超声波检测混凝土内部孔洞尺寸研究

董桂华

超声波检测混凝土内部孔洞尺寸研究

董桂华

（辽宁省阜新市水资源管理办公室，辽宁阜新123000）

分析了超声波法检测混凝土内部孔洞尺寸的原理，选用NM-3C型非金属检测分析仪，采用对侧检验法进行了检测混凝土内部孔洞的尺寸检测试验，其结果表明：超声波法检测混凝土中4～10 cm的孔洞是可行的；对于小于探头尺寸的孔洞，误差较大；对于大于10 cm的孔洞，还需进一步验证。

混凝土内部孔洞；检测方法；超声波；基本原理

0　引言

混凝土及钢筋混凝土结构物在建造施工过程中，有时因漏振、漏浆或因石子架空在钢筋骨架上，在混凝土内部形成蜂窝状不密实区或孔洞。这种缺陷的存在会使结构或构件的整体承载力严重下降。为了保证结构或构件的安全，需要采用有效方法查明混凝土结构缺陷的性质、范围及尺寸，并进行相应的技术处理。现有一些建筑的重要构件都采用钻孔破坏的直观检查方法来复核。这在检测结构缺陷的同时，也损伤了构件的受力性能［1］。因此，如何对混凝土结构物进行无损检测是工程建设中的一个重要课题。

目前，混凝土缺陷无损检测技术大体分为机械波法和穿透辐射法两大类。机械波法包括：超声脉冲波、冲击脉冲波和声发射等。穿透辐射法包括：γ射线和中子流等。由于射线的穿透能力有限（尤其对于非匀质的混凝土，其穿透深度受到很大限制），产生射线的设备又相当复杂，还需要严格的防护措施，现场应用很不方便。而超声脉冲波的穿透能力较强（尤其是用于检测混凝土，这些特点更为突出），超声检测设备简单，操作方便，所以被广泛应用于混凝土结构缺陷检测［2］。

混凝土超声波探伤是以无损检测的手段，确定混凝土内部缺陷的存在、位置、大小和性质的一项专门技术。在国外，超声波检测混凝土已经有多年的历史。随着科学技术的发展，无损检测技术也突破了原有的范畴，涌现出一批新的测试方法，包括微波吸收、雷达扫描、脉冲回波等新技术［3］。笔者主要对超声波如何检测混凝土内部孔洞尺寸及其检测效果进行探讨。

1　超声波检测混凝土内部孔洞尺寸的原理

1.1超声波检测混凝土缺陷的基本原理［4］

（1）超声波在混凝土中传播时，遇到尺寸比其波长小的缺陷会产生绕射，从而使声程增大、传播时间延长。因此，可根据声时或声速的变化情况，判别和计算缺陷的大小。

（2）超声波在混凝土中传播时，遇到蜂窝、孔洞、裂缝等缺陷时，大部分脉冲波会在缺陷界面被散射和反射，从而使到达接收换能器的声波能量（波幅）显著减小。因此，可根据波幅变化的程度判断缺陷的性质和大小。

（3）当混凝土的条件相同（即组成材料、工艺条件、内部质量及超声测试距离都相同）时，各测点的声速、波幅和主频率等声学参数一般无显著差异。如果某部分混凝土存在孔洞、不密实或裂缝等缺陷，通过该处的超声波与通过相同条件的正常混凝土相比较，声时明显偏长（声速减小），波幅和频率明显降低，波形也产生严重畸变。因此，可根据声时、波幅、频率、波形等声参量的相对变化来判断混凝土缺陷情况。

1.2混凝土内部孔洞的估算［5］

混凝土孔洞估算示意图如图1所示。图1中，r为孔洞半径，d为换能器直径，l为测距，th为绕孔洞传播的最大声时，tm为无缺陷混凝土的平均声时。

图1　混凝土孔洞估算示意图Fig.1 Concrete holes estim ate schematic

图中，根据几何学原理，存在以下关系。

其中，AB=1/2·vth；AD=l/2；v=l/tm；BD=r-d/2。

将各参数代入式（1）得：

在实际应用中，一般不考虑换能器的直径d，故式（2）可以表示为式（3）。

2　材料与方法

2.1试验材料

（1）水泥。采用铁岭铁新水泥有限公司生产的强度等级为32.5的硅酸盐水泥，出厂时间未超过一个月。

（2）细骨料。采用沈阳浑河河沙，其筛分结果如表1所示。

表1　沙子颗料级配累计筛余量Tab.1 Cumulated weigh t of screen residue of sand particle grading

根据公式（4），计算出沙的细度模数MX＝2.5，为中沙。根据累计筛余量可知，该沙级配位于2区，级配良好、粗细程度适当。另外，该沙质地坚硬、颗粒洁净，表观密度为2 580 kg／m3，孔隙率为42%，含泥量为0.8%，符合国家标准［6］。

（3）粗骨料。沈阳石场的碎石，其筛分结果如表2所示

表2　碎石颗料级配累计筛余量Tab.2 Cum ulated weight of screen residue of crushed stone particle grading

该碎石粒径为5～25mm，连续级配，表观密度为2 620 kg／m3，孔隙率为40%，含泥量为0.1%，针片状含量为2.7%，压碎指标值为3.7%，符合国家标准［7］。

2.2配合比

1m3混凝土所用水泥为347 kg，沙为500 kg，碎石为1 423 kg，水为170 kg。

2.3试件制作

试件（中心预留贯通孔洞）尺寸分别为150mm× 150mm×150mm和200mm×200mm×200mm两种（如图2所示）。试块制作时，选用铸铁钢模，混凝土采用机械拌和，机械振捣。试块制作完成后，在温度（20±2）℃，相对湿度95%以上的养护室养护28 d。

图2　试块Fig.2 Test block

2.4主要试验仪器

试验所用仪器主要是NM－3C型非金属检测分析仪（如图3所示）。该仪器具有超声发射、接受、信号数字采集等功能，可用于混凝土强度、混凝土裂缝、均匀性、厚度的检测等。NM－3C型非金属检测分析仪主要有1台计算机主机和3个功能模块（声参量检测、文件管理和超声数据分析）组成。声参量检测模块用于现场声参量检测，原始数据及波形的存储和打印。文件管理模块用于对现有的各种类型文件进行查看、删除、调用等。同时，可以进行默认路径的设置，新建目录的设置，存储空间的查看等。超声数据分析处理模块用于进行原始数据的分析与处理。换能器采用平面换能器，分别连于仪器的发射口和接受口。对于非互换性的换能器，注意不要将发射端与接受端接反，以免发射高压脉冲损坏接受换能器。

图3　NM－3C非金属超声波检测分析仪Fig.3 NM-3C non-metal u ltrasonic testing analyzer

2.5试验方法

采用对侧法检测。检测步骤为：（1）确定测试面。（2）将被测试件4个浇筑侧面的尘土、污物等擦拭干净。如果试件表面比较光滑，无需专门打磨；如果试件表面不光滑，用细砂纸打磨平，磨光滑。（3）在测试面上按照尺寸布置好测点，并用墨迹做好标记。（4）检测时，先将换能器T、R置于试件一对相互平行测试面的中心上，记录声时参数。

3　试验结果分析

将记录的试验数据代入公式（3）进行计算，得到如表3和表4所示的数据。

由表3和表4可以看出，孔洞在4～10 cm时，测量孔洞与实际孔洞的尺寸相差不大。因此，采用检测混凝土中4～10cm范围的孔洞是可行的。

4　结语

（1）孔洞为4～10 cm时，测量孔洞与实际孔洞的尺寸相差不大。

（2）对于孔洞尺寸小于探头（直径3 cm）尺寸的孔洞，检测结果与实际误差较大。在实际工程中，还需要进行加密检测。

（3）对于大孔洞（直径10 cm以上）的检测，还需要进一步验证。

表3　边长为15cm试件组的分析数据Tab.3 Analysis data of test piece group w ith the length of 15 cm

表4　边长为20 cm试件组的分析数据Tab.4 Analysis data of test piece group with the length of 20 cm

［1］黄湘平，史承明.超声波检测混凝土不密实区和孔洞［J］.陕西工学院学报，2005（6）：59－61.

［2］黄双杰，徐守彬.超声波检测混凝土构件缺陷类型试验研究［J］.四川建筑科学研究，2010，5（36）：160－163.

［3］吴新璇，张仁瑜.无损检测技术在建设工程中的应用与发展［M］.北京：人民交通出版社，2003：3-10.

［4］张治泰，李乃平.超声波检测结构混凝土缺陷［C］／／林文修.第7届全国建筑物鉴定与加固改造学术会议论文集，重庆：重庆出版社，2014：82－89.

［5］吴新璇主编.混凝土无损检测技术手册［M］.北京：人民交通出版社，2003：64－90.

［6］GB／T14684－2011，建筑用沙［S］.

［7］GB／T14685－2011，建筑用卵石、碎石［S］.

[责任编辑胡修池]

Study on Ultrasonic Detection of Concrete Internal Hole Size

DONG Gui－hua
（Water Resource Management Office，Fuxin 123000，Liaoning，China）

This paper analyzes the principle of ultrasonic detection of concrete internal hole size，selects and uses the NM－3C type non－metal testing analyzer，and processes concrete internal hole size detection test by using contralateral test method，the results show that it is feasible to detect the concrete of 4-10 cm hole with ultrasonic method；But for the holes which less than the probe size，the error is bigger；for more than 10 cm holes，still need further verification.

C oncrete internal hole；detection method；ultrasonic；basic principle

TU528.22

A

1008-486X（2016）01-0024-04

2015－10－18

国家自然科学基金：季冻区格栅加筋粉质黏土渠基融沉机理研究（51508345）；辽宁省海洋与渔业厅科研项目：铰接式混凝土砌块海洋护岸系统研究（2014）。

董桂华（1975－），女，内蒙古赤峰人，高级工程师，主要从事水资源管理方面的研究工作。