浅析混凝土超声波无损检测

　　浅析混凝土超声波无损检测
　　摘要：本文根据超声波无损检测的发展现状，详细阐述其工作原理，并就当前混凝土工程施工过程中无损检测应注意的问题展开分析。   关键词：混凝土工程；超声波无损检测；原理分析；波形   Analysis of ultrasonic nondestructive testing of concrete   Zou Jianping   Dongtai Co., Ltd. Jinming construction quality inspection   Abstract: Ultrasonic nondestructive testing based on current development, detailing thEir works and concrete construction on the current non-destructive testing process should pay attention to issues analysis.   Keywords: concrete construction; ultrasonic non-destructive testing; theory analysis    1 超声波无损检测概述   这些研究主要针对超声波检测方法的改进以及骨料含量和含水率等对超声波检测的影响。混凝土是一个集粗骨料、细骨料、粘结料、水和外加剂为一体的复合物，特有的黏塑性、多孔性等特征对超声波无损检测有特殊的影响，随着计算机模拟技术和成像技术的发展，超声波无损检测技术将取得更大进步，并在最大程度上满足工程的需要。    2 超声波探测损伤原理分析   混凝土是多组分的集合体，各组分有不同的物理特性，当混凝土中出现损伤时，超声波在各组分界面和损伤处发生杂乱无章的反射、折射、透射、绕射等，使得能量不断损失，导致接收声学参数异常，正是这些异常声学参数为混凝土损伤检测提供了依据。   2.1 波速的判别   混凝土的超声波速主要决定于其弹性参数。将混凝土视为宏观裂纹、分散微裂区和具有稳定缺陷的基体组成的复合材料，在混凝土承受荷载前后，具有稳定缺陷的基体的变形是线弹性的，其弹性常数保持不变，因而对混凝土的声学特性没有影响；而微裂缝在单轴受荷后的变形（闭合、张开、扩展等）会引起混凝土的弹性常数改变，因而是改变混凝土声学特性的主要因素；宏观裂纹是在承受荷载之后出现的，也是影响混凝土材料超声波速的一个重要因素。混凝土的整体超声波速是三个因素的耦合作用的结果。对于在受载条件下的脆性固体材料，声学特性研究结果表明：若假定其母质具有线弹性，在其内部随机分布了大量微裂纹，其声速随单轴应力呈非线性变化关系。这种关系可以简略的表示为Vp=g(m，σ1)，其中Vp为超声波传播速度；σ1为单轴应力；m=(E0，v，KIC，φ，a0，α，ε)，其中E0，v分别为母体的弹性模量和泊松比，KIC，φ分别为材料的断裂韧度和内摩擦角，a0，α，ε分别为微裂纹半长度、形状比和裂纹密度。   实验过程中混凝土的超声波速可以仅限于受载前后和自愈合之后，可以不考虑受载时应力对波速的影响。这样，超声波速的变化与材料母体的弹性模量、泊松比、断裂韧度、内摩擦角、微裂纹半长度、形状比和裂纹密度等细观参数有关。混凝土超声波应为超声在基体，微裂区，宏观裂纹三相中传播的组合效应，可以表示为：   其中，Vc为超声波在混凝土中的传播速度，i1，i2，i3和V1，V2，V3分别为基体、微裂区和宏观裂纹在混凝土中的体积分数以及超声波在三者中的传播速度。其中，V3即为超声波在空气中的速度340m/s；V1=m1(E0，v，KIC，φ)，V2=m2(a0，α，ε)，其中E0、KIC的增大将导致V1的增大，a0，α，ε的增大则导致V2的减小。   超声波波速比较稳定，可重复性比较好，是评价混凝土质量的重要指标。   2.2波幅的判别   当超声波穿过非均匀的混凝土，遇到空洞、裂纹等损伤时会发生绕射、透射、反射等现象，导致波速下降，波时延长，超声波能量损失，从而导致超声波波幅大大减弱，因此可以根据波幅的变化来判断混凝土的损伤情况。   在工程应用中主要是依据首波波幅的变化情况来判断混凝土损伤情况，因为首波能够真切反应混凝土损伤，而后续波与折射、反射后的波叠加，而不能反应混凝土损伤的真实情况。   2.3主频的判别   对接收信号的频谱分析证明，不同质量的混凝土对超声脉冲波中的高频分量的吸收、衰减不同。因此，当超声波通过不同质量的混www.LWlm.Com凝土后，接收波的频谱（即各频率分量的幅度）也不尽相同，质量差或有缺陷的混凝土，其接收波中高频分量相对减少，而低频分量相对增大，所以接收波的主频率下降。    和波幅一样，频率测值也没有统一的标准，只能在同一剖面内测点间进行相对比较，测试值没有波速值稳定，目前只用于辅助判别。   2.4波形的判别   当混凝土有质量缺陷时，超声波在传播过程中能量损失，使得接收波波形发生变化，当混凝土损伤严重时，波形会发生畸变， （a）正常波形 （b）缺陷波形（c）严重缺陷波形   图1 超声波波形   超声波波形的敏感性和稳定性都很高，是检测混凝土质量的重要参数。    3 注意事项分析   3.1 建立基于混凝土强度的超声波检测技术规程   虽然超声波无损检测技术应用于混凝土工程仍存在争议，但这并不代表超声波不能应用于混凝土的无损检测，超声波层析成像技术在三峡工程质量检测中取得良好的成果。但目前只有超声波结合回弹仪检测混凝土强度技术规程，没有独立的基于混凝土强度的超声波无损检测技术规程。   3.2 建立单独基于混凝土缺陷的超声波检测判别体系   超声波无损检测主要应用于混凝土损伤检测，依据波速、波时、波幅、频率和波形等判别混凝土损伤情况，但以上判别方式没有具体的判别指标，对于不同的混凝土损伤判别也因人而异，建立独立基于混凝土缺陷的超声波检测判别体系，使检测标准化，使混凝土工程更便于监理。   3.3 超声法检测混凝土强度与混凝土缺陷结合   目前超声法检测已应用于混凝土工程的各个方面，主要有混凝土测强、混凝土裂缝深度检测、不密实区空洞检测、混凝土结合面质量检测、表面损伤层检测、灌注桩混凝土缺陷检测、钢管混凝土缺陷检测。检测中对混凝土测强与测缺陷是各自独立，分开进行的，这样不仅给检测工作增加了工作量，而且阻碍了超声法检测技术在混凝土工程中的广泛应用。超声法测强与超声法测缺陷二者紧密结合起来，将成为超声法检测技术在混凝土工程中应用的一个热点问题。   4 结语   超声波无损检测技术广泛应用于混凝土工程无损检测，建立完善的超声波无损检测技术规程，不断充实基于混凝土缺陷的超声波无损检测判别体系，超声波检测混凝土强度与检测缺陷合理结合，使混凝土质量状况完整清晰地呈现在我们面前。就www.LWlm.Com如超声波层析成像技术、声发射技术等的发展，混凝土缺陷清晰的呈现在我们面前，并时时检测混凝土的质量，对混凝土出现的损伤实施及时的补救，以延长混凝土工程的使用寿命。当代计算机模拟技术和成像技术的发展，为超声波无损检测技术提供了新的发展方向，具有更广阔的发展前景。    参考文献：   [2]张晓培,杜立志,刘铭,等.桥梁大型混凝土构件的超声波CT检测[J].无损检测,2009,31(8):600-602.   [3]方海东,戴鹏飞,吉同元.应用超声波声学参数综合判别法检测基桩质量[J].2009,46(S1):120-122.