超声断层扫描法检测混凝土内部缺陷技术研究

陈代君，朱忠平，孔祥旭

（1.新疆建筑科学研究院（有限责任公司），乌鲁木齐 830054；2.新疆建设工程质量安全检测中心（有限责任公司)，乌鲁木齐 830054）

1 引言

在混凝土结构的施工过程中，由于施工人员不固定，技术水平参差不齐，在混凝土浇筑过程中会产生一些质量缺陷，从而造成混凝土强度不足，混凝土结构内部出现的空洞、孔洞、夹渣、裂缝等质量问题越来越多，现场需要快速、准确地检测出缺陷位置、缺陷大小及缺陷类型。

2 混凝土内部质量缺陷的检测方法原理及各自缺点

2.1 超声波法

2.1.1 检测方法

目前，超声波无损检测技术是检测混凝土内部质量缺陷的有效方法，其主要操作依据为CECS21:2000《超声法检测混凝土缺陷技术规程》[1]，具体的操作方法及数据处理方法如下：

1）根据被测构件的实际结构尺寸及需要检测的部位，布置换能器，布置的网格间距控制在100～300 mm，具体可根据被测构件的具体情况和需要检测部位的实际情况确定，并且可以根据缺陷情况调整该间距。

2）使用清水清除待测试混凝土表面的浮尘和浮浆，清理完毕后，待混凝土表面达到风干状态，再在其表面均匀涂抹耦合剂，耦合剂主要为黄油或凡士林，然后检查仪器，将仪器增益净量调至最大值。

3）根据需检测构件混凝土存在的大致缺陷情况，以及平行的两个测试面之间的距离（固定值），将两个换能器通过黄油耦合在测位中对应的测点上，测量两个检测点之间的声学参数，声学参数主要为声时值或声速值，同时还需要进行同环境条件下正常区域混凝土的声学参数的测量，作为对比数据，对比测点数应不少于20 个。

4）结果计算。首先，计算所测量的正常区域混凝土的声学参数平均值和标准偏差；然后，计算所测量的有质量缺陷区域的声学参数的平均值和标准偏差。在上述数据计算过程中，需要按照CECS21：2000 中规定的异常系数对所采集的数据进行剔除，然后对剩余数据再进行异常数据剔除，直至无异常值为止，再进行声学参数的计算。具体异常数据的判定方法可按照CECS21：2000 进行，本文不再赘述。根据测点上测量得到的异常声学参数，结合异常点的大致分布情况判定混凝土内部不密实区和空洞区的大致范围。最后，确定混凝土内部质量缺陷的种类与大小。

2.1.2 数据处理

根据CECS21：2000 第6.3 节内容，测位混凝土声学参数（声时、波幅、频率）测量值的平均值mx和标准差sx按式（1）和式（2）计算：

式中，Xi为第i点的声学参数的测量值，声学参数包括声时、波幅、频率；n为参与统计的测点数。

异常数据可按下列方法判别：

1）将各测点的波幅、声速或主频值由大到小按顺序分别排列，表示为X1≥X2≥…≥Xn≥Xn+1，将排在后面明显小的数据视为可疑，再将这些可疑数据中最大的一个（假定Xn）连同其前面的数据计算出mx及sx值，并按式（3）计算异常情况的判断值（xo）：

式中，λ1为异常值判定系数。

将X0与Xn相比较，当Xn≤X0时，则Xn及排列于其后的各数据均为异常值，并且去掉Xn，再用X1～Xn-1进行计算和判别，直至判不出异常值为止；当Xn＞X0时，应再将Xn+1放进去重新进行计算和判别。

2）当测位中判出异常测点时，可根据异常测点的分布情况按式（4）进一步判别其相邻测点是否异常：

式中，λ2、λ3为待选异常值判定系数。

当测点布置为网格状时，取λ2；当单排布置测点时(如在声测孔中检测），取λ3，同时，若保证不了耦合条件的一致性，则波幅值不能作为统计法的判据。

整个检测过程较为麻烦，计算方法更为复杂，耦合剂对检测结果影响很大，同时，耦合剂的清理较费劲，对混凝土构件的污染大，检测出混凝土内部缺陷的判断需要有丰富的经验，并且检测时间长，缺陷判定困难，同时，在检测过程中所使用的耦合剂对混凝土构件污染严重，越来越不适应于现代混凝土快速施工的技术要求。

2.2 雷达法

采用雷达法检测混凝土质量缺陷时，在混凝土表面发射一定频率的电磁波，当电磁波通过混凝土内的缺陷部位时，产生的反射波的波幅与频率会发生变化，根据反射波的波幅和频率随时间的变化而形成的图像分析混凝土构件中的孔洞、裂缝、不密实等质量缺陷。其主要利用了电磁波在不同介质中的阻抗和几何形态的差异，差异越大，信号越强。使用雷达法检测混凝土结构质量缺陷的缺点是所使用的仪器价格昂贵，金属干扰严重，钢筋与缺陷的区分需根据单通道波形图与剖面图结合识别，还需要通过钻芯来验证。

2.3 冲击回波法

冲击回波法的原理是：作用在混凝土的表面的冲击弹性波，在混凝土内部形成应力波，应力波在通过治疗缺陷或混凝土底面时，产生反射波，工作人员通过分析反射波的波形参数来确定混凝土内部质量缺陷。使用冲击回波法检测混凝土质量缺陷的缺点是所使用的仪器价格昂贵，检测的混凝土深度较浅，检测不出混凝土内部缺陷的类型，需结合钻芯来验证。

2.4 红外热像法

利用红外热像仪可以记录大自然中各种可以产生红外线的物体向外辐射红外线的影像。混凝土质量检测中，可以根据红外线照片物体的温度差异或试验前后温度的变化来确定混凝土内部的某种缺陷。使用红外热像法检测混凝土质量缺陷的缺点是所使用的仪器价格昂贵，只能检测混凝土的浅层缺陷。

2.5 钻芯法

钻芯法是利用专用钻机，在结构混凝土上钻取芯样，根据芯样情况判定混凝土质量缺陷。其缺点是依靠混凝土局部的损伤来反映混凝土内部质量缺陷，此方法要求观察混凝土内部质量缺陷越准确，可靠取样数量就要求越多，对混凝土结构的损伤就越严重，而且钻芯费用较高，钻芯时间较长。

3 混凝土断层扫描检测技术的原理及现状

随着建筑工程检测技术的进步，在混凝土检测方面也出现了大量的先进的检测仪器。超声波断层扫描技术被用于混凝土检测的原理是：将待检测混凝土表面划分若干个检测单元，然后从不同方向对每一层检测单元进行多次多波列超声波扫射，通过计算机汇总每一层测量的超声波数据，最终将汇总数据合成直观图像，根据图像精确、直观地反映混凝土整个测试面上的缺陷，提高了检测精度，可及时、准确、可靠地检测混凝土内部质量缺陷。

随着近几年科技的发展，国外已将混凝土断层扫描法用于混凝土无损检测与评价中，以及用Surfce WaveU 进行混凝土性能的无损评估。近几年，我国引入三维断层超声成像仪，目前三维断层扫描在我国仅在科研及个别重大水利、公路工程上使用。

混凝土超声断层扫描检测仪是一部多功能超声基阵测量系统。可适用于非破坏性测试，用低频率波进行测量，波的频率一般在200～100 kHz，并根据测试数据处理成像，利用脉冲回波技术针对混凝土或者钢筋混凝土结构进行内部成像。应用与施工现场相近的钢筋混凝土模型中，获取相应的检测资料，通过对资料的汇总、整理，与已知的钢筋混凝土模型的数据进行对比，编制超声波CT 检测混凝土内部质量缺陷的程序。

具体软件编写原理（以声时值为例）：

首先，断层扫描仪使固定波速（断层扫描仪在标准块或正常混凝土上进行仪器校准，标定后，确定波速v）多角度地通过被测混凝土构件的某一个测试面时，可得到一系列的声时值（ti），当该混凝土试件的被测试断面没有缺陷时，每个角度里的各列波所产生的声时值是相同的，当该混凝土被测试断面存在缺陷时，每一角度的各列波的声时值会产生差异，根据各列波在该检测断面上的每一个细小的检测单元上的声时值的统计情况，确定被检测断面上缺陷的大小。一般缺陷越小，每次扫描的步距就会越小，显示的缺陷就会越精细，同时根据缺陷的界限，形成图像。但是，每个检测断面在成像时应考虑钢筋对此断面的干扰。

其次，按照上述方法继续扫描混凝土构件的下一层，依据获得的声时值统计情况，绘出本层图像，以此类推。

最后，将各层图像合成一个立体的透视图，再将各测区的立体透视图合成一个整体，从而直观地看到缺陷的位置、大小及钢筋的位置。这个程序避免了原有程序中不能区分钢筋与缺陷的问题，其主要原因是原程序依靠声时值的差值进行灰度上色，不考虑声时值差值的正负，从而造成混凝土中的缺陷与钢筋均为红色，无法区分。

编写软件程序要求以固定速度为基准速度，主要判断依据是被测混凝土构件的某一个测试面得到的每一个测试单元的声时值，若声时值无异常，只要所测量的声时值与该测量角度下的基准声时值一致时就显示黄色，若声时值偏低往绿色偏移，偏差值越大越接近于蓝紫色；若声时值偏高往红色偏移，偏差值越大越接近于赤红色；如果仅采用黑白图像，也可以是声时值越偏高颜色越接近于黑色，声时值越偏低越接近于白色，具体的灰度变化可以通过电脑来区分、分析，从而得出缺陷的大小、类型。这样编写出的软件程序解决了无法区分缺陷与钢筋的问题。

4 混凝土超声断层扫描仪的选用

通过对现有混凝土内部质量缺陷的无损检测方法进行对比，以及混凝土断层扫描检测技术的原理的阐述，发现采用混凝土超声断层扫描仪进行混凝土内部缺陷检测是目前最直观、高效、快速、准确、无污染，对混凝土构件影响最小的检测方法。通过对混凝土断层扫描仪参数的了解，混凝土超声断层扫描仪的主要参数为：传感器频率为50 kHz，模拟带宽为10～100 kHz，测量范围也达到了10～2 500 mm。

仪器选定后，需要进行实际使用。前期先在混凝土模块上进行相应的操作使用，找出其在混凝土模块上的显示规律，制定判断缺陷的特定条件；后期在施工现场的钢筋混凝土上进行操作使用，并找出其在施工现场的钢筋混凝土上的显示规律，根据显示规律，制定特定条件；最后，将所采集的各种信息进行归纳、整理，依据上述软件编写原理，对该仪器内部不适宜于我区钢筋混凝土内部质量缺陷显示规律的软件予以调整，对于适宜的软件部分予以保留，最后使所完善的仪器操作软件，更有利于有效提高所使用仪器的性能。

5 结语

虽然超声波早已应用在混凝土缺陷检测中，但超声波检测混凝土内部质量缺陷的检测过程较为麻烦，内部缺陷的判断复杂，不适应于混凝土快速检测要求。而利用超声断层扫描技术可以获得混凝土内部质量缺陷直观的软件合成图像，量化混凝土内部缺陷，已在很多领域得到了广泛应用，并且在一些领域的应用已取得了一定的社会成效，在我国建筑行业上的应用仍处于摸索阶段，特别是在我国建筑无损检测方面，仍未能大规模推广应用。本研究旨在使超声断层扫描检测技术尽快在我区建筑无损检测方面推广，使超声断层扫描技术向着快速、清晰、高效的方向发展。