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混凝土主要缺陷与超声波无损检测研究

发表时间：2021/5/31 来源：《基层建设》2021年第2期作者：徐铭

[导读] 摘要：混凝土在工程建设环节应用广泛，是最为常见的建筑结构材料。

        上海洪栋建设工程检测有限公司
        摘要：混凝土在工程建设环节应用广泛，是最为常见的建筑结构材料。为保证该材料的有效应用，质量监管人员需要有效开展混凝土缺陷检测工作。本文着眼于混凝土主要缺陷的超声波无损检测问题，阐述了超声波无损检测的应用原理，分析了超声波检测的主要参数和影响因素，论述了针对混凝土主要内部缺陷开展超声波无损检测的方法，希望能为相关工作人员带来参考。
        关键词：混凝土；内部缺陷；超声波；无损检测
        前言：超声波检测是混凝土无损检测方法中最为常见的一种，可以有效检测和分析混凝土的内部缺陷，为提高混凝土施工质量提供极大帮助。在实践工作中，超声波无损检测可以被应用在混凝土结构设计、施工和验收等多个阶段，加强对此方面技术和方法的研究，十分有助于提高检测效率，更能为提升混凝土施工质量提供保障。
        1混凝土缺陷超声波无损检测的原理
        在混凝土质量检测工作中，无损检测方法十分丰富。比如，回弹法、声波法、探地雷达法、红外线法都是实用性极高的无损检测方法。在实际作业环节，最常被用于混凝土缺陷无损检测的方法是超声波无损检测法。该方法主要用以评价建筑物的自然灾害抵御能力、灾后可靠性，还能对混凝土结构的耐久性、稳定性和变形情况进行诊断，更可以用于检测和评估混凝土结构的施工质量。为了提高超声波无损检测效果，相关工作人员应该了解该方法的基本原理。
        1.1超声波无损检测的原理
        超声波无损检测就是利用超声波检测仪，基于超声波在被检测物质中的传播判断被检测物质内部是否存在缺陷，分析其缺陷大小和特点的操作[1]。在实践工作当中，检测人员可向混凝土结构发射超声波并依据反射波的波长和速率，对混凝土结构的内部状态和缺陷进行有效判断。
        基于超声波可以实现混凝土缺陷无损检测的根本原因有二，其一是混凝土并非均质结构；其二是超声波检测无需破坏被检测物质。在实际作业环节，当超声波反射信号较为一致时，表示被检测的混凝土内部结构合理、质地均匀；若存在个别位置超声波反射信号变化大的情况，则代表混凝土内部存在缺陷。判断混凝土结构缺陷时，相关工作人员可以依据绕射、散射、频谱变化和波形变化情况作出合理判断。
        1.2混凝土中的超声波传播特点
        混凝土是一种复合型材料，它经由多种原料（水泥、粗骨料、细骨料、外掺料等）拌和而成，内部存在复杂界面。因此，超声波在混凝土当中的传播状态存在复杂性，无法与其在均匀介质中的传播状态相比。在实践中，混凝土的粘塑性会吸收超声波能量，因此超声波传播时会面临较大吸收衰减。同时，超声波无损检测环节，还存在指向性差的问题。混凝土内复杂的界面形式会产生大量的折射波，并且彼此干扰形成漫反射，将会降低波束的指向性，从而导致超声波传播路径变化。此外，在混凝土缺陷的超声波无损检测中，超声波还容易出现线路变化和波形变化的情况，它们都会对超声波检测的精确性造成影响。
        2超声波无损检测的主要参数与影响因素
        利用超声波无损检测方法检测和评估混凝土内的缺陷时，相关工作人员需要明确主要的评估依据。所谓评估依据，就是超声波无损检测的主要声音学参数，这些数据将会为确定混凝土结构基本情况提供重要依据。
        2.1主要参数
        检测混凝土主要缺陷时，需要利用“穿透法”，发射超声波使其在混凝土当中传播，然后基于超声波传播情况分析混凝土的内部结构与材料性能。开展超声波信号分析时，相关工作人员应该从以下几方面着手：
        首先，波速。在不同的介质当中，超声波的传播速度存在明显差异；在同一介质中，其内部结构的差异也将影响超声波的传播速度[2]。比如，混凝土的弹性性质、材料组成和内部结构都将影响超声波的速度。通常来说，混凝土弹性模量、内部致密性和声速之间成正比关系。基于声速判断混凝土结构质量时，可使用公式表示声速与弹性模量的关系。其中，CL、E和分别代表纵波波速、弹性模量、混凝土密度和混凝土泊松比。
        其次，振幅。超声波在混凝土中传播后，会出现不同程度的衰减，这种衰减能直观反映混凝土的粘塑性能。在实践中，超声波传播后，第一个接收波前半周的振幅与接收换能器中被检测介质的超声声压之间存在正比关系。因此，振幅高低能够反映超声波在混凝土中的衰减情况，以及混凝土的强度。当超声波传播过程中出现反射或绕射时，接受波振幅将会明显减小，此时被检测的混凝土中大多存在裂缝或缺陷。
        最后，频率。超声波无损检测环节会发射复频超声脉冲波，它是一种含有多种频率成分超声波。在传播时，高频成分会先出现衰减，随着传播距离的扩大，不仅会出现高频分量会越来越小的情况，更会让主频率下降不断下降。基于这一特点，我们将混凝土结构当成一种高频滤波介质，然后依照超声波传播后的频率变化判定其内部是否存在缺陷。一般来说，无损探伤环节可选用50-100KHz的频率进行混凝土检测。
        2.2影响因素
        超声波无损检测质量，将会受到多种影响因素的干扰。在这一环节，最为主要的影响因素就是混凝土测试面的平整度、粗糙度以及耦合状态。若测试面存在不平整或粘有泥沙，那么就会导致超声波大幅衰减，波幅降低，将会直接影响检测准确性；而且，换能器压力不均且会导致耦合状态不稳定，使检测结果无法真实反映混凝土的结构情况。同时，待检试件的横向尺寸以及测距都也会影响检测结果，若测试面是狭长形的，同批次的混凝土声速值也有明显差异，原因是纵波速度，随着试件横向尺寸减小，纵波速度可能向杆、板的声速或表面波速度转变，即声速比无限大介质中纵波声速为小。为尽量减少误差，应将采用高幅度读数的衰减器，并且基于实际需求合理控制试件的横向尺寸。此外，温度、湿度、钢筋使用情况以及人工操作影响都会对测试结果造成干扰，只有保证检测流程标准、操作规范才能切实提升检测结果准确性。
        3基于超声波无损检测的混凝土主要缺陷测量方法
        混凝土内部开裂后，传播在混凝土介质中的超声波会出现声学参数变化，而基于这些声学参数的变化，检测人员可以准确判断混凝土的裂缝位置和形状，进而为有效开展混凝土缺陷处理提供依据。现阶段，超声波无损检测不仅可以被应用在混凝土裂缝检测当中，更能用于检测其他的混凝土内部缺陷。
        3.1混凝土的裂缝检测
        在混凝土当中，一旦出现裂缝就会导致混凝土中形成多个声学界面。当混凝土裂缝被水和空气等介质填充时，原本的混凝土结构中会出现夹层，当超声波在混凝土中传播时，遇到两个界面的夹缝时会出现反射和衰减，从而导致混凝土接收波的首波振幅缩小、频率下降、声时延长。

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        3.1.1浅裂缝检测
        在混凝土结构表层开裂且深度不超过5cm的裂缝被统称为浅裂缝，此类型裂缝在梁柱或机场跑道等混凝土结构当中十分常见，虽然看起来并没有太大问题，但若长时间放任不管会降低混凝土结构的可靠性。不过，检测混凝土缺陷时，相关工作人员往往无法预先判断裂缝深浅，但可基于混凝土结构表面的裂缝宽度以及该结构的断面尺寸，对混凝土裂缝的类型进行预判。当出现浅裂缝时，检测人员可采用平测法和斜侧法来完成超声波无损检测。
        平测法一种单面裂缝检测方法，使用时需要选定科学的测点，并基于实际要求确定跨缝测点与不跨缝测点。在实际应用环节，检测人员应该将发射与接收换能装置放在混凝土结构的统一平面上，并且保证平测测点的位置远离钢筋，避免钢筋对超声波的传播造成干扰[3]。不过，平测法时部分脉冲波会绕过裂隙末端或穿过裂隙的连通部分到达换能器，它们的声程与正常传播的声波不同，将会干扰仪器接收信号首波，从而导致首波起始点难以辨认。所以，在混凝土浅裂隙众多且结构复杂时，单纯使用平测法无法满足超声波无损检测的实际要求。
        为此，相关工作人员选择使用斜侧法。这种方法也被称为对穿斜侧法，若被检测混凝土结构的裂缝处存在互相平行的表面时，可选用此方法进行超声波无损检测。检测时，保证基本点换能器的连线，在是否通过裂缝时都具有相同的测试距离和倾角；若通过裂缝，则声波信号将会出现大幅衰减，接收波的首波信号会被削弱，振幅和频率也会与不通过测点的数据存在差异，借助于这些区别检测人员可快速判定裂缝位置。
        3.1.2深裂缝检测
        混凝土结构中，还存在开裂深度超过5cm的裂缝，它们被称为深裂缝。从混凝土缺陷检测的角度来看，深、浅裂缝之间的界限并不明显，混凝土结构的体积越大二者界限越不明显。若需对大体积混凝土结构进行超声波无损检测，则无论裂缝深度是否超过5cm，都必须基于深裂缝检测方法作业。
        在此环节，相关工作人员应该选用钻孔测试的方法检测深裂缝。此时，需在裂缝两侧钻孔，并在孔中放置径向振动式换能器。比如，选用孔中对测时，需在两孔中的同一高度上放置换能器再测量；选用孔中斜测时，需在两孔中放置一对换能器并保证二者存在高程差再测量；选用孔中平测时，需保证换能器在同一钻孔中且基于一定高程差同步位移后测量。在实践中，混凝土结构深裂缝的超声波无损检测成效与钻孔有直接联系。因此，钻孔时必须孔直径大于换能器直径，二者应存在5-10mm的差距；保证孔深大于裂缝深度，裂缝两侧钻孔保持轴线平行，且间距不应超过2m；测试前需彻底清孔并确定横向测控轴线有倾斜角。
        检测时，应先进行测孔注水，确保其不漏水后，先在裂缝同侧钻孔中放置换能器并使它们同步下移，从而获得声时和振幅；然后再将换能器放在裂缝两侧钻孔中重复上述操作，获取相应数据，最后依据波幅测值判断裂缝深度。需要注意的是，使用钻孔测试方法时，应重点关注混凝土的不均匀性、内部钢筋、温度和外力对声波传播产生的影响，并确保待测混凝土中未填充泥浆和水。
        3.2空洞和不密实区域检测
        混凝土由多种原料组合而成，经过拌和、浇筑、振捣等多道工序才能成型。在施工环节，一旦出现工序错漏或使用不到位，就容易导致混凝土结构内部出现空洞，或存在蜂窝状的不密实区域。在实践中，混凝土拌和离析、漏振、钢筋密集部位处理不当都会引发空洞和不密实情况。此类型缺陷在混凝土结构当中十分常见，尤其是在浇筑量大且需连续浇筑的大体积混凝土结构中，稍有不慎就会出现这种漏洞。相比于裂缝缺陷，空洞和不密实缺陷的隐蔽性更强，更不易被发觉，所以检测难度也更高。为了能在不破坏混凝土结构的前提下完成缺陷检测，相关工作人员可选用超声波无损检测方法作业。此时，可采用平面对测法、平面斜测法和钻孔测量法作业。
        第一，平面对测法。若检测的混凝土结构中存在两对平行表面，则可选用平面对测法对对应表面中的超声波传播情况进行有效记录和分析，从而为确定缺陷位置和情况奠定基础[4]。比如，基于厚度振动式换能器开展超声波无损检测，将元件分别放在平行表面当中开展对测，收集超声波声学参数，分析混凝土缺陷的实际情况。
        第二，平面斜测。若待检测混凝土结构的平行表面数量无法满足平面对测要求，则可选用平面斜测方法测量。此时，只需选用一对相互平行的混凝土表面即可开展测试；若被测部分处于结构的特殊位置也能够基于平面斜测法作业。在此环节，可选用厚度振动式换能器，对平行表面进行交叉测试。
        第三，钻孔检测。在开展大体积混凝土结构空洞和不密实缺陷的超声波无损检测时，大多数人会选择使用钻孔检测方法。此时，为提高检测结果准确性，可基于实际需要，在与被测面平行的平面中钻取多个孔径为40-50mm的钻孔。检测时，测面上仍需使用厚度振动式换能器和黄油耦合剂；测孔中使用径向换能器和清水耦合剂。
        3.3结合质量与表面损伤检测
        在项目施工环节，为保证混凝土结构的整体性和稳定性，常常需要进行连续不间断的两次浇筑。但在实际作业环节，这种连续浇筑可能会因外力影响而被迫中止，中止时间甚至会超过混凝土的凝结时间；这样一来，二次浇筑时，混凝土表面已经硬化，无法满足连续浇筑要求，其整体结构的稳定性和安全性也无法得到保障。此类型缺陷大多表现在混凝土结构内部，从表面上无法进行有效分析，所以可基于超声波无损技术进行缺陷检测。而且，由于施工现场条件复杂，十分容易因物理或化学因素造成结构损伤，其表面损伤层的厚度需要经过超声波无损检测来确定。在对这两种缺陷进行检测时，可选用单面平测法和逐层穿透法等方法测试[5]。
        结论：综上所述，基于超声波无损技术检测混凝土的内部缺陷，十分有助于提高混凝土施工质量和项目施工的整体质效。但在实际作业环节，混凝土超声波无损检测的结果会受到多种因素干扰，只有清除不良影响才能保证检测准确性。为此，检测人员需要了解成型过程、混凝土配合比、养护条件等情况，并基于不同的混凝土缺陷类型，合理应用超声波无损检测技术。
        参考文献：
        [1]候跃敏，王彦伟.超声平测法在混凝土裂缝检测中的应用研究[J].中国建筑金属结构，2020（09）：92-93.
        [2]樊伟东，祁彬.混凝土无损检测技术发展及工程应用探析[J].中国设备工程，2020（17）：14-15.
        [3]边成光.超声波CT扫描成像技术在钢管混凝土缺陷检测试验中的应用[J].工程机械与维修，2020（04）：112-113.
        [4]陈禾，秦迎，陈劲，等.基于红外热成像法和超声波法的钢管混凝土无损检测技术试验研究[J].建筑结构，2020，50（S1）：890-895.
        [5]张晋峰，孙彬，毛诗洋，等.装配式混凝土结构内部缺陷无损检测试验研究[J].建筑结构，2020，50（09）：26-31.