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结构混凝土的超声脉冲法探伤 吴慧敏 概 述 在混凝土结构物的施工及使用过程中，往往会构成一些缺陷和损伤。形成这些缺陷和损伤的原因是多种多样的，一般而言，主要有4个方面： （1）施工原因，例如，振捣不足、钢筋网过密而骨料最大粒径选择不当、模板漏浆等所造成的内部孔洞、不密实区、蜂窝及保护层不足、钢筋外露等； （2）由于混凝土非外力作用形成的裂缝，例如，在大体积混凝土中因水泥水化热积蓄过多，在凝固及散热过程中的不均匀收缩而造成的温度裂缝，混凝土干缩及碳化收缩所造成的裂缝； （3）长期在腐蚀介质或冻融作用下由表及里的层状疏松； （4）受外力作用所产生的裂缝，例如因龄期不足即行吊装而产生的吊装裂缝等。 虽然形成缺陷和损伤的原因很多，但是缺陷和损伤的形成不外乎图6－1所示的几种。 这些缺陷和损伤往往会严重影响结构 物的承载能力和耐久性，因此，是事故处 理、施工验收、陈旧建筑物安全性鉴定、 进行维修和补强设计的检测项目。 所谓混凝土探伤，就是以无损检测的 手段，确定混凝土内部缺陷的存在、大小、 位置和性质的一项专门技术。 可用于混凝土探伤的无损检测手段有声脉冲法（包括冲击回波法及超声脉冲法）和射线法两大类，其中射线法因穿透能力有限，以及操作中需解决人体防护等问题，在我国使用较少。目前最常用的方法是超声脉冲法。 超声波技术用于材料内部缺陷的探伤始于1928年，首先用于金属材料及其零件。当时制成了第一台连续超声波探伤仪，它只能探测缺陷的有无，而无法确定缺陷的大小和位置。1934年提出了用超声脉冲技术进行探伤。在第二次世界大战中雷达技术迅速发展，采用超声脉冲技术的相应仪器也随之日臻完善。目前，在金属材料中已应用了超声显像、自动报警等新技术，而且超声波全息照相技术也得到应用。混凝土探伤技术的发展比金属材料探伤的发展要晚得多，在这方面的研究工作直到50年代才逐步开始。在我国，直到60年代才受到工程界的重视。1990年我国制定了《超声法检测混凝土缺陷技术规程》（CECS2 21：90）。 金属材料的探伤主要是应用超声波在内部缺陷界面上的反射特征，以反射波作为判断缺陷状态的基本依据。鉴于混凝土的非均质特性，高频超声波在混凝土中传播时，将受到无数个界面的反射，若用金属超声探伤仪进行混凝土探伤，难以鉴别出缺陷。因此，混凝土超声探伤的基本原理与金属探伤不同。 混凝土超声探伤采用以下4点作为判别缺陷的基本依据： （1）根据低频超声在混凝土中遇到缺陷时的绕射现象，按声时及声程的变化，判别和计算缺陷的大小； （2）根据超声波在缺陷界面上产生散射，抵达接收探头时能量显著衰减的现象判断缺陷的存在及大小； （3）根据超声脉冲各频率成分在遇到缺陷时衰减的程度不同，接收频率明显降低，或接收波频谱与反射波频谱产生的差异，也可判别内部缺陷； （4）根据超声波在缺陷处的波形转换和叠加，造成接收波形畸变的现象判别缺陷。 以上4点可以单独运用，也可综合运用。 根据以上原理，在进行混凝土探伤时所需测量的物理量是声程、声时、衰减量、接收波形及其频谱，所以，凡是有波形显示的混凝土超声检测仪均可用于探伤。而无波形显示的数字显式声速仪，虽然也可用于探伤，但它只能提供声时和声速作为唯一的判别依据，因而容易造成误判。 混凝土内部缺陷的判别方法 一、混凝土内部孔洞、裂缝及蜂窝状缺陷的探测 （一）缺陷大小的实际声程计算法 内部缺陷的检测应采用穿透法，其发射及接收探头的布置如图6－2所示。在探测时首先在缺陷附近（图6－2中）的（a）位置，测出无缺陷混凝土的声时值，并按厚度算出声速C（取数点的平均值），然后将探头移入缺陷区，并找到声时最长的一点，该点即为缺陷垂直于两探头连线平面的“中心”位置，然后测读出声时值。这时 的声时值应为声波绕过缺陷所需的时间。 假定空洞正好居于厚度L的中心，则在超声传 播方向上（即两探头连线方向上）的最小横向尺寸 可按下式计算： (6-1) 式中，d为缺陷最小横向尺寸；D为探头直径； L为混凝土厚度；C为混凝土声速（C＝L/t1）；t1为 超声过无混凝土时的声时；t2为探头在缺陷中心位 置时的声时。 显然，当L与d之比越小时，t1与t2之差越大，探测准确度越高，但当缺陷形状为扁平状或片状的内部裂缝，而且其走向与超声传播方向平行时（见图6－3中的a-a位置），L/d将变得很大，t1与t2基本相等，这时，这种方法无效。克服的办法是在条件可能的情况下将探头移过一个角度（见图6－3中的b-b及e-e位置）。探头位置移动后，进行缺陷尺寸计算，在（6－1）式中应改用新的参数代入，例如探头在e-e位置时，缺陷的尺寸d可近似计算如下：