浅谈超声波在土木工程无损检测中的应用

【摘要】本文中笔者结合自己多年的工作经验阐述了土木工程中超声波无损检测技术原理，同时通过阐述超声回弹综合法检测混凝土强度、超声波检测混凝土结构的内部损伤或缺陷、检测混凝土的厚度以及数据处理与缺陷判定几个方面分析了超声波在土木工程无损检测中的应用，希望本文的分析研究可以给大家一些借鉴学习之处。

【关键词】超声波；土木工程；无损检测

1.引言

超声波常常被用于监测工程施工过程的质量和验收工程，在土木工程中我们用的最多的就是穿透法，通过精确的测定首波波形和幅度、声速，再综合分析其变化及大小，能够推测混凝土的内部结构、性能及其组成情况，替处理一些工程问题提供有效的依据。在土木工程中，浇筑振捣混凝土结构时，往往由于不当的操作造成结构内部出现一些缺陷，因为混凝土的质量问题往往会对混凝土结构的使用产生影响，所以我们越来越重视控制混凝土的浇筑质量，控制混凝土质量的手段之一就是运用超声波无损检测技术。下文中笔者结合自己多年的工作经验阐述了土木工程中超声波无损检测技术原理，同时通过阐述超声回弹综合法检测混凝土强度、超声波检测混凝土结构的内部损伤或缺陷、检测混凝土的厚度以及数据处理与缺陷判定几个方面分析了超声波在土木工程无损检测中的应用，希望本文的分析研究可以给大家一些参考的地方。

2.土木工程中超声波无损检测技术原理

超声波无损检测技术是运用高频率的超声波（通常为10～250kHz）当做信息载体，探测土木工程中的混凝土构件，测量在结构混凝土中超声脉冲纵波的首波幅度、传播速度和接收信号频率等参数，并以这些参数的相对变动为依据判断混凝土里面的缺陷情况。在混凝土中超声波传播的过程里，因为受到混凝土的弹模、密度的影响，超声波传播的速率一般会不一样，弹模越大超声波的波速也就越大。超声波在混凝土结构内部传播时受到诸多因素的影响，比如粗骨料大小、水灰比、收缩徐变等，这些影响因素相互影响错综复杂，因此建立混凝土结构强度和测量数据的关系时要稍微调整一下参数。

3.在土木工程中超声波的应用

3.1超声回弹综合法检测混凝土强度

混凝土特性里的一个重要指标就是混凝土的强度，因此精确的检测出混凝土的强度至关重要，由于超声回弹综合法具有操作简单、检测精度高等特点，因此在检测混凝土强度时我们常常用到超声回弹综合法。超声回弹综合法综合应用了回弹法和超声法。应用这两种方法的基本依据就是分析材料的强度和材料应力应变的关系。超声法能够通过超声比反应材料的一些内部结构信息和弹性。回弹法不但能反应材料的弹性而且可以反应部分的塑性。超声回弹综合法不但可以揭示混凝土的表面特性，还可以全面反映出混凝土结构内部的状况，在测定混凝土抗压强度时，第一就是要选择好测点，选好测点以后运用超声回弹综合法进行检测，这种方法的关键目的就是得到测强曲线，也就是经过统计分析表面回弹值、波速、抗压强度这些参数的关系，详细的操作步骤如下：（1）运用超声检测仪获得在混凝土结构中超声波传播的时间t；（2）测得在混凝土结构中超声波传播的波速V；（3）测得表面回弹值R；（4）以所测得的混凝土表面回弹值R和超声波速V计算混凝土的抗压强度。

3.2超声波检测混凝土结构的内部损伤或缺陷

混凝土结构的内部缺陷一般包括混凝土的不密实、裂缝、空洞等。

3.2.1检测混凝土内部的裂缝

因为受到各种因素的影响，混凝土结构构件往往会出现裂缝，裂缝不仅仅会影响混凝土结构的使用性能，也可能会影响混凝土结构的寿命与安全。为了可以精准的测量混凝土内部裂缝的走向及深度，检测中常用的方法就是超声脉冲法。当混凝土结构的开裂深度不超过500mm时，我们一般运用双面斜测法或单面平测法。

3.2.1.1单面平测法

当构件或结构只存在一个表面可提供检测时，可运用单面平测法检测混凝土内部的裂缝深度。检测过程中可在检测裂缝部位以不同的测距同时按不跨缝和跨缝布置测点，分别测量超声波从T到R的声时值。将接收换能器R和发射换能器T以裂缝为对称轴安置在裂缝的两边，其距离为L1，测得超声波传播的声时为t0，再以相同的测距在裂缝同一侧完好混凝土的表面布置换能器，测得对应的声时为t1。

3.2.1.2双面斜测法

当结构的裂缝部位存在两个互相平行的测试表面（板、梁、柱等）时，能够运用双面斜测法进行裂缝深度的测量。在对应测点1，2，3的位置分别放置T，R换能器，测得对应的波幅值A和声时值ti及频率值fi。当R，T换能器的连线经过裂缝时，在裂缝的界面上超声波出现很大的衰减，接收信号的频率和波幅大幅变小。依据频率和波幅的突变，能够得到裂缝的深度和裂缝是不是贯通在平面方向。

3.2.1.3确定裂缝深度的方法

跨缝测量中，当出现首波反相时，通过该测点的数据及相邻测距的亮点的测量数据按照一定的方法计算hci，最后取三个测点的深度平均值作为裂缝深度；如果在测量中没发现首波反相，需要计算第i点的计算深度及平均值，通过个测点的测距和平均深度的比较，如果测距小于裂缝深度平均值或者测距超过3倍的平均值，去掉这组数据，接着取余下的测点数据的平均值就好了。运用双面斜测时，往往选择互相平行的测量表面，经过分析声时、波幅和主频的变化判断出裂缝的连通情况及深度。

3.2.2检测空洞与不密实

和射线方法相比较，超声波检测方法操作简便，穿透能力强，仪器基本不受干扰等优点，因此在混凝土的不密实检测中广泛应用超声波检测法。目前我们常常运用超声脉冲回波法（PUE）和超声脉冲声速法（PUV）来检测空洞与不密实。PUV法的原理就是发射脉冲信号，经过测量信号透过混凝土结构的时间来得到声速。应在混凝土结构构件的表面按网状排布布置测点。经过超声波的有关参数和结构构件的集合特性或力学性能的联系，可以成功地测量构件的空洞和不密实区域。PUE法工作的原理就是在混凝土结构构件的一侧发射信号，经过测量波传播的时间及速度，能够精确的测量缺陷的性质及位置。

3.2.3检测混凝土的厚度

测量隧道喷锚支护混凝土厚度、路面厚度以及混凝土结构的破坏层厚度，都具有十分重要的意义和实际价值，目前，检测混凝土的厚度的方法往往有3种：一是脉冲相关法测量底面反射波；二是窄脉冲探头法；三是用分离谱法加强底面反射信号。

3.2.4缺陷判定与数据处理

3.2.4.1数据处理

运用萧维纳准则或3a法则等常用的分析数值的方法除掉异常的数据。

3.2.4.2缺陷判断

当测区中一些测点发生声速降低（或声时延长）、波幅变小、高频部分显著衰减的异常情况时，可依据异常点的波形状态及分布来得到混凝土里面存在的空洞的范围和小密实区域。

4.结束语

综上所述，在土木工程中检测混凝土就强度以及混凝土的厚度和混凝土结构内部的缺陷方面广泛的运用超声波无损检测技术，因此深入了解超声波在土木工程无损检测中的应用至关重要，上文中笔者也详细具体的分析了超声波无损检测技术在土木工程中的应用，希望对大家有帮助。

参考文献

[1]吴敏.结构混凝土现场检测技术[J].湖南人学出版社，2011（1）：1-5.

[2]李明.混凝土梁无损检测新技术及其进展[J].公路交通科技，2012（1）：8-10.

[3]李为杜.混凝土无损检测技术[J].同济大学出版社，2011（2）：12-23.

作者简介：谭广文，男（1987-），广东广州人，本科，毕业于广东工业大学电子科学与技术专业，从事电力工程检测工作。