混凝土結(jié)構(gòu)超聲波檢測的波型選擇

吳榮興,李云川，于蘭珍，邱 耀

（寧波職業(yè)技術(shù)學(xué)院 建工學(xué)院，浙江 寧波 315800）

隨著我國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的飛速發(fā)展和城鎮(zhèn)化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，各種鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)都獲得了極大的發(fā)展和應(yīng)用[1-2]。與此同時(shí)，改革開放初期興建的混凝土結(jié)構(gòu)也達(dá)到了一定的使用年限?；炷两Y(jié)構(gòu)的檢測成為一項(xiàng)迫在眉睫的工作。在各種檢測方法中，無損檢測能夠保證結(jié)構(gòu)的完整性，并且具有相對較低的檢測成本，這樣有助于評估整個(gè)結(jié)構(gòu)的安全性。常用的無損檢測方法包括回彈法、超聲脈沖法、射線法、紅外線記錄法以及其他電和磁的方法等。其中超聲波在混凝土結(jié)構(gòu)中的傳播速度與混凝土的彈性性質(zhì)之間存在密切關(guān)系，在一定程度上可以反映混凝土的材料性質(zhì)。另外，超聲波的傳播速度將受到各種復(fù)雜因素的影響。針對各種因素的影響，可以通過選取特定超聲波波型來檢測混凝土構(gòu)件的材料性質(zhì)。

1 波型選擇和聯(lián)合檢測

混凝土結(jié)構(gòu)超聲波檢測的主要工作過程如下：通過發(fā)射換能器發(fā)送超聲波，超聲波穿過混凝土結(jié)構(gòu)被接受換能器獲取檢測數(shù)據(jù)，這些檢測數(shù)據(jù)包括波速、波形、波幅和頻譜等參數(shù)。接著通過分析獲取的數(shù)據(jù)就可以精確地推定混凝土的強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)缺陷類型和性質(zhì)以及位置等信息。

縱波是超聲波檢測的首選波型，其在各種混凝土檢測中的應(yīng)用已經(jīng)得到了廣泛研究。當(dāng)一定頻率的縱波穿過混凝土結(jié)構(gòu)時(shí)，縱波波速和材料密度、彈性模量以及泊松比存在數(shù)學(xué)關(guān)系，縱波檢測的優(yōu)點(diǎn)不再贅述。其主要缺點(diǎn)是縱波檢測對工作面要求比較高，適用于厚度較大混凝土結(jié)構(gòu)檢測。由于混凝土結(jié)構(gòu)大多是層狀結(jié)構(gòu)，縱波在兩層或是多層以上的不同聲阻抗界面上將發(fā)生反射和干擾，對于檢測人員的經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)要求均較高。

混凝土結(jié)構(gòu)的瑞利波檢測是一種比較新興的超聲波檢測波型。該方法同樣也是通過分析瑞利波在混凝土結(jié)構(gòu)中的傳播過程來推定混凝土結(jié)構(gòu)的各種工程參數(shù)。和其他方法相比，瑞利波檢測只需要一個(gè)混凝土結(jié)構(gòu)的待測面即可對其內(nèi)部質(zhì)量狀況進(jìn)行檢測。而且測試深度可人為控制，即可由淺向深逐層檢測，也可以控制對某一深度范圍進(jìn)行檢測。當(dāng)然瑞利波檢測混凝土結(jié)構(gòu)也存在一定問題：①獲取的瑞利波波速與混凝土構(gòu)件并非一一對應(yīng)的，它是一種平均速度。因此無法用波速的空間變化推定混凝土內(nèi)部的缺陷位置。這時(shí)需要再測橫波波速來共同推定各點(diǎn)的材料特性；②大體積混凝土結(jié)構(gòu)的檢測困難。瑞利波作為一種聲表面波，其傳播能量和振幅大部分都集中在混凝土結(jié)構(gòu)表面，大約在三個(gè)波長左右。這樣對大深度大體積混凝土進(jìn)行檢測時(shí)，瑞利波將無法深入混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部。

蘭姆波是一種在板結(jié)構(gòu)特有的波型。利用蘭姆波對混凝土梁板結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢測是比較新的方法。蘭姆波為在板內(nèi)傳播并滿足上下表面應(yīng)力自由邊界條件的彈性應(yīng)力波。蘭姆波檢測有以下優(yōu)點(diǎn)：①存在多模態(tài)選擇，蘭姆波有無數(shù)個(gè)對稱和反對稱模態(tài)可供檢測選擇；②能夠進(jìn)行多目標(biāo)探測，例如探測不同深度和種類的缺陷；③蘭姆波能量衰減較小，具有極長的傳播距離；④可在各種曲面混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢測，例如檢測鋼筋混凝土樁和管道等。 蘭姆波檢測也存在問題：①對混凝土結(jié)構(gòu)中的骨料和鋼筋尺寸要求較高，因?yàn)榧ぐl(fā)頻率對混凝土粗骨料和鋼筋的尺寸都嚴(yán)重的依賴；②檢測結(jié)果的精確分析，由于存在多模態(tài)，因此獲得的蘭姆波參數(shù)也非常眾多，因此必須對眾多模態(tài)所獲得的工程參數(shù)進(jìn)行必要的甄別和選擇。

綜合以上所述，各種超聲波波型都存在一定的限制?？梢岳脙煞N或兩種以上的超聲波波型，獲取多種物理參量，并建立混凝土結(jié)構(gòu)工程參數(shù)信息之間的綜合相關(guān)關(guān)系，以便從不同角度綜合評價(jià)混凝土結(jié)構(gòu)的工程信息。由于綜合法采用多項(xiàng)物理參量，能較全面地反映構(gòu)成混凝土結(jié)構(gòu)的各種因素，并且還能抵消部分影響強(qiáng)度與物理量相關(guān)關(guān)系的因素，因而相對單一方法而言具有更高的準(zhǔn)確度和可靠性。例如對于梁板混凝土結(jié)構(gòu)，可以采用縱波、瑞利波和蘭姆波進(jìn)行綜合測定，最后將參數(shù)進(jìn)行聯(lián)合推定，極大地減少了各種測定方法的誤差。

2 超聲波檢測的主要影響因素

由于混凝土結(jié)構(gòu)本身材料構(gòu)成復(fù)雜，各種波型超聲波在結(jié)構(gòu)內(nèi)部傳播時(shí)受到的影響因素眾多，主要問題有：①原材料與配合比對超聲波的影響。水灰比和粗骨料大小都將對三種波型的超聲波有著非常大的影響，因此在檢測過程中必須預(yù)估各種原材料的尺寸并進(jìn)行激發(fā)頻率的選擇，以避開嚴(yán)重的干擾波型；②孔隙率及含水率對超聲波的影響。各種研究表明混凝土內(nèi)部的空隙率和含水率都將對三種波型的超聲波傳播產(chǎn)生嚴(yán)重影響。例如空隙將引發(fā)超聲波的散射，而含水將嚴(yán)重衰減超聲波的傳播能量；③環(huán)境溫度對超聲波的影響。環(huán)境溫度變化將改變混凝土結(jié)構(gòu)的材料特性及其工程參數(shù)，因此必將改變獲得的超聲波信息；④待測面對超聲波檢測的影響。待測面的選取好壞也會對三種波型超聲波有所影響，例如縱波和蘭姆波需要兩個(gè)待測面，而瑞利波只需要一個(gè)待測面。三種波型都要求待測混凝土結(jié)構(gòu)表面的平整性和潔凈性。

3 結(jié)語

本文對混凝土結(jié)構(gòu)超聲波檢測的三種波型進(jìn)行了分析，指出各種波型的優(yōu)缺點(diǎn)和改進(jìn)方法。提出了通過結(jié)合其他非損傷檢測方法的聯(lián)合檢測方法來精確檢測混凝土結(jié)構(gòu)的工程信息。最后研究了混凝土結(jié)構(gòu)超聲波檢測的主要影響因素。

［1］李盛斌，楊紅霞.超聲波技術(shù)在混凝土檢測中的應(yīng)用［J］.電子測試，2013，（ 7）：252-253.