无损检测技术的基本原理和技术要点探究

现如今，我国经济逐步发展，人口呈逐步上升趋势，在这种背景下，高层建筑以及超高层建筑不断增加，人们的重视的方面也逐渐转变为建筑施工的质量与其结构性能。超声波检测技术是无损检测领域中的一种非常重要的方法。本文介绍了超声波的特点，从混凝土强度检测、混凝土内部缺陷检测和混凝土表层损伤检测三方面探讨了超声波在土木工程无损检测中的应用 ,以充分发挥超声法的优势 ,推广其在土木工程结构无损检测中的应用。

1 引言

超声波具有定向性好、穿透性强、清洁无污染、能够穿透被检测材料的内部的特点，在机械、航天等领域常用作对材料、焊缝等进行探伤和可靠性评定。随着检测技术的不断发展 ,超声波作为一种新型的无损检测手段,其在土木工程中的应用也日益广泛 ,不仅可以用于材料强度的检测 ,也可对材料的内部缺陷、表面裂缝进行检测和描述。

2 混凝土强度的检测

2.1 检测原理

结构混凝土的抗压强度与超声波在混凝土中的传播速度之间的相关性是超声法检测混凝土强度的理论基础。根据弹性力学理论,超声波在混凝土中的传播速度与混凝土的弹性模量、材料密度的关系为:

其中，V为超声波在混凝土中传播的波速；ρ为混凝土的密度；为混凝土的泊松比。

目前常用的表达式：

其中，为混凝土强度换算值，A、B均为常数。

2.2 检测步骤

具体检测步骤为:检测系统→测区数量→测区布置→超声检测→强度推定。由于混凝土的强度和波速之间的定量关系受到混凝土的原材料性质及配合比的影响 ,影响因素有骨料的品种、粒径的大小、水泥的品种、用水量和水灰比、混凝土的龄期、测试时试件的温度和含水率等。所以，对于各种类型的混凝土不可能有统一的f—v曲线，只有考虑各种因素和条件，建立各种专门曲线，在使用时才能得到比较满意的精度。

3 混凝土内部缺陷检测

3.1 混凝土裂缝检测

对于结构混凝土开裂深度不大于 500 mm 的裂缝，可采用平测法或斜测法进行检测。

1）单面平测法

当结构或构件只有一个表面可供检测时,可采用单面平测法进行裂缝深度的检测。检测时可在裂缝检测部位以不同的测距同时按跨缝和不跨缝布置测点，分别测量超声波从T到R的声时值。

2）双面斜侧法

当结构的裂缝部位具有两个相互平行的测试表面（梁、板、柱）时,可采用双面斜测法测量裂缝深度。测量方法将 T，R 换能器分别置于对应测点1 ，2 ，3  的位置 ,读取相应的声时值ti和波幅值Ai及频率值 fi。当 T，R换能器的连线通过裂缝时，超声波在裂缝的界面上产生很大的衰减，接收信号的波幅和频率明显降低。根据波幅和频率的突变，可以判定裂缝的深度以及是否在平面方向贯通。

3.2 混凝土不同密实区和空洞检测

超声检测混凝土内部的不密实区域或空洞的原理，是根据各测点的声时（或声速）、波幅或频率值的相对变化确定异常测点的坐标位置，从而判定缺陷的范围。

3.2.1 检测方法

1）对侧法

当结构具有两对互相平行的测试面时可采用对测法。在测区的两对相互平行的测试面上，分别画间距为200 mm～300 mm的网格，确定出测点的位置，如图3所示。

2）斜侧法

对于只有一对相互平行的测试面可采用斜测法。即在测区的两个相互平行的测试面上，分别绘出交叉测试的两组测点位置。

3）钻孔法

当结构测试距离较大时，可在测区的适当部位钻出平行于结构侧面的测试孔，直径范围为45 mm～50 mm，其深度视测试需要决定，换能器测点布置 。

3.2.2 数据处理与缺陷判定

数据处理：采用3σ法则或萧维纳准则等常用数值分析方法剔除异常数据。缺陷判断 :当测区中某些测点出现声时延长 （或声速降低）、波幅降低、高频部分明显衰减的异常情况时 ,可结合异常点的分布及波形状态确定混凝土内部存在不密实区域和空洞的范围。当判断缺陷是空洞，且只有一对可供测试的表面时，混凝土内部空洞尺寸可按下式进行估算。其他情况参照CECS21:90估算空洞尺寸。

其中th为缺陷处最大声值，mt0为无缺陷声域的平均声值。

4 混凝土表层损伤检测

4.1 检测方法

换能器常选用频率放低的厚度振动式，采用表面平测法进行检测。检测时，换能器布置发射换能器布置在T点耦合好后不动，接收换能器依次耦合安置在 R1，R2，R3  并测读相应的声时值 t1，t2，t3 及两个换能器之间的距离L1，L2，L3  换能器每次移动距离不宜大于100mm，每一测区内不得少于5个测点。

4.2 数据处理及判定

根据各测点的声时及测距，绘制“时—距”坐标图，如图7所示。由于混凝土损伤后使超声波传播速度变化，因此在“时—距”坐标图上出现转折点。由此可求得超声波在损伤层混凝土与未损伤混凝土中的传播速度。

损伤层混凝土的声速为：

未损伤混凝土的声速为：

其中，L1，L2，L3，L5分别为转折点前后各点的测距；t1，t2，t3，t5分别为相对测距L1，L2，L3，L5的声时值。

混凝土表面损伤层的厚度：

其中，L0为声速产生突变时的测距。

超声法检测混凝土缺陷的原理，也可用于混凝土各部位相对均匀性的检测。检测时，测点布置应均匀，间距一般为200 mm～500 mm。然后，根据各测点声速均匀性（用标准差和离差系数判断）来判断混凝土的均匀性。

5 结语

超声波检测方法是结构无损检测的重要手段。超声波检测具有测厚度大、灵敏度高、速度快、成本低、对人体无害，能对缺陷进行定位和定量的优点。随着检测技术的不断发展和检测设备的不断进步，超声法在土木工程结构无损检测中的应用越来越广泛。为了充分发挥超声法的优势，提高其在土木工程结构无损检测中的应用前景，应着重研究超声法在强度检测中的相关强度方程，制订相关内部缺陷检测规范和试验操作规程，使超声法在土木工程结构无损检测中的应用更加规范化。

参考文献:

[1] GB/T 50344-2004,建筑结构检测技术标准[S].

[2] 张小琼,王战军.混凝土无损检测方法发展及应用[J].无损检测,2017,39(04):1-5.

[3] 王纯纯.无损检测技术在混凝土检测中的应用探讨[J].四川水泥,2016(03):259.