混凝土结构超声波检测的波型选择

2015-04-03吴荣兴李云川于兰珍

时代农机 2015年5期

吴荣兴,李云川，于兰珍，邱耀

（宁波职业技术学院建工学院，浙江宁波 315800）

随着我国基础设施建设的飞速发展和城镇化进程的不断推进，各种钢筋混凝土结构都获得了极大的发展和应用[1-2]。与此同时，改革开放初期兴建的混凝土结构也达到了一定的使用年限。混凝土结构的检测成为一项迫在眉睫的工作。在各种检测方法中，无损检测能够保证结构的完整性，并且具有相对较低的检测成本，这样有助于评估整个结构的安全性。常用的无损检测方法包括回弹法、超声脉冲法、射线法、红外线记录法以及其他电和磁的方法等。其中超声波在混凝土结构中的传播速度与混凝土的弹性性质之间存在密切关系，在一定程度上可以反映混凝土的材料性质。另外，超声波的传播速度将受到各种复杂因素的影响。针对各种因素的影响，可以通过选取特定超声波波型来检测混凝土构件的材料性质。

1 波型选择和联合检测

混凝土结构超声波检测的主要工作过程如下：通过发射换能器发送超声波，超声波穿过混凝土结构被接受换能器获取检测数据，这些检测数据包括波速、波形、波幅和频谱等参数。接着通过分析获取的数据就可以精确地推定混凝土的强度、结构缺陷类型和性质以及位置等信息。

纵波是超声波检测的首选波型，其在各种混凝土检测中的应用已经得到了广泛研究。当一定频率的纵波穿过混凝土结构时，纵波波速和材料密度、弹性模量以及泊松比存在数学关系，纵波检测的优点不再赘述。其主要缺点是纵波检测对工作面要求比较高，适用于厚度较大混凝土结构检测。由于混凝土结构大多是层状结构，纵波在两层或是多层以上的不同声阻抗界面上将发生反射和干扰，对于检测人员的经验和技术要求均较高。

混凝土结构的瑞利波检测是一种比较新兴的超声波检测波型。该方法同样也是通过分析瑞利波在混凝土结构中的传播过程来推定混凝土结构的各种工程参数。和其他方法相比，瑞利波检测只需要一个混凝土结构的待测面即可对其内部质量状况进行检测。而且测试深度可人为控制，即可由浅向深逐层检测，也可以控制对某一深度范围进行检测。当然瑞利波检测混凝土结构也存在一定问题：①获取的瑞利波波速与混凝土构件并非一一对应的，它是一种平均速度。因此无法用波速的空间变化推定混凝土内部的缺陷位置。这时需要再测横波波速来共同推定各点的材料特性；②大体积混凝土结构的检测困难。瑞利波作为一种声表面波，其传播能量和振幅大部分都集中在混凝土结构表面，大约在三个波长左右。这样对大深度大体积混凝土进行检测时，瑞利波将无法深入混凝土结构内部。

兰姆波是一种在板结构特有的波型。利用兰姆波对混凝土梁板结构进行检测是比较新的方法。兰姆波为在板内传播并满足上下表面应力自由边界条件的弹性应力波。兰姆波检测有以下优点：①存在多模态选择，兰姆波有无数个对称和反对称模态可供检测选择；②能够进行多目标探测，例如探测不同深度和种类的缺陷；③兰姆波能量衰减较小，具有极长的传播距离；④可在各种曲面混凝土结构进行检测，例如检测钢筋混凝土桩和管道等。兰姆波检测也存在问题：①对混凝土结构中的骨料和钢筋尺寸要求较高，因为激发频率对混凝土粗骨料和钢筋的尺寸都严重的依赖；②检测结果的精确分析，由于存在多模态，因此获得的兰姆波参数也非常众多，因此必须对众多模态所获得的工程参数进行必要的甄别和选择。

综合以上所述，各种超声波波型都存在一定的限制。可以利用两种或两种以上的超声波波型，获取多种物理参量，并建立混凝土结构工程参数信息之间的综合相关关系，以便从不同角度综合评价混凝土结构的工程信息。由于综合法采用多项物理参量，能较全面地反映构成混凝土结构的各种因素，并且还能抵消部分影响强度与物理量相关关系的因素，因而相对单一方法而言具有更高的准确度和可靠性。例如对于梁板混凝土结构，可以采用纵波、瑞利波和兰姆波进行综合测定，最后将参数进行联合推定，极大地减少了各种测定方法的误差。

2 超声波检测的主要影响因素

由于混凝土结构本身材料构成复杂，各种波型超声波在结构内部传播时受到的影响因素众多，主要问题有：①原材料与配合比对超声波的影响。水灰比和粗骨料大小都将对三种波型的超声波有着非常大的影响，因此在检测过程中必须预估各种原材料的尺寸并进行激发频率的选择，以避开严重的干扰波型；②孔隙率及含水率对超声波的影响。各种研究表明混凝土内部的空隙率和含水率都将对三种波型的超声波传播产生严重影响。例如空隙将引发超声波的散射，而含水将严重衰减超声波的传播能量；③环境温度对超声波的影响。环境温度变化将改变混凝土结构的材料特性及其工程参数，因此必将改变获得的超声波信息；④待测面对超声波检测的影响。待测面的选取好坏也会对三种波型超声波有所影响，例如纵波和兰姆波需要两个待测面，而瑞利波只需要一个待测面。三种波型都要求待测混凝土结构表面的平整性和洁净性。