超声横波成像法在混凝土质量检测中的应用

张建清，蔡加兴，庞晓星（1.国家大坝安全工程技术研究中心，湖北武汉，430010；2.长江地球物理探测（武汉）有限公司，湖北武汉，430010）



超声横波成像法在混凝土质量检测中的应用

张建清1，2，蔡加兴1，2，庞晓星1，2
（1.国家大坝安全工程技术研究中心，湖北武汉，430010；2.长江地球物理探测（武汉）有限公司，湖北武汉，430010）

介绍了一种基于超声横波反射法的检测混凝土质量的新方法，该方法与常规超声波法相比具有鲜明的特点和明显的优势，在混凝土质量检测试验研究和工程应用中都取得了较好的效果，该方法可为混凝土质量无损检测提供新的思路。

混凝土质量；无损检测；超声横波；反射成像

0　前言

医学上采用X射线、超声波和核磁共振等方法可精确获得人体内部的图像，在工业领域中也常使用类似的方法获得高质量的无损探伤结果。尽管土木工程领域的无损检测技术改变了隐蔽工程质量难以查明的状况，提供了一种快速、全面了解工程质量的方法，但其检测成果精度还不尽如人意。目前，超声法是混凝土质量无损检测的一种重要方法，它可以提供丰富的混凝土内部结构信息，而且设备轻便、成本低廉，对结构无损伤。超声法可分为穿透法和反射法。其中穿透法是将发射和接收换能器分别布置在结构的两个相对面上进行对测，通过对穿过结构的超声波旅行时间及波幅、波形、主频等参数的分析来判断是否存在缺陷并确定缺陷的位置。目前国内外声波穿透法检测技术较为成熟，已形成相关技术标准并应用于工程。超声反射法是通过分析超声脉冲在缺陷表面产生的反射波来探测混凝土结构内部缺陷，并根据反射波的走时来确定缺陷的位置，但应用效果不如医学领域［1-3］。

随着大体积混凝土工程的逐渐增多，对混凝土质量无损检测提出了更高的要求，传统超声波穿透法无法满足该要求，而超声反射法具有明显的优越性。然而，由于混凝土材料的复杂性，反射法在混凝土质量检测中的应用还存在技术上的障碍，主要有以下两点［4-5］：

（1）混凝土中超声反射信号易受到干扰。混凝土为非均匀介质，是由水泥、骨料、孔隙等组成的复杂胶凝体，存在大量会使声波阻抗发生变化的界面，超声波在传播过程中会产生杂乱的反射和散射。此外，结构混凝土内部还有钢筋、波纹管等结构或埋件，在其表面也会产生反射波。因此，在利用超声波反射法探测缺陷时，这些干扰反射波会与来自缺陷的有效反射波混叠在一起，传统直接识别反射波形的方法难以分辨。

（2）混凝土中超声波传播方向性差。由于换能器发射的超声波束存在一定的扩散角，而混凝土中强烈的散射使入射波束进一步发散。在波束发散严重的情况下，判断反射波的传播方向十分困难，而仅凭反射波走时无法在三维空间中对缺陷进行准确定位。

1　超声横波成像检测技术简介

传统的超声反射法是利用超声纵波，超声波在混凝土中传播时遇到波阻抗有差异的物体，将产生反射波。如果已知混凝土中超声波的纵波传播速度c，就可以计算出与反射体的距离，如图1所示。

图1　超声反射法检测原理Fig.1 Detection principle of ultrasonic reflection method

超声横波反射成像法是近些年发展起来的检测混凝土质量的新方法，与传统超声反射法利用超声纵波不同，超声横波反射成像法是利用超声横波。由于横波不能在流体中传播，它遇到混凝土-空气或液体界面时几乎全部被反射，其反射系数大于超声纵波的反射系数，反射波幅更大。与超声纵波相比，横波检测对混凝土内脱空、缝隙等反应更敏感。超声横波反射成像法还利用合成孔径聚焦技术（SAFT）来解决超声反射法中的超声波传播方向性差、易受干扰等问题。与传统超声反射法单发单收的最大区别是，在波束发散角度较大的情况下，用合成孔径聚焦技术依然可以得到较好的空间分辨率。合成孔径聚焦技术工作方法见图2。通过对不同位置测得的数据进行综合处理，可以对被测物体进行声学三维成像，可逐层显示结构体内部的层断面，得到如医学上的透视效果［6-8］。

图2　合成孔径聚焦技术工作方法示意图Fig.2 Schematic diagram of synthetic aperture focusing technique

2　模型检测试验与验证

2.1混凝土裂缝检测试验

某混凝土模型尺寸为1.33 m×0.3 m×0.6 m，为素混凝土结构，在其上表面中部设置1条17 cm深的裂缝（见图3）。在模型侧面进行超声横波成像检测，测试结果显示裂缝位置与实际一致，见图4。

图3　混凝土模型裂缝及测线布置图Fig.3 Layout of crack and survey lines of concrete model

图4　混凝土裂缝测试成果图Fig.4 Test result of concrete crack

2.2波纹管检测试验

某混凝土模型尺寸为1.5 m×0.3 m×0.4 m，在模型中间预埋1根波纹管，波纹管内有三束钢丝，用水泥注浆填充，见图5。在混凝土模型侧面进行超声横波成像测试，测试结果明显可见表层钢筋网、波纹管和底界面，见图6。

图5　混凝土预埋波纹管模型及测线布置图Fig.5 Concrete model with embedded bellows and layout of survey lines

图6　波纹管测试成果图Fig.6 Test result of bellows

2.3混凝土墙体厚度检测试验

某混凝土墙体模型厚1.75 m，在模型的一侧布置网格测线进行超声横波成像检测，见图7。测试结果表明混凝土墙体厚度为1.75 m，与实际相符，见图8。

图7　混凝土墙体及测网布置图Fig.7 Concrete wall and layout of survey network

图8　混凝土墙体厚度测试成果图Fig.8 Test result of concrete wall thickness

2.4铜止水片检测试验

某工程升船机排水廊道铜止水片外露25 cm，埋入混凝土25 cm，在廊道表面进行超声横波成像检测，见图9。测试结果显示铜止水片清晰可见，且内部钢筋分布清晰，测试结果见图10。

2.5升船机齿条检测试验

某工程升船机齿条咬合后需要进行注浆，注浆效果至关重要。在齿条咬合面一侧布置网格测线，见图11。测试结果可清晰地揭示齿条的形状，局部可能存在注浆不密实，但有待验证。测试结果见图12。

图9　廊道铜止水片及测线布置图Fig.9 Copper waterstop at corridor and layout of survey lines

图10　铜止水片测试成果图Fig.10 Test result of copper waterstop

图11　升船机齿条及测线布置图Fig.11 Rack of ship lift and layout of survey lines

图12　升船机齿条测试成果图Fig.12 Test result of rack of ship lift

2.6混凝土渡槽模型缺陷检测试验

某混凝土渡槽仿真模型，槽身段分别有前排钢筋网、下排波纹管、钢绞线、上排波纹管和后排钢筋网，在前期声波CT检测渡槽时发现有缺陷异常区（桩号27.6～31.6 m，槽底左右各偏0.75 m），见图13。在缺陷异常区及附近布置网格测线，测试结果显示异常区以外前排钢筋反映清晰，上排波纹管的反映也较明显，声波CT揭示的缺陷异常区也呈异常反映，两种方法的检测结果基本一致，测试成果见图14。

图13　渡槽模型前期声波CT检测成果图Fig.13 Test result of Sonic CT for aqueduct model

图14　渡槽模型超声横波层析检测成果图Fig.13 Test result of ultrasonic shear wave method for aqueduct model

图15　隧洞衬砌混凝土质量正常部位测试成果图Fig.15 Test results of normal part of tunnel lining concrete

3　工程应用

3.1某调水隧洞混凝土衬砌质量检测

某调水隧洞在第一次充水试验中发现渗漏量超出设计允许值，为查明渗漏原因，对隧洞内衬顶拱沿纵向进行检测，对于纵向检测发现顶拱混凝土衬砌厚度小于28 cm的仓段，则增加布置一条横测线。检测成果表明：混凝土衬砌质量正常部位厚度约45 cm，衬砌混凝土背后的土工布和防水垫层界面清晰，测试结果见图15；而混凝土衬砌厚度不足或脱空部位，声波反射界面十分明显，但无法观测界面背后的有关信息，测试结果见图16。

3.2某高速公路桥梁混凝土空心板厚度检测

某高速公路桥梁全长176 m，上部构造为左侧8块和右侧11块预应力混凝土空心板。现场检测混凝土空心板两侧腹板厚度时，每2 m布置一个测点；检测底板厚度时，采用起重机每2 m移动一次吊栏依次检测。检测结果表明，Y7-2空心板的腹板厚度为17.8 cm，而直接测量腹板厚度为18.0 cm，测试误差仅为2 mm。现场直接测量和超声横波成像测试成果见图17。

3.3某调水工程渡槽钢筋断裂检测

在某调水工程渡槽施工过程中发现渡槽钢筋有断裂现象，为了解渡槽钢筋断裂的数量及部位，对渡槽槽身腹板380个对拉螺杆孔附近钢筋进行检测。由于钢筋被截断后两断头的位移并不大，因此需要较高的检测精度，前期雷达法检测因未能得出明确结果，改用超声横波成像法检测。超声横波成像法测试结果和打开表层混凝土后见到被截断的钢筋见图18。

图16　隧洞衬砌混凝土厚度不足或脱空部位测试成果图Fig.16 Test results of insufficient thickness or void of tunnel lining concrete

图17　某桥梁Y7-2腹板厚度现场直接测量和超声横波测试成果图Fig.17 Direct measurement and test result of ultrasonic shear wave method of thickness of web Y7-2 on a bridge

图18　超声横波成像检测成果和打开验证被截断的钢筋图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检测

某调水工程渡槽波纹管注浆不密实部位有积水，冬季水结冰后体积膨胀，在冰冻膨胀应力作用下，混凝土产生近似平行的纵向裂缝，出现空鼓现象。先后有多家检测单位对空鼓进行检测，但均未成功。采用超声横波成像法对指定的3个空鼓部位进行检测，检测空鼓深度分别为5 cm、11.2 cm和13.3 cm。经现场监理监督取芯验证，取芯结果分别为5.2 cm、11 cm和13.5 cm，检测结果误差仅为2 mm。其中第二处检测成果及取芯验证结果见图19。

3.5混凝土层间结合面胶结质量检测

某水利枢纽工程因泄水闸54个闸孔底板出现不同程度的顺流向裂缝，且个别检查孔出现涌水现象，为查明混凝土层间结合情况，同时为避免大量钻孔取芯对闸室底板造成损伤，对其中13个闸孔底板采用超声横波成像法进行检测。共布置3 769个测点，其中异常测点1 264个，占总测点数的33.53%。经12个闸孔59个钻孔取芯验证，所有钻孔均避开了表层钢筋，检测结果与钻孔验证吻合。其中某处存在底板裂缝并渗水，检测发现深1.3～1.5 m处存在异常区域，后经钻孔验证为新老混凝土层间结合不密实区。检测成果图和取芯验证结果见图20和图21。

图19　某渡槽混凝土空鼓深度检测成果及取芯验证结果图Fig.19 Test result of depth of hollowing in an aqueduct and verification by coring

图20　层间结合面检测成果平面图Fig.20 Ichnography of test result of interlayer bonding surface

图21　检测成果剖面图和取芯验证结果图Fig.21 Profile of test result and verification by coring

4　结语

超声横波成像法用于检测混凝土缺陷具有只需一个检测面、成果直观和位置准确等优点，在工程中的初步应用已取得良好效果，有着广阔的应用前景。由于工程检测条件的局限和混凝土内部结构的复杂性，该技术的应用还有很大的开发空间，对某些缺陷的诊断与判别还需进一步研究，以解决复杂条件下的混凝土质量无损检测问题。

［1］王继成，许锡宾，赵明阶.水工砼结构损伤诊断技术研究综述［J］.重庆交通学院学报，2004，23（4）：19-23.

［2］沈国伟，叶伟国.混凝土缺陷超声检测技术的新进展［J］.传感器世界，2002（9）：1-5.

［3］李秋锋，石立华，邬冠华，等.提高混凝土结构成像质量的技术研究［J］.仪器仪表学报，2008，29（11）：2441-2445.

［4］邵志学，石立华，张琦.混凝土超声检测技术的研究与实现［J］.振动、测试与诊断，2012，32（3）：397-401.

［5］李秋锋.混凝土结构内部异常超声成像技术研究［D］.南京：南京航空航天大学，2008.

［6］廖寅.混凝土结构超声阵列探测成像方法研究［D］.南昌：南昌航空大学，2012.

［7］赵明阶.结构砼损伤的超声成像模型研究［J］.重庆交通学院学报，2001，20（8）：87-99.

［8］杜英华，张聪颖，陈世利，等.合成孔径聚焦超声成像方法研究［J］.海洋技术学报，2010，29（2）：94-96.

作者邮箱：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

国家大坝安全工程技术研究中心“大坝混凝土缺陷检测技术与方法”项目（编号：2011NDS016）

张建清（1965-），男，教授级高级工程师，主要从事地球物理勘探和检测工作。