南通市建筑工程质量检测中心
摘要：目前对缺陷的无损检测技术大体可以分为两大类：一类是机械波法，包括超声波法、冲击波法等检测方法。另一类是穿透辐射法，包括χ射线、γ射线、中子流等检测方法。由于射线的穿透能力有限，尤其对非匀质的混凝土构件，其穿透混凝土进行检测的能力和效果有限，而且产生射线的设备相当复杂，又需要严格的防护措施，现场应用很不方便。相比较而言，超声波的穿透能力较强，这一特点尤其是用于检测混凝土时更为突出，而且超声波检测设备比较简单，操作也很方便，所以被广泛应用于混凝土结构构件缺陷的检测。
关键词：超声波；缺陷；裂缝
近年来随着建设工程的迅速发展，结构型式越来越复杂，对施工过程的要求也越来越高，但常有因施工管理或环境因素等形成的不同形式的混凝土缺陷。这些缺陷的存在对结构的完整性、力学性能和耐久性能产生了不同程度的影响，因此采用有效的非破损检测方法，在不破坏结构构件的基础上检测出混凝土内部缺陷是非常必要的。
1 实验原理
采用超声波脉冲法检测混凝土内部缺陷的基本原理是根据超声波在技术条件相同的混凝土中传播的声时（声速）、接收波的振幅和频率等声学参数的相对变化以及波形畸变来判定混凝土的缺陷。
2 传统超声波法
当超声波在混凝土中传播时，如果遇到空洞、裂缝、蜂窝等缺陷，超声波就会绕过这些缺陷继续传播，这样就会导致超声波在混凝土中的传播距离增大，声时就会相应增长。同时，由于空气中的声阻抗远小于混凝土中的声阻抗，超声波在传播至正常混凝土与缺陷的界面时会发生折射、反射，产生散射衰减从而使声能损失，其中频率较高的成分衰减更快，因此接收信号的波幅会明显降低，频率明显减小或频率谱中高频成分明显减少。再者，经缺陷折射、绕射的超声波信号与直达波信号之间存在相位差，叠加后互相干扰，致使接收到的信号波形发生畸变。
2.1 超声波检测混凝土中裂缝深度
（1）单面平测法
当混凝土结构构件的开裂部位只有一个可测表面，预估计的裂缝深度又不大于500mm时，可采用单面平测法检测。检测时应在待测裂缝的被测部位，以不同的测距，按跨缝和不跨缝两种形式布置测点进行检测。
首先进行不跨缝声时测量：将收、发探头置于裂缝附近的同一侧混凝土表面，移动探头使两个探头内边缘间距等于100、150、200、250mm……并分别读取对应的声时值，据此绘制“时间—距离”坐标图或用回归分析的方法求出声时与测距之间的回归直线方程：
这样每个测点超声波实际传播距离是：
式中：
——第点超声波实际的传播距离（mm）
——第点收、发探头内边缘间距（mm）
——回归方程中的常数项或“时间—距离”坐标图中距离轴的截距，反映了探头的零声时前沿
而回归方程中的，即“时间—距离”坐标图中的直线的斜率即为混凝土中的超声波声速（km/s）。
然后进行跨缝声时测量：如图1所示，将发射探头和接收探头分别置于裂缝对称的两侧，取100、150、200、250mm……分别读取声时值，同时观察首波相位的变化。
最后根据检测的结果，按下式计算裂缝深度：
1）跨缝测量中，当在某测点发现首波反相时，可用该点测距及两个相邻测点测距下的测量值按（2）式计算裂缝深度，取此三点的计算结果平均值作为该裂缝的平均值。
式中：
——第点计算的裂缝深度值（mm）
——第点超声波实际的传播距离（mm），按（1）式计算
——跨缝平测时第点声时值（μs）
——混凝土中的超声波声速（km/s），即回归方程中的“”
2）跨缝测量中如难发现首波反相时，则以所有测点测距下的测量值按（2）式计算裂缝深度，将这些计算结果取平均值。再将此平均值和所有测点收、发探头内边缘间距比较，凡小于此平均值或大于3倍此平均值的应剔除该测点对应的计算深度值，然后将余下的各测点对应的计算深度值的平均值作为该裂缝的深度值。
（2）双面斜测法
当结构构件的裂缝部位具有两个相互平行的可测表面时，可采用双面穿透斜测法检测。测点布置如图2所示，将收、发探头分别置于两检测面对应法的1、2、3……测点的位置，读取相对应的声时值，波幅值及主频率。
当收、发探头的超声波传播路径连线通过裂缝时，根据声时、波幅和主频的突变，可以判定裂缝深度以及是否在所处断面内贯通。
（3）钻孔对测法
钻孔对测法适用于大体积混凝土，预计深度在500mm以上并且被检测混凝土允许在裂缝两侧钻测试孔的裂缝检测。钻孔检测时孔径要比探头直径大约5～10mm；孔深应比裂缝预计深度深700mm（检测时如发现浅于裂缝深度则应加深钻孔）；孔间距宜为2000mm；孔轴线应互相平行。如图3所示，宜在裂缝一侧多钻一个孔距相同但孔深较浅的孔，通过B、C孔测试无裂缝混凝土的声学参数。
检测前应先将测试孔中注满清水，然后将收、发探头分别置于裂缝两侧的对应孔中，以相同的间距（100～400mm）从上到下同步移动，逐点读取声时、波幅、主频和探头深度。随着探头位置逐渐下移，在某点处测得的声时达到最小、波幅达到最大、主频达到最大，并基本保持稳定，则该点所对应的深度就是裂缝深度值。
2.2 超声波检测混凝土中不密实性缺陷
（1）对测法
当被测构件有两对相互的可测试面时，可采用对测法。如图4所示，在待测试件测试部位两对相互平行的测试面上，分别画出等间距的网格（一般为100mm～300mm的网格间距），并编号确定对应的测点位置。依次测出各测点的声时、波幅、主频和测距。
（2）对测斜测结合法
当被测构件只有一个相互平行的测试面时，可采用对测斜测结合法。如图5所示，在测试部位两个相互平行的测试面上分别画出网格线，在对测的基础上进行交叉斜测。依次测出各测点、测试线路的声时、波幅、主频和测距。
（3）钻孔、预埋管测法
当被测构件无可测表面或测距较大时，可采用钻孔、预埋管测法。如图6所示，在测试部位预埋测管或钻出竖向测试孔，其测孔数量和深度可根据测试需要确定。检测时刻用两个径向振动式探头分别置于两测孔中进行测试，或用一个径向振动式探头和一个厚度振动式探头分别置于测孔中和平行测孔的侧面进行测试。依次测出各测试线路的声时、波幅、主频和测距，并对其进行分析，找出其中的异常点。
使用频率较低的厚度振动式探头，保持发射探头位置不变，将接受探头耦合后依次移动至间距为30cm的测点1、2、3、4、5、6……的位置上，如图7所示。
依次读取各测点相对应的声时值t1、t2、t3、t4、t5、t6……，并依次测量每次移动探头后收、发探头的内边缘的距离l1、l2、l3、l4、l5、l6……。每一测试位置的测点数不得少于6个，当损伤层较厚或不均匀时，应适当增加测点数，以保证测试结果的准确性。
用各测点测得的声时值ti和内边缘间距值li绘制“时—距”坐标图，如图8所示。
由图8可得声速改变所形成的转折点，该点前、后分别表示损伤和未损伤混凝土的l和t相关直线。用回归分析方法分别求出损伤、未损伤混凝土l和t的回归直线方程：
损伤混凝土 lf=a1+b1·tf
未损伤混凝土la=a2+b2·ta
式中：
lf——拐点前各测点的测距（mm），对应于图8中的l1、l2、l3
tf——对应于图8中l1、l2、l3的声时（μs）t1、t2、t3
la——拐点后各测点的测距（mm），对应于图8中的l4、l5、l6
ta——对应于图8中l4、l5、l6的声时（μs）t4、t5、t6
a1、a2——回归系数，对应于图8中损伤和未损伤混凝土直线的截距
b1、b2——回归系数，对应于图8中损伤和未损伤混凝土直线的斜率
损伤层混凝土厚度按（3）式计算
3 超声波CT（层析成像）法
传统的超声波法[1]存在着解释难度大、精度一般、结果不直观、缺陷精确定位困难、经验性成分居多等缺点，同时由于测线信号异常反映的是测线通过混凝土区域的平均质量状况，无法获得异常区域介质的波速，因而往往难以确定缺陷类型以及质量下降程度。而与之相对应的超声波CT（层析成像）技术可以很好的解决上述问题。
由Radon公式[3]可得从激发点到接收点的实测超声波声时：
式中——第个成像单元内的超声波声速
——第个成像单元内的声慢（声速的倒数）
若成像单元足够小，则可将每个成像单元的视作常数，则（4）式可写成如下的形式：
式中——第条射线在个成像单元内的声程长
从数学上看，（5）式是一个线性方程组，并可写成矩阵方程：
根据文献[4]，（6）式有如下特点：
（1）由于测线数与单元网格数不等，该式为超定或欠定方程组。
（2）由于Radon公式变换的不适定，方程组的解也不适定，需进行正则化处理和解估计的评价。
（3）成像单元数一般很大，直接算法解方程则对计算机的要求较高。
（4）系数矩阵A是稀疏矩阵，矩阵每一行有J个元素（成像单元数），而每一条测线只是通过其中的部分单元，因此A的大部分元素为0。
（5）测线走时测值不可避免地存在误差，方程组不相容，为矛盾方程组。
通过分析（6）式特点可知，无法用线性方程组的常规解法求解（6）式，而只能应用数值近似解法。
CT反演算法是CT成像技术的关键，直接决定成像准确度和分辨率。按照反演方式不同可分为线性方法和非线性方法两种，其中非线性方法主要有蒙特卡洛、模拟退火、遗传算法等。目前实际应用中主要采用线性方法[5]。
实践证明，代数重建法（ART）及同时迭代法（SIRT）用于大型线性方程组问题是有效的，而且计算速度比较快。奇异分解法（SVD）可得出更精确的解，但要花费较多的计算时间。正交化法（ORTH）可得出同样精确的解答，且计算速度较SVD法快。以上方法的一个通病是对于大型稀疏病态矩阵不能给出很好的解，与之相对的最小二乘共轭梯度法（LSCG）就特别适用于解大型稀疏矩阵，具有收敛快及稳定性强的特点，而且易于用阻尼因子控制其反演结果质量。实际的重建算法中以LSCG法和基于QR投影分解的最小二乘QR分解法（LSQR）最受人们青睐，而后者对病态方程组比前者能给出更好的解。
4 应用实例
南通区域生活垃圾焚烧热电联产工程施工过程中对2#汽轮机西侧混凝土圆柱质量有怀疑，经超声波检测后，发现标高12.6m附近混凝土质量异常，对标高11.2m～13.8 m之间的一段混凝土进行CT扫描。测区为2600mm×1140mm（高×宽），网格为200mm×190mm（高×宽），分成13×6=78个网格。扫描时采用串式探头，一串为10只，间距为200mm，这样可以既保证精度又节省时间。
通过CT扫描得到该柱的超声波声速等值线色谱，见图10。从左至右依次为AB、BC、CA三个通道。图中颜色浅就表示混凝土的质量较差，而颜色深则表示混凝土的质量好。由图10可见，在标高11.4m～13.0m之间的混凝土质量较差，其超声波声速在3700～4100m/s之间，而正常部位声速在4500m/s左右，4100～4200m/s为过渡段。对照AB、BC、CA这三个通道的情况可见，在标高11.4 m～13.0m之间的混凝土异常区域并非全断面分部，而呈斜向分布，即BC通道内缺陷在标高12.4～13.0m之间大体呈水平分布，AB、CA通道内缺陷分别从B、C声测管的标高13.0m附近向A声测管倾斜至标高11.4m左右。
5小结
在建设工程质量检测中利用超声波技术检测混凝土缺陷已经有较长的历史了，CECS 03：2000《超声波检测混凝土缺陷技术规程》中对检测方法和各测点数据中的异常数据判断方法都有详细的介绍，但传统的超声波法存在着解释难度大、精度一般、结果不直观、缺陷精确定位困难、经验性成分居多等缺点，检测结果难以量化，对缺陷的位置、大小、性质、危害性等情况的判定主观性较强。
相比而言，对传统的超声波法进行改进，使用超声波CT（层析成像）技术进行混凝土内部缺陷检测则可以较好地解决上述问题。由于超声波CT技术中的关键步骤——反演计算的方法种类较多，各有优劣，其理论还有进一步完善的空间。相信今后会逐步编制、实施超声波CT检测技术的国家、行业相关标准，对应用超声波CT技术检测混凝土缺陷会起到推广、指导、规范的作用。
参考文献：
[1]中国工程建设标准化协会标准，CECS 21：2000，超声波检测混凝土缺陷技术规程[S]，2000
[2]王五平，罗骐先，宋人心等，超声波CT检测钻孔灌注桩内部质量[J]，施工技术，2000，vol：29（No：10），page：26-28
[3]王五平，宋人心，超声波CT检测水工建筑物混凝土内部质量的技术研究[R]，南京水利科学研究院，2001
[4]王五平，宋人心，傅翔，罗骐先，用超声波CT探测混凝土内部缺陷[J]，水利水运工程学报，2003，vol：25（No：2），page：56-60
[5]张吉，师学明，陈晓玲等，超声波CT技术在混凝土无损检测中的应用现状及发展趋势[J]，工程地球物理学报，2003，vol：5（No：5），page：596-601
论文作者:张小沛
论文发表刊物:《基层建设》2015年27期供稿
论文发表时间:2016/3/16
标签：超声波论文; 混凝土论文; 裂缝论文; 缺陷论文; 声速论文; 深度论文; 测试论文; 《基层建设》2015年27期供稿论文;