非接触混凝土无损检测

曹一波　李帅帅

摘 要：传统的超声波检测混凝土均采用接触式换能方法，对混凝土的组织结构和力学性能有影响，因此，必须采用非接触式超声波检测技术。本项目即采用高灵敏度非接触空气耦合超声波检测系统来进行非接触混凝土无损检测。

关键词：无损检测;非接触检测;混凝土检测

1    混凝土无损检测发展现状

混凝土在古罗马时期已经有了具体的概念，距今已有数千年的历史，可以说混凝土也是人类不可缺少的资源[1]。几千年的历史进程中，人类不断进行着改进以便于满足自身的需求，混凝土的使用功能也越来越丰富，生产工艺也逐渐成熟。同时，人们逐渐注意到混凝土在应用的过程中，需要定期维护。检测相关的技术指标，內部构建形态以及耐久性、适用性和安全性是否能继续满足要求。早在20世纪30年代，格里姆、爱德通过用共振法成功地测量出了混凝土弹性模量，对于混凝土无损检测的发展奠定了基础。接着瑞士人施密特（Eschmid）在1945年发明了回弹仪，用于混凝土检测。到20世纪50年代学者提出了更加现代化的检测技术，超声法检测的提出备受关注，代表人物有加拿大的莱斯利（Leslie）、奇斯曼（Chesman）等。随着新方法和新理论的不断提出以及大量的实验和论证，目前，混凝土检测技术已经获得了巨大的发展。

中国对混凝土无损检测的研究开始于20世纪50年代，并将其列入我国第一个科技发展十二年规划，我国国家建筑委员会于1978年把《混凝土质量非破损检测技术研究》列入了重要的科研項目，该《研究》包含了回弹法等相关技术，并举办了多次全国性混凝土无损检测技术学术交流会、国际性的交流会和多项先进的技术攻关，这些努力大大地推进了我国混凝土无损检测技术的发展，无损检测方法越来越精确，检测技术更加精湛。

项目采用的非接触混凝土无损检测实验主要运用高灵敏度非接触空气耦合超声波检测系统（Non-Contact AirCoupled Ultrasonic Testing，NAUT），包括超声波发射接收器、前置放大器、机械装置、数据处理系统和探头库。采用的原理：利用空气耦合形式的超声波检测技术原理，通过空气耦合式的超声波换能器将力、电和声的耦合并进行能量的转化，从而达到不需要水浸或者其他耦合剂的目的，整个过程对试件没有任何接触（完全无损），通过在线的扫描能够对试件快速地分析，还可以结合有限元仿真分析，从而达到非接触混凝土无损检测的目的。

传统的超声检测方法需要使用水油类等作为检测的耦合剂，传统的耦合剂会使材料试件受潮或变污，甚至会沿缺陷渗入试件内部，影响试件的力学性能和机械性能等。非接触空气耦合超声检测的出现很好地填补了缺憾，以空气作为检测耦合剂的空气耦合超声检测，能够很好地摆脱材料和环境的限制，实现完全非接触的超声检测，对气孔、分层、疏松、脱胶、纤维断裂等缺陷和损伤的检测也能取得较好的检测效果，尤其是能够实现快速在线扫查这一特点，使空气耦合超声检测在未来的无损检测领域中将有着更为广泛的应用。

非接触空气耦合超声检测技术具有非接触、非破坏、非浸入及安全无害的特点，具有很好的应用前景[2]。但是要实现这些优点，要求非接触空气耦合超声波超声检测仪的灵敏度很高。由于空气的声阻抗与换能器材料不匹配，常见的空气耦合超声波换能器还存在着效率较低、频带较窄等方面的缺点，影响实验的相关参数，进而影响到实验结果的精确度。然而，NAUT可以较好地解决这个问题，其已成为一种全新的无损检测方式。

2    空气耦合超声检测的基本原理

2.1  气固界面间的超声能量透射原理

当超声波垂直入射在不同的物质界面处时，声压往返时的透射系数T12可表示为式（1）：

T12                           （1）

其中，Z1，Z2分别是从入射介质进入到透射介质（一般为需要被检测的材料）具有的相应特性声阻抗，将其定义为Z =ρv（ρ是材料密度，v是在介质中声波的传播速度），其单位为kg/（m2s），一般用Rayl表示[1 Rayl=1 kg/（m2s）]。但是空气与混凝土之间存在着巨大的特性声阻抗差，使空气耦合超声波检测技术难以应用。此外，在传播过程中超声波能量吸收衰减、散射的衰减和传播距离以及发射频率均有关，发射频率越高衰减就会越大。同样，传播距离越远衰减也越大。所以，选用高功率发射接收器JPR-600C来发射超声波，在内部增幅80 dB，为实现空气耦合超声波检测技术的实际应用提供了有效手段[3]。

2.2  空气耦合超声波穿透能量透射率的实验

当超声波向薄板结构入射时内部会产生共振。因此，能量透射率会有较大的浮动，远比式（1）透射率大。超声波倾斜入射时的反射波和透射波如图1所示，当超声波由空气（密度ρa，声速va）以频率f、入射角θ向固体薄板（厚度d，密度ρs，纵波声速vl，横波声速vt）发射简谐振动时，在板中激发并向前传播兰姆波。同时向空气中产生泄漏波，该泄漏波的能量透射率T可由式（2）求得[4]：

由式（2）可知，超声波穿透混凝土试件薄板的能量透射率是两侧空气与混凝土密度和声速的函数，也是入射角和fd（频率·板厚）的函数，θl是入射角。入射角θl引起的纵波和横波的折射角分别是θl和θt，kty和k1y分别是沿板厚的横波波数与纵波波数，Z，Zl和Zt是考虑入射角影响的声阻抗，w是发射超声波角频率。

以超声波在从没有剪切刚性的媒质空气或水中传播穿透薄板为例。首先，将简谐振动超声波从空气（ρa=1.3 kg/m2，va= 340 m/s）或水（ρa=1.0 kg/m2，va=1 500 m/s）中向混凝土试件中垂直入射，由式（2）可求得其能量透射率与fd的相关性曲线，具体如图2所示。

可以看到，两者（空气和水）均在2.95 MHz·mm（频率·板厚）和5.9 MHz·mm（频率·板厚）处发生全透射现象并呈现周期性，可用式（3）表示：

（3）

这与板厚方向的纵波共打质率对应。当纵波波长是板厚两倍整数倍时，此时无论所测的试件是什么，都符合全透射的理论。在以水为介质的情况下，高透射率区域的面积要比空气领域的面积大很多，也就是巨大声阻抗差。因为声阻抗差的存在，大大减低了透射率，约﹣95 dB（即使是水为介质也约为﹣23 dB），导致了能量透射率的半值宽很窄。

3    空气耦合超声波检测的仪器

3.1  高频率超声波发射接收器

功用是把接受到的超声波（机械能），换成由其两电极上的电压（电能）输出，所以要做成高效的机械能换电能装置。由于采用的是高频率超声波发射接收器，需要把陶瓷片做得特别易振，并带有阻抗匹配器，使其对微弱的超声波特别灵敏，又可有高电压输出。

3.2  高灵敏度空气耦合超声换能器

将传感器的材质用复合晶片替代能够减小传感器的材料阻抗，从而使得传感器的灵敏度得到提高，同时提高了工作效率以及耦合性，声功率的输出也随之增大，其原理是将压电陶瓷超声波换能器增加耦合层数量，再选用多孔的复合材料对耦合层进行设计。考虑向空气中发射超声波时，在近距离声场界限距离和指向角的基础之上，制作出适应将空气作为耦合介质的超声波探测头[5]。

3.3  空气耦合超声波检测仪的前置放大器

实际情况下，发射接收器的增幅率达到了80 dB，但仍然不能达到超声检测的要求。因此，需要把超声信号进行进一步地增大，前置放大器具有很高声噪比的带通滤波的放大器。最大增幅率达到了140 dB，空气耦合超声波检测的放大参数得到了满足。

3.4  数据处理系统以及探头库，数据处理系统

（1）支持Windows 7操作系统。

（2）高级的数据分析功能具体包括：分析扫描数据、注释功能、版始数据滤波，同时可显示声波波形。

（3）随意移动光标。

（4）弹头库的使用则需要根据不同的频率进行选择。

4    空气耦合超声波检测实验

项目在所测混凝土试件的两边固定空气耦合超声波探头，如图3所示。

左面是发射超声波探头，右面是接收超声波探头。夹持试件的用具可以调节任意角度。发射接收探头的固定在左右两侧30 mm，高度调整在透射波形的最大振幅变化处。耦合探头的最大频率为0.35 MHz，规格为20×24 mm，公称频率为0.4 MHz，使得超声发射器可以发射频率为0.35 MHz，300 Vp-p的电压，同时，在超声发射接收器的内部安置了0.8 MHz的增幅器，进而可以提升发射信号的接收效果。增幅80 dB的超声波发射接收器很好进行了信号的接受，将增幅的信号输出。在接收探头中央插入混凝土试件，控制入射角从θ=0°～20°缓慢变化，同时每变化1°，收集一条波形并输出。试验最终结果如图4所示。

参考图3中的曲实线为试验得到的试件透射率是通过fd=0.350 MHz×2.300 mm=0.805 MHz·mm代入式（2），同时结合声压投射率得到。在实验的过程中，发现即使调整了入射角角度，使它与理论公式得到的尽量接近，但是依旧无法在A0模式临界角附近得到全透射，也不能得到S0模式临界角处的透射率。

经过反复的实验验证以及相关资料的查阅，初步确定是实际接收波形不是理想简谐振动波形的原因，同时，实验中空气耦合探头的规格有限，不能产生理想的平面波形，导致实验的结果与理论应得到的结论有一些偏差。

（1）波兰对40～120 MPa混凝土利用回弹、超声等方法进行试验得到强度拟合公式[6-7]，

回弹法：fc=（1.1-1.4）（0.040 9 N2-0.195 N+7.4）MPa

超声法：fc=（2.0-2.7）（27.48V2-8.12 V+4.80）MPa

（2）意大利利用超声、回弹、拔出、取芯等试验，对30～150 MPa混凝土进行强度公式的拟合[8]，

超声法：fc=10﹣28 V8.127 2 MPa

回弹法：fc=0.000 135 N3.442 4 MPa

拔出法：fc=0.017 140 P1.638 3 MPa

V-测区声速值（km/s）;N-测区回弹值;P-拔出力（kN）。

5    空气耦合超声波超声检测与回弹法混凝土检测方法的比较

对混凝土进行回弹法的检测，实质上是表面硬度法的一种。原理是利用回弹仪内部的运动重锤，通过一定的冲击动能对定在砼表面的冲击杆进行弹击。在回弹过程中，重锤会带动回弹仪指针的运动，便可得到相应的回弹值，得到的回弹值能够体现回弹的能量。然而，其中的能量又能体现出砼表层的硬度和砼抗压强度两者之间的关系。因此回弹值的大小与砼表面的硬度（砼的强度）密切相关，进而达到检测混凝土的目的。

通过上述对回弹法原理的相关介绍可见，由于回弹法需要对砼的表面进行弹击，因此属于接触式的检测方法。此外，对于混凝土表面的相关要求也要达到回弹检测的条件，因为混凝土的表面易受到外界环境的影响，比如混凝土的碳化、干湿条件下的构件，都会對回弹法的检测精度产生影响。加上回弹仪属于机械仪器，其精度受到内部各个相关构件的影响，仪器的同一性相对而言较差，同时还会受到时间的影响[9]。

6    结语

回弹仪的使用仅适用于下述两种情况：规定只作各构件质量的相对比较及均匀性的判断，不作强度推算;以一定数量试件来标定，求出强度与回弹值相关关系后可作为判断强度的辅助手段，同时可作为推算强度的一种手段。通过与回弹法的比较，空气耦合超声波无损检测技术对检测试件的要求相对较低，并且属于无损检测，对试件不产生任何影响，检测灵敏度较高。

[参考文献]

[1]张科强，杨波.混凝土的无损检测方法及其新发展[J].混凝土，2007（5）：99-101.

[2]林书玉.超声换能器的原理与设计[M].北京：科学出版社，2004.

[3]常俊杰，卢超，川鴝統一郎.非接触空气耦合超声波的材料无损评价与检测[J].浙江理工大学学报，2015（4）：532-536.

[4]NISHINO H，MASUDAS，YOSHIDA K，etal.Theoretical and experimental investigations of transmission coefficients of longitudinal waves through metal platesimmersed in air for uses of air coupled uitrasounds[J].Materials Transactions，2008（12）：2861-2867.

[5]常俊杰，卢超，小仓幸夫.非接触空气耦合超声检测原理及应用研究[J].无损探伤，2013（4）：6-11.

[6]MALHOTRA V.Testing hardened concrete：nondestructive methods[J].Amer Concr Inst，1976（9）：180-188.

[7]俞辉.合肥地区结构混凝土测强曲线的建立和应用[J].安徽建筑，1999（5）：99-100.

[8]SOROUSHIAN P，KHAN A，HSU J W.Mechanical properties of concrete materials reinforced with polypropylene or polyethylene fibers[J].Aci Materials Journal，1992（6）：535-540.

[9]姚鋒，廖烈奎.无损检测技术在混凝土工程中的应用[J].铁道技术监督，2002（1）：34.

基金项目：江苏省2019年度大学生实践创新创业训练计划项目（201913986010Y）

作者简介：曹一波（1999— ），男，汉族，江苏南通人，本科生;研究方向：土木工程。