超聲橫波成像法在混凝土質(zhì)量檢測中的應用

張建清，蔡加興，龐曉星（1.國家大壩安全工程技術研究中心，湖北武漢，430010；2.長江地球物理探測（武漢）有限公司，湖北武漢，430010）

?

超聲橫波成像法在混凝土質(zhì)量檢測中的應用

張建清1，2，蔡加興1，2，龐曉星1，2
（1.國家大壩安全工程技術研究中心，湖北武漢，430010；2.長江地球物理探測（武漢）有限公司，湖北武漢，430010）

介紹了一種基于超聲橫波反射法的檢測混凝土質(zhì)量的新方法，該方法與常規(guī)超聲波法相比具有鮮明的特點和明顯的優(yōu)勢，在混凝土質(zhì)量檢測試驗研究和工程應用中都取得了較好的效果，該方法可為混凝土質(zhì)量無損檢測提供新的思路。

混凝土質(zhì)量；無損檢測；超聲橫波；反射成像

0　前言

醫(yī)學上采用X射線、超聲波和核磁共振等方法可精確獲得人體內(nèi)部的圖像，在工業(yè)領域中也常使用類似的方法獲得高質(zhì)量的無損探傷結(jié)果。盡管土木工程領域的無損檢測技術改變了隱蔽工程質(zhì)量難以查明的狀況，提供了一種快速、全面了解工程質(zhì)量的方法，但其檢測成果精度還不盡如人意。目前，超聲法是混凝土質(zhì)量無損檢測的一種重要方法，它可以提供豐富的混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)信息，而且設備輕便、成本低廉，對結(jié)構(gòu)無損傷。超聲法可分為穿透法和反射法。其中穿透法是將發(fā)射和接收換能器分別布置在結(jié)構(gòu)的兩個相對面上進行對測，通過對穿過結(jié)構(gòu)的超聲波旅行時間及波幅、波形、主頻等參數(shù)的分析來判斷是否存在缺陷并確定缺陷的位置。目前國內(nèi)外聲波穿透法檢測技術較為成熟，已形成相關技術標準并應用于工程。超聲反射法是通過分析超聲脈沖在缺陷表面產(chǎn)生的反射波來探測混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部缺陷，并根據(jù)反射波的走時來確定缺陷的位置，但應用效果不如醫(yī)學領域［1-3］。

隨著大體積混凝土工程的逐漸增多，對混凝土質(zhì)量無損檢測提出了更高的要求，傳統(tǒng)超聲波穿透法無法滿足該要求，而超聲反射法具有明顯的優(yōu)越性。然而，由于混凝土材料的復雜性，反射法在混凝土質(zhì)量檢測中的應用還存在技術上的障礙，主要有以下兩點［4-5］：

（1）混凝土中超聲反射信號易受到干擾?；炷翞榉蔷鶆蚪橘|(zhì)，是由水泥、骨料、孔隙等組成的復雜膠凝體，存在大量會使聲波阻抗發(fā)生變化的界面，超聲波在傳播過程中會產(chǎn)生雜亂的反射和散射。此外，結(jié)構(gòu)混凝土內(nèi)部還有鋼筋、波紋管等結(jié)構(gòu)或埋件，在其表面也會產(chǎn)生反射波。因此，在利用超聲波反射法探測缺陷時，這些干擾反射波會與來自缺陷的有效反射波混疊在一起，傳統(tǒng)直接識別反射波形的方法難以分辨。

（2）混凝土中超聲波傳播方向性差。由于換能器發(fā)射的超聲波束存在一定的擴散角，而混凝土中強烈的散射使入射波束進一步發(fā)散。在波束發(fā)散嚴重的情況下，判斷反射波的傳播方向十分困難，而僅憑反射波走時無法在三維空間中對缺陷進行準確定位。

1　超聲橫波成像檢測技術簡介

傳統(tǒng)的超聲反射法是利用超聲縱波，超聲波在混凝土中傳播時遇到波阻抗有差異的物體，將產(chǎn)生反射波。如果已知混凝土中超聲波的縱波傳播速度c，就可以計算出與反射體的距離，如圖1所示。

圖1　超聲反射法檢測原理Fig.1 Detection principle of ultrasonic reflection method

超聲橫波反射成像法是近些年發(fā)展起來的檢測混凝土質(zhì)量的新方法，與傳統(tǒng)超聲反射法利用超聲縱波不同，超聲橫波反射成像法是利用超聲橫波。由于橫波不能在流體中傳播，它遇到混凝土-空氣或液體界面時幾乎全部被反射，其反射系數(shù)大于超聲縱波的反射系數(shù)，反射波幅更大。與超聲縱波相比，橫波檢測對混凝土內(nèi)脫空、縫隙等反應更敏感。超聲橫波反射成像法還利用合成孔徑聚焦技術（SAFT）來解決超聲反射法中的超聲波傳播方向性差、易受干擾等問題。與傳統(tǒng)超聲反射法單發(fā)單收的最大區(qū)別是，在波束發(fā)散角度較大的情況下，用合成孔徑聚焦技術依然可以得到較好的空間分辨率。合成孔徑聚焦技術工作方法見圖2。通過對不同位置測得的數(shù)據(jù)進行綜合處理，可以對被測物體進行聲學三維成像，可逐層顯示結(jié)構(gòu)體內(nèi)部的層斷面，得到如醫(yī)學上的透視效果［6-8］。

圖2　合成孔徑聚焦技術工作方法示意圖Fig.2 Schematic diagram of synthetic aperture focusing technique

2　模型檢測試驗與驗證

2.1混凝土裂縫檢測試驗

某混凝土模型尺寸為1.33 m×0.3 m×0.6 m，為素混凝土結(jié)構(gòu)，在其上表面中部設置1條17 cm深的裂縫（見圖3）。在模型側(cè)面進行超聲橫波成像檢測，測試結(jié)果顯示裂縫位置與實際一致，見圖4。

圖3　混凝土模型裂縫及測線布置圖Fig.3 Layout of crack and survey lines of concrete model

圖4　混凝土裂縫測試成果圖Fig.4 Test result of concrete crack

2.2波紋管檢測試驗

某混凝土模型尺寸為1.5 m×0.3 m×0.4 m，在模型中間預埋1根波紋管，波紋管內(nèi)有三束鋼絲，用水泥注漿填充，見圖5。在混凝土模型側(cè)面進行超聲橫波成像測試，測試結(jié)果明顯可見表層鋼筋網(wǎng)、波紋管和底界面，見圖6。

圖5　混凝土預埋波紋管模型及測線布置圖Fig.5 Concrete model with embedded bellows and layout of survey lines

圖6　波紋管測試成果圖Fig.6 Test result of bellows

2.3混凝土墻體厚度檢測試驗

某混凝土墻體模型厚1.75 m，在模型的一側(cè)布置網(wǎng)格測線進行超聲橫波成像檢測，見圖7。測試結(jié)果表明混凝土墻體厚度為1.75 m，與實際相符，見圖8。

圖7　混凝土墻體及測網(wǎng)布置圖Fig.7 Concrete wall and layout of survey network

圖8　混凝土墻體厚度測試成果圖Fig.8 Test result of concrete wall thickness

2.4銅止水片檢測試驗

某工程升船機排水廊道銅止水片外露25 cm，埋入混凝土25 cm，在廊道表面進行超聲橫波成像檢測，見圖9。測試結(jié)果顯示銅止水片清晰可見，且內(nèi)部鋼筋分布清晰，測試結(jié)果見圖10。

2.5升船機齒條檢測試驗

某工程升船機齒條咬合后需要進行注漿，注漿效果至關重要。在齒條咬合面一側(cè)布置網(wǎng)格測線，見圖11。測試結(jié)果可清晰地揭示齒條的形狀，局部可能存在注漿不密實，但有待驗證。測試結(jié)果見圖12。

圖9　廊道銅止水片及測線布置圖Fig.9 Copper waterstop at corridor and layout of survey lines

圖10　銅止水片測試成果圖Fig.10 Test result of copper waterstop

圖11　升船機齒條及測線布置圖Fig.11 Rack of ship lift and layout of survey lines

圖12　升船機齒條測試成果圖Fig.12 Test result of rack of ship lift

2.6混凝土渡槽模型缺陷檢測試驗

某混凝土渡槽仿真模型，槽身段分別有前排鋼筋網(wǎng)、下排波紋管、鋼絞線、上排波紋管和后排鋼筋網(wǎng)，在前期聲波CT檢測渡槽時發(fā)現(xiàn)有缺陷異常區(qū)（樁號27.6～31.6 m，槽底左右各偏0.75 m），見圖13。在缺陷異常區(qū)及附近布置網(wǎng)格測線，測試結(jié)果顯示異常區(qū)以外前排鋼筋反映清晰，上排波紋管的反映也較明顯，聲波CT揭示的缺陷異常區(qū)也呈異常反映，兩種方法的檢測結(jié)果基本一致，測試成果見圖14。

圖13　渡槽模型前期聲波CT檢測成果圖Fig.13 Test result of Sonic CT for aqueduct model

圖14　渡槽模型超聲橫波層析檢測成果圖Fig.13 Test result of ultrasonic shear wave method for aqueduct model

圖15　隧洞襯砌混凝土質(zhì)量正常部位測試成果圖Fig.15 Test results of normal part of tunnel lining concrete

3　工程應用

3.1某調(diào)水隧洞混凝土襯砌質(zhì)量檢測

某調(diào)水隧洞在第一次充水試驗中發(fā)現(xiàn)滲漏量超出設計允許值，為查明滲漏原因，對隧洞內(nèi)襯頂拱沿縱向進行檢測，對于縱向檢測發(fā)現(xiàn)頂拱混凝土襯砌厚度小于28 cm的倉段，則增加布置一條橫測線。檢測成果表明：混凝土襯砌質(zhì)量正常部位厚度約45 cm，襯砌混凝土背后的土工布和防水墊層界面清晰，測試結(jié)果見圖15；而混凝土襯砌厚度不足或脫空部位，聲波反射界面十分明顯，但無法觀測界面背后的有關信息，測試結(jié)果見圖16。

3.2某高速公路橋梁混凝土空心板厚度檢測

某高速公路橋梁全長176 m，上部構(gòu)造為左側(cè)8塊和右側(cè)11塊預應力混凝土空心板?，F(xiàn)場檢測混凝土空心板兩側(cè)腹板厚度時，每2 m布置一個測點；檢測底板厚度時，采用起重機每2 m移動一次吊欄依次檢測。檢測結(jié)果表明，Y7-2空心板的腹板厚度為17.8 cm，而直接測量腹板厚度為18.0 cm，測試誤差僅為2 mm。現(xiàn)場直接測量和超聲橫波成像測試成果見圖17。

3.3某調(diào)水工程渡槽鋼筋斷裂檢測

在某調(diào)水工程渡槽施工過程中發(fā)現(xiàn)渡槽鋼筋有斷裂現(xiàn)象，為了解渡槽鋼筋斷裂的數(shù)量及部位，對渡槽槽身腹板380個對拉螺桿孔附近鋼筋進行檢測。由于鋼筋被截斷后兩斷頭的位移并不大，因此需要較高的檢測精度，前期雷達法檢測因未能得出明確結(jié)果，改用超聲橫波成像法檢測。超聲橫波成像法測試結(jié)果和打開表層混凝土后見到被截斷的鋼筋見圖18。

圖16　隧洞襯砌混凝土厚度不足或脫空部位測試成果圖Fig.16 Test results of insufficient thickness or void of tunnel lining concrete

圖17　某橋梁Y7-2腹板厚度現(xiàn)場直接測量和超聲橫波測試成果圖Fig.17 Direct measurement and test result of ultrasonic shear wave method of thickness of web Y7-2 on a bridge

圖18　超聲橫波成像檢測成果和打開驗證被截斷的鋼筋圖Fig.18 Test result of ultrasonic shear wave method and verification of fractred steel bar

3.4某渡槽混凝土空鼓深度檢測

某調(diào)水工程渡槽波紋管注漿不密實部位有積水，冬季水結(jié)冰后體積膨脹，在冰凍膨脹應力作用下，混凝土產(chǎn)生近似平行的縱向裂縫，出現(xiàn)空鼓現(xiàn)象。先后有多家檢測單位對空鼓進行檢測，但均未成功。采用超聲橫波成像法對指定的3個空鼓部位進行檢測，檢測空鼓深度分別為5 cm、11.2 cm和13.3 cm。經(jīng)現(xiàn)場監(jiān)理監(jiān)督取芯驗證，取芯結(jié)果分別為5.2 cm、11 cm和13.5 cm，檢測結(jié)果誤差僅為2 mm。其中第二處檢測成果及取芯驗證結(jié)果見圖19。

3.5混凝土層間結(jié)合面膠結(jié)質(zhì)量檢測

某水利樞紐工程因泄水閘54個閘孔底板出現(xiàn)不同程度的順流向裂縫，且個別檢查孔出現(xiàn)涌水現(xiàn)象，為查明混凝土層間結(jié)合情況，同時為避免大量鉆孔取芯對閘室底板造成損傷，對其中13個閘孔底板采用超聲橫波成像法進行檢測。共布置3 769個測點，其中異常測點1 264個，占總測點數(shù)的33.53%。經(jīng)12個閘孔59個鉆孔取芯驗證，所有鉆孔均避開了表層鋼筋，檢測結(jié)果與鉆孔驗證吻合。其中某處存在底板裂縫并滲水，檢測發(fā)現(xiàn)深1.3～1.5 m處存在異常區(qū)域，后經(jīng)鉆孔驗證為新老混凝土層間結(jié)合不密實區(qū)。檢測成果圖和取芯驗證結(jié)果見圖20和圖21。

圖19　某渡槽混凝土空鼓深度檢測成果及取芯驗證結(jié)果圖Fig.19 Test result of depth of hollowing in an aqueduct and verification by coring

圖20　層間結(jié)合面檢測成果平面圖Fig.20 Ichnography of test result of interlayer bonding surface

圖21　檢測成果剖面圖和取芯驗證結(jié)果圖Fig.21 Profile of test result and verification by coring

4　結(jié)語

超聲橫波成像法用于檢測混凝土缺陷具有只需一個檢測面、成果直觀和位置準確等優(yōu)點，在工程中的初步應用已取得良好效果，有著廣闊的應用前景。由于工程檢測條件的局限和混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)的復雜性，該技術的應用還有很大的開發(fā)空間，對某些缺陷的診斷與判別還需進一步研究，以解決復雜條件下的混凝土質(zhì)量無損檢測問題。

［1］王繼成，許錫賓，趙明階.水工砼結(jié)構(gòu)損傷診斷技術研究綜述［J］.重慶交通學院學報，2004，23（4）：19-23.

［2］沈國偉，葉偉國.混凝土缺陷超聲檢測技術的新進展［J］.傳感器世界，2002（9）：1-5.

［3］李秋鋒，石立華，鄔冠華，等.提高混凝土結(jié)構(gòu)成像質(zhì)量的技術研究［J］.儀器儀表學報，2008，29（11）：2441-2445.

［4］邵志學，石立華，張琦.混凝土超聲檢測技術的研究與實現(xiàn)［J］.振動、測試與診斷，2012，32（3）：397-401.

［5］李秋鋒.混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部異常超聲成像技術研究［D］.南京：南京航空航天大學，2008.

［6］廖寅.混凝土結(jié)構(gòu)超聲陣列探測成像方法研究［D］.南昌：南昌航空大學，2012.

［7］趙明階.結(jié)構(gòu)砼損傷的超聲成像模型研究［J］.重慶交通學院學報，2001，20（8）：87-99.

［8］杜英華，張聰穎，陳世利，等.合成孔徑聚焦超聲成像方法研究［J］.海洋技術學報，2010，29（2）：94-96.

作者郵箱：zhangjianqing@cjwsjy.com.cn

Title:Application of ultrasonic shear wave imaging in quality detection of concrete//by

ZHANG Jianqing，CAI Jia-xing and PANG Xiao-xing//National Dam Safety Research Center

A new method based on the of ultrasonic shear wave reflection method for concrete quality detection is introduced in this paper.Compared with the conventional ultrasonic wave method，this method has distinct characteristics and obvious advantages，and good result in research and engineering application of concrete quality detection is obtained，worthy reference.

concrete quality；nondestructive testing；ultrasonic shear wave；reflection imaging

TV698.1

B

1671-1092（2016）03-0010-06

2016-02-01；

2016-03-18

國家大壩安全工程技術研究中心“大壩混凝土缺陷檢測技術與方法”項目（編號：2011NDS016）

張建清（1965-），男，教授級高級工程師，主要從事地球物理勘探和檢測工作。