超声法检测钢管混凝土缺陷主要技术试验研究

邵志向，杨 赐

(中铁第四勘察设计院集团有限公司 武汉市 430061)

超声检测技术是检测混凝土质量的重要手段[1]。最初由德国和英国学者将超声检测技术用于检测混凝土的质量[2-3]。 我国近些年来先后颁布了一些应用超声波检，深入而系统地研究了超声波检测混凝土强度和缺陷等技术。经过几十年的发展，虽然对超声法检测钢管混凝土缺陷进行了改进与完善，但是根据之前许多学者的研究情况[4]来看，普遍存在超声波在钢管混凝土传播中出现短路以及估算钢管混凝土中缺陷大小的问题。因此基于模型试验对这两个问题进行了研究。

1 超声法检测钢管混凝土缺陷的关键问题

1.1 声波短路

如图1所示，声波短路问题是指超声波沿钢管壁传播的绕射声时比沿钢管混凝土传播的透射声时小。根据换能器原理，只能接收首波处理，无法收到从混凝土内部穿射信号，将不能判别钢管内混凝土中的缺陷。超声波以5900m/s速度在钢材中传播，而以(3600～4800)m/s速度在混凝土中传播，所以在检测矩形、圆形钢管混凝土构件时，超声波一般首先会沿钢管壁传播到对侧换能器。有部分学者用空钢管做超声波沿钢管壁传播速度，测出传播速度为3200m/s,得出低于超声波在混凝土传播速度，因此不会出现超声波短路结论[5]。然而超声波在空钢管传播是以横波形式传播，而在钢管混凝土中传播形式并非如此，传播速度也不是3200m/s，而是接近于在钢材中的传播速度，这样就会出现声波短路问题。

1.2 估算混凝土中缺陷大小

当前常用的超声法检测技术，主要依据现行的《超声法检测混凝土缺陷技术规程》，此规程中计算方法如下：

如图2所示，设两个换能器之间间隔为L，空洞核心(在另一垂直测试面上声时最长的测点对应的位置)距一个测试面的垂直距离为Lh，声波在无缺陷混凝土中传播的声时平均值为Mta, 绕着空洞传播的时间(检测空洞周围传播的最大声时)为Th,空洞半径为R,设X=(Th-Mta)/ Mta×100%；Y=Lh/L；Z=R/L。根据X、Y值，可由表1得Z，再计算出空洞的大致半径R。

当被检测的构件只能提供一对可供测试的位置时，只能按空洞位于测试中心考虑，则空洞大小可按下式计算:

(1)

式中：R为空洞半径；L为左右俩换能器之间的距离，mm；Th为空洞周围传播的最大声时值，μs；Mta为无缺陷混凝土传播的平均声时值，μs。

在试验中发现，查表不能查出空洞比较大的数值。而且，在试件只有一对测试的点时，用式(1)计算，算出的试件空洞直径超出钢管直径。

表1 查表法估算空洞大小

2 试验研究

2.1 试验目的

(1)超声波在钢管中灌注混凝土后沿钢管壁传播的速度；

(2)具体情况下超声波在钢管混凝土中传播路径；

(3)估算混凝土缺陷大小的改善方法及验证。

2.2 超声波在钢管混凝土中传播试验

2.2.1试件设计

共制作10个钢管混凝土试件,并用铁皮隔离钢管与混凝土的接触，达到初凝后将铁皮抽出，使超声波不能沿混凝土传播，并制作5个无钢管的混凝土试件进行对比(如图3)。试件直径为325mm，高度为500mm。

2.2.2试验方法

采用NU70声波透射法自动测桩仪，测线沿圆周方向布置，耦合剂为黄油，测点间距按《规程》规定的进行布置(如图4)。

2.2.3试验结果

15个试件所采集的波形均正常，各试件所测声速计算结果见表2、表3。

从两个声时数据可以看出，超声波在钢管混凝土中的传播声时比在同直径的素混凝土中传播声时大，由于钢管壁很薄，可以忽略不计，因此两种声时应该接近，而实测相差甚远，所以排除超声波在钢管混凝土中沿直线传播。进一步分析，用钢管的半周长除以传播声时510.51/87.06=5.86km/s，与超声波在钢材中传播声速5.9km/s相近。因此超声波在钢管混凝土中沿钢管壁传播声速为5.86km/s，比超声波在混凝土中的传播速度大，所以可能出现短路现象。下面对不同情况下超声波在钢管混凝土中是否会出现短路进行了分析。

表2 钢管混凝土试件试验结果(μs)

表3 混凝土试件试验结果(μs)

如图5所示为钢管混凝土横截面示意图，假设超声波沿钢管壁和直线传播的声时分别为tr、tz，直径为d，钢管壁厚为a，超声波在钢材中传播速度为vs，在混凝土中传播速度为vc。

根据图中的几何关系得：

(2)

(3)

由于实际中vc

(1)当πvc-2vs=0时，d>不成立，但

(2)当πvc-2vs>0时

d>负值，恒成立，因此，tr>tz恒成立，即超声波沿直线传播；

(3)当πvc-2vs<0时

此时d存在，tr与tz的大小与d、vc、t都有关系，需具体情况具体对待。

2.3 估计缺陷尺寸大小试验

2.3.1试件设计

为了估算用超声法检测混凝土缺陷的大小，在钢管混凝土中预埋了不同尺寸的细沙实体，做成圆锥形状方便细沙倒出，浇注混凝土时在圆锥尖处插一个导管，混凝土凝结后经过导管将沙子倒出形成空洞。空洞分别所占试件整体体积的5%、10%、15%、20%，并制作无缺陷作对比。

2.3.2试验结果

检测制作的试件，记录每个测点的数据，如表4所示。

用《规程》估算试件缺陷大小时发现，在20%试件1-1测试点，X=22.10，Y=0.369，超出表查找范围。另外，在只有一对可供测试表面时，用公式(1)算出的空洞直径超出钢管直径，如20%试件，测试点2-1、3-1，不符合实际。因此，根据超声波所用声时最短原理，采用下面这种改善方法计算, 各尺寸如图6所示。

根据图中的几何关系可以得到：

(4)

式中：a为空洞中心到测试面的垂直距离，mm，未知时取d/2。其他字母同式(1)。

为形成对比，将此种方法和《规程》方法计算结果列在表4中。从表中看出当缺陷不大时，两种算法的结果相近，但是在分析20%缺陷试件时，两种算法有很大的差距。采用改善方法估算缺陷尺寸，不会出现查不到或算出的缺陷尺寸大于钢管直径的情况，且更接近于实际直径，如在2-1测试点，《规程》中方法比实际偏差21.7%，而改善方法偏差4.4%。因此采用改善方法估算缺陷尺寸比较合理且更精确，能够达到工程要求，可用来指导实际工程，改善超声法检测钢管混凝土的技术指标。

表4 试验结果

3 结论

(1)超声波在有混凝土的钢管壁上传播速度约5.9m/s，比在混凝土传播的速度大很多。因此在用此方法检测钢管混凝土缺陷时应预防出现短路。

(2)超声波在混凝土与钢管不密实情况下会产生断路；在混凝土与钢管密实情况下，当超声波在混凝土中的传播声速大于等于2Vs/π时不会出现短路，否则，需要根据具体情况，分别将d、t等参数代入式(2)、式(3)，得出tr与tz的大小关系，超声波沿声时小的路径传播。

(3)提出估算缺陷大小的改善方法、公式，采用此改善方法、公式估算缺陷大小更加全面且更符合实际。