中图分类号：ＴＱ１７２ 文献标识码：Ｂ 文章编号：１００７－０３８９（２０１０）０３－７２－０４ 基于超声波技术的混凝土无损检测 李志强 ，周宗辉 ，徐东宇 ，于京华 ，耿栋健 ，刘彩霞。 （１．济南大学材料科学与工程学院，山东济南２５００２２；２．济南大学化学化工学院，山东济南２５００２２） 摘要：超声波以穿透力强、适应性强等优点广泛应用于混凝土工程无损检测。全面回顾了国内外超声波无损检测技术的发 展情况，阐述了超声波检测在混凝土工程应用中存在的问题，着重介绍了混凝土超声波无损检测原理，并探讨了超声波无损检 测技术的发展趋势。 关键词：超声波；损伤；无损检测 Ｃｏｎｃｒｅｔｅ Ｎｏｎｄｅｓｔｒｕｃｔｉｖｅ Ｔｅｓｔｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ Ｗａｖｅ Ｌｉ Ｚｈｉ—ｑｉａｎｇ ，Ｚｈｏｕ Ｚｏｎｇｈｕｉ ，Ｘｕ Ｄｏｎｇｙｕ ，Ｙｕ Ｊｉｎｇｈｕａ ，Ｇｅｎｇ Ｄｏｎｇｊｉａｎ ，Ｌｉｕ Ｃａｉｘｉａ （１．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｅｎ— ｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｊｉｎａｎ，Ｊｉｎａｎ ２５００２２） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｉｓ ｐｏｐｕｌａｒ ｉｎ ｃｏｎｃｒｅｔｅ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｎｏｎｄｅｓｔｒｕｃｔｉｖｅ ｔｅｓｔｉｎｇ ｄｕｅ ｔｏ ｉｔｓ ｇｏｏｄ ｐｅｎｅｔｒａｔｉｏｎ ｅｆｆｅｃｔ ａｎｄ ａｄａｐｔ— ａｂｉｌｉｔｙ．Ｉｎ ｔｈｉｓ ｒｅｓｅａｒｃｈ，ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｎｏｎｄｅｓｔｕｒｅｉｖｅ ｔｅｓｔｉｎｇ ｂａｓｅｄ Ｏｉｌ ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｈｏｍｅ ａｎｄ ａｂｒｏａｄ ｗａｓ ｒｅｖｉｅｗｅｄ．Ｔｈｅ ｐｒｏｂ— ｌｅｍｓ ｏｆ ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｕｓｅｄ ｉｎ ｃｏｎｃｒｅｔｅ ｔｅｓｔｉｎｇ ｗｅｒｅ ｄｅｓｃｒｉｂｅｄ，ａｎｄ ｔｈｅ ｎｏｎｄｅｓｔｕｒｃｔｉｖｅ ｔｅｓｔｉｎｇ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ ｗａｖｅ ｔｅｃｈ・ ｎｏｌｏｇｙ ｗａｓ ａｌｓｏ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ｆｕｒｔｈｅｒｍｏｒｅ，ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｉｎｇ ｔｒｅｎｄ ｏｆ ｎｏｎｄｅｓｔｒｕｃｔｉｖｅ ｔｅｓｔｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｉｎ ｃｏｎｃｒｅｔｅ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ ｗａｖｅ ｗａｓ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ ｗａｖｅ；ｄａｍａｇｅ；ｎｏｎｄｅｓｔｒｕｅｉｖｅ ｔｅｓｔｉｎｇ ０前言 领域”ｕ；６０年代，罗马尼亚的Ｆａｃａｏａｒｕ用声速、回弹 综合法检测混凝土强度 ；８０年代，美国的Ｓａｎｓａｌｏｎｅ 混凝土具有良好的耐久性和可塑性，并且价格 和Ｃａｒｉｎｏ将冲击回波法用于混凝土无损检测 ，冲 低廉，是目前建筑工程中最重要、用量最大的工程材 击回波法是根据接收到的反射Ｐ波信息来达到检测 料ｎ ，它的广泛应用直接影响着人类的可持续发展 的目的，也可属声波反射波法的一种。我国于２０世 ［６１。但在结构混凝土中常因组成混凝土的原材料离 纪５Ｏ年代引进超声波仪器，并展开了该方面的研 散性大、施工管理不当或环境等因素影响，形成不同 究；６０年代我国研制成第一台非金属（混凝土）超声 形式的缺陷。这些缺陷的存在对结构的完整性、力 仪，此后，进行了较大规模的研究工作，探测距离由 学和耐久性能产生不同程度的影响，因此采用有效 １ ２ ｉｎ发展到１０～２０ ｍ，从以声速为检测参数发展到 的非破损检测方法，在不破坏结构物的基础上检测 以声速、振幅、频率、相位等多参数综合判断检测；８０ 出混凝土内部缺陷是非常必要的 １。 年代末，我国研制成冲击回波法仪器ＩＥＳ系统，并在 工业上已经广泛应用的五大常规无损检测方法 工程检测中成功应用；１９９０～２０００年，我国相继颁布 有：射线检测法、超声检测法、磁粉检测法、电磁感应 了《超声波检测混凝土缺陷技术规程》及其修订版 探伤法和浸透探伤法 １。超声检测以超声波指向性 本ｕ ，成为超声波检测混凝土缺陷的重要技术依据； 好、传播能量大、对各种材料的穿透力较强、适应性 ９０年代中期以来，我国智能型数字化超声仪相继问 强、检测灵敏度高、对人体无害、成本低廉等诸多优 世，它不仅可以自动测读声参数，并可进行相应的数 点得到广泛应用，是无损检测中发展最快、应用最广 据处理，为该项技术的推广应用提供了良好的硬件 泛的检测技术，占有非常重要的地位［９１。 基础。 １超声波无损检测的发展 朱建林等 设计了一种用于混凝土无损检测的 超声波检测仪，并用于无缺陷和有缺陷混凝土灌注 早在２Ｏ世纪３０年代，人们就开始研究混凝土无 桩测试实验，能够快速准确的检测到混凝土缺陷，在 损检测技术ｕ 。２Ｏ世纪４Ｏ年代末５Ｏ年代初，加拿大 一定程度上减小了测量误差。 的Ｌｅｓｌｉｅ和Ｃｈｅｅｓｍａｎ、英国的Ｊｏｎｅｓ等率先将超声波 Ｆｒａｎｋ Ｓ ａｎｄ Ｂｅｒｎｄ Ｋ 用弹性动力学有限积分 用于混凝土检测，开辟了混凝土无损检测的一个新 技术（Ｅｌａｓｔｏｄｙｎａｍｉｃ Ｆｉｎｉｔｅ Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ）求解 中国国家自然科学基金项目（编号：５０９７２０５０） 三维波动方程，并考虑｝昆凝土内部骨料含量及孔隙 一７２一 求ｉ７ｌ工程型 李志强，等：基于超声波技术的混凝土无损检测 粼 誊 ≯ ｌｌ。”一 ｌｌ ｌ＿＿～鼻 — ｌｌ ｌ。一 率的变化，模拟了超声波在混凝土内部的传播，且对 的基体组成的复合材料，在ｔ昆凝土承受荷载前后，具 球形空腔与球形低速体的散射波场进行了数值模 有稳定缺陷的基体的变形是线弹性的，其弹性常数 拟，得到了混凝土骨料含量与孔隙率变化对超声波 保持不变，因而对混凝土的声学特性没有影响；而微 波场影响的一些规律，并指出三维异常体与二维异 裂缝在单轴受荷后的变形（闭合、张开、扩展等）会引 常体对超声波波场的影响明显不同；张晓培等“ 利 起混凝土的弹性常数改变，因而是改变混凝土声学 用超声波ＣＴ成像技术，通过反演计算弹性波速分 特性的主要因素；宏观裂纹是在承受荷载之后出现 布，并通过分析目标区内声波速度分布特征间接获 的，也是影响混凝土材料超声波速的一个重要因 得目标体强度以及均匀性等信息；Ｂｏｎｄ Ｌ Ｊ ｅｔ ａｌｌ 用 素。混凝土的整体超声波速是三个因素的耦合作用 声波走时成像对混凝土坝体质量作了研究；闫国亮 的结果。对于在受载条件下的脆性固体材料，声学 等” 研究了不同损伤程度的混凝土试块在不同含水 特性研究结果表明：若假定其母质具有线弹性，在其 率下的超声波波速；季家林等 等研究了不同温度 内部随机分布了大量微裂纹，其声速随单轴应力呈 对超声波在混凝土中传播速度的影响；黄政宇等 Ｉ 非线性变化关系 。这种关系可以简略的表示为 通过研究首波幅值随传播角度变化在混凝土中的衰 ， 。），其中 为超声波传播速度； 。为单轴应 减规律，建立超声波在混凝土中的传播方程；商涛平 力；ｍ＝（Ｅ。， ， 。， ，０。，Ｏｌ， ），其中Ｅｏ， 分别为母体的 等 对超声波检测混凝土表面损伤层厚度进行了研 弹性模量和泊松比， 。， 分别为材料的断裂韧度和 究；梁鸣等 及林维正等 １对超声波检测钢管混凝 内摩擦角，。。，Ｏｌ， 分别为微裂纹半长度、形状比和裂 土技术进行了研究；刘永前等１２５］对超声波检测钢管 纹密度。 混凝土拱桥密实度作了试验研究；刘卫东等 用超 实验过程中混凝土的超声波速可以仅限于受载 声波评估混凝土结构抗冻性。 前后和自愈合之后，可以不考虑受载时应力对波速 以上研究主要针对超声波检测方法的改进以及 的影响。这样，超声波速的变化与材料母体的弹性 骨料含量和含水率等对超声波检测的影响。混凝土 模量、泊松比、断裂韧度、内摩擦角、微裂纹半长度、 是一个集粗骨料、细骨料、粘结料、水和外加剂为一 形状比和裂纹密度等细观参数有关。混凝土超声波 体的复合物，特有的黏塑性、多孔性等特征对超声波 应为超声在基体，微裂区，宏观裂纹三相中传播的组 无损检测有特殊的影响，随着计算机模拟技术和成 合效应，可以表示为： 像技术的发展，超声波无损检测技术将取得更大进 Ｅ．＝ｌ／（ｉ－ＩＶ￣＋ｉｌｆ ＋ ，／ ） 步，并在最大程度上满足工程的需要。 其中， 为超声波在混凝土中的传播速度…ｉ ｉ：，ｉ，和 ２超声波探测损伤原理 ， ， 分别为基体、微裂区和宏观裂纹在混凝土中 的体积分数以及超声波在三者中的传播速度。其 声波的频率范围为２０～２００００ Ｈｚ，高于２０ ｋＨｚ 中， 即为超声波在空气中的速度３４０ ｍ／ｓ； ＝ 的机械波为超声波。金属材料工件超声检测的频率 ｍ。（ ， ， ， ）， ＝ｍ （０。，Ｏｔ， ），其中 、 的增大将 在０．１５～２０ ＭＨｚ以上，而混凝土等非金属材料的超 导致 的增大，０。，１３／， 的增大则导致 的减小。 声检测应选用较低频率的超声波，常用频率为２０～ 在混凝土加载之前，超声波在混凝土中的传播 ５００ｋＨｚ，这主要是因为混凝土为非均匀材料，散射 速度主要取决于 ，基体的弹性参数影响超声波在 作用使材料对声波的衰减较大，方向性差，频率越 混凝土中的传播速度，混凝土的强度越高，其弹性模 高，传播距离越小，绕过颗粒的能力越差 。 量较大，超声波速也越大。但是声速还与＇／２有关（完 混凝土是多组分的集合体，各组分有不同的物 好混凝土试件 ０），并非完全随强度线性变化。当 理特性，当混凝土中出现损伤时，超声波在各组分界 混凝土受载损伤后，内部的一些初始微裂纹发展成 面和损伤处发生杂乱无章的反射、折射、透射、绕射 宏观裂纹，完好基体所占比例ｉ。急剧减少，ｉ ，ｉ３则相 等，使得能量不断损失，导致接收声学参数异常，正 应增加；同时微裂区内的ｎ。，ＯＬ和 增大，导致超声波 是这些异常声学参数为混凝土损伤检测提供了依 在微裂区传播素的减小，受损后材料的超声波速急 据。 剧下降 ”。 ２．１波速判别 超声波波速比较稳定，可重复性比较好，是评价 混凝土的超声波速主要决定于其弹性参数。将 ｝昆凝土质量的重要指标。 混凝土视为宏观裂纹、分散微裂区和具有稳定缺陷 ２．２波幅判别 永淀工程 一７３— 李志强，等：基于超声波技术的混凝土无损检测 ０ ００ｊ ０ 当超声波穿过非均匀的混凝土，遇到空洞、裂纹等损 ０毒≯ －—瓣誓≤ 伤时会发生绕射、透射、反射等现象，导致波速下降， 波时延长，超声波能量损失，从而导致超声波波幅大 大减弱，因此可以根据波幅的变化来判断混凝土的 损伤情况。 在工程应用中主要是依据首波波幅的变化情况 来判断混凝土损伤情况，因为首波能够真切反应混 凝土损伤，而后续波与折射、反射后的波叠加，而不 能反应｝昆凝土损伤的真实情况。 ２．３ 主频判别 ３超声波无损检测技术应用于混凝土工程存在的 问题 （１）建立基于混凝土强度的超声波检测技术规 程。虽然超声波无损检测技术应用于混凝土工程仍 存在争议，但这并不代表超声波不能应用于混凝土 的无损检测，超声波层析成像技术在三峡工程质量 检测中取得良好的成果 。但目前只有超声波结合 回弹仪检测混凝土强度技术规程，没有的基于 混凝土强度的超声波无损检测技术规程。 对接收信号的频谱分析证明，不同质量的混凝 土对超声脉冲波中的高频分量的吸收、衰减不同。 因此，当超声波通过不同质量的混凝土后，接收波的 （２）建立单独基于混凝土缺陷的超声波检测判 别体系。超声波无损检测主要应用于混凝土损伤检 测，依据波速、波时、波幅、频率和波形等判别混凝土 损伤情况，但以上判别方式没有具体的判别指标，对 于不同的混凝土损伤判别也因人而异，建立基 频谱（即各频率分量的幅度）也不尽相同，质量差或 有缺陷的混凝土，其接收波中高频分量相对减少，而 低频分量相对增大，所以接收波的主频率下降。 于混凝土缺陷的超声波检测判别体系，使检测标准 化，使｝昆凝土工程更便于监理。 （３）超声法检测混凝土强度与混凝土缺陷结 合 。目前超声法检测已应用于？昆凝土工程的各个 方面，主要有混凝土测强、混凝土裂缝深度检测、不 和波幅一样，频率测值也没有统一的标准，只能 在同一剖面内测点问进行相对比较，测试值没有波 速值稳定，目前只用于辅助判别。 ２．４波形判别 当混凝土有质量缺陷时，超声波在传播过程中 能量损失，使得接收波波形发生变化，当混凝土损伤 严重时，波形会发生畸变，如图ｌ所示。 密实区空洞检测、混凝土结合面质量检测、表面损伤 层检测、灌注桩ｆ昆凝土缺陷检测、钢管混凝土缺陷检 测。检测中对混凝土测强与测缺陷是各自，分 开进行的，这样不仅给检测工作增加了工作量，而且 阻碍了超声法检测技术在混凝士工程中的广泛应 如图ｌ所示，ｆａ）为正常波形，是超声波传播比较 理想的情况，混凝土中没有损伤或损伤很少；（ｂ）为 混凝土存在少量缺陷时的波形，在实际工程中，混凝 土都是存在一定量缺陷的，我们测得的波形也大体 用。超声法测强与超声法测缺陷二者紧密结合起 来，将成为超声法检测技术在混凝土工程中应用的 一与此波形相似；（ｃ）超声波在存在严重损伤的混凝土 中传播，损伤破环了｝昆凝土的连续性，使传播过程复 杂化，经过混凝土的直达波、绕射波、投射波等相叠 加使接收波形发生畸变，这也使得波形的判别一般 限于第１、２个周波范围 。 个热点问题 ４超声波无损检测技术的前景与展望 超声波无损检测技术广泛应用于混凝土工程无 损检测，建立完善的超声波无损检测技术规程，不断 超声波波形的敏感性和稳定性都很高，是检测 混凝土质量的重要参数。 充实基于混凝土缺陷的超声波无损检测判别体系， 超声波检测混凝土强度与检测缺陷合理结合，使混 凝土质量状况完整清晰地呈现在 我们面前。就如超声波层析成像 技术、声发射技术等的发展，混凝 土缺陷清晰的呈现在我们面前， 并时时检测混凝土的质量，对混 凝土出现的损伤实施及时的补 救，以延长混凝土工程的使用寿 命。当代计算机模拟技术和成像 （ａ）正常波形 （ｂ）缺陷波形 （ｃ）严重缺陷波形 技术的发展，为超声波无损检测 技术提供了新的发展方向，具有 图１超声波波形 ——７４—— 水淀工程—２０１０￣＝：：３ 李志强，等：基于超声波技术的混凝土无损检测 ． ．更广阔的发展前景。 参考文献 Ｉ曩 。 一 ［１ ８】Ｂｏｎｄ Ｌ 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