用超声波定量探测钢管混凝土缺陷的研究

用超声波定量探测钢管混凝土缺陷的研究新疆交通科学研究所黄克超陈晓光摘要：本文提出了一种用超声波首波声时定量检测钢管混凝土缺陷的一种方法，该法使用简单，经试验验证测试精度满足工程要求。

关键词：超声波钢管混凝土缺陷检测一、概述非金属超声波探测技术是近年来发展非常迅速的一项实用技术，其基本原理是用人工的方法在被测材料或结构中激发出一定频率的弹性波，然后以各种不同的频率在材料或结构内部传播并通过仪器接收。

通过分析研究所接收的信号，就可了解材料与结构的力学特性和缺陷分布情况。

超声波探测对被测结构没有损伤，而且简便易行，因此在土木建设工程中得到了越来越广泛的应用。

非金属超声波探测技术在国外起步较早，随着电子技术和仪器制造业的飞速发展，超声探测仪的精度越来越高，而且体积也越来越小，用于探测混凝土的仪器和各种探测方法也不断的涌现出来。

到目前为止，已可以用超声波探测普通混凝土的内部空洞、表层缺陷、裂缝深度、抗压强度等，也可探测钻孔灌注桩的施工缺陷。

但探测钢管混凝土中的缺陷要比探测素混凝土要复杂一些，这主要是因为外层钢管的存在使超声波的传播受到影响而使得探测波形难于解释。

从已发表的文章来看，对于钢管混凝土内部缺陷只能定性地检测。

如何利用超声波定量探测钢管混凝土的灌注质量就成为施工和监理部门所关心的问题之一。

我们通过理论分析和试验研究，提出了一种利用超声波声时定量检测钢管混凝土中钢管与混凝土间缝隙宽度的方法，经实际工程验证，完全满足工程检测的要求，现将此方法作一介绍供同行参考。

二、问题的提出新疆库尔勒市孔雀河大桥是一座１５０米跨径的中承式钢管混凝土拱桥，该桥在我区是第一次修建，钢管内混凝土的灌注质量能否达到规范的要求需要用无损检测的手段进行探测。

因此，我们承担了检测管内混凝土灌注质量的任务。

按照验收规范的要求，钢管内混凝土的填充度必须达到９８％以上。

面对这一个有具体数量要求的指标，必须要摸索出一套行之有效的检测方法，尤其在定量检测方面要有所突破。

纵观现有的检测方法，如前所说，都是一些大概、可能、差不多的定性描述，只能判断有没有缺陷，而对缺陷的大小、裂缝的宽窄无法定量描述。

虽然前人有一些定量检测素混凝土缺陷的方法，但不能直接应用到钢管混凝土的检测中去。

这是因为外面有了一层钢管，它对超声波的传播就有了一定的限制。

超声波在传播过程中可以通过多种路径到达另一端。

在超声探测中，首波的一些特性参数具有很重要的参考价值。

超声波的首波可以延径向穿过钢管－混凝土－钢管到达另一端，也可以沿着钢管壁到达另一端。

超声探头接收到的声时是首波到达的时间，如果声波沿钢管壁传播的时间小于延径向穿透钢管混凝土的时间，则无法用超声波对其进行探测。

下面就对这一现象进行说明并讨论超声探测的范围。

设超声波径向传播的声时为ｔ1，•沿钢管壁半周长传播的声时为ｔ2，则：式中：Ｖ1、Ｖ2分别为声波沿钢管混凝土直径与沿钢管壁传播的声速。

根据一般工程中钢管混凝土设计强度要求，我们将混凝土的声速Ｖ1的取值范围大致定为3650 m/s－4900 m/s，•钢材的声速Ｖ2取5700 m/s。

则：由此可见，只要混凝土与钢管胶结密实，声波沿钢管壁传播的时间总是落后于声波穿透钢管混凝土的时间。

这样才有可能使穿透钢管混凝土的超声波首波不受延管壁到达的超声波的影响。

从钢管混凝土现场灌注的方法来看，可以认为在钢管混凝土中出现较大空洞的可能性极小，最常见的缺陷是钢管与混凝土之间的脱离。

因此，对钢管混凝土工程来讲，检测的主要任务就是判断脱离缝隙的大小。

针对这一情况研究相应比较有效的检测方法就是我们目前的当务之急。

通过理论分析和比较试验，我们提出了一种利用超声波声时定量检测钢管混凝土缝隙的方法。

经试验验证，可以满足工程检测的要求。

三、用超声波检测钢管混凝土缝隙宽度的原理在超声波通过有缝隙的钢管混凝土时，通过的时间由以下几部分组成：１、声波穿过钢管壁的时间ｔ1式中，ｄ为钢管壁的厚度；Ｖg为钢材的波速。

２、声波穿过混凝土的时间ｔ2式中，•Ｄ为两探头之间的距离；Ｘ为缝隙宽度；Ｖh为混凝土的波速。

３、声波穿过缝隙的时间ｔ3式中，Ｘ为裂缝宽度；Ｖk为空气的波速。

则超声波穿过钢管混凝土所需要的时间为：式中ｔ是超声波穿过钢管混凝土的总声时。

•ｄ、Ｄ、Ｖg、Ｖh、Ｖk均为已知，则可从上式解出缝隙宽度Ｘ：以上方法从原理上讲非常简单。

应该说，原理越简单的东西越接近实际情况，也越容易被人们接受。

如果能比较精确的测定混凝土的波速Ｖh、•钢管的内直径Ｄ和穿透钢管混凝土的总声时ｔ，就可比较准确的算出缝隙宽度Ｘ。

在以上公式的应用中，有一点情况需要说明：式中的钢材声速Ｖg，空气的声速Ｖk从严格的意义上讲指的是在无限大介质中的传播的纵波声速，计算公式为：式中Ｅ是材料的弹性模量；ρ是材料的密度；μ是材料的泊松比。

而材料在传播纵波的同时，还要产生一种横波和表面波在材料中传播，它的传播速度分别为：式中Ｇ为材料的剪切弹性模量。

从以上三式可以看出，•ＶL〉ＶT〉ＶR。

即纵波速度大于横波速度，横波速度大于表面波速度。

所以仪器接收到的超声波首波声时应是纵波的首波声时。

横波和表面波的首波无论从任何路径都将落后于纵波的首波。

根据材料的物理特性可知，一般钢材的纵波声速为５７００m/s；混凝土的纵波声速变化范围较大，不同强度混凝土的声速大约在３６００－４９００m/s之间；空气的纵波声速约为３４０m/s。

声波在有限介质中的传播速度受试件横向尺寸的影响而有所变化。

随着试件横向尺寸的减少，纵波速度可能向杆、板的声速或表面波的速度转变，使声波在有限介质中传播的速度比在无限介质中的传播速度略低。

下图表示同一种材料在不同横向尺寸的试件上测得声速的变化情况：从图中可以看到，当横向最小尺寸ｄ≥２λ（λ为波长）时，传播速度与大体积中的波速相当；当λ〈ｄ〈２λ时，传播速度降低２.５－３％；当０.２λ〈ｄ〈λ时，传播速度变化较大，约为６－７％。

钢材的波速是５７００m/s，混凝土的波速按４０００m/s计，空气的波速是３４０m/s。

•由此可分别计算出它们的波长（设探头频率为５４kHz）：λG ＝０.１０６mλH ＝０.０７４mλK ＝０.００６m在本工程中，钢管的厚度是１cm，混凝土的直径是０.５８m，而缝隙的宽度一般都小于６mm，按照前面所说，我们对钢材的波速和空气的波速都进行了相应的折减。

钢材波速取５３００m/s，空气波速取３１６m/s。

代入1式就可进行计算了。

四、试验验证为了验证上述方法，我们分别检验了混凝土试块的模拟裂缝和足尺寸的钢管混凝土试件裂缝，试验结果如下：试验⑴：用标准块做模拟试验所谓标准块是ＰＵＮＤＩＴ超声波仪自带的一块金属棒，它是专门用来校正仪器的。

声波通过它的标准时间是２６.２μＳ。

模拟试验图式如下：试验结果见下表：注：在用直尺测量缝宽时，•测量的精度实际只能达到0.5mm。

试验⑵：用混凝土试块作模拟试验试验时，先将每一个混凝土试块的声速测出，然后按下图进行模拟试验：误差的平均值为－０.０３６mm。

均方差为１.０３２mm。

从以上结果可以看出，若能较精确的测量混凝土的声速、两探头间的距离和超声波的传播时间，就可用声时法准确的计算出缝隙的宽度。

我们把它称之为"超声声时法"。

试验⑶：用足尺寸的钢管混凝土节段做模拟试验。

在本试验中，我们分别用足尺寸的钢管混凝土模拟制作了以下不同的缺陷。

它们是：１．空钢管２．完好无缺陷的钢管混凝土３．混凝土中有空洞的钢管混凝土４．钢管壁与混凝土产生脱离现象的钢管混凝土５．未灌满的钢管混凝土首先，我们提取了以上五种试件的超声波波形并进行了试验对比（波形图略），从得到的波形来看，不同的缺陷对超声波形的影响不是很明显，而且相同的缺陷在不同的位置测试时，波形前半部分的变化也是随机的。

而后半部分曲线大都有一个明显的梨形包络，在这之前就是一些杂波干扰，很难找出由缺陷产生的特征。

这主要是因为声波沿着钢管传播衰减很少，其波幅相对穿过混凝土的声波波幅要大的多。

若要使沿钢管的声波波形完全显示出来，则穿过混凝土的声波波幅就变的很小，基本上被噪声湮没。

而且由于混凝土的各向异性，相同的钢管混凝土在不同测点的波形变化也很大，（我们曾经在同一种缺陷的钢管混凝土的不同位置上做过多次试验。

）这也说明影响超声波形的因素很多，很难把它确定在一个单因素范围内进行研究，所以也就无法准确确定各种标准的缺陷波形作为基准进行对比。

因此我们认为，仅用波形来判断缺陷比较勉强，有很大的人为因素和随意性。

要想获得比较满意的检测效果，未知数不能太多。

只有经过仔细分析，排除其它缺陷存在的可能性之后，才能对已知缺陷进行定量分析。

对于现代的钢管混凝土来讲，灌注混凝土的施工工艺已经比较成熟，内部出现大空洞的可能性很小。

最容易出现的问题是钢管和混凝土之间胶结不良产生缝隙。

检测缝隙的大小就是我们要解决的首要问题。

在钢管混凝土节段试件中，我们用声时法对裂缝宽度进行了试验检测。

声时法中要求要先比较准确的测出混凝土的声速以及两探头间的距离，而钢管内的混凝土我们无法直接触及，所以只有通过间接的方法获得钢管内混凝土的声速。

我们先用小锤敲击钢管，由于密实和有缝隙的钢管混凝土之间声音差别很大，所以很容易找到钢管与混凝土胶结良好的位置。

然后将探头放在直径位置，测得一个声时Ｔ0；再将探头放在有缝隙的位置测得一个声时Ｔ1.由Ｔ0可算出混凝土的声速ＶH，•然后和Ｔ1一起代入1式就可算出缝隙宽度。

这样做还可以消除由于探头和钢管之间耦合不同所产生的误差。

下面是在钢管混凝土节段试件中试验的结果：从上面的表中可以看出，用声时法可以比较准确的测出钢管与混凝土之间缝隙的宽度。

五、"声时判断法"的误差分析从声时法的原理来看，影响最终测试结果准确性的主要因素有以下几个方面：⑴．测试声时ｔ一般的超声波检测仪的读数精度在微秒级，少数比较好的仪器读数精度可达0.1微秒。

•单从仪器精度来看，一微秒的读数误差可产生0.34mm的缝隙测量误差。

也就是说，一般的仪器精度就可满足工程测试的要求。

实际上测试声时ｔ的主要误差来源于实际操作中的耦合误差。

所以实际检测时要严格按照超声测试的规范进行操作，尽量减少耦合误差。

⑵．两探头间的距离Ｄ由于检测钢管混凝土时探头必须放在直径两端的位置，所以它们之间的距离无法直接测量，只能利用半园的弧长算出两点的距离。

这就要受到钢管椭园度的影响。

如果长、短直径相差1cm，按这个量值可计算出测试的偏差为0.88mm。

⑶．混凝土声速Ｖh由前面的介绍可知，不同强度的混凝土对波速的影响是很大的。

一般强度每变化十兆帕，声速变化300m/s－500m/s。

而且是随着强度增加声速的变化量增高。

对于同一强度和配合比的混凝土，在理论上讲声速应该不变。