超声波法在钢管混凝土缺陷检测中的应用研究

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摘要：本文深入研究了超声波在混凝土结构中的应用和检测方法，首先解析了超声波检测混凝土的原理和技术，并重点阐述了两种主要的超声波检测方法。然后，文章选择了宁波新世界广场5#地块项目为案例，详细阐述了超声波法在实际工程中的应用情况，并分析了其检测结果。最后，文章探讨了在进行超声波检测钢管混凝土时需要注意的问题，如换能器和钢管之间的耦合问题，钢管和混凝土之间的粘结问题以及尽量减少外来的干扰等。

关键词：超声法；钢管混凝土；缺陷检测；应用研究

引言

钢管混凝土，作为一种重要的建筑材料，因其优良的抗震能力、高强度和极好的塑性，受到了广泛的关注和应用。然而，其施工过程中由于各种因素，可能会产生空洞、不均匀、胶结不良等缺陷，从而削弱了其力学性能和整体性能，这引发了对其质量控制的关注。超声法检测技术，作为一种非破坏性检测方法，因其能有效发现混凝土内部的缺陷，被广泛应用于混凝土结构的质量检测中。但钢管混凝土作为一种特殊的复合材料，检测过程中存在一定的难度和问题。本文旨在深入探讨超声法在钢管混凝土缺陷检测中的应用效果和问题。

一、超声波在钢管混凝土中传播的特点

1.超声波在钢管混凝土中的传播方式

超声波在钢管混凝土中的传播特性显然与在普通混凝土中的行为有所差异。在钢管混凝土超声检测中，由发射换能器生成的超声高频振动波不仅会沿着钢管传播到接收换能器，而且在钢管内的混凝土中存在四种不同的传播方式。例如，如果钢管内的混凝土结构完整且密实，超声波会沿着直线从发射端传播到接收端，其用时最短，声波能量衰减最小。而当钢管内壁与混凝土脱空，或混凝土内部存在空洞时，超声波会在传播过程中经历反射、绕射，这将导致传播时间增长和波形畸变，同时也引起能量的大量衰减。

2.超声波在钢管混凝土中的波形

钢管混凝土中超声波的波形具有明显的特性。当使用超声波穿透法进行检测时，接收到的信号首波是通过钢管混凝土径向传播的超声纵波。这个纵波在其传播路径包括绕过钢管壁半周长的过程中，需要更长的时间，因此其初至波会叠加在首波之后。在没有缺陷的密实混凝土中，超声波的典型波形表现为，接收波的前半部分是直接通过混凝土传播的信号，其波幅较小，脉冲包络线呈圆弧状，首波频率及波幅相对于沿钢管壁传播的超声脉冲较低（如图1a所示）。然而，如果钢管混凝土中存在缺陷，如混凝土与钢管壁脱离或混凝土内部存在较大空洞，接收到的波形会有显著的畸变，首波往往难以识别，而且可能没有明显的包络线（如图1b所示）。因此，这种波形分析可以帮助我们了解并评估钢管混凝土内的缺陷状况。

二、钢管混凝土超声检测的原理方法

1.首波声时法

首波声时法是一种基于超声波传播特性的钢管混凝土检测方法。具体来说，当混凝土内部或钢管与混凝土之间存在缺陷时，超声波发射和接收的路径上会形成不连续的介质。这些不连续的介质可能是由孔洞、裂缝或混凝土的疏松部分形成的，它们中可能充满了具有低声阻抗的气体或水。这种情况下，由于声波透过率极低，低频超声波将选择绕过这些缺陷继续向前传播。在其传播过程中，声波绕射到达接收点所需的“声时”会比声波在混凝土中直接传播所需的“声时”更长。这一现象就反映了存在缺陷的混凝土的超声波声速较小，从而暗示了混凝土内部可能存在缺陷。

2.波形识别法

波形识别法则依赖于超声波参数（如波形、波幅）的变化来评估钢管混凝土的密实度和均匀性。在具体操作过程中，由超声仪发射的脉冲正弦波或脉冲余弦波在传播过程中可能会遇到各种界面，特别是固-气界面。在这些界面上，声波会发生反射、绕射等现象，导致接收到的信号变弱。如果混凝土中存在缺陷或结构非均匀性，声波在传播过程中可能出现散射、绕射，甚至相位发生差异，这些现象将导致接收波形发生畸变。对于存在胶结不良或裂缝的钢管壁，接收到的波形畸变会尤为严重。因此，通过分析接收的脉冲波首波的波幅和波形畸变程度，可以有效地判断钢管混凝土内部是否存在缺陷。

3.首波频率法

首波频率法是一种利用声波频率变化来检测混凝土质量的有效手段。在超声波检测中，虽然发射频率的脉冲波是固定的，但在传播过程中，由于混凝土介质的不均匀性以及内部的缺陷存在，声波在传播过程中会发生反射、折射等现象。尤其是高频声波，其衰减程度更大。在均匀性较差或存在缺陷的混凝土中，高频声波的衰减更为明显，导致接收到的声波主要是低频声波。相对来说，无缺陷且密实的混凝土接收到的首波频率相对较高。因此，通过比较首波频率的大小，可以有效地判断混凝土的密实性以及内部的缺陷大小。

三、超声法在实际工程中的应用分析

1.工程案例选择与说明

在这个部分，我们将专注于分析宁波新世界广场5#地块项目，以了解超声法在实际工程中的应用。该工程位于规划路东边、铸坊街西边，以及规划路的南北两侧，位于繁华的城市中心地带。根据工程的具体需求，选择的矩形钢管柱构件分布在四十一层、四十五层、四十六层以及五十层，其设计强度等级浇筑日期及检测日期见表1。

此次对工程的矩形钢管柱进行超声法检测，主要是出于委托检测的需要，共涉及4个检测构件。所有的检测操作均依据CECS21：2000《超声法检测混凝土缺陷技术规程》进行，对四十一层矩形钢管柱5-T3/5-TA轴布置总测点数104对（、四十五层矩形钢管柱5-T9/5-TE轴布置总测点数66对、四十六层矩形钢管柱5-T7/5-TJ轴布置总测点数60对、五十层矩形钢管柱5-T1/5-TG轴布置总测点数66对，测点布图见图2.1-2.4。

对4个构件的检测原始数据进行计算、分析和判定，结果汇总见表2。

2.超声法在工程案例中的应用

本案例中，超声法在混凝土构件的检测中发挥了关键作用，实际应用中显示出显著的优点和价值。超声脉冲法被用于探测混凝土内部是否存在缺陷。它以其灵敏且便利的特性，成为混凝土缺陷检测中一种得力的工具。

超声法的检测机理主要是基于混凝土与缺陷或裂缝内的空气在阻抗上存在巨大差异。在这种情况下，空气在混凝土中形成了两个声学界面，当超声波射向这两个界面时，就会产生多次反射并衰减，结果使得接收到的信号的首波幅度显著降低。此外，因为超声波在空气中的传播速度远慢于在混凝土中，所以当超声波在传播路径上遇到内部缺陷时，所测得的声时会比密实混凝土的声时要延长。

在宁波新世界广场5#地块项目中，我们对四十一层、四十五层、四十六层和五十层的矩形钢管柱进行超声法检测。依照规程中的第六章进行检测、计算与判定，并根据公式X0=mx-λ1·Sx计算异常情况的判断值。

检测结果显示，四十一层矩形钢管柱5-T3/5-TA轴的判断值X0为3.324km/s，四十五层矩形钢管柱5-T9/5-TE轴的判断值X0为3.098km/s，四十六层矩形钢管柱5-T7/5-TJ轴的判断值X0为2.824km/s，五十层矩形钢管柱5-T1/5-TG轴的判断值X0为3.134km/s。通过检测，未发现小于X0声速值测点数（对）。这些数据都表明在这些检测构件中未发现明显缺陷，从而确认了超声法在实际工程中的有效性和可靠性，以及其在提升工程质量和保障结构安全性方面的重要作用。

3.工程案例中发现的问题

（1）换能器和钢管之间的耦合问题

超声波检测钢管混凝土时，换能器和钢管之间的耦合问题是一个重要的考虑因素。换能器是用来发射和接收超声波信号的关键设备，其作用是将电能转换为声能，或者将声能转换为电能。换能器和钢管之间的耦合效果直接影响超声波信号的传输效果和检测结果的准确性。为了确保良好的耦合效果，一般需要在换能器和钢管之间涂抹足够的耦合剂以消除接触面之间的空气间隙，使超声波能够有效地传播进入钢管。此外，换能器的工作频率、大小和类型，以及安装的位置和角度，都会对耦合效果产生影响，因此在实际操作中需要根据具体情况进行合理选择和调整。

（2）钢管和混凝土之间的粘结问题

钢管和混凝土之间的粘结状态对于超声波检测钢管混凝土的结果也起着至关重要的作用。理想情况下，钢管和混凝土应该紧密结合，以保证超声波在两者之间的顺利传播。但是，如果存在粘结不良的情况，比如钢管和混凝土之间存在空隙或者脱粘现象，这就可能导致超声波信号的传播受到阻碍，从而影响到检测结果的准确性。因此，我们需要在检测前确保钢管和混凝土之间的良好粘结，或者在解读检测结果时充分考虑粘结不良可能带来的影响。

（3）尽量减少外来的干扰

在超声波检测钢管混凝土过程中，我们还需要注意尽量减少外来的干扰。超声波检测是一个相当灵敏的过程，其结果容易受到各种环境因素的影响。例如，环境噪声、设备震动、温度和湿度变化等都可能导致超声波信号的变化，从而影响检测结果的准确性。为此，我们需要采取各种措施来控制和减少这些干扰，比如选择安静的环境进行检测，使用高质量的设备，保持设备的稳定工作状态，以及对检测数据进行适当的处理和分析，以消除干扰的影响。

四、结语

超声波检测技术在混凝土结构的质量控制和安全评估中发挥着重要的作用。该技术的优势在于其无损、快速和实时的特性，可以为工程师提供准确、实时的混凝土内部信息。然而，也需要注意，超声波检测过程中存在一些需要考虑的问题，比如耦合问题、粘结问题和外来干扰，它们都可能影响检测结果的准确性。因此，采用超声波检测混凝土时，我们需要充分理解其工作原理，适当选择检测方法，并在检测过程中注意控制和减少各种可能的干扰。

参考文献：

[1]董保利，俞小虎，任丹伟等.超声法检测建筑工程中钢管混凝土缺陷的试验研究[J].工程技术研究，2019，4（22）：4-5.

[2]曹国辉，祝新，刘辉.超声法检测钢管混凝土质量[J].四川建筑科学研究，2010，36（01）：80-83.

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