大直徑厚壁鋼管混凝土超聲檢測方法研究

周志強

（甘肅省交通科學研究院有限公司，甘肅 蘭州 730000）

0 引言

鋼管混凝土由于具有承載能力高、力學性能良好、制作與施工方便、經濟效益好等優點，越來越多被用于公路橋梁領域。而鋼管混凝土受材料和施工工藝影響，經常出現諸如混凝土空洞、混凝土與鋼管壁脫粘等缺陷，影響鋼管混凝土的承載能力。因此，鋼管內混凝土的灌注密實性檢測非常必要。

1 傳統檢測方法

對鋼管混凝土的灌注密實性檢測，國內規范規定不一：《鋼管混凝土結構設計與施工規程》提出對管內混凝土灌注質量，可用敲擊鋼管的方法進行初步檢查，如有異常則應用超聲檢測方法復測；《鋼管混凝土工程施工質量驗收規范》認為應檢查鋼管內混凝土澆筑工藝試驗報告及混凝土澆筑施工記錄；《超聲法檢測混凝土缺陷技術規程》規定采用徑向對測法或埋置聲測管檢查鋼管混凝土缺陷，但前提是鋼管壁與混凝土膠結質量良好。歸納以上關于鋼管內混凝土灌注質量的檢測，其方法有三：

1）人工敲擊法；

2）檢查資料法；

3）超聲檢測法。

通過檢查資料的方法檢查管內混凝土的灌注質量這里不作討論。

1.1 人工敲擊法

人工敲擊法是通過小錘敲擊鋼管外壁，根據聲音回響判斷鋼管外壁與核心混凝土的粘結質量的方法。如聲音渾沉無震感，則說明管壁與混凝土結合緊密；如果聲音清脆發空，則可能是混凝土與鋼管出現脫空現象。人工敲擊法需要熟練的人工操作與豐富的經驗，檢測過程中人為因素較大，缺陷判斷的準確性差，且只能檢測鋼管與混凝土的粘結質量，對管內混凝土是否存在空洞等缺陷無法達到檢測目的。另外，此方法對薄壁鋼管適合，而當鋼管壁厚超過20mm時，通過聲音判斷鋼管與混凝土的粘結質量將變得困難。

1.2 超聲檢測法

超聲檢測法是用超聲波檢測鋼管混凝土的質量，由于超聲波在混凝土中傳播時其聲學參數會發生變化，而超聲波的聲學參數與核心混凝土的密實度、均勻性及其與鋼管壁的粘結情況等有關。根據超聲儀接收信號的超聲聲時或聲速、初至波幅度、接收信號的波形和頻率變化情況，作相對比較分析，判定鋼管混凝土的各類質量問題。

一般檢測時采用首波聲時法，通過檢測穿透鋼管混凝土的首波聲時值來判斷鋼管混凝土內部是否存在缺陷。超聲波的首波可以穿透鋼管混凝土到達一另端，也可沿鋼管壁到達另一端。只有當發射換能器發射的超聲波透過核心混凝土到達接受換能器的時間t混小于超聲波沿鋼管壁到達接受換能器的時間t管時，才能避免穿透鋼管的超聲波首波受到沿鋼管壁傳播的超聲波干擾，造成混亂而無法識別。

對于圓形鋼管混凝土，超聲波沿鋼管混凝土徑向傳播的時間t混和沿鋼管壁半周長傳播的時間t管的關系為：

式中：

R-鋼管的半徑；

v混-超聲波在鋼管內混凝土中傳播的速度；

v管-超聲波在鋼管壁中傳播的速度。

在工程領域，超聲波在混凝土中的傳播聲速一般在3650～4900m/s，在鋼材中傳播的聲速大致為5300～5700 m/s。以最大值計算，鋼材中超聲波傳播速度為5700m/s，那么只要在測試過程中所有測點的波速大于3628m/s，便可認為檢測時的超聲波直接穿透鋼管混凝土，于是可通過綜合所有測點的聲時（波速）進行分析，找出存在缺陷的測點。

超聲波在鋼管混凝土中的傳播是由鋼管到混凝土再到鋼管的過程，再加上混凝土的非均質性，造成了超聲波在鋼管混凝土中的傳播行為非常復雜。當鋼管混凝土直徑較大時，波在鋼管混凝土中傳播的路徑也相應變長，復雜的反射、散射、折射等也發生更多，波能量衰減更嚴重。這就可能導致從鋼管混凝土中透射的首波難以被超聲儀分辨出。

2 改進檢測方法

在傳統超聲波檢測鋼管混凝土灌注密實性方法的基礎上進行改進，在鋼管內預埋聲測管，除檢測聲測管包圍范圍內混凝土澆筑質量外，在鋼管外壁也布置換能器，使其與聲測管內的換能器形成一個發射-接收過程，以此來判斷鋼管與混凝土之間是否存在脫粘現象，見圖1。先通過聲測管A、B、C、D分AB、AC、AD、BC、BD、CD六個剖面檢測幾根聲測管范圍內混凝土的密實性，然后通過聲測管內的徑向換能器和鋼管外壁的平面換能器檢測Aa、Bb、Cc、Dd之間混凝土與鋼管壁的粘結質量。

圖1 改進超聲法檢測鋼管混凝土灌注密實性示意

該方法通過在鋼管內預埋聲測管，有效縮短了每次檢測超聲波在混凝土中的傳播距離，使儀器能清楚分辨首波，達到檢測目的。同時還能檢測混凝土與鋼管的粘結質量，達到完整檢測鋼管混凝土灌注質量的目的。

3 工程實例

某懸索橋索塔采用3m直徑的鋼管混凝土，塔高60.5m,鋼管壁厚0.05m。因鋼管壁厚較大，人工敲擊法檢測僅做參考，主要以超聲法對混凝土灌注質量進行檢測。

3.1 傳統超聲波法

以索塔2.5m長為代表，豎向每0.5m布置一個測試截面，共5個測試截面，從下往上分別用1、2、3、4、5表示，每一截面布置4個對測點，分別為A-A1、B-B1、C-C1、D-D1。先檢測超聲波在鋼管中的傳播速度，結果為5323m/s。然后檢測鋼管混凝土整體的聲時和波速。

3.2 改進超聲波法

采用改進超聲波法對上文的2.5m鋼管混凝土進行檢測，豎向同樣每0.5m布置一個測試截面，共5個測試截面，從下往上分別用1、2、3、4、5表示，鋼管內預埋4根聲測管。

無論是聲測管范圍內混凝土的密實性檢測還是混凝土與鋼管間粘結質量的檢測，各測點的聲速都在4400m/s左右，均大于3628m/s且無異常測點。說明該段混凝土澆筑質量良好，不存在混凝土空洞、裂縫或混凝土與鋼管脫粘的缺陷。由于在檢測鋼管與混凝土粘結質量時，超聲波先穿過混凝土后穿過鋼管壁，超聲波在鋼管中傳播的速度大于在混凝土中傳播的速度，使得超聲波通過混凝土再通過鋼管傳播的平均速度大于只在混凝土中傳播的速度。

4 結論

本文介紹了鋼管混凝土管內混凝土灌注質量的一般檢測方法，并在考慮大直徑厚壁鋼管混凝土基礎上對檢測方法進行了改進，通過工程實例驗證得出以下結論：

1）人工敲擊法對厚壁鋼管混凝土鋼管與混凝土粘結質量的檢測較難實現；

2）傳統超聲檢測法對大直徑鋼管混凝土的灌注質量檢測不適合；

3）改進后的超聲檢測法可檢測各種直徑的鋼管混凝土管內混凝土灌注質量；

4）改進后的超聲法可較好地檢測鋼管內混凝土的灌注質量，既可以檢測混凝土內部空洞、裂縫缺陷，又可以檢測鋼管與混凝土的粘結質量，在類似工程中可參考應用；

5）由于大直徑鋼管混凝土多應用于高度較大的結構體系，采用改進超聲波檢測法檢測其管內混凝土灌注質量時需要長時間高空作業，危險性和困難性不言而喻。