大直径厚壁钢管混凝土超声检测方法研究

2019-10-29周志强

中国建材科技 2019年6期

周志强

（甘肃省交通科学研究院有限公司，甘肃兰州 730000）

0 引言

钢管混凝土由于具有承载能力高、力学性能良好、制作与施工方便、经济效益好等优点，越来越多被用于公路桥梁领域。而钢管混凝土受材料和施工工艺影响，经常出现诸如混凝土空洞、混凝土与钢管壁脱粘等缺陷，影响钢管混凝土的承载能力。因此，钢管内混凝土的灌注密实性检测非常必要。

1 传统检测方法

对钢管混凝土的灌注密实性检测，国内规范规定不一：《钢管混凝土结构设计与施工规程》提出对管内混凝土灌注质量，可用敲击钢管的方法进行初步检查，如有异常则应用超声检测方法复测；《钢管混凝土工程施工质量验收规范》认为应检查钢管内混凝土浇筑工艺试验报告及混凝土浇筑施工记录；《超声法检测混凝土缺陷技术规程》规定采用径向对测法或埋置声测管检查钢管混凝土缺陷，但前提是钢管壁与混凝土胶结质量良好。归纳以上关于钢管内混凝土灌注质量的检测，其方法有三：

1）人工敲击法；

2）检查资料法；

3）超声检测法。

通过检查资料的方法检查管内混凝土的灌注质量这里不作讨论。

1.1 人工敲击法

人工敲击法是通过小锤敲击钢管外壁，根据声音回响判断钢管外壁与核心混凝土的粘结质量的方法。如声音浑沉无震感，则说明管壁与混凝土结合紧密；如果声音清脆发空，则可能是混凝土与钢管出现脱空现象。人工敲击法需要熟练的人工操作与丰富的经验，检测过程中人为因素较大，缺陷判断的准确性差，且只能检测钢管与混凝土的粘结质量，对管内混凝土是否存在空洞等缺陷无法达到检测目的。另外，此方法对薄壁钢管适合，而当钢管壁厚超过20mm时，通过声音判断钢管与混凝土的粘结质量将变得困难。

1.2 超声检测法

超声检测法是用超声波检测钢管混凝土的质量，由于超声波在混凝土中传播时其声学参数会发生变化，而超声波的声学参数与核心混凝土的密实度、均匀性及其与钢管壁的粘结情况等有关。根据超声仪接收信号的超声声时或声速、初至波幅度、接收信号的波形和频率变化情况，作相对比较分析，判定钢管混凝土的各类质量问题。

一般检测时采用首波声时法，通过检测穿透钢管混凝土的首波声时值来判断钢管混凝土内部是否存在缺陷。超声波的首波可以穿透钢管混凝土到达一另端，也可沿钢管壁到达另一端。只有当发射换能器发射的超声波透过核心混凝土到达接受换能器的时间t混小于超声波沿钢管壁到达接受换能器的时间t管时，才能避免穿透钢管的超声波首波受到沿钢管壁传播的超声波干扰，造成混乱而无法识别。

对于圆形钢管混凝土，超声波沿钢管混凝土径向传播的时间t混和沿钢管壁半周长传播的时间t管的关系为：

式中：

R-钢管的半径；

v混-超声波在钢管内混凝土中传播的速度；

v管-超声波在钢管壁中传播的速度。

在工程领域，超声波在混凝土中的传播声速一般在3650～4900m/s，在钢材中传播的声速大致为5300～5700 m/s。以最大值计算，钢材中超声波传播速度为5700m/s，那么只要在测试过程中所有测点的波速大于3628m/s，便可认为检测时的超声波直接穿透钢管混凝土，于是可通过综合所有测点的声时（波速）进行分析，找出存在缺陷的测点。

超声波在钢管混凝土中的传播是由钢管到混凝土再到钢管的过程，再加上混凝土的非均质性，造成了超声波在钢管混凝土中的传播行为非常复杂。当钢管混凝土直径较大时，波在钢管混凝土中传播的路径也相应变长，复杂的反射、散射、折射等也发生更多，波能量衰减更严重。这就可能导致从钢管混凝土中透射的首波难以被超声仪分辨出。

2 改进检测方法

在传统超声波检测钢管混凝土灌注密实性方法的基础上进行改进，在钢管内预埋声测管，除检测声测管包围范围内混凝土浇筑质量外，在钢管外壁也布置换能器，使其与声测管内的换能器形成一个发射-接收过程，以此来判断钢管与混凝土之间是否存在脱粘现象，见图1。先通过声测管A、B、C、D分AB、AC、AD、BC、BD、CD六个剖面检测几根声测管范围内混凝土的密实性，然后通过声测管内的径向换能器和钢管外壁的平面换能器检测Aa、Bb、Cc、Dd之间混凝土与钢管壁的粘结质量。

图1 改进超声法检测钢管混凝土灌注密实性示意

该方法通过在钢管内预埋声测管，有效缩短了每次检测超声波在混凝土中的传播距离，使仪器能清楚分辨首波，达到检测目的。同时还能检测混凝土与钢管的粘结质量，达到完整检测钢管混凝土灌注质量的目的。

3 工程实例

某悬索桥索塔采用3m直径的钢管混凝土，塔高60.5m,钢管壁厚0.05m。因钢管壁厚较大，人工敲击法检测仅做参考，主要以超声法对混凝土灌注质量进行检测。

3.1 传统超声波法

以索塔2.5m长为代表，竖向每0.5m布置一个测试截面，共5个测试截面，从下往上分别用1、2、3、4、5表示，每一截面布置4个对测点，分别为A-A1、B-B1、C-C1、D-D1。先检测超声波在钢管中的传播速度，结果为5323m/s。然后检测钢管混凝土整体的声时和波速。

3.2 改进超声波法

采用改进超声波法对上文的2.5m钢管混凝土进行检测，竖向同样每0.5m布置一个测试截面，共5个测试截面，从下往上分别用1、2、3、4、5表示，钢管内预埋4根声测管。

无论是声测管范围内混凝土的密实性检测还是混凝土与钢管间粘结质量的检测，各测点的声速都在4400m/s左右，均大于3628m/s且无异常测点。说明该段混凝土浇筑质量良好，不存在混凝土空洞、裂缝或混凝土与钢管脱粘的缺陷。由于在检测钢管与混凝土粘结质量时，超声波先穿过混凝土后穿过钢管壁，超声波在钢管中传播的速度大于在混凝土中传播的速度，使得超声波通过混凝土再通过钢管传播的平均速度大于只在混凝土中传播的速度。