8 4 1 0 0 0， C h i n a ) A b s t r a c t ： U l t r a s o n i c w a v e i s a v e r y e f f e c t i v e m e t h o d f o r d e t e c t i n g c o n c r e t e d e t e c t i o n i n h y d r a u l i c p r o j e c t ， w h i c h h a s h i g h p e ne t r a t i on a b i l i t y a n d wi d e r a d a p t a t i o n r a n g eThe u l t r a s o ni c d e t e c t i o n p r i n c i pl e i s a na l y z e d i n t he pa pe r ，a n d c o n c r e t e a p p l i c a t i o n o f u l t r a s o n i c w a v e i n h y d r a u l i c p r o j e c t c o n c r e t e s t r u c t u r e d e t e c t i o n i s d i s c u s s e d Ke y w o r d s ： h y d r a u l i c p r o j e c t ； u h r a s o n i c w a v e ；c o n c r e t e d e t e c t i o n 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 51 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 2 0 k H z以上 ， 其常用的 工作频率为 0 45 MH z ， 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 l 0 5 0 M H z 。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 1 0 0 MH z 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 5 2 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2 0 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 郭 强 超声 波在混凝土检测 中的应 用 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 晌 。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。 参考 文献 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 ， 2 O l O ( 3 ) ： 7 2 - 7 4 2 刘永福， 刘源， 崔征 浅谈超声波检澳 0 混凝土缺陷的基本原理 及主要影响因素 J 价值工程， 2 0 1 0 ( 1 2 ) ： 5 7 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 ， 2 0 1 1 ， 1 3 ( 1 1 ) h _ _ _ ! _ ! ! l “ t E h l I h E 1 E E ( 上接 第 5 0页) 因坝顶溢 流 水深 过大 发 生爆 裂 ， 就 可 能造成下游其他坝袋的连锁反应 ， 形成较大危害。 4 4 洪水预警时 间与橡胶坝塌坝时间的矛盾 目前 ， 在清水河上游仅有东沟崇礼县城和西沟啕 睐庙两处水文站以及气象部门安装的 2 8处 自测雨量 站 ， 虽 已形成 了降雨 自动观测 的初步格 局 ， 但 及时 、 准 确预报上游来水情 况还 缺乏必 要 的手段 ， 尤其 是西 沟 发生暴雨时， 洪水从啕睐 庙水文站 3 0 4 0 r n i n即可抵 达市 区 ， 洪峰传递 时间极快 。而 3 0座橡 胶坝在满 蓄情 况下同时塌坝放空库容所需时间约为 1 2 0 r n i n ， 现有水 文部 门洪水测报设施根本无法满足对市区橡胶坝群调 度 的需要 。 5结语 通过上述分析 ， 解 决清水 河 市区段 防洪 的主要对 策分为两个方面。近期 ： 在清水河上游河道增加洪水 流量监测站， 汛期派人值守， 及时传达洪水信息 ， 延长 预警时间， 为橡胶坝安全调度和市区防洪安全争取时 间； 远期 ： 在清水河上游增加 自动雨量测报站， 建设降 雨洪水预报系统 ； 在清水河上游修建控制性水 利工程 ， 彻底解决清水河市 区段 防洪安全的问题。 参考文献 1 高本虎 橡胶坝工程技术指南 M 第二版 北京 ： 中国水利 水电出版社， 2 0 0 6 2 王溥文 ， 韩昌海， 童中山 橡胶坝技术及应用 M J 北京 ： 中国 水利水电出版社 ， 2 0 0 8 3 蔡士强 ， 张宏张家 口市清水河橡胶坝群安全调度方案初探 J 城市住宅 2 0 0 8 ( 8 ) 5 3