超声波技术在混凝土检测中的应用

引言：

在建筑工程领域，混凝土因强度高、成本低、可塑性强等特点，广泛应用于房屋建筑、桥梁、隧道、水利工程等场景。然而，混凝土在浇筑、养护及使用过程中，易因施工工艺不当（如振捣不密实）、环境因素（如冻融循环、化学侵蚀）产生内部空洞、裂缝、强度不足等问题，若未及时发现，可能引发结构开裂、承载力下降甚至坍塌事故。传统检测方法中，钻芯法需从结构中钻取芯样，对混凝土造成破坏性损伤；回弹法受表面碳化、湿度影响大，检测精度有限。超声波技术通过向混凝土内部发射高频声波，利用声波传播速度、振幅、频率等参数与混凝土物理力学性能的关联性，实现无损检测，既避免对结构的破坏，又能覆盖更大检测范围，在工程质量验收、既有结构安全评估中具有不可替代的价值。

1 超声波检测混凝土的基本原理

超声波检测混凝土的核心原理基于“声波传播特性与材料性能的关联性”。超声波是频率高于20kHz的机械波，具有方向性强、穿透能力强的特点。当超声波在混凝土中传播时，会与混凝土内部的骨料、孔隙、缺陷等相互作用，导致声波传播速度、能量衰减、波形畸变等参数发生变化：其一，混凝土强度越高，内部结构越密实，声波传播速度越快，因此可通过建立“声速-强度”对应关系，实现混凝土强度的间接评估；其二，若混凝土内部存在空洞、疏松等缺陷，声波遇到缺陷时会发生反射、折射，导致传播路径变长，传播时间延长，同时能量被缺陷吸收，振幅衰减加剧；其三，混凝土表面或内部裂缝会阻碍声波传播，裂缝宽度越大、深度越深，声波跨缝传播的难度越大，传播速度与振幅的变化越显著。检测过程中，通常采用“双探头透射法”或“单探头反射法”：双探头透射法通过两个分别置于混凝土两侧的探头，一个发射超声波，一个接收超声波，测量声波穿过混凝土的传播时间与振幅；单探头反射法通过单个探头既发射又接收超声波，利用缺陷反射的声波信号识别缺陷位置与大小。检测设备主要由超声波发射仪、探头、数据采集与分析系统组成，部分先进设备可结合成像技术，将声波参数转化为混凝土内部结构的可视化图像，直观呈现缺陷分布。

2 超声波技术在混凝土检测中的具体应用分析

2.1 混凝土强度检测

混凝土强度是衡量其承载能力的关键指标，超声波技术通过建立“声速-强度”校准曲线，实现强度的无损评估。实际检测中，需先根据混凝土的骨料种类、配合比、龄期等参数，制作与工程实际一致的标准试块，分别测定试块的超声波传播速度与抗压强度，绘制校准曲线；检测现场则通过测量结构混凝土的声速，代入校准曲线计算对应强度。相较于回弹法，超声波技术受混凝土表面状态影响更小，尤其适用于表面碳化较严重或潮湿的混凝土结构。例如，在桥梁支座垫石混凝土强度检测中，因垫石表面受支座压力易出现磨损，回弹法检测误差较大，而超声波技术通过透射法测量内部声速，可更准确反映实际强度；在大体积混凝土结构中，超声波还能检测不同深度的强度分布，评估温度应力导致的内部强度不均问题。

2.2 混凝土内部缺陷识别

混凝土内部空洞、疏松、夹层等缺陷是引发结构破坏的重要隐患，超声波技术可通过分析声波传播参数的异常变化，精准定位缺陷并评估缺陷大小。当超声波遇到缺陷时，传播速度会显著降低（通常较正常混凝土低10%-30% ），振幅衰减率大幅提升，且波形会出现明显畸变。通过多测点、多角度检测，可构建缺陷的空间位置模型：例如，在框架柱混凝土检测中，若某区域声速突然下降、振幅衰减加剧，结合不同方向的检测数据，可判断该位置存在内部空洞，并估算空洞的大致范围；在预制构件拼接部位检测中，超声波可识别拼接处的夹层缺陷，避免因拼接不密实导致的承载力不足。部分先进检测设备还支持“超声波断层扫描技术”，通过密集布置测点，生成混凝土内部的断层图像，直观显示缺陷的形状、大小与分布，精度可达厘米级，适用于重要结构（如核电站混凝土安全壳）的缺陷检测。

2.3 混凝土裂缝深度评估

混凝土裂缝（包括表面裂缝与内部裂缝）的深度直接影响结构的抗渗性与耐久性，超声波技术是评估裂缝深度的常用方法。对于表面开口裂缝，通常采用“跨缝法”：在裂缝两侧对称布置测点，测量超声波跨缝传播的时间，同时在无裂缝区域测量基准声速，通过公式计算裂缝深度；若裂缝深度较大或为内部闭合裂缝，可采用“斜测法”，通过不同角度的探头布置，捕捉裂缝反射的声波信号，确定裂缝端点位置，进而计算深度。例如，在墙体混凝土表面裂缝检测中，跨缝法可快速评估50cm以内的裂缝深度；在大坝混凝土内部裂缝检测中，斜测法结合声波成像技术，可准确识别深层裂缝的延伸轨迹，为裂缝修补提供依据。相较于传统的钻孔探测法，超声波技术无需破坏结构，且能检测隐蔽性内部裂缝，大幅提升检测效率与安全性。

2.4 混凝土耐久性监测

混凝土耐久性（如抗冻性、抗碳化性、抗化学侵蚀性）的退化会导致内部结构逐渐劣化，超声波技术可通过长期监测声波参数变化，评估耐久性退化程度。例如，混凝土受冻融循环影响后，内部会产生微裂缝，导致声速下降、振幅衰减增加，通过定期测量声速变化率，可判断冻融损伤程度；混凝土碳化会使表层强度发生变化，超声波通过测量表层与内部的声速差异，可评估碳化深度；在化工环境中，混凝土受化学侵蚀会出现内部疏松，超声波能通过能量衰减特性，早期识别侵蚀损伤。此外，超声波技术还可与其他无损检测技术（如电磁感应法、红外热成像法）结合，构建“多参数融合”的耐久性评估体系，例如通过超声波检测内部结构完整性，结合电磁感应法检测钢筋锈蚀情况，全面评估混凝土结构的耐久性状态。

结束语：

超声波技术凭借无损、高效、精准的优势，已成为混凝土检测的核心技术之一，在强度评估、缺陷识别、裂缝深度测量、耐久性监测中发挥着重要作用。尽管当前面临检测环境干扰、复杂结构适配性差、数据解读专业要求高等挑战，但通过优化检测环境适应性、提升复杂结构检测能力、推动数据解读智能化、拓展多技术融合应用，可有效提升其应用效果。未来，随着人工智能、BIM、多模态传感等技术的融入，超声波技术将向“智能化、可视化、一体化”方向发展，为混凝土结构的全生命周期安全管控提供更有力的技术支撑，助力建筑工程质量与安全水平的整体提升。

参考文献：

[1]超声波技术在混凝土结构缺陷检测中的应用与优化[J].原心红;王刚.佛山陶瓷,2024(05)

[2]超声波技术在混凝土结构缺陷检测中的应用与优化[J].王健;陈永超.城市建设理论研究(电子版),2024(01)

[3]水泥混凝土结构检测中超声波技术的应用研究[J].马先耀.中华建设,2020(09)