超声波技术在混凝土检测中的应用.pdf

252 电 子 测 试 0前言 随着国民经济的迅猛发展， 城镇化进程的不断推进， 以及高 速公路、 高铁等基建项目的大规模建设， 钢筋混凝土结构取得了 前所未有的发展， 特别是大体积混凝土结构的发展。 在混凝土结 构的浇筑振捣过程中， 常常因为操作不当引起结构的内部缺陷， 由于混凝土的质量问题常常会影响这个结构的使用， 因此混凝土 浇筑质量的控制越来越被重视， 在工程竣工后成为结构质量评估 的重要指标之一。 近年来出现了许多结构倒塌事故， 这些事故的 起因有时是因为结构设计不合理， 有些是因为施工过程的不正确 的施工操作。 施工过程中的混凝土浇筑不密实和空洞现象比较常 见， 因此对混凝土质量的检测就显得尤为重要。 无损伤技术的应 用可以保证结构的完整性， 并且能够节省检测成本， 有助于评估 整个结构的安全性完整性。 1超声波检测混凝土结构的原理 1.1超声波检测混凝土强度的基本原理 超声波在混凝土中的传播过程中， 由于混凝土的密度、 弹模 的影响， 传播的速度往往会不同， 弹模越高得出的波速也就越高， 因此声速值和混凝土的强度就存在这一定的关系， 我们可以根据 声速和强度的数值关系绘制相关的关系曲线或者寻找相应的经 验公式， 在实际工程中依靠关系曲线表， 通过实测的波速来寻找 相应的混凝土强度。 在混凝土构件检测时， 如果仅检测了单个构件， 应该取该检 测区中测得的最小的混凝土强度值。 当进行批量抽样检测时， 应 该保证混凝土强度有 95% 以上的保证率。 当混凝土强度的标准差 出现异常或者超过某个经验值时可以做出局部调整。 混凝土中中粗骨料所占比重较大， 他对混凝土结构的强度 影响较大， 对声速的影响较小， 因此我们可以建立水泥砂浆与声 速值的关系， 在测量时仅测量超声波在水泥砂浆中的声速即可。 我国的建筑材料科学研究院和陕西建筑科学研究院对这方面做 过系统的研究。 他们总结了混凝土强度与换算过的不同种类的水 泥静浆的关系， 如矿渣硅酸盐水泥静浆， 普通硅酸盐水泥静浆等 由于混凝土结构本身材料构成复杂， 超声波在结构内部传 播时受到的影响因素众多， 如水灰比、 粗骨料大小、 混凝土龄期、 收缩徐变、 钢筋的直径大小及配置情况， 这些影响因素错综复杂 相互影响， 在建立测量数据和混凝土结构强度关系时， 对参数进 行局部调整。 在进行强度检测前应当保持混凝土结构表面的平 整， 并除去污物， 每个检测试件应保证最少 10 个测点。 1.2超声波检测混凝土缺陷的基本原理 发射换能器超声波检测时的核心部件之一， 通过发射超声 波进行混凝土结构缺陷检测。 具体工作流程是 ： 发射换能器发射 超声波， 超声波穿过混凝土结构并进行波反射， 依靠信号接收器 和接收换能器接受检测数据， 这些检测参数结果包括波幅、 波速 和频谱等参数等， 通过分析处理过的接收数据就可以准确的描绘 出混凝土结构的强度、 结构缺陷位置、 缺陷性质等。 混凝土结构是非均质的材料， 对超声波的能量有吸收的特 性， 而对于高频成分吸收更大， 一般在混凝土结构够缺陷检测时 采用发射频率较低的超声波。 当混凝土结构质量较均匀、 测试相 同距离的情况下， 接收的信号主频等参数往往比较一致， 如果混 凝土出现不密实、 空洞等缺陷时， 混凝土的整体性受到破坏， 这时 接收换能器收到的信号值和完整混凝土相比声时值较大， 波幅和 频率值相应较低。 在混凝土检测时正式依靠检测设备处理参数后 比较声速、 波幅和主频测量值， 得出混凝土的质量状况。 混凝土结构常见的缺陷有不密实、 空洞、 杂物填充、 意外受 超声波技术在混凝土检测中的应用 李盛斌 杨红霞 （延安大学建筑学院， 陕西延安 716000） 摘要 ： 混凝土结构常常由于浇筑方式不当或者振捣不密实等原因造成混凝土结构出现不密实、 空洞等现象， 随着超声波技术 的不断发展， 由于其在混凝土检测中的无损伤性、 检测快速准确等特点， 已经在混凝土检测中取得了广泛的应用。 关键词 ： 超声波技术 ； 混凝土检测 ； 内部缺陷 Application of ultrasonic technology in detection of concrete Li Shengbin Yang Hongxia （School of architecture，Yanan University Shaanxi Yanan 716000） Abstract ： Concrete structure is often the result of improper placement or vibrating imperfect and other causes of concrete structure is not dense，cavitation phenomenon，with the development of ultrasonic technology，because of its concrete nondestructive detection of characteristics of traumatic，rapid and accurate detection，has been extensively used in detection of concrete. Keywords ： ultrasonic technology ； detection of internal defects of concrete 基金项目 ： 陕西省教育厅项目， 项目名称 ： 太阳能与建筑一体化在陕北地区的应用研究， 项目编号 ： 12JK0906 253 电 子 测 试 ELECTRONIC TEST科技论坛 第7期 2013年4月 伤等。 当超声波经过这些缺陷断面时波速、 振幅值会发生突变， 常 常可以根据这些突变特性推断结构内部的缺陷。 下面简要说明几 种常见的缺陷判别方法。 1.2.1 超声波穿过混凝土缺陷部位时， 由于反射绕射的影 响， 超声波的波速和时间会受到相应的影响， 我们可以根据波速 的大小或者接受波段时间的长短来判断缺陷的类型和大小。 1.2.2 超声波经过混凝土缺陷断面时， 波的能量会被吸收 或者干扰后散射， 相应的信号接收器和接收换能器接收的波的能 量也相应减少， 可以据此判断缺陷的大小和存在位置。 1.2.3 超声波经过混凝土缺陷部位时， 信号接收器接收到 的波的频率也会相应发生变化， 往往由于波的吸收导致波的频率 降低， 据此可以判断缺陷的大小。 1.2.4 超声波经过混凝土缺陷部位时， 波形参数会发生相 应的变化， 不同的波段相互叠加， 信号接收器接收的信号波形畸 变， 据此我们可以判断缺陷的类型和缺陷的大小及位置。 2超声波在混凝土检测中的具体应用 2.1超声回弹综合法检测混凝土的强度 混凝土的强度是混凝土特性中的一个重要指标， 如何能准确 的检测混凝土的强度显得尤为重要， 超声回弹综合法由于检测精 度高、 操作简单等特点， 成为混凝土强度检测中常用的方法之一。 超声回弹综合法是一种超声法和回弹法综合应用的一种检 测方法。 这两种方法的应用基本依据就是分析材料的应力应变和 材料强度的关系。 超声法可以通过超声比反应材料的弹性和一些 内部结构信息。 回弹法既可以反应材料的弹性和又能反应部分塑 性， 但是仅能够描述出材料的表面特性， 不能揭示材料的内部结 构特征。 为了能更深入的揭示事物的弹性塑性特征， 采用把超声 法和回弹法相结合的方式， 这种方式不仅能揭示事物的表面特 性， 还能够完成的反映出结构的内部状况、 在进行混凝土抗压强度数值测定时， 首先要选好测点， 选好 测点后采用超声回弹综合法， 此种方法的主要目的就是建立测强 曲线， 即通过统计分析波速、 表面回弹值、 抗压强度这些参数的关 系， 具体的操作过程如下 ： 2.1.1 通过超声检测仪， 测得超声波在混凝土结构中的传 播时间 t ； 2.2.2 测得在混凝土结构中传播的波速 V ； 2.3.3 测得表面回弹值 r ； 2.3.4 根据所测得的超声波速 V 和混凝土表面回弹值 r 计 算混凝土的抗压强度。 在整理波速和混凝土抗压强度的关系时， 一般当混凝土的超声波声速过高时表示混凝土的强度较大， 当混 凝土的声速过低时， 表示混凝土的强度较低。 2.2超声波检测混凝土结构的内部缺陷或损伤 混凝土结构的内部缺陷常见的又混凝土的裂缝、 不密实、 空 洞等。 裂缝往往是由于施工工艺的干扰造成层状不连续， 导致结 构内部或外观上出现裂缝文理。 不密实和空洞是一种隐蔽性的缺 陷， 形成此类缺陷的原因往往是混凝土水灰比过小或者配筋较密 的情况。 2.2.1 裂缝的检测 由于各种因素的干扰， 混凝土结构构件常常会产生裂缝， 裂 缝的存在不但会影响结构的使用性能， 甚至会影响结构的安全与 寿命。 为了能准确的测量裂缝的深度及走向， 超声脉冲法成为了 检测的常用手法。 混凝土结构的开裂深度小于 500mm 时， 推荐采用单面平测 法或双面斜测法。 在进行单面平测时， 要以不同的测距布置测点 进行测量， 要保证测点有跨缝和不跨缝两种状况， 切测点的位置 应尽量避开钢筋， 减小钢筋的干扰。 裂缝深度的确定方法有 ： （1） 跨缝测量中， 当出现首波反相时， 通过该测点的数据及 相邻测距的亮点的测量数据按照一定的方法计算 hci， 最后取三 个测点的深度平均值作为裂缝深度。 （2） 如果在测量中没发现首波反相， 需要计算第 i 点的计算 深度及平均值， 通过个测点的测距和平均深度的比较， 如果测距 小于裂缝深度平均值或者测距大于三倍的平均值， 剔除改组数 据， 然后去剩下的个测点数据取平均值即可。 双面斜测测量时， 一般选取相互平行的测量表面， 通过对波 幅、 声时和主频的突变的分析判断出雷锋的深度及联通状况。 对于大体积混凝土并且深度在 500mm 以上的裂缝， 应该采 用钻孔对测法。 这种方法的具体操作如下： 首先的裂缝旁边钻孔， 在测试孔中注水， 将检测仪器置于孔中读取声时、 波幅和换能器 所处深度。 2.2.2 不密实与空洞的检测 超声检测手段具有无损伤性， 相对射线方法， 超声波检测方 法的穿透能力强， 操作简单， 仪器受干扰小等特点在不密实检测 中取得了广泛的应用。 现在主流的检测混凝土结构缺陷的超声波检测法有超声脉 冲声速法 （Ultrasonic Pulse-velocityMethod， 简称 PUV） 和超 声脉冲回波法 （Ultrasonic Pulse-echo Method， 简称PUE） 两种。 PUV 法的工作原理是发射脉冲信号， 通过测量信号穿越混凝土结 构的实践来确定声速。 测点应布置在混凝土结构构件的表面并按 网状排布。 通过超声波的相关参数和结构构件的力学性能或集合 特性的联系， 能够有效地测定构件的震荡不实空洞区域。PUE 法 的工作原理是在混凝土结构构件的一侧发射信号， 通过测量波的 传播速度及时间， 可以准确的测量缺陷的位置及性质。 3结束语 超声波检测技术已经在混凝土结构构件的强度确定， 混凝 土结构内部缺陷测定中取得了广泛的应用， 特别是对于结构内部 缺陷的测定， 是唯一的可靠的简单易行的测定方法， 因此应该不 断的改进推广超声波检测方法， 保证混凝土结构的质量 参考文献 1吴慧敏 . 结构混凝土现场检测技术 M. 长沙 ： 湖南人学 出版社，1988. 2李颖， 刘小明， 潘冬子 . 混凝土梁无损检测新技术及其进展 J. 公路交通科技，2004，21 （7） ： 83-87. 3林维正 . 混凝土的超声检测 J. 无损检测，1994，16 （9， 10） ： 253-257，289-294 4林维正 . 从第巧届川 _ 界无损检测会议看土木工程无损检 测的进展 J. 无损检测，2002，24 （3） ： 123- 125. 5刘洋张， 玉清 . 超声波检测混凝土空洞 .J 中国科技信息 2007，6 （11） ： 67-68 作者简介 李盛斌 （1974 ） ， 男， 陕西省延安市人， 讲师， 研究方向 ： 岩土工程、 建筑材料。