道路混凝土质量的超声波无损评估方法

对道路、桥梁及隧道等混凝土结构进行质量评估，其核心指标——如厚度、强度和弹性性能——的精确测量至关重要。传统的取芯破坏性试验方法，不仅成本高昂、耗时费力，更会对结构本身造成不可逆的损伤。因此，发展高效、可靠的无损检测（NDT）技术，一直是工程界追求的目标。超声波法，凭借其穿透性和对材料力学性能的敏感性，为此提供了极具潜力的解决方案。

然而，将超声波技术应用于混凝土并非易事。混凝土是一种典型的非均匀介质，其内部粗骨料的存在会对超声波产生强烈的声散射，严重干扰有效信号的传播与接收。这使得利用超声波精确检测混凝土厚度、评估其内部性能成为一项公认的技术难题。攻克这一难题，主要从两个方向展开：一是提升超声波换能器的性能，二是开发先进的信号处理算法，以从复杂的噪声中提取出有用的底波反射信号。

1. 混凝土厚度的超声波检测技术

精确测量混凝土路面或支护结构的厚度，是评判工程质量的基础。面对声散射的挑战，研究人员开发了多种方法来提升检测的准确性。

1.1 窄脉冲探头直读法

对于厚度在20cm左右的混凝土，可以采用一种特殊设计的宽带窄脉冲超声波换能器。这种探头工作在厚度振动模式（即 K<sub>t</sub> >> K<sub>P</sub>），中心频率约200kHz，脉冲响应极短（约1个周期），带宽则达到约2倍频程。其核心优势在于时间分辨率高，且径向的直达波信号较弱，这使得从混凝土界面反射的回波信号更容易被识别。

检测时，采用一发一收的布置方式（如图1）。首先测定混凝土的声速 c，再测量超声波从发射到接收到界面反射回波的时间 t。混凝土的厚度 L 可通过以下几何关系计算得出：

L = 0.5 * √(c²(t - t₀)² - d²)

其中：

• d：两个探头之间的距离
• t₀：系统的零读数或仪器延迟

图1 窄脉冲直探头法示意图

在实际接收到的波形（如图2）中，可以清晰地分辨出发射耦合信号（E）、沿表面传播的直达波（D）以及关键的底面反射波（R）。

图2 窄脉冲直探头法接收波形图

1.2 脉冲相关法

当混凝土厚度超过20cm时，声散射效应愈发严重，简单的直读法难以奏效。此时，必须借助信号处理技术。脉冲相关法便是其中一种有效手段。该方法的物理基础是：尽管骨料散射具有随机性，但来自同一底面的反射波形具有高度的相似性（相关性）。

具体操作是，先从一个信号质量较好的样本中提取一个理想的底面反射波，将其作为“母波”序列。然后，将这个母波与其他实际接收到的、混杂着噪声的回波信号（子波）进行互相关运算。运算结果中，相关峰值最强的位置就对应着底面反射波的准确到达时间，从而可以计算出厚度。如图3所示，这种方法能够有效锁定底波位置，测量误差可控制在5%以内。

图3 互相关运算输出序列

1.3 分离谱法

分离谱法是另一种高级信号处理技术，其原理基于散射波和反射波在频域上的不同表现。在一个理想化的混凝土模型中（如图4），来自大量骨料的散射回波会因干涉效应，其信号幅度随频率变化而剧烈起伏。相比之下，来自平整底面的反射回波，其幅度对频率变化的依赖性要小得多。

图4 混凝土路面结构层的理想化模型

利用这一特性，可以设计一套处理流程（如图5）。首先用时窗截取包含底面反射和散射信号的波段，接着让信号通过一组中心频率不同的带通滤波器（例如，从50kHz到175kHz，间隔25kHz，采用FIR数字滤波器设计）。对各滤波器的输出进行幅度归一化补偿，最后进行极小化处理。处理后的输出序列中（如图6），最高峰值的位置便清晰地指向了底面反射波。该方法的测量误差可以控制在3%至5%。

图5 分离谱法系统框图

图6 原始接收信号（a）与极小化输出序列（b）对比

要获得信噪比高、结果可靠的图谱，对信号处理算法的选择、滤波器参数的配置都有极高要求。这正是专业检测实验室的核心价值所在。

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2. 动弹性模量与泊松比的超声波测定

除了几何尺寸，材料的力学性能，如动弹性模量（E<sub>d</sub>）和泊松比（ν），对评估结构承载能力和耐久性同样关键。这些参数与超声波在固体中的传播速度（纵波速度c<sub>p</sub>、横波速度c<sub>S</sub>、表面波速度c<sub>R</sub>）之间存在明确的物理关系：

c<sub>p</sub> = √[(E<sub>d</sub>/ρ) * (1 - ν) / ((1 + ν)(1 - 2ν))]

c<sub>S</sub> = √[(E<sub>d</sub>/ρ) * 1 / (2(1 + ν))]

c<sub>R</sub> = [(0.87 + 1.12ν) / (1 + ν)] * √[(E<sub>d</sub>/ρ) * 1 / (2(1 + ν))]

其中 ρ 是材料密度。通过这些基本关系式可以推导出，只要测得 c<sub>p</sub> 和 c<sub>S</sub>，或 c<sub>p</sub> 和 c<sub>R</sub>，就可以联立求解出动弹性模量 E<sub>d</sub> 和泊松比 ν。

在路面现场，通常采用平测法（如图7），同时测量纵波速度 c<sub>p</sub> 和表面波速度 c<sub>R</sub>。当纵波换能器置于路面时，接收到的波形中，最先到达的是纵波（图7中标记1），随后振幅突然增大的部分是表面波（初至点标记2，第一个峰值点标记3）。

图7 平测法接收波形

为了消除仪器零读数和材料不均匀性的影响，实践中采用多点平测法。通过在不同距离上进行测量，绘制声时-距离曲线（如图8）。该图上会呈现出两条斜率不同的直线，其斜率的倒数分别对应纵波和表面波的速度。由此求得 c<sub>p</sub> 和 c<sub>R</sub> 后，即可计算出路面混凝土的动弹性模量和泊松比。

图8 声时-距离曲线

表1展示了在某高速公路上，利用超声波法测定的结果与传统取芯法的对比，同时给出了计算得到的动弹性模量和泊松比。

表1 高速公路水泥混凝土路面动弹性模量和泊松比的测量结果

3. 抗折强度的超声波-回弹综合法评估

抗折强度是路面混凝土工程质量的核心验收指标。传统方法依赖于制作标准试件进行破坏性试验，但试件的养护条件和密实度很难与实际路面完全一致，导致其代表性存疑。而现场取芯进行劈拉试验，又会破坏路面结构。

超声波-回弹综合法为现场无损评估抗折强度提供了新途径。该方法结合了超声波声速（反映材料内部致密性）和回弹值（反映表面硬度）两个参数，通过建立经验回归公式来预测抗折强度。

为建立可靠的回归模型，研究人员根据工程要求（如设计抗折强度4.5MPa，坍落度1-2.5cm）和常用配合比（如425/525水泥，石灰石/花岗岩碎石等），在室内制作了大量试件，并在不同龄期（7d, 28d）进行试验。通过对试验数据进行回归分析，可建立如下形式的抗折强度回归公式：

f<sub>cu</sub><sup>c</sup> = 1.4554 × 10<sup>-5</sup> * R<sup>0.434</sup> * c<sup>1.3239</sup>

其中：

• f<sub>cu</sub><sup>c</sup>：混凝土抗折强度 (MPa)
• R：回弹值
• c：超声波声速 (m/s)

该经验公式的相关系数为0.88，标准误差为7.5%，表明其具有良好的预测精度。从表1的数据对比中也可以看出，在高速公路现场，采用该综合法检测的抗折强度与取芯法的结果相当接近，验证了其在实际工程中应用的有效性和可靠性。