声波检测技术在混凝土桥梁检测中的应用分析探究

祝俊平

(苏交科集团股份有限公司 江苏南京 210019)

随着我国社会经济的发展，混凝土桥梁建设规模和数量也不断增加，人们对混凝土的质量要求也越来越高，为了使桥梁建设质量进一步提高，检测单位应对混凝土桥梁实施检测，确保桥梁运行安全性。在混凝土桥梁检测过程中，声波检测技术可以对波纹管注浆缺陷以及整体浇筑质量等进行分析。因此，检测单位应以工程实际情况为基础，使用声波检测技术对桥梁进行检测，及时发现结构中的病害并进行处理。

1 混凝土桥梁检测过程中声波检测技术的优势

在混凝土桥梁检测过程中，传统的检测方式不但存在误差较大的问题，还会对桥梁造成伤害。随着科技的发展，声波检测技术越来越成熟，相较于传统检测技术，声波检测技术可以在不破坏桥梁结构的前提下，对潜在问题进行检测，且具有检测误差较小的特点。与此同时，在声波检测技术实际应用过程中，还具有检测成本较低、检测时间较短以及检测工作效率较高等优点。因此，该项检测技术在混凝土桥梁检测过程中应用越来越广泛。通过使用声波检测技术对混凝土桥梁实施检测，可以使检测准确性进一步提高，及时发现混凝土桥梁存在的缺陷，不但可以为混凝土桥梁质量控制提供借鉴，还可以为混凝土桥梁后期保养和维护提供参考。

2 混凝土桥梁结构强度和声波波速的关系

通过对桥梁定期实施检测，不但可以了解桥梁的使用状态，还可以为后续桥梁养护奠定基础。使用声波检测技术对桥梁实施检测过程中，可以在不破坏桥梁本身结构的前提下，对区域实施覆盖性检测，及时发现质量隐患，为混凝土桥梁质量控制和桥梁使用过程的保养和维修提供借鉴。声波检测技术主要以混凝土中声波传递过程中波动、波速等数据变化情况为基础，通过对其进行处理，达到分析桥梁内部构造的目的[1]。在实施声波检测过程中，为了准确地判断隐患所在的具体位置，检测人员应将一些非结构传播声音过滤掉，并对桥梁结构强度和波速之间的关系进行分析，在此过程中，检测人员可以从纵波和横波两个方向出发进行分析，主要公式如下。

式（1）中，Vp为纵波波速，单位：km/s；Vs为横波波速，单位：km/s；E为弹性模量，单位：MPa；ρ为混凝土密度，单位：g/cm3；μ为剪切模量，单位：MPa；σ为泊松比。在混凝土桥梁检测过程中，泊松比、剪切模量以及弹性模量都是表示介质力学性质的重要参数，由于混凝土为脆性材料，因此，在混凝土桥梁试验过程中，混凝土密度取2.6 g/cm3，泊松比取0.18。

在具体工程检测过程中，其标准试块的波速和抗压强度之间呈正相关关系，根据试验测试数据可知，两者之间为幂指数关系，关系式如下。

式（2）中，Vp为纵波波速（单位：km/s）；α、b为回归参数；Rb为混凝土抗压强度（单位：MPa）。由于不同地区其混凝土骨料组成不同，因此抗压强度回归参数也各不相同，通常情况下，回归参数b的取值范围为3.0～3.5，回归参数α的取值范围为0.25～0.40。

在检测过程中，检测人员应以混凝土力学性能指标试验测试结果为基础，对混凝土抗压强度进行分析。通常情况下，当混凝土桥梁强度等级为C30～C80时，声波纵波波速范围应为3.7～4.8 km/s，其抗压强度范围为16.7～50.2 MPa，检测人员可以将该数值作为参考值，对混凝土强度进行分析和评价。与此同时，当混凝土强度等级为C15～C25 时，其声波波速应大于3.5 km/s，若检测所得到的声波波速小于3.5 km/s，则该区域混凝土结构可能存在缺陷。。

3 声波检测技术的基本方法

在混凝土桥梁声波检测过程中，主要检测内容包括表面损伤层厚度、混凝土结合面质量、混凝土内部不密实区和空洞、裂缝深度、混凝土强度等内容。当前声波检测技术的基本方法主要分为如下几种。

3.1 透射波法

在混凝土桥梁检测过程中，相较于反射波法和折射波法，透射波法所获得的能量更大，其具有各类波形易于辨认，波形干扰较小、清晰等特点。在使用透射波法进行检测过程中，检测人员应对发射探头和接收探头之间的距离进行测量，并对其测量精确度进行控制，防止产生检测误差[2]。若两者之间的距离无法准确测量时，检测人员应采取多点测定的方式进行检测。当被测混凝土存在裂缝或较大的损坏导致声波衰减系数增加，或检测距离较大时，检测人员可使用锤击法对其进行检测。通过使用透射波法可以得到声波的波速情况，进而达到检测混凝土桥梁质量的目的。

3.2 反射波法

使用接收换能器和发射换能器对混凝土桥梁质量进行检测。检测人员应先使用发射换能器发射超声波，超声波在混凝土中传播并产生反射波，使用接收换能器接收反射波，通过分析反射波的波速等可以得到混凝土桥梁的质量情况。在该检测过程应用过程中，为了便于追踪反射波，保障波形的稳定性，检测人员应对接收探头和发射探头之间的距离进行控制[3]。与此同时，在发射探头测区中，反射波法可以对截面相距较近的反射波进行分辨，具有干扰较小的特点。当观测点与发射探头距离较近时，反射波射线方向通常与反射面的法线一致，波形更清晰，可以使检测准确性进一步提高。

声波在混凝土传播过程中，由于波前的阻尼和凝滞等吸收作用以及发散作用，波内压缩部分和稀疏部分之间的辐射和热传导作用，在反射波形成过程中，随着距离的增加，入射波的振幅也会出现按指数规律衰减的情况。与此同时，混凝土裂缝长度和宽度、破碎程度，界面曲率，层理以及节理等因素也会导致振幅出现衰减，因此，在计算过程中，检测人员应综合考虑各种因素，使计算准确性进一步提高。

4 声波检测技术的应用实例

在某桥梁施工过程中，其施工总长度为550 m，顶部实际宽度为22.5 cm，底部实际宽度为11.5 cm。在实施合拢张拉施工过程中，施工人员严格按照施工方案和规范进行施工，但是中跨和边跨混凝土底板出现了崩裂的问题，通过对其实施加固处理后，仍存在开裂问题，为了保障其施工质量，应使用声波检测技术对该混凝土桥梁实施检测。

4.1 在混凝土桥梁顶板检测中声波检测技术的应用

该桥梁顶板总面积共1 310 m2，测得的平均波速为4.69 km/s，由此可知该桥梁顶板混凝土强度大于C45。通过观察可知，顶板中间位置的波速较高，最高可达4.81 km/s，且分布呈现出均匀连续的特点，而顶板两翼波速值则相对较低，出现了较为明显的低波速带，宽度为2～3 m，其波速大小为2.3～4.1 km/s，由于该位置非桥梁的主要荷载区域，受力相对较小，因此不会对桥梁稳定性产生影响。

4.2 在混凝土桥梁底板检测中声波检测技术的应用

该桥梁底板检测总面积共为540 m2，测得的平均波速为4.10 km/s。使用声波检测技术对其底板进行检测时，通过观察可知，该桥梁底板呈现出中间高、两侧低的分布状态，波速分布不均匀，且存在明显的低波速区域，由此可知其底板强度相对较低。与此同时，通过对检测结果进行分析可知，底板左侧存在宽度为1～1.5 m的低波速带，波速小于3 km/s；底板右侧存在宽度为2～3 m的低波速带，波速小于2 km/s。结合实际施工情况进行分析可知，该桥梁底板位置存在裂缝，检测单位应对底板裂缝及时进行处理，保证其使用质量和安全性[4]。

4.3 在混凝土桥梁左腹板检测中声波检测技术的应用

该桥梁左腹板检测总面积为324 m2，混凝土强度等级应大于C50，通过检测可知左腹板的平均波速为4.5 km/s，符合混凝土强度等级要求。与此同时，根据检测结果可知其左腹板下方幅度较小，但是整体施工质量较好，不会对其整体稳定性产生较大的影响。

4.4 在混凝土桥梁右腹板检测中声波检测技术的应用

该桥梁右腹板检测总面积为324 m2，其混凝土强度等级应大于C60。根据检测结果可知，右腹板的平均波速为4.70 km/s，而且数据分布较为均匀，相较于左腹板，其波速和强度较高，其使用效果和质量较好。但是，在其上部存在一个宽度为1 m的低速异常区域，波速为4.1 km/s，通过对其进行进一步检查，并没有发现病害，且该处强度符合要求，由此可知，该桥梁右腹板质量满足要求。

5 分析检测结果

通过对该桥梁顶板、底板、右腹板以及左腹板实施声波检测可知，该桥梁结构右腹板、左腹板以及顶板没有明显的结构缺陷。但是在对底板进行检测过程中，其波速存在分布不均匀的情况，且存在较为明显的低速带，通过进一步的分析可知，该桥梁底板处存在裂缝，且裂缝处于发育状态。为了保障桥梁施工质量，使桥梁运行安全性进一步提高，检测单位应对桥梁底板裂缝进行合理处理[5]。

为了对混凝土桥梁结构中的质量问题进一步分析，检测人员应以实际施工情况为基础，制定不同强度的试验板，并对其进行声波检测试验[6]。在对试验板进行制作过程中，所用的钢筋直径为8 mm 和20 mm，试验板的设计情况见图1和图2。其中，图1是以不同振捣条件下的试验板设计图，图2 是以不同强度等级的混凝土试验板的设计图。使用声波检测技术分别对其进行试验可知，声波在非震荡区和震荡区的传播速度较低，均不超过4.1 km/s，但是在轻微震荡区中，声波的传播速度相对较快，均大于4.1 km/s。当混凝土强度等级为C30 时，波速相对较低，为3.5～4.4 km/s；当混凝土强度等级为C50时，其波速达到最大值，为5.2 km/s。与此同时，试验板中缺陷较为明显，通过对不同缺陷的试验板进行声波检测，可以了解各缺陷的主要表现，为实际工程缺陷分析提供借鉴。通过对3个不同强度等级混凝土结构试验板的声波散射时程进行记录可知，其下部为散射能量，上部为二维瞬态谱，且二维瞬态谱纵轴表示频率，横轴表示波速传播时间（距离）。通过对声波散射时程结果进行进一步分析可知，当传播时间不同时，其所对应的频率能量分布也各不相同，因此，检测人员可以以能量强弱为依据，对混凝土试件缺陷、强度进行分析。在此过程中，通过对波速散射时间轴（横轴）中散射能量所在的空间位置进行分析可知，小面积缺陷是导致该混凝土结构试件出现散射波高频能量的主要原因。

图1 不同振捣前提下的试验板设计图

图2 不同混凝土强度等级的试验板设计图

除此之外，通过对该桥梁工程声波检测缺陷试验板进行模拟，根据检测结果可知，在对缺陷试验板CT剖面波速进行分析时，3 个低速区域主要位于设计梁木板（60 cm×10 cm×5 cm）、泡沫板（30 cm×30 cm）、泡沫板（20 cm×20 cm）位置处。在该试验中，激发点和检波器之间的距离为0.25 m，并使用0.25 m×0.25 m的计算网络对其进行分析，由于其分辨率较大，无法准确分辨泡沫板（10 cm×10 cm）中的异常体；与此同时，对直径为15 cm、长度为65 cm的空心波纹管实施检测时，由于其横截面相对较小，导致几乎全部的高速声波检测射线都绕过外侧壁实施传播，无法准确分辨空心波纹管中的异常体；在使用声波检测法对结构中体积相对较小的砖块进行检测过程中，其声波波速大于混凝土的标号，该处所显示颜色较深，波速较高，但是不能完全确定该现象是否是由砖块本身引起的。

通过对比桥梁工程实际情况和声波CT 检测试验结果可知，试验结果的声波波速分布图准确性和清晰度较高，可以准确反映桥梁工程的混凝土缺陷、强度以及浇筑均匀性等情况，试验结果符合实际情况。

6 结语

检测单位应选择合理的检测方式对其进行检测，由于声波检测技术具有诸多优点，因此，在混凝土桥梁检测过程中，其应用越来越广泛。在使用声波检测技术进行检测过程中，检测人员应以实际施工情况为基础，对混凝土桥梁的各个构件进行检测，并以声波检测结果为基础，对混凝土桥梁中可能存在的缺陷进行合理判断。与此同时，为了使检测结果准确性进一步提高，检测人员还应根据工程实际要求制定试验板，并以试验板检测结果为依据，对混凝土桥梁缺陷原因及特点进行分析，保障桥梁的建设质量，使桥梁使用安全性进一步提高，促进我国桥梁工程事业的发展。