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；