超声波在水利工程质量检测中的应用研究

摘 要 超声法作为检测质量的一种关键技术，应用范围也越来越广泛。水利工程施工过程中使用的机械设备、原材料和施工人员技术水平，都会影响到施工质量。

关键词 水利工程；超声波应用；质量检测

引言

超声波是一种人类听不到的机械波，人类能听到的声波频率在20Hz～20kHz之间，超过20kHz的声波称之为超声波。目前，超声波已运用到工作和生活的方方面面，如医学B超检查、通信、超声波缺陷检测等。这些运用正是利用了超声波的穿透性、指向性好、能量集中、对周围环境影响小等特点，同时对被超声波穿透的物体没有物理性损伤，可做到“隔空透视”。

1 超声波检测混凝土质量的基本方法及技术原理

声波在均匀介质中传播其声波衰减很少。应用超声波检测混凝土质量即是利用此原理来研究混凝土结构的形态。目前，较为成功的超声波检测方法有透射法和反射法。下面将具体介绍超声波检测混凝土质量各种方法的特点和使用范围。透射法是一种简单而有效的检测方法，主要用作混凝土结构的完整性检测。本方法的主要优点是准确度高，可定量分析混凝土结构的缺陷和判定缺陷所处位置。而缺点是需要提前埋设声测管，成本增加且造成施工不便，现场的检测效率也不高。透射法主要利用三种设备或仪器，即声波发射器、接收换能器和超声波检测仪。

1.1 声波发射器和接收换能器要求

柱状径向振动，且沿径向具有无指向性；外径不大于声测管的内径，有效工作面的轴向边长小于150mm；谐振频率不宜超过60kHz；在不小于1MPa水压条件下该设备不发生渗水现象，水密性保持良好。

1.2 超声波检测仪要求

功能齐全。拥有即时显示和记录时程曲线或频谱分析等功能；该检测仪最小的采样间隔不大于0.5μs，频带宽度宜为1～200kHz，控制测量声波幅值的相对误差不大于5%，最大的动态范围应该至少为100Db；声波发射的脉冲应为阶跃或矩形脉冲，电压幅值在200～1000V范围以内[1]。

2 超声波检测应用

2.1 超声波用于钢焊缝质量检测

在钢焊缝质量检测过程中，通常使用的方法是超声波法和X射线法，由于在工程施工过程中钢焊縫的数量一般较大，而且需要检测分析的长度也非常长，检测工件所处的环境也较为复杂。因此用超声波方法对于钢焊缝的质量进行检测时，就会凸显出检测过程中的优势：如设备尺寸小、操作简单、检测过程中无辐射外泄隐患等。钢焊缝质量检测时，由于金属的晶粒尺寸较小，钢焊缝所受的影响较大，为探测存在的缺陷。通常通过超声脉冲波变化情况来进行比较。当检测焊缝质量良好时，检测超声波可顺利传播到达检测物体底面，超声波检测仪器中只有表示发射脉冲及底面回波两个信号，如果被检测焊缝中存在缺陷，在超声波检测仪器中底面回波前会有缺陷回波信号。由此可以判定存在缺陷。

2.2 混凝土强度检测

混凝土是水泥、石子、砂、外加剂掺和料组成由多相复合材料，其组成成分复杂。一般的混凝土强度检测是预留混凝土试块、现场取蕊样等方法。如果预留的混凝土试块质量存疑，现场又不允许取芯样，需要运用超声波等无损检测手段。混凝土本身不是一种均质材料，相同标号的混凝土由于组成材料变化，超声波在混凝土内传播速度也不同，并且在混凝土内部存在着石子—水泥、水泥—砂等各种界面，超声波遇到这些界面时会发生反射、衍射等多种传播方式。因此，简单地将混凝土与超声波之间建立直线性数学关系模型是困难的，需要将混凝土看作均质的弹塑性材料[2]。

建立起混凝土强度与超声波声速的关系曲线和经验公式，作为超声波检测混凝土强度的依据。可以看出超声波速度和固体介质的材料性质、密实度、弹性模量及泊松比有关。由于混凝土组成材料的复杂性，利用超声波检测混凝土强度存在着一定误差，不同的混凝土原材料使超声声速值各有差异，即使同样的原材料，也因混凝土配合比不同，产生不同的速度值。水泥的硅酸三钙含量越高，细度越大，矿物细掺料的细度越大，相应的超声的传播速度也会越高，反映出的混凝土强度就会增大、相反混凝土强度显示值就会降低。如果混凝土中粗骨料偏多超声波的传播速度就要比粗骨料偏少的快，显示出的强度就要高。因此超声波检测混凝土强度应采用多参数法综合提高测试精度，如混凝土成熟度—超声声速、声速—衰减系数、声速—振幅、声速—含水率、声速—混凝土龄期等。

2.3 混凝土裂缝检测

混凝土裂缝检测时，常采用透射法或平行反射法，具体选用哪种方法跟裂缝的位置、混凝土结构形式有直接关系。

（1）透射法

适用于发生裂缝的面积较小，混凝土结构尺寸规矩、厚度不大的情况。运用透射法检测时，发射探头与接收探头分别在裂缝的两侧移动，当探头与裂缝没有相交时，检测超声波不会发生明显变化，当探头与裂缝相交时，检测超声波会在裂缝处发生衍射，从而使接收探头的接收时间和接收强度发生变化，根据时间和强度的变化确定裂缝的位置及深度。

（2）平行反射法

当混凝土的裂缝面积较大或结构尺寸复杂，不宜采用透射法检测时，可采用平行反射法。运用平行反射法检测时，应先检测裂缝周边混凝土的声波速度，由于混凝土是一种复杂的混合材料，声波速度受原材、配合比、龄期的影响因素较大，应在裂缝周边进行多次的声波速度检测，取平均值。然后使用一对探头在裂缝的两侧平行移动。

移动时探头之间的距离应与裂缝的估测深度相近。如果探头之间的距离过远检测出的数据较实际的裂缝深度要小[3]。

3 结束语

在水利工程混凝土质量检测方面，施工单位应不断加强质量检测的管理力度和增强对混凝土施工质量控制的重视程度，强化相应质量检测方法的创新，并认真执行国家法规及规范，在法律允许的范围之内不断提升工程质量检测水平，确保质检工作的科学性、准确性和权威性，保障水利工程质量的可靠性。

参考文献

[1] 赵闫，迟明阳.水利工程质量检测中超声脉冲法的运用[J].科技展望，2015，（02）：73.

[2] 刘顺发，李光宇，韩苏建.超声脉冲法在水利工程质量检测中的应用[J].水利与建筑工程学报，2006，4（03）：25-28.

[3] 程朝霞，徐银芳，王毅翔.超声波法检测混凝土强度的发展[J].华中科技大学学报（城市科学版），2003，20（04）：95-98.