混凝土内部缺陷对超声波声时声速的影响研究

杜 浩 杨先俊 姬鹏越 刘 敏

(1.黑龙江科技大学建筑工程学院，黑龙江 哈尔滨 150022; 2.东北石油大学土木建筑工程学院，黑龙江 大庆 163000)

1 概述

混凝土受压构件，如梁、柱等在制作工程中，由于搅拌及施工工艺等因素影响，会在混凝土内部产生构件局部不密实，裂缝或空缺区，在混凝土外部会产生蜂窝、麻面等缺陷[1]；在使用过程中，混凝土受压构件由于少筋，或承载力超载等因素，会造成混凝土构件的损伤。这些损伤的存在严重影响混凝土承载力和耐久性[2,3]。

笔者以超声检测法为例，对混凝土损伤构件进行检测试验，采用超声试验方法[4,5]，观测超声波通过有裂缝的混凝土构件时超声波速度、振幅、频率、周期、波形等多个参数变化，分析研究这些数据变化的规律及物理机制，得到混凝土内部缺陷对超声波声时、声速影响的一般规律。

2 试验方案

2.1 试验试样制备

试验试样制备两个，为145 mm×145 mm×145 mm和1 200 mm×150 mm×200 mm和混凝土受压梁构件，将此试验试样进行编号，标定为一号试样，二号试样。

试验材料使用水泥，砂子，碎石等原材料按照1∶1.5∶1.5的比例配置而成，其中水泥为325号普通硅酸盐水泥，砂子的粒径为0.35 mm～0.5 mm，碎石的粒径为5 mm～20 mm。其中一号试样较为密实，没有明显损伤区域。二号试样有较大裂缝3条，裂缝宽度约为1.5 cm，中型裂缝2条，裂缝宽度约为0.5 cm，微型裂缝较多，裂缝宽度小于0.5 cm，中部受压区有局部压碎区域，如图1所示。

2.2 测点布置

试验预设测点五个，均匀分布于受测截面，将受测点编号1号测点，2号测点，3号测点，4号测点，5号测点，测点布置见图2。

每个测点均匀涂抹凡士林耦合剂，测取参量数据的方式为每个测点测取五次取平均值作为该测点的参数值。可减少因试验操作或耦合不好所引起的实验误差，提高本次实验的准确性。

2.3 试验方法

本次试验选用超声波非金属检测仪，采用对比实验方式进行。通过对一号较为完整混凝土构件的检测，得到标准混凝土试样的检测参数，据此，进行二号损伤混凝土构件的检测，检测数据加以对比，分析，得到缺陷混凝土构件基本分析方法。

试验传感器采用对点发射接收方式，非金属超声检测分析仪经调零声时后进入正常工作状态，对一号试样进行完整检测的过程中，始终保持测定管距设定为145 mm，起点设定为0.0 m，点距设定为-0.074 mm，采样周期为0.8 μs，发射电压为60 V，标定值设定为1。

单一测点测取五次数据中，每进行一次检测，将传感器取下，重新耦合以后，方进行下一次数据检测工作。

检测试验中所采用的耦合剂为涂抹均匀的凡士林耦合试剂。

每个测点进行五次重复检测，即每一组试验分别进行25次检测，最终取每个测点的算术平均值为该测点的参量。

3 结果分析

按上述试验布置及操作，对两组试验试样进行检测，得到超声波通过完整混凝土构件之后的检测参数和超声波通过有损伤混凝土构件的检测声时、幅度、声度参数。对一号试样测得结果见表1。

3.1 混凝土构件裂缝对于超声波声速影响较大

在一号试样声速检测中，最大声速为2.648 km/s，最小声速为2.189 km/s，平均声速为2.43 km/s，即未通过裂缝区的超声波声速对于均值的偏差较小，约在10%以内；在二号试样声速检测中，最大声速为5号测点测得5.136 km/s，最小声速为1号测点测得2.918 km/s，平均声速3.912 km/s，即通过裂缝区混凝土超声波声速对于均值的偏差较大，约在30%。但对于一号试样测得的平均声速为2.43 km/s，二号试样测得的平均声速为3.912 km/s，二号试样的平均声速比一号试样平均声速高1.482 km/s。由于二号试样存在明显损伤部位，依据波动传播理论，声波在空气中的传播速度应小于在固体中传播速度，试验测得的数据与波动理论相背离。这一现象表明，二号试样中存在密实度极高的物质，使声波得以快速传播，经资料查实，二号混凝土构件为钢筋混凝土试件，与一号素混凝土试样材料相异。超声波在钢材中的传播速度约为5.9 km/s，在空气中的传播速度约为0.34 km/s，并受温度影响较大。本次试验中，超声波通过二号试样中的裂缝及钢筋，声速为二者的叠加，平均声速大于素混凝土中超声波传播的平均声速。

1号和4号测点位于受测试样的上部左右两端，5号和3号测点位于受检试样的下部左右两端。在一号试样检测中，由1号测点和4号测点测得的声速为2.472 km/s，2.189 km/s，由3号测点和5号测点测得的声速为2.398 km/s，2.447 km/s。在二号试样检测中，由1号测点和4号测点测得的声速为2.918 km/s，2.932 km/s，由3号测点和5号测点测得的声速为4.76 km/s，5.136 km/s。一号试样为裂缝较少的素混凝土试样，声速变化较小。1号和4号测点测得声速平均值与3号和5号测点测得的声速平均值偏差在3%以内，表明该构件混凝土较为均质。二号试样为裂缝较多的钢筋混凝土试样，声速变化较大。1号和4号测点测得声速平均值与3号和5号测点测得的声速平均值偏差在25%左右，差值较大。在一号试样和二号试样检测中，两组试样的1号和4号测点测得声速变化较小，两者平均值的偏差在10%左右，二号受检钢筋混凝土构件试样80%裂缝自构件中部下侧开始发育。超声波声速对于混凝土构件较大损伤比较敏感，声速会表现出明显变化，而对于微裂缝超声波声速的变化相对较小，超声波声速对于混凝土构件中微裂缝敏感适中。

表1 一号试件每个测点检测数据平均值

表2 二号试件每个测点检测数据平均值

对二号试样的检测，重新进行调零声时计算，得到零声时为2.1 μs，管距由试样一的145 mm变更为1 200 mm，其他条件不进行变更，检测得到表2数据。

3.2 混凝土构件裂缝对于超声波声时影响较大

超声波在混凝土中传播时，遇到损伤部位如不密实、裂隙、孔洞等会产生散射或漫射现象。二号检测试样上部受压区存在局部压碎现象，从二号试样第1测点和第4测点测得的声时为415.18 μs，409.9 μs，第2测点、第3测点和第5测点测得的声时分别为294.86 μs，252.14 μs，234.86 μs。计算得到第1测点和第4测点声时对于均值的偏差在5%以内，声时差异为5.28 μs。第2测点，第3测点和第5测点声时对于均值的偏差在10%以内，声时差异为60 μs。计算第1测点，第4测点和第2测点，第3测点，第5测点的声时对于均值的偏差约25%，均值声时差异为152.54 μs，此声时差异较大。表明第1测点和第4测点处，存在混凝土缺陷区，超声波在此缺陷区发生散射、折射现象，表现为所测声时的异常增大,见图3，图4。

在一号试样第4测点第二次检测中，出现声时为105.62 μs，声速为1.737 km/s，幅度为93.1 dB的异常数据，声时约为其他四次检测的2倍，声速约为其他四次检测的1/2。根据实验记录，此次试验过程中，传感器与试样耦合不良，致使声波在空气中传播，声时增大，声速减小。依据此数据异常，计算时该数据予以剔除，不参与计算结果。

4 结语

1)在混凝土构件中，裂缝的出现，会导致声波在空气中传播，使声波声速降低，以此可以根据超声波声速的变化来判断混凝土构件内部裂隙发育。

2)蜂窝、麻面等损伤区域的出现，导致超声波在损伤区域内发生散射和折射现象，使声波声时增大，以此可以根据超声波声时的变化来判断混凝土构件内部损伤区域。

参考文献:

[1] 傅竹武,王鑫.混凝土构件缺陷超声无损检测的研究[J].岩土力学,2007(10)：71-72.

[2] 李娟娟.混凝土结构内部损伤超声检测方法研究[D].南京：南京航空大学,2017.

[3] 唐鲁楠,冯文慧.无损检测技术在地铁检修中的应用[J].无损检测,2016(11)：126-127.

[4] 张 勇,唐国龙.建筑工程检测中无损检测的有效运用[J].黑龙江科技信息,2017(5)：176-178.

[5] 郑 宏.超声波在混凝土桩基础无损检测中的应用[J].山东工程技术，2017(19)：20-22.