爱华网1．超声法检测混凝土缺陷的基本原理
利用超声脉冲法检测混凝土缺陷依据以下原理：
（1）超声脉冲波在混凝土中遇到缺陷时产生绕射，可根据声时和声程的变化，判别和计算缺陷的大小；
（2）超声脉冲波在缺陷界面产生散射和反射，到达接受换能器的声波能量（波幅）显著减小，可根据波幅变化的程度判断缺陷的性质和大小；
（3）超声脉冲波通过缺陷时，部分声波会产生路径和相位的变化，不同路径或不用相位的声波叠加后，造成接收信号波形畸变，可参考畸变波形分析判断缺陷；
（4）超声脉冲波中各频率成分在缺陷界面衰减程度不同，接收信号的频率明显降低，可根据接收信号主频或频率谱的变化分析判别缺陷情况。
当混凝土的组成材料、工艺条件、内部质量及测试距离一定时，各个测点超声传播速度、首波幅度和接收信号主频率等声学参数一般无明显差异。如果某部分混凝土存在空洞、不密实或裂缝等缺陷，破坏了混凝土的整体性，通过该处的超声波与无缺陷混凝土相比较，声时明显偏长，波幅和频率明显降低。超声法检测混凝土缺陷，正是根据这一基本原理，对同条件下的混凝土进行声速、波幅和主频测量值的相对比较，从而判断混凝土的缺陷情况。
2.超声法检测钢管混凝土缺陷
2.1 检测原理
采用超声波检测是钢管混凝土密实度和均匀性无损检测的首选方案。目前该技术已经在钢管混凝土结构中得到了较为广泛的应用。采用超声波检测钢管混凝土的质量，是由于超声波在混凝土中传播时它的声学参数发生变化，而超声波的声学参数与核心混凝土的密实度、均匀性及其与钢管壁的粘结情况等有关。根据超声仪接收信号的超声声时或声速、初至波幅度、接收信号的波形和频率的变化情况，作相对比较分析判定钢管混凝土各类质量问题。
钢管混凝土超声检测方法如图1所示。
图1 超声波检测系统方块图
检测钢管混凝土缺陷采用对穿检测法。超声波沿钢管混凝土径向传播的时间t混和沿钢管壁半周长传播的时间t管的关系为：
式中R—钢管的半径；
V混—超声波在钢管内混凝土中传播的速度；
V管—超声波在钢管中传播的速度。
在工程领域， 超声波在混凝土中的传播声速一般在4000～4900m/s，钢材的声速大致为5700～5900m/s。以最大值计算，认为钢材中超声波传播速度为5900m/s，那么只要在测试过程中所有测点的波速大于3756m/s，便可认为检测时的超声波为直接穿透钢管混凝土的。
2.2 缺陷判断
硬化的钢管混凝土中如果存在缺陷，超声脉冲通过这种结构材料传播的声速比相同材质的无缺陷混凝土传播的声速为小，能量衰减大，接收信号的频率下降，波形平缓甚至发生畸变，综合这些声学参量，评定混凝土的质量状况。
超声参量的变化与钢管混凝土的质量有关，实际上是与核心混凝土的密实度、均匀性及其与钢管内壁结合脱粘或局部空壳有关，钢管混凝土缺陷判断的依据，从原理上可作如下解释：
（1）“声时”或声速变化
当混凝土或表层存在缺陷时，在超声波发—收通路上形成了不连续的介质，即缺陷的孔、缝或疏松的空间充有较低阻抗的气体或水，超声波传播通路上遇到这些缺陷，将绕过缺陷向前传播，在探测距离内，超声波纵波在复核介质中传播的平均“声时”，或绕射到达所需的时间将比超声纵波在密致的混凝土中直接传播所需要的“声时”长，反映了存在缺陷的混凝土的超声波传播的声速为小，对测法的换能器一旦顺着密致-缺陷-密致区域的混凝土扫测，声速则是从大-小-大过渡变化的。
（2）接收信号能量衰减
由于混凝土存在缺陷，不连续介质则构成固-气、固-液的截面，使投射的声波产生不规则的散射，相对于无缺陷密致的混凝土而言，接收到得超声波能量损失较大，即接收信号的首波幅度下降，反应了声能的衰减。超声波在混凝土中传播，垂直射到充气缺陷的界面上，其能量近乎100%反射，也就是说超声波绕射到达的信号是极其微弱的。
（3）信号频率变化
混凝土的组织构造的非均质性，加上内部缺陷，使探测脉冲在传播的过程中发生反射、折射，高频成分的能量衰减比低频的快，也就是说，在探测的过程中高频部分消失比较快，因此，混凝土超声检测接收信号的频率总是比发射的探测频率或通过相同测距的无缺陷混凝土收到的频率低，故测定接收信号频率的变化或作频谱分析，借以判断混凝土质量情况是个有效的参量。
（4）信号波形变化
由于超声波在缺陷的界面上复杂的反射、折射，使声波传播的相位产生差异，迭加的结果导致接收信号的波形发生畸变，同质量正常的钢管混凝土的探测波形的比较信号波形变化具有很强的可比性。所以，根据探测波形的重视性，可以作为判断钢管混凝土质量的依据之一。
以上诸参量，除超声声速和声时、接收信号频率变化（采用游标测读计算或作频谱分析）可以作量化的检测判断，声能衰减和波形变化，由于受人为、耦合状况以及检测面平整度等随机性的影响，在目前的技术条件小，尚只能作定性和经验性的判断，但其有效性是毋庸置疑的。
钢管混凝土的质量主要针对混凝土的质量及其与钢管胶结紧密程度，尤其是后者。一旦两种介质结合不良，而超声诸参量均较敏感，往往有以超声波在钢管壁传播的混响为背景的接收波形发生严重畸变的图像。
3．桥塔密实度检测方案
桥塔采用直径为3m的钢管混凝土，且钢管内多有剪力钉加强环以及施工用钢筋爬梯等。考虑到钢管混凝土体积较大，混凝土本身是一种非均质材料，再加上管内的其他各种设施，若直接采用超声仪沿钢管直径进行对测，波传播路径较长，在传播中产生复杂的反射、折射等，接收到的波信号就比较弱。这不利于我们对钢管混凝土质量进行合理判断。因此在钢管中埋入5根声测管，以更可靠的检测钢管内混凝土的浇筑质量。声测管在钢管中布置如图2。
图中过浆孔未示
图2 声测管在钢管中布置示意
检测中可先通过紧靠管内加强环的四根声测管采用径向换能器检测加强环范围内混凝土有无空洞等缺陷。然后在中间的声测管中放入径向换能器发射超声脉冲，在钢管外壁采用平面换能器接收波信号，这样便可通过“声时”、波形等判断钢管和混凝土的胶结质量，有无脱粘的现象发生，如图3。若信号质量仍然较差，可在周边的四根声测管中放入径向换能器发射超声脉冲，在沿直径的外壁上采用平面换能器接收波信号，如图4。
图3 检测方案1图4 检测方案2
无论是检测管内混凝土有无空洞等缺陷还是检测钢管与混凝土之间的粘结质量，沿钢管竖向都是每0.3m布置一个测试断面。
4．结果判断
综合各个测点的检测结果并结合2.2节的内容判断钢管混凝土是否存在缺陷。
另外，也可将桥塔混凝土标准试块以及试验段钢管混凝土的声参量作为参考依据。
5．建议
钢管混凝土的测试龄期有7天、14天、36天和60天。一般情况下钢管混凝土随着养护龄期的增长，超声声速逐渐提高，混凝土强度增大和声速呈一致性。而随着钢管混凝土养护龄期的增长，绕过空洞缺陷的声速变化比对穿过密实混凝土的声波速度小得多，较长龄期之后探测缺陷比短龄期探测的分辨率要高。因此，建议对钢管混凝土密实性的检测尽量在14天之后进行。
另外，若混凝土内添加的膨胀剂无法抵消钢管内混凝土的收缩、徐变作用，而混凝土的收缩、徐变是一个相对较长的过程，那么随着时间的推移，钢管与混凝土之间仍可能出现“脱粘”现象。因此，建议在全桥竣工前或者在全桥竣工交付使用一年半之后再进行一次钢管混凝土密实度的检测。
参考文献
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