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超声波无损检测技术在公路工程中的应用

中国地名·工程与建筑

上海市政工程检测中心有限公司?上海市?201114

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摘要：超声波是一种频率高于人耳能听到频率的声波。它在传输过程中服从于波的传输规律，在介质中保持直线传播，服从波的反射定律和直射定律，在介质中传播速度服从于波的传输定理。实践证明，评率越高，检测分辨率越高，检测精度也越高，但是评率较高时，波长会减小，当减少到与被测材料中的集料尺寸处于同一数量级时，散射面积扩大，声波的散射面增加，随之衰减量增加，而使有用的反射波减少，相应的波的回收能量也随之减少，使测量误差增加，因此，在实践中利用超声波测量时，频率范围一般介于20kHz～100kHz之间。

关键词：超声波;无损检测技术;应用

1.超声波无损检测技术的工作原理

超声波属于高频率声波，人耳无法对其工作频率进行辨识。该种声波的优势呈现多样化，例如超声波能够对能量及信息进行传递，获取难度相对较低，对成本费用的要求较低，具有良好的操作简易性，且不存在风险性。由此可见，超声波具有良好性能，能够对多种检测对象进行高效检测。此外，在超声波实际工作过程中，其能够对外部环境因素进行控制，防止其干扰检测结果，进而为检测结果精准性提供保障，例如：由于超声波无法受到温度、光照强度及湿度等因素的影响从而发生变化，因此该项技术手段能够对检测对象进行稳定测量，全面提升结果的准确度，为后续操作的顺利实施打下基础。检测器是对超声波无损检测技术进行使用的基础装置，其可根据不同性质划分为4个模块，分别是数据收集转换装置、超声波接收装置、数据分析处理装置及超声波发射装置[1]。在实际检测过程中，工作人员可分析与研究超声波在不同介质中的实际传播效率，以掌握材料状况，了解其质量与性能。例如：若发现其进行传播的速度高于相关标准，即代表检测对象的硬度较强;若传播速度较慢，即代表检测对象硬度较弱，存在一定缺陷。在开展检测工作的过程中，工作人员可根据自身实际需求，结合超声波反射状况，以此对检测对象平整度及障碍物与波源之间的距离进行判断。

2.超声波无损检测技术的应用

2.1.检测设备

2.1.1.超声波检测仪

检测仪应具有波形实时显示和声参量自动判读功能。当采用单孔声波折射法检测时，应具有一发双收功能。声波发射应采用高压脉冲激振，其波形不仅可能是阶跃脉冲，而且还可能是矩形脉冲，在通常情况下，应确保脉冲电压处在250～1000V的范围内，且能够结合需要分档可调。

声波发射电压在一定范围内的大小决定了声波发射的能量大小，影响声波的穿透距离，过大会造成首波削波、过小会造成信号弱，影响声参量的测量结果，通常根据测距及材料情况进行调整。此外，超声波检测仪能够根据实际需求开展对数据信号的整理工作，促使数据信息转变为具有直观性的波幅或波形数据。因此在开展桩基检测工作的过程中，为防止对检测效率及精准性产生不良影响，工作人员必须对超声波检测仪形成正确认知，深入分析其技术含量及各项性能。

2.1.2.换能器

能量转换是发射超声波的重要基础，在实际工作中，工作人员必须对电能进行转化，使其成为声波能量，并向检测对象发射超声波。在超声波进入传递介质内部后，为实现对声波携带的参数进行精准测量，工作人员必须将超声波转变为电量，以此明确检测对象实际状况。为实现上述目标，工作人员必须对换能器进行利用，完成能量的相互转化。针对换能器而言，其谐振频率与故障缺陷的分辨速度具有密切联系，在频率越高时，分辨速度即越高，但高频声波在检测对象内部的衰减速度相对较快，能够有效测量的距离变小。对换能器进行选配时，应在确保其接收灵敏度符合标准的情况下，确保换能器的频率较高。但考虑到声波发射频率极有可能对声波穿透性能产生影响，致使其降低，故而应对5～60kz的谐振频率范围进行采用。在测量距离相对较大，且接收信号欠佳时，也可对具有前置放大器的换能器进行利用或使用频率较低的换能器，提高仪器的有效测量距离。

2.4.实际应用

2.4.1.超声波对沥青混凝土损伤检测

沥青混合料在水-温-光循环作用下自身结构发生本质性的变化，作为超声波传播的介质，必然会导致超声波声学参数的改变。所以，利用超声波在损伤前后的沥青混合料中传播的声速、波形、振幅和频率等参数的变化，可以对沥青混合料的损伤进行初步判断。

在超声波检测过程中，为实现有效控制声能损耗，应在与探头进行直接接触的试件表面对凡士林进行涂抹，将其作为耦合剂使用，如图1（a）所示。考虑到沥青混合料试件的非均匀性，在每个试件上均匀的布置5个超声测点，如图1（b）所示。数据处理时，舍弃1个最大值和1个最小值，利用3个中间值作为样本数据。

制作AC-16沥青混合料试件，对该试件进行20次水-温-光循环，水-温-光循环结束后，按照上文所述方法对各组试件进行超声波检测。提取试件的声时、主频、振幅等声学参数，并采集其波形图和频谱图。试件损伤前后典型波形图与频谱图，如图所示。

由图2可见：水-温-光循环损伤后，AC-16级配沥青混合料的超声波声学参数的性质发生如下变化：

（1）波形畸变

观察损伤前后的波形图可以看出，沥青混合料在水-温-光损伤之后的波形发生形变并显得杂乱无章，出现多峰值现象，振幅发生明显衰减。这是由于水-温-光循环导致试件的空隙率增大或者薄弱部分疏松，超声波在有损伤的试件中传播时，在损伤界面会产生绕射、反射、透射等现象。由于频率和相位的差异，不同形式的波将进行叠加，形成具备综合性的超声波信号，致使波形畸变现象发生。在该现象较为剧烈的情况下，即代表检测对象存在的损伤越严重，且范围越大。

（2）主频减小

观察损伤前后的频谱图可以发现，超声波存在缺陷的试件内部传播时，声能将持续衰减，且具有差异的频率成分存在不同的衰减程度，其中高频部分产生的衰减较为严重，易造成主频朝低频端进行漂移。这是因为沥青混合料作为一种高频滤波器，超声波在其中传播路径越长，所包含的高频成分越小，对信号进行接受的主频率值也将不断降低。

（3）声时延长

试件损伤后，声时延长。这是由于损伤前沥青混合料整体密实度较高，空隙率较小，超声波的传播路径近似为直线，传播距离即为超声波发射端与接收端的间距;水-温-光循环作用使试件整体性遭到破坏，其内部出现大量空隙，而缝隙中具有的空气声阻抗率相较于沥青膜与集料的声阻抗率较小，超声波脉冲无法在分界面上进行透射，仅能够绕过缝隙进行传递，因此实际传递路程较大，使得测得的声时延长。

2.4.1.超声波进行注浆效果检测

（1）桥梁预应力孔道压浆效果检查

超声波能够在预应力孔道压浆状况检测工作中取得良好成效，但受到散射块及频率高等特征的影响，其仅能够被应用在小距离孔道横断面单点检测中，以此在孔道内部空洞范围的确定方面发挥作用。

如图7所示，检测选择对两面对测法进行利用，在检测对象外径的一端，通过换能器辐射发射高频信号，经混凝土区→波纹管壁→波纹管圆心→波纹管壁→混凝土区，最后传递到处在外径另一侧的接收换能器。

通过对混凝土与气体进行对比，可发现混凝土的声阻抗率相对较大，二者的接触面极有可能出现界限。检测波在混凝土的内部进行传递时，若与上述界面发生接触，例如裂缝、空洞及蜂窝时，必须在界面区域进行散射。其中频率较高的成分衰减速度相对较快，在波到达接收探头的情况下，波具备的总能量已大幅度减少，波幅下降，且接收频率也将显著下滑。通过对试验结果进行分析，可发现工作人员多是注重波速值，将其视作第一参数值，该数值不仅在测量结构方面较为敏感，而且结果的变化范围较大，能够对结果分析判断方面产生积极影响。考虑到波幅值的实际变化范围相对较小，无法对结果进行充分体现，故而可将其视作对缺陷进行判断的第二参数值，并合理运用频率，以辅助判断。实际检测过程中宜采用概率法结合经验法对孔道缺陷进行判别。概率法是在孔道压浆检测中，将测点布置于孔道轴心处，通过各个测点测值与临界值的比较判定缺陷。

（2）混凝土裂缝注浆效果检查

由图4可知，该位置处灌浆前首波声时为110.4us，首波波幅为44.5db，后续波形部分残缺。灌浆后，首波声时减少到84.2us，相对减少23.7%，首波波幅增加至81.7db，相对增加83.6%。

由图5可知，由于该位置浆液为覆盖到，所以灌浆前后的波幅及声时变化较小。

对比两图可知，浆液覆盖区域的测点在灌浆作业前的首波波幅相对较小，首波声时较大，后续的波形存在畸形，而导致该现象形成的原因是开展灌浆操作前试件存在贯穿裂缝，导致超声波进行传递的路径上存在空洞区。在该区域的影响下，传递路径将发生变化，致使接收端获取的首波声时增多，造成较为严重的波幅损失，导致波形缺损。由灌浆后的波形可见，在浆液覆盖的作用下，裂缝空洞区域将得到填充，传递路径将明显缩减，首波声时将减小，且波幅损失将得到控制，后续波形的完整性将提高。通过波形特征值分析可知，浆液覆盖区域与未进行覆盖的区域在超声波特征值变化方面具有较大差别，故而可选择结合波形特征值变化状况，对灌浆后的浆液覆盖效果进行精准判断。

2.4.2.超声波（透射法）检测灌注桩桩身完整性

混凝土灌注桩的超声波检测的工作流程，如图6所示。在通常情况下，应对水进行使用，将其作为混凝土与换能器的耦合剂，确保声测管内部不存在悬浮物，悬浮液中的固体颗粒能够对声波产生相应的散射衰减作用，直接干扰波幅测试结果。

超声波（透射法）的应用依据是对超声波通过混凝土传播后不同声学参数的量值进行测定，以此检测桩身缺陷，科学评价其完整性，目前应用率较高的参数主要有频率、波幅、波速及波形。

2.2.桩体质量判别方法

在开展桩基工程的检测工作时，为充分掌握桩基质量，工作人员必须结合实际状况，采用相应的质量判别方法，进而提高检测结果的可靠性。

2.2.1.声速判断法

通过实际调研可以发现，超声波传播速度不仅与桩体弹性等方面具有密切联系，而且还与桩体混凝土构造参数具有直接关系。因此在开展桩基工程检测工作的过程中，可对上述性质进行科学利用，并通过声速判断法达到明确桩体质量的目的。从实际出发，可发现波速是工作人员明确桩体质量的重要因素，在实际工作中，若发现波速在桩体相应深度中的变化程度相对较大，且明显低于波速临界值，即可判断桩体该区域的混凝土材料存在缺陷，密实度与相关标准不符，极有可能对工程后续使用产生不良影响。

2.2.2.PSD判断法

声测管预埋工作是应用超声波无损检测技术的先决条件，其能够对检测结果产生直接影响。但由于钻孔桩内部的混凝土普遍不具有良好的均匀性，故而声测管极有可能受到混凝土的影响，导致其无法保持平行，致使声测管预埋工作出现误差。在声测管预埋工作与规范要求不符的情况下，超声波检测结果必将受到严重影响，致使各项数据信息与实际状况发生偏差，造成桩体中存在的质量问题无法及时得到明确与处理，导致桩基工程出现安全隐患。因此必须利用PSD判断法，有效纠正声测管存在的偏差，以此为检测结果精准性与可靠性提供保障。此外，该种判断方法不仅能够减少桩体非缺陷因素对检测结果产生的不良影响，而且还能对桩体存在的蜂窝缺陷进行充分体现。

2.2.3.波幅判断法

在通常情况下，接收波的波幅多是首波波幅，而波幅值能够对超声波引发的衰减状况产生直接影响。在开展检测工作的过程中，考虑到波幅变动对混凝土缺陷的敏感度较高，故而工作人员应对波幅变动进行综合考量，将其作为判断混凝土质量的重要参数，进而提高检测结果的精准性。应将接收声波能量作为桩体测点混凝土质量的判断依据，例如若发现接收声波能量未超过其平均能量的1/2，即代表混凝土存在缺陷。通过对桩身的全部检测剖面进行分析，可发现若桩身混凝土具有良好的完整性，相应曲线将展现直线或不存在明显折点，且波幅将无法出现持续衰减现象。若混凝土存在局部夹泥及蜂窝等质量问题，波幅将出现持续衰减的现象[2]。此外，在桩身存在局部夹层与断桩等缺陷的情况下，超声波无损检测技术获取的声时值将显著增加，波幅将持续缩减，且波形的规律性将明显降低。

结束语：综上所述，超声波无损检测技术在公路工程中具有良好的应用效果，检测范围由单一的大空洞或浅裂缝检测发展到沥青混凝土损伤检测、孔道压浆密实度检测等多种性质的缺陷检测;缺陷的判别由大致定性发展到半定量和定量的程度，未来将会使超声波无损检测推向更高层次的无损诊断和无损评估。

参考文献

[1]康文刚.超声波无损检测技术在桩基工程中的应用[J].交通世界，2020，25（30）：21-22.

[2]张志成.超声波无损检测技术在桩基工程中的应用[J].山西建筑，2018，44（33）：38-39.

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