摘要：随着科学技术的不断发展，各种混凝土检测方法、水泥混凝土强度检测方法也日新月异，传统的强度检测方法也得到了改进，如回弹检测方法、岩心检测方法、超声回弹综合检测方法等。优化效果显著，提高了检测精度。超声法检测属于无破损检测的一种，不会对混凝土表面造成破坏，设备较为简单，操作性强，不受混凝土表面情况的影响，提高了道路水泥混凝土检测质量。基于此，本文主要对超声法检测这种新型快速无损检测技术的原理和应用进行简单介绍。仅供业内同行参考。
关键词：超声法；水泥混凝土；检测；应用
一、超声反射法检测原理
检测过程中，超声换能器发射控制控制信号，如果信号宽带较大，或电压较高，会延长超声信号的余震，横波的速度小，纵波先到达。超声反射法在理想状态下，遵循波的反射定律，反射纵波在直达波后到达，声 t 由机器读取，由声速—强度回归方程进行强度计算，超声波检测混凝土强度的基本依据基本依据是弹性模量越高，声速值越高。因此，不同的混凝土，声速值不同，根据测得的不同的声速值，便可以推断混凝土的强度,如果混凝土结构层存在裂缝、渗水、空洞等缺陷，可由声参量的变化，进行分析。我国目前采用的声速—强度换算公式有两种，分别为 
和
和两种非线性公式，F 和V 分别为水泥混凝土的强度、无损检测时的声速值、E≈2.72、A 和 B为经验系数。超声法也可降低湿度的影响。同时反射法也可测得水泥混凝土的路面厚度。
V1表示超声波在被测水泥混凝土中的传播速度；L 为发收两个换能器之间的距离，由此公式可方便计算堤顶混凝土道路厚度。不同介质中,超声信号的传播速度也有差异，干燥空气中传播速度只有 346 m/s,但在水泥混凝土中速度为 4000 m/s，相差 11.5 倍，因此换能器和堤顶混凝土路面的耦合是不容忽视的问题，也是厚度测试中的难点，一般情况下，可以涂抹机油、润滑脂、甘油、黄油、凡士林等，排除探头和被测物体之间的空气，黄油和凡士林不能提高信号的信噪比，本文探讨水耦合，原理如图 1。
图1 水耦合法示意图
水耦合法应用过程中，反射波经过水的传播，近似 90度角入射到换能器表面，接收端接收到较强的垂直分量，横波的干扰可以部分削弱，测试效果得到极大改善。超声波的波形是简谐波，在传播的过程中，振幅逐渐衰减。反射的纵波到达时，不可避免波形的叠加，接收信号振幅变大。反射纵波到达时间点，分别为波峰和波谷处,波峰处,波谷处。
二、堤顶道路主要材料与结构
1.水泥的类型
对于哈尔滨地区试验采用施工常用天鹅牌水泥，较小强度混凝土普遍采用32.5普通硅酸盐水泥，细度4.2%。较高强度混凝土则采用42.5普通硅酸盐水泥，细度4.7%。
2.细集料的选择
细集料普遍选用松花江沙子，级配良好、质地坚硬的天然砂、机制砂和混合砂。相同配比、细度模数变化范围不得超过0.3。
3.粗骨料的选择
黑龙江地区水利施工常用的粗骨料为碎石，粒径控制在5 mm~15 mm范围内，就地取材，砂质纯净，杂质少，无风化现象，砂砾磨圆性好，较为适应于路面工程，节约了路基材料和运输成本。
4.减水剂
高效减水剂选择为萘磺酸钠甲醛缩合物，减水率为25%~30%，掺入本品后将增加水泥流动性，提高坍落度，改善和易性。堤顶道路沿线，水资源丰富，水质良好,满足工程用水。
5.堤顶水泥混凝土道路
如工程某标段，处于城乡结合部地区，按照建设要求，该路段防洪标准为 50 年，堤防级别为 2 级，路面铺设水泥混凝土。厚度 22 cm，混凝土弯拉强度≥4.5 MPa，弹性模量≥29000 MPa，路面宽度为 5.0 m。
三、试验器材与试验方法
水泥混凝土裂缝检测试验宜采用的是中拓科仪（北京）科技有限公司的ZT805 型非金属超声检测分析仪，测试效率高，可以满足多项工程需要，包括混凝土缺陷和强度检测，裂缝深度检测，测试混凝土的厚度等，声时测度范围 0~640 kus,幅度测度范围 0~177 dB,分辨率比较高，能较为准确反映水泥混凝土的内部构造情况，可以投入工程使用。发射和接收端的具体布置，可以根据路面尺寸大小，采取固定接收探头的高度恒定不变，调整发射探头的方法，多点采集数据，图2和图3分别为常用的试验器材和测点布置原理图。
四、超声无损检测的影响因素与改进方法
1.温度和含水率的影响
堤顶道路处于江河护堤环境中，湿度的大小也会对超声设备造成误差，该环境中的混凝土按照国家《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB/T 50081- 2002)：即标准养护温度在20±2℃、相对在 95%RH 以上。超声波在此产物中的传播速度和空气中的硬化混凝土有较大区别。超声在水介质传播速度为1.45 km/s, 而在空气中的速度仅为 0.34 km/s, 因此湿度较大环境中，水泥混凝土比干燥环境中的同类产品，超声波传播速度更高。
图2 ZT805 人机交互界面和道路裂缝
图3 测点布置图(单位：cm)
2.被测物表面干扰
超声法在混凝土面上进行检测，由于其表面浮浆多，颗粒比表面积大小不一，上面砂浆较多，石子含量较少，测得声速较低。
3.水耦合法改善
水耦合法时，将接收换能器悬空放置，要确保高度值恒定不变，可以设计固定架水耦合方法。同时根据惠更斯—菲涅尔定理，适当调整换能器之间的水平距离，降低横波和表面波的影响，堤顶道路水泥混凝土厚度为 22.0 cm,直达纵波速度为4300 m/s 时，作为反射纵波速度，发射接收两个换能器距离为50 cm 时，求得理论纵波到时为 154μs，由于水泥混凝土对超声信号的吸收和反射情况也有差异，对超声波的高频吸收多，则反射波主频就会降低，而强度高，水泥混凝土内部对超声主频信号吸收比较少，反射波的主频也就越高。可以多参量分析水泥混凝土的抗折强度：
式中：
为超声声速； 
为频谱主频。
结束语
我国没有制定堤防交通道路的专用标准，部分堤顶道路作为河道治理等水利工程的一部分，因投资额度较小，容易忽视，建设标准选用也相对混乱，造成工程质量参差不齐。路面基层用料为水泥稳定级配碎石和天然砂砾，材料为低标号半刚性。抗弯强度较低且层结合力差，强度决定于水泥的固结速度，水泥如遭到破坏，便不具有再生性，因此基层铺设后需加盖土工布，封闭交通保养，时间至少一周，水泥混凝土路面破坏的原因是综合性的，包括混凝土的抗压强度和弯拉强度不够。由相关规范，河道护坡，堤顶道路等基础工程要求混凝土抗压强度≥10 MPa。使用超声无损检测的裂缝长度、宽度和通用标准进行对比，可以及时有效的发现工程施工、运行过程中的问题，方便采取补救措施，从而提高交通道路的使用年限。
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论文作者:李新尧
论文发表刊物:《基层建设》2019年第24期
论文发表时间:2019/11/22
标签：混凝土论文; 超声论文; 水泥论文; 强度论文; 声速论文; 纵波论文; 道路论文; 《基层建设》2019年第24期论文;