超聲波技術(shù)在混凝土結(jié)構(gòu)缺陷檢測(cè)中的應(yīng)用與優(yōu)化

原心紅 王剛

摘 要：本文重點(diǎn)探討了超聲波技術(shù)在混凝土結(jié)構(gòu)缺陷檢測(cè)中的應(yīng)用。本文首先對(duì)超聲波檢測(cè)混凝土結(jié)構(gòu)缺陷的原理進(jìn)行了分析，然后對(duì)現(xiàn)階段常用的超聲波技術(shù)進(jìn)行了總結(jié)，比如超聲脈沖法、超聲回彈綜合法等檢測(cè)方法，最后結(jié)合具體工程實(shí)例分析了超聲波技術(shù)在混凝土結(jié)構(gòu)缺陷檢測(cè)中的應(yīng)用，并進(jìn)一步探討影響超聲波技術(shù)應(yīng)用效果的因素和優(yōu)化措施，以供參考。

關(guān)鍵詞：混凝土結(jié)構(gòu)缺陷；超聲波技術(shù)；優(yōu)化措施

1 前言

利用超聲波技術(shù)檢測(cè)混凝土結(jié)構(gòu)的內(nèi)部缺陷，能夠清楚反映鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部各種不同程度的缺陷情況，哪怕是在復(fù)雜內(nèi)部結(jié)構(gòu)的情況下，也能夠準(zhǔn)確快速地完成混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)情況的檢測(cè)識(shí)別，為混凝土質(zhì)量評(píng)估提供依據(jù)參考。因此，在現(xiàn)階段需要加強(qiáng)對(duì)相關(guān)技術(shù)要點(diǎn)的研究和應(yīng)用，不斷提高超聲波技術(shù)應(yīng)用效果，為混凝土工程質(zhì)量的提升做出貢獻(xiàn)。

2超聲波技術(shù)檢測(cè)混凝土結(jié)構(gòu)缺陷的原理

超聲波檢測(cè)技術(shù)主要是利用超聲波在混凝土中的傳播特性來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)缺陷的檢測(cè)和識(shí)別。超聲波在混凝土中的傳播速度與混凝土的密實(shí)度直接相關(guān)，混凝土的結(jié)構(gòu)密實(shí)度和均勻性越好，超聲波受到的阻礙也就越小，傳播速度也就越快。反之，如果混凝土中存在空洞、裂縫等缺陷，超聲波的傳播速度就會(huì)降低。其原因是超聲波在混凝土缺陷處會(huì)發(fā)生反射、散射和繞射等現(xiàn)象，這些現(xiàn)象會(huì)導(dǎo)致超聲波的能量衰減和傳播路徑的改變[1]。超聲波檢測(cè)混凝土結(jié)構(gòu)缺陷的原理如圖1所示，其中黑色橢圓和圓狀物代表了混凝土中的空洞，當(dāng)超聲波遇到空洞或者裂縫時(shí)，一部分能量會(huì)被反射回來(lái)，一部分能量會(huì)繞過(guò)空洞繼續(xù)傳播，而另一部分能量則會(huì)被空洞吸收，能量的變化是通過(guò)超聲波聲學(xué)參數(shù)的變化進(jìn)行反映的，比如超聲波的波幅、頻率等參數(shù)。與此同時(shí)，超聲波在混凝土中的傳播還會(huì)受到混凝土內(nèi)部骨料、界面和其他微觀結(jié)構(gòu)的影響。因此，通過(guò)測(cè)量和分析超聲波的傳播速度、波幅和頻率等聲學(xué)參數(shù)，可以推斷出混凝土的密實(shí)度、均勻性以及其他物理性能。

3超聲波技術(shù)在混凝土結(jié)構(gòu)缺陷檢測(cè)中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

超聲波檢測(cè)作為一種非破壞性檢測(cè)方法，其最大的優(yōu)勢(shì)在于無(wú)需破壞混凝土結(jié)構(gòu)就可以直接進(jìn)行混凝土內(nèi)部缺陷的檢測(cè)，能夠有效確保重要建筑和設(shè)施的完整性。與此同時(shí)，超聲波技術(shù)具有非常高的檢測(cè)精度，即便是緊貼在混凝土表面的細(xì)小裂紋，也可以通過(guò)超聲波檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行精準(zhǔn)識(shí)別，尤其對(duì)于混凝土內(nèi)部的空洞、裂縫等缺陷，可通過(guò)超聲波技術(shù)進(jìn)行精確的定位和定量分析，為混凝土結(jié)構(gòu)質(zhì)量評(píng)定提供詳細(xì)的信息，確?；炷凉こ淌┕べ|(zhì)量。

4混凝土結(jié)構(gòu)缺陷檢測(cè)中常用的超聲波技術(shù)

4.1超聲脈沖法

超聲脈沖法作為混凝土結(jié)構(gòu)檢測(cè)中的常用方法，其主要是利用了超聲波在混凝土中的傳播特性。當(dāng)超聲波發(fā)射器釋放出的高頻聲波遇到混凝土內(nèi)部的缺陷、界面或不同材料時(shí)，聲波會(huì)發(fā)生反射、折射和散射現(xiàn)象。這些變化都會(huì)被接收器捕捉到，進(jìn)而通過(guò)處理軟件呈現(xiàn)為圖像或數(shù)據(jù)。在具體檢測(cè)過(guò)程中，檢測(cè)人員需要先在混凝土表面涂抹耦合劑，確保超聲波能夠順暢地進(jìn)入混凝土內(nèi)部。之后再通過(guò)移動(dòng)超聲波探頭對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行全方位的掃描。在掃描過(guò)程中，超聲波設(shè)備會(huì)實(shí)時(shí)記錄聲波的傳播時(shí)間、振幅和頻率等參數(shù)，這些參數(shù)的變化都與混凝土內(nèi)部的狀況密切相關(guān)。超聲脈沖法不僅不會(huì)對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行破壞，還能夠詳細(xì)檢測(cè)混凝土的內(nèi)部情況[2]。例如，通過(guò)分析聲波的傳播速度，可以推斷出混凝土的密實(shí)度和均勻性；聲波的反射和散射情況能夠揭示出混凝土內(nèi)部存在的裂縫、空洞或夾雜物等缺陷。但是，超聲脈沖法在實(shí)際應(yīng)用中也存在一定的局限性，由于混凝土的組成復(fù)雜且不均勻，其聲學(xué)特性會(huì)受到多種因素的影響，如含水量、骨料分布、溫度以及齡期等，這些因素的變化都會(huì)影響檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性。因此，在使用超聲脈沖法檢測(cè)混凝土結(jié)構(gòu)時(shí)，必須充分考慮這些因素的影響，并結(jié)合實(shí)際情況進(jìn)行適當(dāng)?shù)男拚托?zhǔn)。

4.2超聲回彈綜合法

超聲回彈綜合法建立在超聲波技術(shù)和回彈檢測(cè)方法的基礎(chǔ)之上?；貜椃ㄊ峭ㄟ^(guò)回彈儀來(lái)測(cè)量混凝土表面的硬度，進(jìn)而推斷其抗壓強(qiáng)度，而超聲波技術(shù)能夠深入檢測(cè)混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)情況。在超聲回彈綜合法中，檢測(cè)人員首先使用回彈儀對(duì)混凝土表面進(jìn)行多點(diǎn)測(cè)量，檢測(cè)混凝土的回彈值，然后再在同一位置上，通過(guò)超聲波設(shè)備檢測(cè)混凝土結(jié)構(gòu)的內(nèi)部情況，回彈值能夠反映混凝土表面的硬度和密實(shí)度，而超聲波傳播速度能夠揭示混凝土內(nèi)部的均勻性和存在的缺陷，兩個(gè)參數(shù)結(jié)合就能夠更全面地反映混凝土的質(zhì)量和強(qiáng)度[3]。超聲回彈綜合法的檢測(cè)精度高，測(cè)試速度也非常快。但是，混凝土自身的齡期、含水率等也會(huì)影響最終的檢測(cè)結(jié)果，因此，在檢測(cè)過(guò)程中也需要及時(shí)進(jìn)行修正調(diào)整。

4.3相控陣超聲波檢測(cè)方法

相控陣超聲波檢測(cè)方法是超聲檢測(cè)技術(shù)的一種，該方法是通過(guò)多個(gè)小型超聲波換能器（探頭）組成的陣列，來(lái)檢測(cè)混凝土結(jié)構(gòu)的缺陷。每個(gè)探頭都可以獨(dú)立地發(fā)射和接收超聲波信號(hào)，在測(cè)量過(guò)程中需要精確控制每個(gè)探頭的發(fā)射時(shí)間和相位，這樣就可以通過(guò)超聲波束對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行全方位的掃描。相控陣超聲波檢測(cè)能夠生成高分辨率混凝土結(jié)構(gòu)圖像，可以更準(zhǔn)確地檢測(cè)和定位缺陷。

5超聲波技術(shù)檢測(cè)混凝土結(jié)構(gòu)缺陷的實(shí)例分析

5.1工程概況

某建筑工程中框架結(jié)構(gòu)采用鋼管混凝土結(jié)構(gòu)，鋼管混凝土結(jié)構(gòu)截面如圖2所示，為弧形結(jié)構(gòu)，混凝土齡期為八周，外界溫度平均值為22℃。

5.2檢測(cè)方案

為了全面評(píng)估混凝土結(jié)構(gòu)的性能，分別用三種不同頻率檢測(cè)混凝土在不同深度時(shí)的結(jié)構(gòu)情況，然后再結(jié)合聲波散射衰減法計(jì)算對(duì)應(yīng)的結(jié)果。其中30 m位置采用的檢測(cè)頻率為0～10 Hz，60 m位置采用的檢測(cè)頻率為10 Hz～20 Hz，90 m位置采用的檢測(cè)頻率為20 Hz～30 Hz，持續(xù)檢測(cè)一周，采集相關(guān)數(shù)據(jù)。

檢測(cè)中所采用的超聲檢測(cè)分析儀的相關(guān)參數(shù)如下：

聲時(shí)測(cè)度精度 μs±0.02；聲時(shí)測(cè)度范圍0～1280000μs；接收靈敏度 μv≤5；最大發(fā)射電壓 V≤1200。

5.3檢測(cè)及結(jié)果分析

對(duì)檢測(cè)一周所獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析，將各頻率范圍內(nèi)混凝土結(jié)構(gòu)中的缺陷數(shù)量及范圍繪制成折線圖，如圖3所示。其中，散熱系數(shù)與缺陷范圍的大小成正比，系數(shù)越大，說(shuō)明缺陷所覆蓋的范圍越大。結(jié)合圖3可知，缺陷數(shù)量基本在0～5個(gè)之間波動(dòng)。

進(jìn)一步檢測(cè)不同頻率以下混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)缺陷的復(fù)雜程度，所得到的結(jié)果如圖4所示。分析圖4可知在60 m～90 m范圍內(nèi)，聲波衰減系數(shù)的值最大，在20～45之間，并且存在非常大的波動(dòng)變化；深度在30 m～60 m范圍內(nèi)，系數(shù)在10～20之間；0～30 m之間的聲波衰減系數(shù)基本維持在10左右。聲波衰減系數(shù)與內(nèi)部結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度直接相關(guān)，衰減系數(shù)的增加則表明內(nèi)部結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度也在進(jìn)一步提升。

6影響超聲波技術(shù)應(yīng)用效果的因素和優(yōu)化措施

6.1影響超聲波技術(shù)在混凝土結(jié)構(gòu)缺陷檢測(cè)中應(yīng)用效果的因素

影響超聲波技術(shù)檢測(cè)結(jié)果的因素，具體有以下幾點(diǎn)：

（1）構(gòu)件的形狀、尺寸及檢測(cè)點(diǎn)間。超聲波在傳播過(guò)程中的指向性較差，需要以換能器為中心呈球面波形式傳播，所以受檢測(cè)點(diǎn)的影響非常大。同時(shí)，混凝土中存在大量不同的界面，而界面主要受混凝土構(gòu)件的形狀、尺寸影響，這就導(dǎo)致超聲波在傳播過(guò)程中發(fā)生復(fù)雜的反射和折射，彼此相互干擾和疊加，并形成較大的漫射聲能，影響超聲波檢測(cè)結(jié)果。（2）混凝土材料的自身特性。混凝土的水泥種類(lèi)、水灰比、骨料級(jí)配、抗壓強(qiáng)度等都會(huì)對(duì)超聲波在混凝土中的傳播速度產(chǎn)生影響，混凝土的密度和抗壓強(qiáng)度越高，超聲波在混凝土結(jié)構(gòu)中的傳播速度越快。（3）鋼筋。在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中，需要根據(jù)建設(shè)要求設(shè)置多根鋼筋，鋼筋對(duì)超聲波的傳播速度也有較大的影響。在不同配筋設(shè)計(jì)下，超聲波的傳播會(huì)出現(xiàn)不同變化，尤其在鋼筋軸線與測(cè)試方向平行時(shí)，對(duì)混凝土聲速測(cè)值的影響較大。為避免這方面的影響，必須確保發(fā)射和接收換能器的連線和鋼筋有一定距離。（4）耦合狀態(tài)和接頭按壓力度。脈沖波接收信號(hào)的波幅值對(duì)混凝土缺陷的反應(yīng)最為敏感，因此，檢測(cè)所得到的波幅值的準(zhǔn)確性直接影響著混凝土缺陷的檢測(cè)結(jié)果。但是，在具體檢測(cè)中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)耦合劑不統(tǒng)一或者接頭按壓力度相同的情況，這就會(huì)影響最終的波幅值。耦合劑的作用在于填充超聲波探頭與混凝土表面之間的微小空隙，確保超聲波能夠順暢地從探頭傳入混凝土內(nèi)部。如果缺少耦合劑或使用了不合適的耦合劑，超聲波在傳播過(guò)程中就會(huì)遇到阻礙，導(dǎo)致聲波能量損失、傳播速度變化或波形畸變，從而影響檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性。如果按壓力度不一致，就會(huì)導(dǎo)致探頭與混凝土表面之間的耦合狀態(tài)發(fā)生變化，進(jìn)而影響超聲波的傳播效果。

6.2優(yōu)化超聲波技術(shù)監(jiān)測(cè)混凝土結(jié)構(gòu)缺陷的措施和建議

為了提高超聲波檢測(cè)的精度和準(zhǔn)確度，在超聲波檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用過(guò)程中，需要圍繞以下幾點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)：

（1）預(yù)先檢測(cè)鋼筋位置及保護(hù)層厚度。由于混凝土構(gòu)件中可能含有鋼筋，而超聲波在不同介質(zhì)中的傳播速度存在差異，又同時(shí)受鋼筋數(shù)量和混凝土級(jí)配的影響，檢測(cè)時(shí)在鋼筋周?chē)赡苄纬梢欢ǖ目斩磪^(qū)域。因此，在進(jìn)行超聲波檢測(cè)之前，建議先對(duì)鋼筋的位置和保護(hù)層厚度進(jìn)行檢測(cè)，這樣可以避免鋼筋對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)造成干擾，顯著提高檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

（2）合理設(shè)置檢測(cè)點(diǎn)間距。檢測(cè)點(diǎn)的選取和間距設(shè)置對(duì)檢測(cè)精度有直接影響。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，檢測(cè)點(diǎn)間距通常是超聲波波長(zhǎng)的2～5倍，才能滿(mǎn)足檢測(cè)精度的要求。在實(shí)際操作中，檢測(cè)人員應(yīng)結(jié)合混凝土構(gòu)件的截面尺寸來(lái)合理確定檢測(cè)點(diǎn)的間距，確保檢測(cè)結(jié)果的可靠性。

（3）擴(kuò)大檢測(cè)區(qū)域。為了提高檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性和全面性，在檢測(cè)過(guò)程中，可以結(jié)合實(shí)際情況擴(kuò)大檢測(cè)區(qū)域，從而更加全面地評(píng)估混凝土結(jié)構(gòu)的整體狀況，提高檢測(cè)的準(zhǔn)確性。

（4）調(diào)校檢測(cè)設(shè)備。在進(jìn)行超聲波檢測(cè)之前，檢測(cè)人員需要對(duì)所有設(shè)備進(jìn)行調(diào)校，確保設(shè)備的精度和準(zhǔn)確度，避免因設(shè)備精度問(wèn)題而影響檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性和有效性。

（5）統(tǒng)一耦合劑和接頭按壓力度。在進(jìn)行超聲波檢測(cè)時(shí)，檢測(cè)人員需要保持一致的按壓力度，確保探頭與混凝土表面之間形成良好的耦合狀態(tài)。同時(shí)，還需要采用相同的耦合劑，為檢測(cè)工作的開(kāi)展奠定良好基礎(chǔ)。

7結(jié)論

綜上所述，超聲波技術(shù)在混凝土結(jié)構(gòu)缺陷檢測(cè)中具有顯著的優(yōu)勢(shì)和良好的應(yīng)用效果。通過(guò)超聲脈沖法、超聲回彈綜合法等檢測(cè)方法，能夠準(zhǔn)確、快速地評(píng)估混凝土結(jié)構(gòu)的質(zhì)量和強(qiáng)度，為工程建設(shè)和混凝土結(jié)構(gòu)維護(hù)提供支持與幫助。

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